Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ, НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ
«КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ»
ВИДАВНИЧО-ПОЛІГРАФІЧНИЙ ІНСТИТУТ
КАФЕДРА ТЕХНОЛОГІЇ ПОЛІГРАФІЧНОГО ВИРОБНИЦТВА
Контрольна робота
з курсу «Фізико-хімічні методи аналізу»
Виконала: студентка группи СТМ 71 __________________ Мокрецова К. О.
Перевірив : __________________ Шерстюк В. П.
Київ - 2012
Хроматографія (від др.-греч. Χρῶμα - колір) - динамічний сорбційний метод розділення і аналізу сумішей речовин, а також вивчення фізико-хімічних властивостей речовин. Грунтується на розподілі речовин між двома фазами - нерухомою (тверда фаза або рідина, що міститься на інертному носії) і рухомого (газова або рідка фаза, елюент). Назва методу пов'язана з першими експериментами з хроматографії, в ході яких розробник методу Михайло Цвєт поділяв яскраво забарвлені рослинні пігменти.
Газова хроматографія - різновид хроматографії, метод поділу летючих компонентів, при якому рухомою фазою служить інертний газ (газ-носій), що протікає через нерухому фазу з великою поверхнею. В якості рухомої фази використовують водень, гелій, азот, аргон, вуглекислий газ. Газ-носій не реагує з нерухомою фазою і поділюваними речовинами. Розрізняють газо-твердофазну і газо-рідинну хроматографію. У першому випадку нерухомою фазою є твердий носій (силікагель, вугілля, оксид алюмінію), у другому - рідина, нанесена на поверхню інертного носія. Розділення засновано на відмінностях в летючості і розчинності компонентів суміші, що розділяється. Цей метод можна використовувати для аналізу газоподібних, рідких і твердих речовин з молекулярною масою менше 400, які повинні відповідати певним вимогам, головні з яких - летючість, термостабільність, інертність, легкість отримання. Цим вимогам в повній мірі задовольняють, як правило, органічні речовини, тому газову хроматографію широко використовують як серійний метод аналізу органічних сполук.
Устаткування для газової хроматографіїГоловним приладом для цього методу досліджень є газовий хроматограф:
Схема газового хроматографа
1 - джерело газу-носія (рухомої фази)
2 - регулятор витрати газу носія
3 - пристрій введення проби
4 - хроматографічна колонка в термостаті
5 - детектор
6 - електронний підсилювач
7 - реєструючий прилад (самописець, комп'ютер)
8 – витратомір
Газо-рідинна хроматографія - розділення газової суміші внаслідок різної розчинності компонентів проби в рідині або різної стабільності комплексів. Нерухомою фазою служить рідина, нанесена на інертний носій, рухомий - газ.
Рідинна хроматографія - це хроматографія, в якій рухомою фазою є рідина. Рідинна хроматографія розділяється на рідинно-адсорбційну (поділ сполук відбувається за рахунок їх різної здатності адсорбуватися і десорбувати з поверхні адсорбенту), рідинно-рідинну, або розподільну (поділ здійснюється за рахунок різної розчинності в рухомий фазі - елюента і нерухомій фазі, фізично або хімічно прищепленої до поверхні твердого адсорбенту), іонообмінну хроматографію, де поділ досягається за рахунок оборотної взаємодії аналізованих іонізуючих речовин з іонними групами сорбенту - іоніту. Особливе місце у використанні методів рідинної хроматографії займають ексклюзійна, або гель-хроматографія і аффінна, або біоспецифічна. Рідинна хроматографія як метод була відкрита в 1903 російським ученим Михайлом Цвєтом, який використовував для поділу рослинних пігментів на їх складові колонки, заповнені порошком крейди. Запропонований Цвєтом метод рідинної хроматографії був незаслужено забутий і майже не застосовувався більше 30 років.
Основи хроматографічного процесу
Для проведення хроматографічного поділу рідин або визначення їх фізико-хімічних характеристик зазвичай використовують спеціальні прилади - хроматографи. Основні вузли хроматографа - хроматографічна колонка, детектор, а також пристрій для введення проби. Колонка, що містить сорбент, виконує функцію поділу аналізованої суміші на складові компоненти, а детектор - функцію їх кількісного визначення. Детектор, розташований на виході з колонки, автоматично безперервно визначає концентрацію поділюваних з»єднань в потоці рухомої фази. Після введення аналізованої суміші з потоком рухомої фази в колонку зони, розташованої на початку хроматографічної колонки. Під дією потоку рухомої фази компоненти суміші починають переміщатися уздовж колонки з різними швидкостями, величини яких взято обернено пропорційними коефіцієнтам розподілу К (або констант розподілу) хроматографуючих компонентів. Добра сорбуючість речовини, значення констант розподілу для яких взято великі, пересуваються вздовж шару сорбенту по колонці повільніше, ніж погано сорбуючі. Тому швидше за всіх з колонки виходить компонент А, потім компонент Б і останнім покидає колонку компонент В (КА <КБ <КВ). Сигнал детектора, величина якого пропорційна концентрації визначуваної речовини в потоці елюента, автоматично безперервно записується і реєструється (напр., на діаграмній стрічці). Отримана хроматограмма відображає розташування хроматографічних зон на шарі сорбенту або в потоці рухомої фази в часі.
Радіоспектроскопія - сукупність методів дослідження будови речовини, а також фізичних і хімічних процесів в ній, заснованих на резонансному поглинанні радіохвиль. Дана наука вивчає речовину в твердому, газоподібному і рідкому станах. Ряд досліджень структури атомів і молекул здійснений за допомогою молекулярних і атомних пучків, коли взаємодія між частинками практично відсутня. Радіоспектроскопія відрізняється від оптичної спектроскопії, інфрачервоної спектроскопії і мессбауеровскої g-спектроскопії малими енергіями поглинаючихся квантів. Це дозволяє вивчати тонкі взаємодії в речовині, що викликають дуже малі розщеплення енергетичних рівнів. Крім того, в Р. при одночасному опроміненні речовини радіохвилями декількох різних резонансних частот можна змінювати відносну населеність рівнів енергії і спостерігати переходи, замасковані зазвичай побічними взаємодіями.
У радіоспектроскопії існує декілька відокремлених напрямків.
Мікрохвильова спектроскопія досліджує переходи між рівнями енергії, зумовленими: або обертальними рухами молекул, що володіють постійним дипольним електричним моментом; або тонкою структурою коливальних рівнів, викликаної інверсними рухами в молекулах типу аміаку; або тонкою структурою обертальних рівнів, пов'язаної з взаємодією квадрупольних моментів ядер з неоднорідними молекулярними електричними полями. Оскільки в рідині і твердому тілі вільне обертання молекул загальмоване, то в мікрохвильовій радіоспектроскопії досліджуються гази.
Ядерний магнітний резонанс (ЯМР) - резонансне поглинання радіохвиль, обумовлене переходами між рівнями енергії, які виникають при взаємодії магнітних моментів ядер із зовнішнім магнітним полем Н. Частота цих переходів w = Gн, де g - відношення магнітного моменту ядра до його спину. У полі Н = 104гс ЯМР спостерігається в інтервалі частот 1-50 Мгц. Лінії ЯМР розширюють і розщеплюються через взаємодії ядер один з одним і з електронними оболонками (спектр ЯМР). У твердих тілах спектр ЯМР в основному обумовлений прямою взаємодією між магнітними дипольними моментами ядер, а для ядер зі спіном I> 1/2 також взаємодією їх електричного квадрупольного моменту з неоднорідними електричними молекулярними і кристалічними полями. Ці магнітні переходи спостерігаються і у відсутності зовнішнього магнітного поля (ядерний квадрупольний резонанс, ЯКР). Ширина спектральної лінії ЯМР в твердому тілі близько 104гц (ЯМР низького дозволу). В рідині і газі тепловий рух частинок усереднює вказані взаємодії, лінія ЯМР різко звужується, наприклад до 10-2 гц в чистих органічних рідинах (ЯМР високого дозволу). Спектр в цьому випадку визначається магнітними полями електронних оболонок і непрямим взаємодією між ядерними спинами (через електронні оболонки).
Електронний парамагнітний резонанс (ЕПР) - резонансне поглинання радіохвиль, обумовлене переходами між рівнями, які виникають при взаємодії з зовнішнім магнітним полем Н магнітних моментів неспарених електронів атомів, іонів і вільних радикалів, а також магнітних моментів носіїв струму в металах і напівпровідниках. Частота ЕПР пропорційна зовнішньому полю, наприклад при Н = 104 гс w ~ 1010-1011гц. Лінії ЕПР розширюються і розщеплюються через взаємодії електронів з внутрішніми полями в кристалах, з електронним оточенням у вільних радикалах і з електронами провідності в металах і напівпровідниках. Це призводить до появи спектру ЕПР. Додаткове розщеплення спектральної лінії ЕПР може відбуватися через взаємодії електронів з ядрами, що володіють магнітними моментами.
Циклотронний резонанс (ЦР) спостерігається в металах і напівпровідниках, поміщених в магнітне поле Н, при збігу частоти хвилі з циклотронною частотою носіїв струму. Він обумовлений переходами між орбітальними рівнями електронів провідності, утворених їх взаємодією з полем Н. Спектр ЦР в металах визначається енергетичним спектром електронів провідності в напівпровідниках, зонної структурою, концентрацією, рухливістю і ефективною масою електронів і дірок.
Феромагнітний резонанс (ФР) - феррімагнітний резонанс і антиферомагнітний резонанс (АФР). У магнітовпорядкованих середовищах спостерігається резонансне поглинання радіохвиль, пов'язане з колективним рухом магнітних моментів електронів. Діапазон резонансних частот зазвичай 1010-1013Гц. Спектр визначається взаємодією електронів з зовнішнім магнітним полем, анізотропією і розмагнічується факторами, а в антиферомагнетиках також обмінною взаємодією.
Методи радіоспектроскопії використовуються для вивчення структури молекул і характеру молекулярного руху в рідинах і твердих тілах, хімічної кінетики, механізму хімічних реакцій, залежно реакційної здатності від молекулярного і стереохімічні будови (ЯМР, ЕПР), енергетичного спектру та властивостей напівпровідників металів (ЯМР, ЕПР, ЦР), а також магнетиків (ФР) і антиферомагнетиків (АФР), біологічних процесів і фізіологічно активних речовин (ЯМР, ЕПР). ЯМР, ЕПР застосовуються для контролю та управління хіміко-технологічними процесами. Прилади для дослідження спектрів ЕПР, ЯМР та ін називаються радіоспектроскопи або радіоспектрометрами.
Спектроскопія - розділ фізики та аналітичної хімії, присвячений вивченню спектрів взаємодії випромінювання (в тому числі, електромагнітного випромінювання, акустичних хвиль та ін) з речовиною. У фізиці спектроскопічні методи використовуються для вивчення всіляких властивостей цих взаємодій. В аналітичній хімії - для виявлення і визначення речовин за допомогою вимірювання їх характеристичних спектрів, тобто методами спектрометрії. До істотних переваг спектроскопії можна віднести можливість діагностики in situ, тобто безпосередньо в «місці існування» об'єкта, безконтактно, дистанційно, без будь-якої спеціальної підготовки об'єкта. Тому вона отримала широкий розвиток, наприклад, в астрономії.
Пряма задача спектроскопії - пророкування виду спектру речовини виходячи зі знань про її будову, склад та інше. Зворотнє завдання спектроскопії - визначення характеристик речовини (які не є безпосередньо спостережуваними величинами) за властивостями її спектрів (які спостерігаються безпосередньо і прямо залежать як від обумовлених характеристик, так і від зовнішніх факторів).
По об'єктах дослідження можна виділити наступні види спектроскопії: атомна спектроскопія, молекулярна спектроскопія, мас-спектроскопія, ядерна спектроскопія та інші. За типом випромінювання, яке використовується в спектроскопії для порушення взаємодії, а також за типом реєстрованого випромінювання, її можна розділити на оптичну спектроскопію, рентгенівську спектроскопію, фотоелектронну спектроскопію, Мессбауеровску спектроскопію, мас-спектроскопію, спектроскопію з використанням радіовипромінювання і т. д.
Оптична спектроскопія - спектроскопія в оптичному (видимому) діапазоні довжин хвиль з примикаючими до них ультрафіолетовим і інфрачервоним діапазонами (від декількох сотень нанометрів до одиниць мікрон). Цим методом отримано переважну більшість інформації про те, як влаштована речовина на атомному і молекулярному рівні, як атоми і молекули поводяться при об'єднанні в конденсовані речовини. Особливість оптичної спектроскопії в порівнянні з іншими видами спектроскопії полягає в тому, що більшість структурно організованої матерії (крупніше атомів) резонансно взаємодіє з електромагнітним полем саме в оптичному діапазоні частот. Тому саме оптична спектроскопія використовується в даний час дуже широко для отримання інформації про речовину.
Оптична спектроскопія зародилася в 1802 році, коли були відкриті фраунгоферові лінії - темні лінії в спектрі Сонця. Ці лінії заново відкрив і описав Фраунгофер в 1814 році. У 60-ті роки XIX століття Кірхгоф дав майже правильну трактовку цих ліній, вважаючи що це лінії поглинання, зумовлені наявністю в атмосфері Сонця різних газів, і що з кожним газом пов'язана певна лінія. Цілеспрямована наукова спектроскопія почалася в 1853 році, коли Андрес Йонас Ангстрем зіставив лінії випромінювання газів з різними хімічними елементами - так зародився новий метод отримання інформації про склад речовин - спектральний аналіз. Оптична спектроскопія сильно вплинула на розвиток фізики в цілому. Квантова механіка була створена і підтверджена в значній мірі завдяки спектроскопическим дослідженням. Квантова електродинаміка була створена на основі радіоспектроскопії (спектроскопії в радіодіапазоні). Вважається, що її положення були підтверджені експериментально після того, як був зареєстрований Лембовский зсув.
Електронна спектроскопія є дуже чутливим і зручним методом для визначення спектрів поглинання, пропускання або відбиття, вивчення кінетики реакції, що супроводжується спектральними змінами. У звичайних умовах спектри мають дифузний характер, що обмежує їх застосування речовинами, мають хромофорної групи (ароматичні цикли, кратні зв'язки і т. п.). Ці спектри дозволяють встановлювати наявність тих чи інших груп в молекулі, тобто здійснювати груповий аналіз, вивчати вплив замісників на електронні спектри і будова молекул, досліджувати таутомерію та інші перетворення. Види електронної спектроскопії: фотоелектронна спектроскопія, Оже-спектроскопія, рентгеноспектральний мікроаналіз.
Мікроскопія ( грецьк. μΙκροσ - дрібний, маленький і σκοποσ - бачу) - вивчення об'єктів з використанням мікроскопа. Поділяється на кілька видів: оптична мікроскопія, електронна мікроскопія, багатофотонна мікроскопія, рентгенівська мікроскопія або рентгенівська лазерна мікроскопія, що відрізняються використанням електромагнітних променів з можливістю розгляду та отримання зображень мікроелементів речовини в залежності від роздільної здатності приладів ( мікроскопів).
Рис. 1. Будова оптичного мікроскопа: A - окуляр; B - об'єктив; C - об'єкт; D - конденсор; E - предметний столик; F - дзеркало.
Ультрамікроскоп - оптичний прилад для виявлення найдрібніших (колоїдних) частинок, розміри яких нижче межі роздільної здатності звичайних світлових мікроскопів. Можливість виявлення таких часток з допомогою М. обумовлена дифракцією світла (огинання світлових хвиль перешкод) на них. При сильному бічному освітленні кожна частка в М. відзначається спостерігачем як яскрава точка на темному фоні. Внаслідок дифракції на найдрібніших частинках розсіюється дуже мало світла, тому в М. застосовують, як правило, сильні джерела світла. В залежності від інтенсивності освітлення, довжини світлової хвилі, різниці показників заломлення частинки і середовища можна виявити частинки розмірами від 20-50 нм до 1-5 мкм. По дифракційним плямам не можна визначити істинні розміри, форму та структуру частинок: М. не дає оптич. зображень досліджуваних об'єктів. Однак, використовуючи М., можна встановити наявність і чисельну концентрацію частинок, вивчати їх рух, а також розрахувати середній розмір часток, якщо відомі їх вагова концентрація і щільність.
М. створили Г. Зідентопф (H. Siedentopf) і P. Зігмонді (R. Zsigmondy) в 1903. Ультрамікроскопи застосовуються головним чином в колоїдній хімії.
6. Люмінесцентна мікроскопія
Метод дослідження у світлі люмінесценції (люмінесцентна мікроскопія, або флуоресцентна мікроскопія) полягає в спостереженні під М. зелено-помаранчевого світіння мікрооб'єктів, яке виникає при їх освітленні синьо-фіолетовим світлом або не видимими оком ультрафіолетовими променями. При цьому методі в оптичну схему М. вводяться два світлофільтри. Перший з них поміщають перед конденсором; він пропускає від джерела-освітлювача випромінювання лише тих довжин хвиль, які збуджують люмінесценцію або самого об'єкта (власна люмінесценція), або спеціальних барвників, введених в препарат і поглинених його частками (вторинна люмінесценція). Другий світлофільтр, встановлений після об'єктиву, пропускає до ока спостерігача (або на фоточутливий шар) тільки світло люмінесценції. В люмінесцентній мікроскопії використовують як освітлення препаратів зверху (через об'єктив, який в цьому випадку служить і конденсором), так і знизу, через звичайний конденсор. Спостереження при освітленні зверху інколи називають «люмінесцентною мікроскопією у відбитому світлі »(цей термін умовний, збудження світіння препарату не є простим віддзеркаленням світла).
Метод широко застосовується в мікробіології, вірусології, гістології, цитології, в харчовій промисловості, при дослідженні грунтів, в мікрохімічному аналізі, в дефектоскопії. Розмаїття застосувань пов'язані з надзвичайно високою колірною чутливістю ока і високою контрастністю зображення об'єкта на темному нелюмінесцентному тлі, а також цінністю інформації про склад і властивості досліджуваних речовин, яку можна отримати, знаючи інтенсивність і спектральний склад їх люмінесцентного випромінювання.
Люмінесцентні мікроскопи являють собою звичайні біологічні мікроскопи, з яскравим джерелом світла (як правило, ртутно-кварцові лампи, випромінюючі ультрафіолет і синьо-фіолетові промені, збуджуючі люмінесценцію) і набором світлофільтрів, призначених для виділення із загального світлового потоку строго певних ділянок спектру. Флюорохромами, зв'язуючись з НК (нуклеїнові кислоти) або білками, утворюють стійкі комплекси, які світяться в люмінесцентному мікроскопі жовто-зеленим, оранжево-червоним, коричнево-червоним кольорами.
Атомно-силова мікроскопія - вид зондової мікроскопії, в основі якого лежить силове взаємодія атомів (строго кажучи обмінна взаємодія атомів зонда і досліджуваного зразка).
Атомно-силовий мікроскоп (АСМ, англ. AFM - atomic-force microscope) - скануючий зондовий мікроскоп високо роздільної здатності. Використовується для визначення рельєфу поверхні з роздільною здатністю від десятків ангстрем аж до атомарного.
На відміну від скануючого тунельного мікроскопа, з допомогою атомно-силового мікроскопа можна досліджувати як провідні, так і непровідні поверхні.
Атомно-силовий мікроскоп був створений в 1982 році Гердом Біннігом, Кельвіном Куейтом і Крістофером Гербером в США, як модифікація винайденого раніше скануючого тунельного мікроскопа.
Для визначення рельєфу поверхонь непровідних тіл використовувалася пружна консоль (кантилевер), відхилення якої, в свою чергу, визначалося по зміні величини тунельного струму, як в скануючому тунельному мікроскопі. Однак такий метод реєстрації зміни положення кантилевера виявився не найвдалішим, і двома роками пізніше була запропонована оптична схема: промінь лазера направляється на зовнішню поверхню кантилевера, відбивається і потрапляє на фотодетектор. Такий метод реєстрації відхилення кантилевера реалізований в більшості сучасних атомно-силових мікроскопів.
Спочатку атомно-силовий мікроскоп фактично являв собою профілометр, тільки радіус закруглення голки був порядка десятків ангстрем. Прагнення поліпшити латеральний дозвіл призвело до розвитку динамічних методів. Пьезовібратором збуджуються коливання кантилевера з певною частотою і фазою. При наближенні до поверхні на кантилевера починають діяти сили, які змінюють його частотні властивості. Таким чином, відстежуючи частоту і фазу коливань кантилевера, можна зробити висновок про зміну сили, що діє з боку поверхні і, про рельєф
Основними конструктивними складовими атомно-силового мікроскопа є:
В залежності від конструкції мікроскопа можливо рух зонда щодо нерухомого зразка або рух зразка, стосовно закріпленого зонда.
Маніпулятори діляться на дві групи. Перша група призначена для "грубого" регулювання відстані між кантилевером і зразком (діапазон руху порядку сантиметрів), друга - для прецизійного переміщення в процесі сканування (діапазон руху порядку мікрон).
В якості прецизійних маніпуляторів (або сканерів) використовуються елементи з п'єзокераміки. Вони здатні здійснювати переміщення на відстані порядку ангстрем, проте їм притаманні такі недоліки, як термодрейф, нелінійність, гістерезис, повзучість (крип).
Система реєстрації відхилення зонда
Існує кілька можливих систем:
-Оптична (включає лазер і фотодіод, найбільш поширена)
- П'єзоелектрична (використовує прямий і зворотний п'єзоефект)
-Інтерферометрична (складається з лазера і оптоволокна)
-Ємнісна (вимірюється зміна ємності між кантілевери і розташованої вище нерухомою пластиною)
-Тунельна (історично перша, реєструє зміну тунельного струму між провідним кантілевери і розташованої вище тунельної голкою)
Принцип роботи атомно-силового мікроскопа заснований на реєстрації силової взаємодії між поверхнею досліджуваного зразка і зондом. В якості зонда використовується нанорозмірні вістрі, що розташоване на кінці пружної консолі, званої кантилевери. Сила, що діє на зонд з боку поверхні, призводить до вигину консолі. Поява височин або западин під вістрям призводить до зміни сили, що діє на зонд, а значить, і зміни величини вигину кантилевери. Таким чином, реєструючи величину вигину, можна зробити висновок про рельєф поверхні.
Під силами, що діють між зондом і зразком, в першу чергу мають на увазі сили Ван-дер-Ваальса, які спочатку є силами тяжіння, а при подальшому зближенні переходять в сили відштовхування.
Залежно від характеру дії сили між кантилевером і поверхнею зразка виділяють три режими роботи атомно-силового мікроскопа:
Тут необхідно пояснити те , що саме береться за нуль відстані щоб уникнути плутанини. На наведеному малюнку нуль відповідає нульовій відстані між ядрами атома на поверхні і найбільш виступаючого атома кантилевера. Тому нуль сили знаходиться на кінцевому відстані, відповідному кордоні електронних оболонок цих атомів (при перекритті оболонок виникає відштовхування). Якщо взяти за нуль кордону атомів, то сила звернеться в нуль в нулі відстані.
Рис. 3 Схема роботи атомно-силового пристрою
Коагуляцією називають зменшення дисперсності системи у результаті злипання частинок дисперсної фази. Коагуляція колоїдних розчинів - це процес асоціації і збільшення розмірів частинок і в кінцевому підсумку випадіння дисперсної фази в осад.
Коагуляція може відбуватись внаслідок старіння системи, зміни температури, механічної дії, дією електромагнітного поля і у найбільшій мірі під дією електролітів.
Ознаки коагуляції:
1. зміна забарвлення 2. поява помутніння 3. випадання осаду
Правила коагуляції
Поріг коагуляції – це та найменша концентрація електроліту, виражена в ммоль, яку необхідно додати до 1 літра колоїдного розчину, щоб викликати його коагуляцію:
Поріг коагуляції виражають у ммоль/л:
де Сел - концентрація введеного електроліту, моль/л;
Vел. - мінімальний об’єм електроліту, який спричинив коагуляцію, мл;
Vз. – об’єм золю, мл.
Величина, обернена до порогу коагуляції, називається коагулюючою здатністю електролітів: Р=1/Ск.
рис.1 Залежність швидкості коагуляції від концентрації
Швидкість коагуляції визначається зміною частикової концентрації золю за одиницю часу. На рис. 1 показана залежність швидкості коагуляції від концентрації коагулюючого електроліту.
Графік можна розділити на три ділянки. На 1 ділянці швидкість коагуляції дуже мала (прихована коагуляція), золь можна вважати практично стійким. В ділянці 2 швидкість коагуляції зростає з підвищенням концентрації електроліту (повільна коагуляція). В ділянці 3 швидкість коагуляції не залежить від концентрації електроліту (швидка коагуляція). Припускають, що в області швидкої коагуляції будь-яке зіткнення частинок призводить до їх злипання. Число зіткнень в одиницю часу визначається інтенсивністю броунівського руху.
Електрокоагуляція — коагуляція, що здійснюється шляхом електролізу з використанням розчинних сталевих і алюмінієвих анодів.
Діаліз — очищення ультрамікрогетерогенних дисперсних систем від електролітів та інших низькомолекулярних домішок водою або іншим розчинником за допомогою напівпроникної мембрани. Для проведення діалізу між дисперсною системою і розчинником, частіше очищеною водою, розміщують пористу перегородку — мембрану, пори якої проникні для іонів і молекул низькомолекулярної речовини і непроникні для частинок дисперсної фази. Метод ґрунтується на законах дифузії. Природні перетинки (бичачий та свинячий міхур) і штучні плівки із нітро- та ацетилцелюлози, целофану, купрофану та інших тонкопористих матеріалів використовують як мембрани. При виборі матеріалу для мембрани потрібно враховувати, що вона може отримати заряд унаслідок вибіркової адсорбції одного з іонів електролітів, які містяться у дисперсному середовищі системи, а також за рахунок поверхневої дисоціації функціональних груп речовини мембрани. Заряд мембрани може викликати деякі ускладнення в процесі дифузії домішок при діалізі та сприяти зворотній дифузії.
Прилади, в яких проводять діаліз, називають діалізаторами (рис. 2.).
Рис. 4. Діалізатор: a — дисперсна система; б — дистильована вода
Існує багато різновидів діалізаторів, але всі вони побудовані за загальним принципом: система, що діалізується (внутрішня рідина), міститься в посудині, відокремленій перетинкою (мембраною) від розчинника (зовнішня рідина), що міститься в іншій посудині. У конструкції діалізатора повинна бути передбачена можливість частої або безперервної зміни розчинника (діалізату), перемішування внутрішньої рідини (діалізної системи), максимально можлива площа перетинки, все це сприяє підвищенню швидкості діалізу (прискорює процес дифузії).
Діаліз може бути значно прискорений при накладанні електричного поля. Цей процес називається електродіалізом. Електродіалізатор (рис. 3.) розділяється двома мембранами на три камери. В середню камеру вміщують дисперсну систему, а в бокові — воду з електродами. Під дією електричного поля відбувається перенос катіонів із середньої камери в катодну камеру, аніонів — в анодну камеру. При цьому розчин у середній камері очищується від домішок електролітів.
Рис. 5. Електродіалізатор: a — дисперсна система; б — дистильована вода
Ультрафільтрація — це фільтрування під надлишковим тиском крізь ультрафільтр, виготовлений із напівпроникної мембрани. Ультрафільтрація використовується не тільки для видалення низькомолекулярних домішок, але й для концентрування систем. Застосування мембран з певним розміром пор дозволяє розділити дисперсну фазу на фракції за розмірами частинок і визначити ці розміри. Так були знайдені розміри деяких вірусів і бактеріофагів. Нерідко застосовують комбіновані методи очищення. Прикладом сполучення діалізу з ультрафільтрацією є апарат «штучна нирка», призначений для тимчасової заміни функції нирок при гострій нирковій недостатності. Апарат підключають до системи кровообігу хворого, кров під тиском протікає між двома мембранами, які омиваються ззовні фізіологічним розчином. З крові порівняно швидко видаляються шлаки — продукти обміну і розпаду тканин. Комбінацією ультрафільтрації та електродіалізу є електроультрафільтрація, яка застосовується для очищення і розділення білків.
Осмос - процес однобічної дифузії через напівпроникну мембрану молекул розчинника в бік більшої концентрації розчиненого речовини (меншій концентрації розчинника).
Суть процесу
Рис. 4. Осмос через напівпроникну мембрану. Частинки розчинника (сині) здатні перетинати мембрану, частки розчиненої речовини (червоні) - ні.
Явище осмосу спостерігається в тих середовищах, де рухливість розчинника більше рухливості розчинених речовин. Важливим окремим випадком осмосу є осмос через напівпроникну мембрану. Напівпроникні називають мембрани, які мають досить високу проникність не для всіх, а лише для деяких речовин, зокрема, для розчинника. (Рухливість розчинених речовин в мембрані прагне до нуля). Якщо така мембрана розділяє розчин і чистий розчинник, то концентрація розчинника в розчині виявляється менш високою, оскільки там частина його молекул заміщена на молекули розчиненої речовини (див. рис. 4). Внаслідок цього, переходи часток розчинника з відділу, що містить чистий розчинник, в розчин будуть відбуватися частіше, ніж в протилежному напрямку. Відповідно, обсяг розчину буде збільшуватися (а концентрація речовини зменшуватися), тоді як обсяг розчинника буде відповідно зменшуватися.
Наприклад, до яєчній шкаралупі з внутрішньої сторони прилягає напівпроникна мембрана: вона пропускає молекули води і затримує молекули цукру. Якщо такий мембраною розділити розчини цукру з концентрацією 5 і 10% відповідно, то через неї в обох напрямках будуть проходити тільки молекули води. В результаті в більш розбавленому розчині концентрація цукру підвищиться, а в більш концентрованому, навпаки, знизиться. Коли концентрація цукру в обох розчинах стане однаковою, настане рівновага. Розчини, які досягли рівноваги, називаються ізотонічними.
Осмос, спрямований всередину обмеженого об'єму рідини, називається ендосмосом, назовні - екзосмосом. Перенесення розчинника через мембрану обумовлений осмотичним тиском. Воно дорівнює надлишковому зовнішньому тискові, яке слід докласти з боку розчину, щоб припинити процес, тобто створити умови осмотичної рівноваги. Перевищення надлишкового тиску над осмотичним може призвести до звернення осмосу - зворотної дифузії розчинника.
У випадках, коли мембрана проникна не тільки для розчинника, а й для деяких розчинених речовин, перенесення останніх із розчину в розчинник дозволяє здійснити діаліз, який застосовується як спосіб очищення полімерів і колоїдних систем від низькомолекулярних домішок, наприклад електролітів.
У досліді (рис.5) Рейсе заповнив середню частину U-подібної трубки товченим кварцом, налив води, занурив електроди і пропустив сталий струм. Через деякий час рівень води в коліні з негативним електродом підви-щився, а в другому коліні — знизився. Це явище одержало назву електроосмосу.
рис. 5
Механізм елекроосмосу можна пояснити таким чином. На внутрішній поверхні капілярів мембрани внаслідок поверхневої дисоціації утворюється подвійний електричний шар. При накладенні електричного поля дифузний шар протиіонів по межі сковзання рухається паралельно нерухомому адсорбційному шару до електрода відповідного знаку, при цьому з ним рухається і певна частина дисперсійного середовища, бо між гідратною оболонкою іона і оточуючою рідиною діють сили молекулярного тертя. До протилежного електрода рухаються ті іони з об'єму рідини, які мають знак, протилежний знаку протиіонів.
Експериментально електроосмос досліджують за перенесенням рідини через мембрану (капілярно-пористі матеріали, діафрагму) до одного із електродів (рис. 6).
рис. 6
Для проведення вимірювань використовують різного типа установки. Наприклад - пориста діафрагма 1, яку затискають між фланцями 2 і 3, розділяє дві симетричні посудини 4 з відліковими капілярними трубками 5 і електродами 6, які не поляризуються (Сu/СuSO4—агар). Комірку заповнюють розчином електроліту так, щоб меніск рідини містився посередині градуйованих трубок. З'єднавши електроди із зовнішнім джерелом струму, вимірюють об'єм переміщеної рідини (V} за деякий час (t) в капілярних трубках.
Електроосмос використовують для вирішення ряду технічних завдань:
а) для електроосмотичного видалення води із насичених нею твердих роздрібнених тіл, особливо в тих випадках, коли одного тиску недостатньо для зневоднення матеріалів;
б) для просочення пористих матеріалів розчином речовин, що збільшують якість цих матеріалів, та ін.
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
1. Фізична і колоїдна хімія / В.І. Кабачний, Л.К. Осипенко, Л.Д. Грицан та ін. — Х., 1999.
2. http://znaimo.com.ua/Осмос
3. Ребиндер П. А., Поверхностные явления в дисперсных системах. Коллоидная химия, Избр. труды, М., 1978.
4. Щукин Е. Д., Перцов А. В., Амелина Е. А., Коллоидная химия, М., 1982.
5. М. А Атомная и молекулярная спектроскопия, М.: 1962;
6. Дайер Д. Р. Приложения абсорбционной спектроскопии органических соединений, М.: 1970;
7. Немодрук А. А., Безрогова Е.В. Фотохимические реакции в аналитической химии, М.: 1972;
8. Сайдов Г.В., Свердлова О. В. Практическое руководство по абсорбционной молекулярной спектроскопии, Л.: 1973;
9. Методы исследования быстрых реакций, пер. с англ., М.: 1977
10. http://www.chem-astu.ru/chair/study/PCMA/