Определение дисперсных систем по структурно механическим свойствам. Реологические свойства дисперсных систем

Раздел «Структурно - механические свойства дисперсных систем»

1. Структурирование в коллоидных и полимерных системах. Гели и студни. Их свойства, механизм образования и практическое значение. Тиксотропия и синтерезис

Согласно А.И. Рабинерсону и Г.И. Фуксу, структуры, образующиеся в высокодисперсных системах, можно классифицировать по их плотности:

1. Пространственные - структуры характерны для дисперсных систем с анизодиаметрическими частицами;

2. Компактные - структуры часто возникают в системах с изодиаметрическими частицами.

При истинной коагуляции, когда частицы полностью теряют фактор устойчивости, они слипаются друг с другом, образуя компонентные агрегаты. Достигнув определенного размера, эти агрегаты образуют плотный коагулят. Если же происходит неполная астабилизация системы, то фактор устойчивости будет снят только с некоторых участков поверхности частиц, да ито не полностью, и в результате этого частицы, слипаясь по таким местам, образуют пространственную сетку, в петлях которой находится дисперсная среда. Происходит гелеобразование.

Гелеобразованием называют переход коллоидного раствора из свободнодисперсного состояния (золя) в связомодисперсионное состояние (гель).

На гелеобразование влияет ряд факторов:

· концентрация дисперсной среды;

· уменьшение размера частиц;

· температура;

· механическое воздействие.

Аналогичный переход раствора ВМС в студень называется застудневанием. Оно может происходить спонтанно, в результате изменения температуры при концентрировании раствора или при добавлении к нему не слишком большого количества электролита.

Студни обладают такими свойствами как вязкость, осмотическое давление, эластичность, текучесть, особенность рассеивать свет, тиксотропные свойства, синтерезис.

Тиксотропия - способность структур после их разрушения в результате какого-нибудь механического воздействия самопроизвольно восстанавливаться во времени.

Синтерезис - самопроизвольное уменьшение размеров геля с одновременным выделением из него дисперсной среды, содержащейся в петлях геля.

Студни и процесс застудневания имеют большое значение в медицине, биологии, техники, хлебопекарной промышленности. Образование клеевого слоя при склеивании, желатировании пироксилина, получение искусственного волокна, дубление кожи.

2. Коагуляционные и конденсационно-кристаллизационные структуры по П.А. Ребиндеру

Согласно Ребиндеру, структуры в коллоидных и микрогетерогенных системах можно разделить на:

· коагуляционные (тиксотропно-обратимые) - структуры, возникающие в результате понижения агрегативной устойчивости дисперсных систем, когда частицы полностью теряют фактор устойчивости, они слипаются друг с другом, образуя компактные агрегаты.

· конденсационно-кристаллизационные (необратимые - разрушаюшиеся структуры) - связи между частицами образованы за счет химических сил. Эти структуры возникают либо в результате образования прочных химических связей между частицами, либо вследствие сращивания кристалликов в процессе выкристаллизовывания новой фазы.

3 Нормальные ньютоновские жидкости, структурированные жидкости. Вязкость. Аномалия вязкости. Уравнение Ньютона, Пуазейля, Бингама. Реологические зависимости. Уравнения Эйнштейна для определения вязкости коллоидных систем

Жидкообразные тела классифицируют на:

1. ньютоновские жидкости - системы, вязкость которых не зависит от напряжения сдвига и является постоянной величиной в соответствии с законом Ньютона;

2. структурированные - течение которых не следует закону Ньютона, их вязкость зависит от напряжения сдвига;

2.1 стационарные - реологические свойства которых не изменяются со временем;

2.2 нестационарные - для которых эти характеристики зависят от времени.

Вязкость - способность жидкого вещества оказывать сопротивление движению. В жидкостях вязкость обусловлена внутренним давлением и с повышением температуры вязкость понижается. В газах вязкость обусловлена тепловым движением молекул, с повышением температуры вязкость возрастает.

Коэффициент вязкости представляет собой силу сопротивления, которая возникает между слоями текучего тела с поверхностями площадью и удаленными друг от друга на расстояние при перемещении их относительно друг друга со скоростью.

Динамическая вязкость

Свойства вещества, противоположные вязкости, называется текучестью, а величину противоположная коэффициенту вязкости коэффициент вязкости.

Кинематическая вязкость учитывает плотность вещества и связана с динамической вязкостью:

Жидкости способные течь, но не подчиняющиеся закону Ньютона, принято называть аномальными.

По определению вязкости, данному Ньютоном, сила внутреннего трения, равная по значению, но обратная по направлению приложенной извне силе, пропорциональная площади слоя, к которому приложена эта сила, и градиенту скорости движения между слоями:

Относя силу к площади, тогда уравнение будет выглядеть так:

где - напряжение сдвига, поддерживающее течение жидкости.

Ламинарное течение жидкости по трубкам описывается уравнением Пуазейля:

где - объемная скорость истечения;

Радиус и длина трубки;

Разность давлений на концах трубки;

Вязкость жидкости.

Бингам выразил пластическую вязкость уравнением:

где - угол, образуемый прямой с осью абцисс.

Однако для большинства структурированных коллоидных систем зависимость от выражается не прямой, а кривой.

Причина такого явления заключается в том, что при достижении предела текучести структура разрушается не сразу, а постепенно по мере увеличения градиента скорости жидкости.

Различают три критических напряжения сдвига:

1. - первый, или минимальный, предел текучести, соответствующий началу течения.

2. - предел текучести по Бингаму, отвечающий отрезку на оси абсцисс, отсекаемому продолжением прямолинейного участка кривой.

3. - максимальный предел текучести, соответствующий значению, при которой кривая переходит в прямую линию.

Первая аксиома реологии: при всестороннем равномерном сжатии материальные системы ведут себя одинаково - как идеальные упругие тела.

Вторая аксиома реологии: любая материальная система обладает всеми реологическими свойствами.

Эйнштейном была установлена связь между вязкостью дисперсной системы и объемной долей дисперсной фазы:

где - вязкость дисперсной среды.

Была установлено, что коэффициент при зависит от формы частиц, поэтому уравнению Эйнштейна можно придать более общий вид:

где - коэффициент, зависящий от формы частицы дисперсной фазы.

Для относительной и удельной вязкости дисперсной системы уравнение Эйнштейна переходит в следующие соотношения:

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://allbest.ru

1. РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ

Коллоидные системы обладают определёнными механическими свойствами - вязкостью, пластичностью, упругостью, прочностью. Свойства эти связаны со структурой подобных систем и поэтому называются структурно-механическими или реологическими свойствами .

Структура разбавленных агрегативно устойчивых систем по ряду свойств аналогична структуре истинных растворов. Основное отличие состоит в том, что в дисперсных (гетерогенных) системах частицы дисперсной фазы и молекулы дисперсионной среды сильно различаются по размеру.

Увеличение концентрации дисперсной фазы приводит к взаимодействию ее частиц. Изменение свойств дисперсных систем с ростом концентрации происходит постепенно до тех пор, пока не наступит коагуляция частиц.

В коллоидной химии понятие структуры и структурообразования принято связывать именно с коагуляцией. В процессе коагуляции происходит образование пространственной структурной сетки из частиц дисперсной фазы, что резко увеличивает прочность системы.

Таким образом, структурообразование в свободнодисперсных системах есть результат потери агрегативной устойчивости. По мере увеличения прочности структуры свободнодисперсных систем переходят в связнодисперсные системы.

Структурно-механические свойства систем исследуют методами реологии. Реология - наука о деформациях и течении материальных систем. Реология изучает механические свойства систем по проявлению деформации под действием внешних напряжений. В коллоидной химии методы реологии используются для исследования структуры и описания вязкотекущих свойств дисперсных систем.

Деформация означает относительное смещение точек системы, при котором не нарушается ее сплошность.

реологический коллоидный высокомолекулярный

Вещества, которые не обладают упругостью к внешним воздействиям, называются вязкими .

Все виды деформации можно свести к основной - деформации сдвига под действием напряжения сдвига Р .

В соответствии с законом Гука относительная деформация (е, и) - отношение абсолютного смещения к размерам системы - прямо пропорциональна воздействующему на систему напряжению:

Для продольной деформации,

Для деформации кручения,

где P - механическое напряжение, E и G - модули упругости, е и и - относительная деформация.

Рис. 1. Зависимость относительной деформации от напряжения.

I зона соответствует случаю упругой деформации, подчиняется закону Гука; II зона - частичной деформации: после снятия напряжения система частично возвращается в первичное состояние; III зона - деформация необратима: характерно увеличение относительной деформации при уменьшении напряжения, система переходит в текучее состояние, т.е. после снятия напряжения система не возвращается в первоначальное состояние.

Важнейшим критерием дисперсных систем по отношению к внешнему воздействию является релаксация - явление уменьшения внутреннего напряжения без уменьшения деформации. Релаксация объясняется те, что в результате теплового движения частиц происходит изменение ее структуры.

Период релаксации - время, в течение которого внутреннее напряжение системы уменьшается в е раз. Для вязких систем - маленькая величина, для упругих - большая величина. Одно и тоже тело может быть и упругим, и вязким в зависимости от времени внешнего воздействия t . В случае, если t<< , то такая система ведет себя как упругая, и наоборот, если t>> , то система - вязкая.

Структурно-механические свойства систем обусловлены интенсивностью взаимодействия частиц дисперсной фазы друг с другом. По этом признаку различают свободнодисперсные и связнодисперсные системы.

Свободнодисперсные системы - бесструктурные системы, в которых частицы дисперсной фазы свободно движутся в дисперсионной среде. Реологические свойства таких систем близки к реологическим свойствам дисперсионной среды.

Связнодисперсные системы - структурированные системы, частицы дисперсной фазы взаимодействуя друг с другом, образуют пространственный каркас или сетку, в ячейках которых находится дисперсионная среда. Такого рода системы называются гелями или студнями .

Процесс перехода золя в гель называется процессом гелеобразования или студнеобразования . Гель приобретает упругость и способен выдерживать незначительные механические нагрузки. В геле может происходить испарение дисперсионной среды с течением времени. Это приводит к уменьшению объема геля. Такого рода гели (высохшие) называются ксерогелями .

Существует два варианта взаимодействия частиц дисперсной фазы в процессе гелеобразования. Эти варианты обусловлены расстояниями между взаимодействующими частицами:

1. Расстояние между частицами измеряется несколькими толщинами ДЭС. Это имеет место тогда, когда на кривой взаимодействия частиц в зависимости от расстояния имеется достаточно глубокий min и высокий потенциальный барьер. Такого рода гели называются рыхлыми гелями с низкой упругостью. Объемное содержание дисперсной фазы составляет 1-2%.

2. Расстояние между частицами дисперсной фазы ничтожно мало. Это обусловлено незначительным min на кривой взаимодействия частиц в зависимости от расстояния и малым потенциальным барьером в области отталкивания частиц. Такие гели более плотные, более упругие и доля (в%) дисперсных частиц больше, чем у рыхлых.

Ребиндер предложил два типа гелевых структур:

1. Коагуляционные структуры (коагели) - эластичные, тиксотропийные гели: взаимодействие между частицами дисперсной фазы в них обусловлено Ван-дер-ваальсовскими силами, т.е. как правило между частицами находиться небольшой слой дисперсионной среды. Такие гели обладают эластичностью (эластомеры), т.е. после снятия нагрузки система возвращаеся в исходное состояние. Коагели способны переходить в золь при повышении температуре, теряют упругость при механических нагрузках и снова переходят в золь - тиксотропия.

Тиксотропия - способность к изотермическому обратному превращению золя в гель, т.е. способность коагуляционных структур самопроизвольно восстанавливать свою структуру после их механического разрушения.

Для коагелей также характерно явление синерезиса .

Синерезис - процесс самопроизвольного уменьшения размеров геля с одновременным выделением наружу дисперсионной среды из геля в результате процесса слипания частиц. В этом случае образуются синергетический сгуток.

При синергезисе уменьшается объем геля, но форма сохраняется. Синерезис - процесс обратимый.

2. Конденсационно-кристаллизационные системы (твердые гели) . Основная причина возникновения - образование химической связи между частицами. Примером может быть цемент, гипс. Такие гели не обладают эластичностью и имеют высокую хрупкость.

1.1 Вязкость дисперсных систем

Важной характеристикой структурно-механических свойств является течение. Течение бывает ламинарным и турбулентным.

Ламинарное течение - движение жидкости в виде параллельных слоев, имеющих различную скорость и не смещающихся между собой. Возникает при низкой скорости течения и малом перепаде давления.

Турбулентное течение - течение, сопровождающееся вихреобразованием.

В соответствие с уравнением Ньютона сила сопротивления при течении F прямо пропорциональна градиенту скорости du и площади поверхности потока S:

- уравнение Ньютона,

где з - коэффициент пропорциональости или вязкость, зависит от природы жидкости Единицей измерения вязкости является пуаз (пз), 1 пз = Па с= Н с/м 2 . Единица измерения вязкости названа в честь франц. учёного Пуазейля, который впервые изучал движение жидкости в капиллярах.

Ламинарное течение по трубкам или скорость течения жидкости из капилляра описывается уравнением Пуазейля (1842г.), которое было найдено экспериментальным путём:

уравнение Пуазейля ,

где - объемная скорость течения; r - радиус капилляра трубки; Дp - перепад давления или разность давления на обоих концах трубки; з - вязкость жидкости; l - длина капилляра.

Величина, обратная вязкости называется текучестью - характеризует подвижность жидкости под влиянием внешних воздействий.

Жидкости, у которых отсутствует зависимость вязкости от характера взаимодействия частиц, подчиняются законам Ньютона и Пуазейля и называются ньютоновскими жидкостями . Уравнение Ньютона и Пуазейля соблюдается, если жидкость движется ламинарно.

Ньютоновскими называют материалы, вязкость которых не зависит от напряжения сдвига, т.е. является постоянным коэффициентом в законе Ньютона.

Вязкость дисперсных систем всегда превышает вязкость чистой дисперсионной среды. Зависимость вязкости коллоидной системы от концентрации дисперсной фазы выражается уравнением Эйнштейна (1906г.):

- уравнение Эйнштейна ,

где з - вязкость коллоидной системы; з 0 - вязкость чистого растворителя (дисперсионной среды); ц - объемная доля частиц дисперсной фазы; k - коэффициент, характеризующий форму частицы. Для сферической формы k = 2,5.

Для структурированных систем законы Ньютона не выполняются.

2. АССОЦИАТИВНЫЕ КОЛЛОИДЫ. СИСТЕМЫ С САМОПРОИЗВОЛЬНЫМ МИЦЕЛЛООБРАЩОВАНИЕМ. ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Ассоциативные коллоиды - это системы с самопроизвольным мицеллообразованием.

Полуколлоиды (или ассоциативные коллоиды, или семиколлоиды, или ПАВ дифильного строения) - это системы, которые в одних условиях могут представлять истинные растворы, а в других - становятся золями или более грубодисперсными системами с непрерывным переходом между состояниями.

Ребиндером было показано, что при очень низких значениях межфазного натяжения у может происходить самопроизвольное превращение микрогетерогенных систем в термодинамически равновесные лиофильные коллоидные системы.

Для этого необходимо изменить концентрацию дисперсной фазы, температуру, pH среды или ввести в систему электролит. Для таких систем существует обратимый переход и соответствующее термодинамическое равновесие:

Изменяя условия существования системы, можно получать либо гомогенную систему, содержащую молекулы, либо гетерогенную систему, частицы которой представляют собой объединение множества молекул. Такие частицы представляют собой не ассоциаты, а мицеллы, состоящие в основном из одних и тех же молекул.

Примером лиофильных коллоидных систем являются мицеллярные растворы, критические эмульсии, растворы ВМС. Образование лиофильных коллоидных систем особенно характерно для ПАВ, обладающих ионогенной или большой по размеру неионогенной полярной группой и длинной углеводородной цепью. Как было показано в ряде работ, дисперсность таких систем характеризуется равновесными кривыми распределения частиц по размерам.

Классификация коллоидных ПАВ : по химической природе органические ПАВ с дифильным строением делят на ионогенные (анионные, катионные, амфолитные) и неионогенные. Доминирующее положение среди ПАВ, производимых в мире, занимают наиболее дешёвые и достаточно универсальные ПАВ, на долю которых приходится не менее 60% мирового производства; до 30 % составляют неионогенные ПАВ, ~ 10 % - катионные и лишь доли процента - синтетические амфолитные ПАВ.

1. Ионогенные ПАВ - распадаются в воде на ионы:

а) анионные ПАВ - диссоциируют в воде с образованием ПА-аниона:

Карбоновые кислоты и их соли (мыла) с общей формулой RCOOMe: RCOONa - RCOO - + Na + , где R - органический радикал С 8 - С 20 , Ме обозначает Na + (в твёрдых мылах), K + (в жидких мылах) или NH 4 + ;

Для технических целей особое значение имеют натриевые мыла пальмитиновой, стеариновой и ненасыщенной олеиновой кислот, получаемых в больших количествах из животных жиров:

Мыла с двух- и трёхвалентными катионом (кальциевые, магниевые, алюминиевые, железные и т.п. мыла) нерастворимы в воде, образуют полуколлоидные системы в углеводородных средах и используются в консистентных смазках на минеральном масле, а также для стабилизации эмульсий второго рода (В/М);

Алкилсульфонаты C n H 2n+1 SO 3 + Me - , где обычно С 10 - С 20 ;

Алкиларилсульфонаты C n H 2n+1 С 6 Н 4 SO 3 Me, где Ме обозначает Na + , K + , NH 4 + ;

Алкилсульфаты C n H 2n+1 -О-SO 3 Me (эфиры H 2 SO 4 с высшими спиртами), где углеводородная часть состоит из С 10 - С 18 ;

Вещества, содержащие другой вид ПА-анионов: фосфаты - соли эфиров фосфорной кислоты, различные соли тиосульфокислот, ксантогенаты, тиофосфаты.

Анионные ПАВ используют как смачиватели, основные компоненты моющих средств, пенообразователи.

б) катионные ПАВ - диссоциируют в воде с образованием ПА-катиона:

Соли первичных, вторичных и третичных алифатических и ароматических аминов: хлористый октодециламмоний C 18 H 37 NH 2 HCl - C 18 H 37 NH 3 + + Cl - , цетилтриметиламмонийхлорид C 16 H 33 (СН 3) 3 N·Cl - C 16 H 33 (СН 3) 3 N + + Cl - . Они наиболее токсичные и наименее биологически разлагаемые. Катионные ПАВ используются в качестве ингибиторов коррозии, бактерицидных и дезинфицирующих средств;

в) амфолитные (амфотерные) ПАВ - содержат две функциональные группы: кислотную (чаще всего карбоксильную) и основную (обычно аминогруппу разных степеней замещения). В зависимости от рН среды они проявляют свойства как катионных ПАВ (при рН<4), так и анионных (при рН 9 - 12). При рН 4 - 9 он могут вести себя как неионогенные соединения.

Природные вещества, включая все аминокислоты и белки;

Алкиламинокислоты - цетиламиноуксусная кислота С 16 Н 33 NH - СН 2 СООН, циттерионные ПАВ, например бетаины RN + (CH 3) 2 CH 2 COO - с радикалом, содержащим 10 - 12 атомов углерода.

2. Неионогенные ПАВ - не способны к ионизации, растворимы как в кислой, так и щелочной среде. Получают присоединением окиси этилена к веществам с развитыми углеводородными радикалами:

оксиэтилированные первичные и вторичные жирные спирты

RO(CH 2 CH 2 O) n H, R 1 RCHO(CH 2)CH 2 O) n H;

полиэтиленгликолевые эфиры жирных кислот

RСОO(CH 2 CH 2 O) n H;

оксиэтилированные алкилфенолы

RС 6 Н 4 O(CH 2 CH 2 O) n H,

где R - обычно С 8 - С 9 ; n - среднее число оксиэтильных групп.

Термодинамическое равновесие в самопроизвольно возникающих лиофильных дисперсных системах может быть достигнуто двух сторон:

1) со стороны объемной твердой или жидкой фазы путем ее коллоидного растворения в жидкой дисперсионной среде. Пример такой системы - образование так называемых критических эмульсий вследствие значительного понижения у и самопроизвольного диспергирования за счет энергии теплового движения;

2) путем образования новой коллоидной фазы при повышенной концентрации образующего эту фазу компонента, находящегося в истинном растворе (образование новой коллоидной фазы из насыщенного раствора). Примером таких систем являются растворы мицеллообразующих поверхностно-активных веществ при концентрациях вещества в растворе выше некоторой определенной величины.

2.1 Специфические свойства лиофильных дисперсных систем на примере мицеллообразующих u (ПАВ) -- моющих средств или детергентов

Растворы ПАВ имеют ряд свойств обеспечивающих их широкое применение:

1) высокая поверхностная активность или способность понижать поверхностное натяжение воды. Понижение поверхностного натяжения воды обусловлено органической частью молекулы (поверхностное натяжение радикала очень мало);

2) способность к самопроизвольному мицеллообразованию, т.е. образованию лиофильных коллоидных растворов при концентрации ПАВ выше некоторого определенного значения - называемого критической концентрации мицеллообразования (ККМ);

3) способность к солюбилизации - резкому увеличению растворимости веществ в растворах коллоидных ПАВ вследствие их «внедрения» внутрь мицелл;

4) высокая способность стабилизировать различные дисперсные системы.

Наиболее характерной особенностью ассоциативных коллоидов, как это было показано Ребиндером, Мак-Беном, Гаркинсом и другими исследователями, надо считать возникновение новой коллоидной (мицеллярной) фазы при определенной, четко выраженной критической концентрации С = С ккм , называемой критической концентрацией мицеллообразования (ККМ).

Ребиндер и Гартли одновременно и независимо пришли к выводу о том, что в водных растворах ПАВ существуют в широком интервале концентраций сферические мицеллы. При этом отдельные молекулы ПАВ расположены в мицелле радиально и образуют компактное углеводородное ядро, а полярные группы покрывают поверхность, образуя гидрофильную оболочку. Диаметр такой мицеллы равен удвоенной длине молекулы ПАВ, а число агрегации (число молекул в мицелле) составляет от 30 до 2000 молекул.

Таким образом, в растворах ПАВ существует термодинамическое равновесие между мицеллами и ПАВ в молекулярной форме. В области низких концентраций образуется в основном молекулярный раствор ПАВ, и лишь незначительное количество вещества находится в ассоциированном состоянии, при концентрациях выше ККМ начинается интенсивное образование мицелл в растворе. При этом концентрация молекулярного раствора остается практически постоянной, а вводимое вещество переходит в раствор в виде мицелл.

Рис. 2 Схема мицелл Гартли (а ) и мицелл Мак-Бена (б ).

С повышением содержания мыла в растворе при С ккм в системе отдельных молекул мыла образуются мицеллы Гартли - это сферические агрегаты, в которых молекулы слиплись углеводородными частями и обращены наружу ионогенными, сильно полярными группами (рис. 2). Частично диссоциированные в воде ионогенные группы образуют ДЭС.

Причина образования мицелл : с одной стороны - ВДВ силы притяжения между углеводородными частями молекул, с другой стороны - силы электрического отталкивания между одноименно заряженными гидротированными ионогенными группами молекул.

Причина ассоциации (толкование Гартли) : взаимопритяжение молекул воды, они как бы вытесняют углеводородные цепи из раствора, что приводит к их слипанию друг с другом.

Изотермы поверхностного натяжения ПАВ характеризуются резким понижением у и наличием перегиба в области чрезвычайно малых концентраций, отвечающих истинной растворимости (10 -3 - 10 -6 моль/л), выше которой у остается практически постоянным. Такой вид зависимости у от С для ПАВ можно объяснить тем, что поверхностная активность растворов таких ПАВ обусловливается преимущественно индивидуальными молекулами, а симметричные, равномерно гидратированные со всех сторон мицеллы снижают поверхностное натяжение растворов.

С увеличением концентрации вещества в растворах ПАВ форма мицелл изменяется. В области малых концентраций (но выше ККМ) мицеллы всегда симметричны, сохраняют сфероидальную форму и равномерно покрыты с поверхности гидратированными полярными группами. По мере увеличения концентрации ПАВ мицеллы становятся все более асимметричными, превращаются в эллипсоиды -- цилиндры и далее в слоистые пластинчатые мицеллы - мицеллы Мак-Бена (рис. 2).

Такое нарастание анизометрии приводит к тому, что поверхность мицеллы перестает быть однородно-гидрофильной (стабилизированной) и по периметру возникают коагуляционные центры в результате связей между углеводородными цепями (гидрофобные взаимодействия). В очень концентрированных растворах ПАВ приводит к образованию пространственной структуры и возникновению ориентационных эффектов.

Признаки мицеллообразования:

1. ККМ отличает резкое увеличение светорассеяния раствора, т.к. он становится гетерогенным;

2. растворы коллоидных ПАВ невозможно очистить с помощью диализа, т.к. ПАВ способны проходить через мембрану. Объяснение: в результате отделения молекулярно-дисперсной части смещается равновесие между истинно растворимым ПАВ и ПАВ в коллоидном состоянии. Равновесие восстанавливается из-за распада мицелл (10 -5 -10 -2 моль/л - концентрация).

Методы определения ККМ основаны на том, что в области ККМ на кривых зависимости свойство-состав обычно появляется излом, свидетельствующий об изменении физико-химических свойств растворов (например, поверхностное натяжение, электропроводность, вязкость и другие свойства). Одна из ветвей таких кривых описывает свойства системы в молекулярном состоянии, другая - в коллоидном. Точку перелома считают соответствующей переходу молекул в мицеллы, т. е. соответствующей ККМ.

1. Метод кондуктометрии - строится график зависимости эквивалентной электропроводности (л) от концентрации ПАВ (С).

Рис. 3. Зависимости эквивалентной электропроводности (л) растворов мыл от концентрации ПАВ(С).

Эквивалентная проводимость мыл, содержащих 12 и более атомов углерода в цепи, резко падает в области разбавленных растворов и достигает своего минимального значения в точке, отвечающей образованию мицелл, а затем несколько увеличивается (рис. 3). С увеличением молекулярного веса этот минимум сдвигается в сторону меньших концентраций и становится более выраженным.

2. Метод поверхностного натяжения. Поверхностная активность ПАВ в водных растворах обусловливается преимущественно индивидуальными молекулами, т.е. мицеллы при достаточной величине лишаются асимметрии и становятся равномерно гидратированными со всех сторон. В соответствии с уравнением Гиббса адсорбция в области концентрации до точки излома соответствует образованию мономолекулярного слоя, а выше ККМ достигает предельно большого и постоянного значения, что подтверждается измерениями адсорбции с помощью меченых атомов. Поскольку выше ККМ концентрация молекулярно растворенного ПАВ и, следовательно, его химический потенциал остаются практически постоянными, то и поверхностное натяжение должно оставаться постоянным.

Строиться график зависимости поверхностного натяжения у от концентрации ПАВ (рис. 4).

Рис. 4. Зависимость поверхностного натяжения от концентрации мицеллообразующего ПАВ.

3. Также можно определить ККМ оптическим методом, по мутности ф, осмотическому давлению р, показателю преломления n .

2.2 Солюбилизация и моющее действие

Одной из характерных особенностей водных растворов ПАВ при концентрациях выше ККМ является их способность к солюбилизации.

Солюбилизация - это коллоидное растворение в ядрах мицелл в растворах ПАВ практически нерастворимых в воде гидрофобных органических соединений, например, углеводородов, красителей, жиров.

В водных растворах способ включения молекул растворенного вещества - солюбилизата в мицеллы зависит от природы вещества. Неполярные углеводороды, растворяясь в мицеллярной фазе, располагаются внутри углеводородного ядра мицеллы. Полярные органические соединения (спирты, амины, кислоты) встраиваются между молекулами ПАВ так, что их полярные группы обращены к воде, а гидрофобные части ориентируются параллельно углеводородным радикалам. При солюбилизации неполярных углеводородов во внутренней части мицелл углеводородные цепи раздвигаются, размер мицелл увеличивается.

Моющее действие ПАВ заключается в следующем: гидрофобная часть иона ПАВ проникает в гидрофобное загрязняющее вещество (жир), в результате поверхность каждой частицы или капельки загрязнения оказывается как бы окружённой оболочкой гидрофильных групп. Они взаимодействуют с полярными молекулами воды («подобное растворяется в подобном»), что обуславливает возникновение расклинивающего давления ПАВ. Благодаря этому адсорбционная плёнка на поверхности частиц загрязнения придаёт этим частицам высокую агрегативную устойчивость и предупреждает их прилипание к поверхности ткани в другом месте, ионы моющего средства вместе с загрязнением отрываются от поверхности ткани и переходят в водную среду. Частицы загрязнения вследствие пониженной способности к смачиванию прилипают к пузырькам воздуха пены мыла. Пена содействует механическому уносу загрязнений или их флотации.

Явление солюбилизации имеет широкое практическое применение, в частности, в интенсивно развивающихся новых технологиях и методах, таких как мицеллярный и ферментативный катализ, нефтедобыча, тонкие биотехнологии, значение которых трудно переоценить в настоящее время. Важную роль явление солюбилизации играет в технологии смазывающих материалов и охлаждающих жидкостей, применяющихся при холодной обработке металлов. Солюбилизация находит применение и в сельском хозяйстве - активность многих ядохимикатов, применяемых в борьбе с вредителями, значительно возрастает, если их перед распылением перевести в солюбилизированное состояние добавкой соответствующего ПАВ. Солюбилизация находит широкое применение и в биологии, так как химическая структура белковых веществ напоминает структуру мицелл ПАВ. Белки, как и ПАВ, обладают способностью к солюбилизации труднорастворимых веществ. Циркулируя в живом организме, белки (например, белки крови) становятся тем самым переносчиками разных жизненно важных соединений. Таким образом, солюбилизация является важным фактором в обмене веществ.

2.3 Характеристики растворов ВМС

Растворы высокомолекулярных соединений (ВМС) представляют собой гомогенные системы, являясь истинными растворами, где взвешенные частицы не содержат ядер, а представлены макромолекулами - молекулами гигантских размеров. Растворение ВМС осуществляется с образованием менее упорядоченной системой и более упорядоченными.

Растворы ВМС образуются самопроизвольно с уменьшением свободной энергии, они представляют собой термодинамически устойчивые системы, способные существовать без стабилизатора неограниченное время в весьма больших массовых и значительных молярных концентрациях.

В отличие от лиофобных коллоидов растворы ВМС представляют собой равновесные системы, к которым применимо правило фаз.

Растворы ВМС, подобно растворам низкомолекулярных соединений, могут быть и молекулярными, и ионными, причем в последнем случае природа зарядов связана с наличием функциональных групп.

ВМС способны образовывать не только истинные растворы, но и типичные лиофобные золи, если в качестве дисперсионной среды использовать такую жидкость, по отношению к которой данное высокомолекулярное вещество является лиофобным, т.е. не способным растворяться в нем.

Являясь истинными растворами, растворы ВМС отличаются от растворов низкомолекулярных соединений. Огромные размеры молекул являются ответственными за большинство физических свойств растворов ВМС, отличающихся от низкомолекулярных соединений. На поведение растворов ВМС сильное влияние оказывают форма и отдельные фрагменты строения микро молекул.

Свойства растворов ВМС . Одной из важных проблем, возникающих при изучении ВМС, является проблема появления на поверхности молекул заряда, который возникает по разным причинам. Поверхность ВМС может иметь собственный заряд, возникающий благодаря расположенным на ней анионным и катионным группам.

Заряженная поверхность является одной из особенностей крупных частиц, отличающей их от обычных низкомолекулярных растворенных веществ - наличия заряда у частиц.

Доказательством наличия заряда у частицы ВМС является ее поведение при электрофорезе: заряженная частица, присутствующая в растворе, в частности микромолекула, под действием электрических сил движется к электроду противоположного знака.

Для белков между зарядом молекул и электрофоретической подвижностью существует прямая пропорциональная зависимость в широком интервале рН.

Значение рН, при котором электрофоретическая подвижность белка равна нулю, называется изоэлектрической точкой .

В изоэлектрическом состоянии свойства растворов белков резко меняется: при этом они имеют, наименьшую вязкость, плохую растворимость. При значении рН, близком к изоэлектрической точки, разноименно заряженное группы -NH 3 + и -COO - притягиваются друг к другу и нить закручивается в спираль. Молекулы ВМС в развернутом состоянии придают растворам более высокую вязкость, чем молекулы ВМС, свернутые в спираль или клубок.

Вязкость растворов, обычно выше вязкости растворов низкомолекулярных соединений и коллоидных растворов тех же концентраций. Высокая вязкость растворов ВМС объясняется большой сольватацией макромолекул. Основной причиной отклонения вязкости растворов ВМС является взаимодействие вытянутых и гибких макромолекул, часто образующих структурированные системы (ассоциаты). Ассоциаты сильно увеличивают вязкость растворов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Горбунцова, С.В. Физическая и коллоидная химия (в общественном питании): Учебное пособие / С.В. Горбунцова, Э.А. Муллоярова, Е.С. Оробейко, Е.В. Федоренко. - М.: Альфа-М, НИЦ ИНФРА-М, 2013. - 270 c.

2. Сумм, Б.Д. Коллоидная химия: Учебник для студентов учреждений высших учебных заведений / Б.Д. Сумм. - М.: ИЦ Академия, 2013. - 240 c.

3. Щукин, Е.Д. Коллоидная химия: Учебник для бакалавров / Е.Д. Щукин, А.В. Перцов, Е.А. Амелина. - М.: Юрайт, 2013. - 444 c.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

Понятие растворов высокомолекулярных соединений (ВМС). Процесс набухания ВМС: его стадии, причины, давление и степень. Вязкость дисперсных систем и растворов ВМС, методы ее измерения. Структурная и относительная вязкость. Коагуляционные структуры.

реферат , добавлен 22.01.2009

Первые практические сведения о коллоидах. Свойства гетерогенных смесей. Соотношение между поверхностью коллоидной частицы и объемом коллоидной частицы. Своеобразие дисперсных систем. Особенности коллоидных растворов. Классификация дисперсных систем.

презентация , добавлен 17.08.2015

Коллоидная химия как наука, изучающая физико-химические свойства гетерогенных, высоко-дисперсных систем и высоко-молекулярных соединений. Производство и методы очищения коллоидных растворов. Применение гелей в пищевой промышленности, косметике и медицине.

презентация , добавлен 26.01.2015

Классификация дисперсных систем. Основные факторы устойчивости коллоидных растворов. Методы их получения (диспергирование, конденсация) и очистки (диализ, ультрафильтрация). Мицеллярная теория строения коллоидных частиц. Коагуляция смесями электролитов.

презентация , добавлен 28.11.2013

Сущность и определяющие признаки коллоидных систем. Основные свойства и строение растворов такого типа. Характеристика эффекта Тиндаля. Различия гидрозолей и органозолей. Способы образования коллоидных систем, специфические свойства, сфера применения.

презентация , добавлен 22.05.2014

Классификация дисперсных систем по структурно-механическим свойствам. Возникновение объемных структур в различных дисперсных системах. Анализ многообразия свойств в дисперсных системах. Жидкообразные и твердообразные тела. Тиксотропия и реопексия.

реферат , добавлен 22.01.2009

Изменение изобарно-изотермического потенциала. Уравнение изотермы химической реакции Вант-Гоффа. Свойства дисперсных систем и растворов ВМС, их сходство и отличие. Адсорбционное уравнение Гиббса, его анализ и область использования. Формулы мицелл.

контрольная работа , добавлен 25.07.2008

Понятие дисперсной системы, фазы и среды. Оптические свойства дисперсных систем и эффект Тиндаля. Молекулярно-кинетические свойства дисперсных систем. Теория броуновского движения и виды диффузии. Процесс осмоса и уравнение осмотического давления.

реферат , добавлен 22.01.2009

Коллоидные растворы (золи), как высокодисперсные коллоидные системы жидкой или газообразной дисперсионной средой. Гели или студни. Строение и свойства коллоидных мицелл. Эффект Тиндаля. Процесс коагуляции. Параметры устойчивости коллоидных растворов.

презентация , добавлен 15.09.2013

Сущность и классификация дисперсных систем. Газы, жидкости и твердые вещества. Грубодисперсные системы (эмульсии, суспензии, аэрозоли), их применение в практической деятельности человека. Характеристика основных видов коллоидных систем: золей и гелей.

Транскрипт

1 ядерный университет «МИФИ» Утверждаю зав. кафедрой ХиТМСЭ д р. техн. наук, профессор Гузеев В.В г. А.В. Конькова СТРУКТУРНО МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ Руководство к лабораторной работе Северск 2010

2 УДК ББК К Конькова А. В. Структурно механические свойства дисперсных систем: руководство к лабораторной работе. / А.В. Конькова Северск: Изд во СТИ НИЯУ МИФИ, с. Руководство содержит план коллоквиума, теоретическую часть, экспериментальную часть и список рекомендуемой литературы. Предназначено для студентов специальности СТИ НИЯУ МИФИ при выполнении лабораторных работ по курсу «Поверхностные явления и дисперсные системы». Руководство одобрено на заседании кафедры ХиТМСЭ (протокол 25 от 22 июня 2009 г.). Печатается в соответствии с планом выпуска учебно методической литературы на 2010 г., утверждённым Ученым советом СТИ НИЯУ МИФИ. Рег. 65/09 от «15» Рецензент О.А. Ожерельев доцент кафедры ХиТМСЭ СТИ НИЯУ МИФИ, канд. техн. наук Редактор Р.В. Фирсова Подписано к печати Формат 60х84/32 Гарнитура Times New Roman. Бумага писчая 2 Плоская печать. Усл. печ. л. 0,35 Уч. изд. л. 0,63 Тираж 50 экз. Заказ 2 Отпечатано в ИПО СТИ НИЯУ МИФИ, г. Северск Томской обл., пр. Коммунистический, 65

3 Содержание 1 План коллоквиума Теоретическая часть Экспериментальная часть Рекомендуемая литература

4 4 1 План коллоквиума 1.1 Структурированные системы, причины и условия иx образования. 1.2 Явления тиксотропии, синерезиса и набухания. 1.3 Вязкость истинных и коллоидных растворов. Закон вязкости Ньютона. Размерность вязкости. 1.4 Уравнение Пуазейля, условия его применимости. 1.5 Ньютоновы и неньютоновы жидкости. Структурная или аномальная вязкость, причины ее возникновения. 1.6 Зависимость вязкости от концентрации раствора. 1.7 Капиллярный метод определения вязкости. 2 Теоретическая часть Коллоидные и микрогетерогенные системы с жидкой и твердой дисперсионной средой обладают определенными механическими свойствами вязкостью, пластичностью. Эти свойства связаны со структурой этих систем, поэтому их называют структурно механическими свойствами. По взаимодействию между частицами дисперсные системы разделяются на свободнодисперсные и связнодисперсные. К свободнодисперсным системам относятся бесструктурные системы, в которых частицы дисперсной фазы не связаны друг с другом в одну сплошную сетку и способны независимо перемещаться в дисперсионной среде под влиянием броуновского движения или силы тяжести. Такие системы не оказывают сопротивления усилию сдвига, обладают текучестью и всеми остальными свойствами, характерными для обычных жидкостей (золи свободнодисперсные системы). В связнодисперсных системах частицы связаны друг с другом межмолекулярными силами, образуя в дисперсионной среде своеобразные пространственные сетки или каркасы (структуры). Частицы, образующие структуру, не способны к свободному перемещению и могут совершать лишь колебательные движения. К таким системам относятся гели (студни), концентрированные суспензии (пасты) и концентрированные эмульсии и пены, а также порошки. Гелями и студнями называют твердообразные нетекучие структурированные системы, образовавшиеся в результате действия молекулярных сил сцепления между коллоидными частицами или макромолекулами полимеров. Ячейки пространственных сеток гелей и студней заполнены растворителем. В зависимости от природы веществ получаются либо хрупкие гели структурированные двухфазные системы, либо эластичные гели, т.е. студни структурированные однофазные системы. Хрупкие гели получаются из жестких коллоидных частиц в результате коагуляции золей. Эластичные гели, называемые студнями, образуются благодаря сцеплению макромолекул органических полимеров (каучука, желатина и др.).

5 Связнодисперсные системы в определенной степени обладают свойствами твердых тел способностью сохранять форму, некоторой прочностью, упругостью, эластичностью. Однако из за непрочных связей сетки структуры сравнительно легко разрушаются и эти системы приобретают способность течь. Промежуточное положение между свободнодисперсными и связнодисперсными системами занимают переходные системы (структурированные жидкости). Частицы этих систем связаны друг с другом в рыхлые агрегаты, но не образуют сплошной структуры. Такие агрегаты можно рассматривать как обрывки пространственной сетки, которая по тем или иным причинам не получилась сплошной. Структурированные жидкости обладают структурно механическими свойствами, промежуточными между свойствами свободно и связнодисперсных систем. Эти системы способны течь, но они не подчиняются при этом законам течения обычных жидкостей. Примерами структурированной жидкости могут служить разбавленные суспензии глин, плазма крови. Структуры, образующиеся в высокодисперсных системах, делят на коагуляционные и конденсационно кристаллизационные. Первые образуются путем сцепления частиц межмолекулярными силами в звенья, цепочки, пространственные сетки, в петлях которых находится дисперсионная среда. Прослойки дисперсионной среды между частицами в местах их сцепления могут иметь разную толщину или совсем отсутствовать. При отсутствии прослоек образуются наиболее прочные, но и наиболее хрупкие коагуляционные структуры. Наличие тонкой жидкостной прослойки между частицами обусловливает меньшую прочность структуры, но зато придает ей пластичность. Чем толще прослойка среды, тем меньше прочность структуры и тем жидкообразней система. Если коагуляционные структуры образуются под действием межмолекулярных сил, то конденсационно кристаллизационные структуры образуются за счет химических сил. Эти структуры возникают либо в результате образования прочных химических связей между частицами (конденсационные структуры), либо вследствие сращивания кристалликов в процессе кристаллизации новой фазы (кристаллизационные структуры). Структуры с такими прочными связями проявляют упруго хрупкие свойства. Кристаллизационное структурообразование имеет большое значение для твердения минеральных вяжущих средств в строительных материалах на основе цементов, гипса и др. Коагуляционные структуры (гели) способны постепенно упрочняться во времени; они сжимаются, выделяя часть жидкости, заключенной в сетке или каркасе. Это явление называется синерезисом. Причина синерезиса заключается в том, что в результате теплового движения происходит перегруппировка частиц в пространстве. При этом увеличивается число и прочность контактов между частицами, что неизбежно ведет к сжатию геля и вы- 5

6 теснению из него дисперсионной среды. Синерезису способствуют все факторы, вызывающие коагуляцию (добавление электролита, изменение температуры и др.). Системы с коагуляционной структурой, из которых высушиванием удалена жидкость, способны поглощать эту жидкость вновь. При соприкосновении с жидкостью элементы структуры сухого геля раздвигаются и образовавшиеся промежутки снова заполняются дисперсионной средой. Это явление называется набуханием. Набухание приводит к резкому снижению прочности структуры и к возрастанию пластических и эластических свойств данного тела. Многие гели и студни под влиянием механических воздействий при перемешивании, встряхивании и т. д., способны разжижаться и переходить в золи и растворы полимеров, а затем, при хранении в покое, вновь застудневать. Способность структур самопроизвольно восстанавливаться во времени после их разрушения в результате механического воздействия называется тиксотропией. Тиксотропию можно рассматривать как обратимый изотермический процесс гель золь; студень раствор. Явление тиксотропии объясняется тем, что нарушенные связи со временем восстанавливаются в результате случайных удачных соударений частиц, находящихся в броуновском движений. Коагуляционные структуры тиксотропны, т.е. способны обратимо восстанавливаться после механического разрушения; структуры же конденсационно кристаллизационные при механическом воздействии разрушаются необратимо. Многие структурированные системы, характеризующиеся малой прочностью, обладают вязкостью, близкой к вязкости чистых жидкостей. Вязкость жидкостей, называемая иногда внутренним трением, представляет собой сопротивляемость жидкости ее движению под действием внешних сил. Внутреннее трение в жидкостях обусловлено силами сцепления между молекулами. Ярче всего внутреннее трение проявляется в жидкости, текущей под действием внешней силы по трубке. 6

7 Постулат Ньютона: сила F, дин, вязкого сопротивления жидкости, равная по величине и обратная по направлению внешней силе, равна: dυ F = η S, (1) dx где η (эта) коэффициент вязкости или вязкость жидкости, П; S площадь контакта движущихся слоев жидкости, см 2 ; dυ градиент скорости. dx Когда по трубке течет жидкость, ее масса разделяется на параллельные слои. Слой жидкости, прилигающий к стенкам, прилипает к ним и остается неподвижным, следующие же слои перемещаются с тем большей скоростью, чем ближе они к оси трубки. Каждый слой, таким образом, движется со своей скоростью υ, причем скорость слоев уменьшается от оси трубки к её краям. Если обозначить разность скоростей между двумя соседними слоями через υ, а расстояние между слоями через x, то υ/ x (или при очень малой разности скоростей и тонких слоях жидкости dυ/dx) будет называться градиентом скорости. [ η ] = [ F] [ x] [ S υ]. Единицу вязкости в честь французского ученого Пуазейля называют пуазом (П). 1 пуаз соответствует вязкости жидкости при которой сила в 1 дину, действующая на площадь в 1 см 2 в направлении движения жидкости, вызывает течение с градиентом скорости, равным единице. Вязкость в 1 пуаз очень большая величина, поэтому чаще пользуются величиной в 100 раз меньшей сантипуазом. Величина 1/η обратная вязкости, называется текучестью. Она характеризует подвижность жидкости под влиянием внешних воздействий. Постулат Ньютона справедлив, и вязкость является константой вещества лишь в том случае, когда жидкость течет послойно. Такой поток называется ламинарным. Но ламинарный поток с повышением скорости может перейти в турбулентный слои начнут перемешиваться и образуют завихрения. В этих условиях постулат Ньютона уже не применим. 7

8 Ламинарное течение по трубкам описывается также вторым законом вязкого течения уравнением Пуазейля: 4 π r P τ V =, (2) 8η l где V объем жидкости, протекающей через трубку за время τ; r и l радиус и длина трубки; P разность давлений на rонцах трубки; η вязкость жидкости. Уравнение Пуазейля используется в капиллярном методе определения вязкости. Метод основан на измерении времени вытекания определенного объема жидкости V через капилляр, радиус и длина которого постоянны. В обычном капиллярном вискозиметре постоянен и объем V. Поэтому вязкость пропорциональна произведению Рτ, где τ время, за которое жидкость объемом V протекла через капилляр. Постулат Ньютона и уравнение Пуазейля применимы лишь для чистых жидкостей, растворов низкомолекулярных веществ и некоторых коллоидов. В условиях капиллярного потока вязкость сохраняет постоянное значение, т.е. не зависит от внешней силы или давления, под действием которого происходит течение, как показано на рисунке 1. Однако при некотором давлении скорость течения приобретает величину, превышающую критическое значение, и поток становится турбулентным. В этих условиях вязкость уже не является константой вещества и начинает увеличиваться с ростом давления, так как в условиях турбулентности законы вязкого течения (Ньютона и Пуазейля) неприменимы. Такой характер зависимости изображен кривой 1 (см. рисунок 1). 1 истинная жидкость; 2 аномальная жидкость Рисунок 1 Зависимость вязкости от давления 8

9 Чистые жидкости, растворы низкомолекулярных веществ и коллоиды, для которых применимы законы Ньютона и Пуазейля, называются ньютоновыми (истинными) жидкостями. Растворы высокомолекулярных веществ и коллоиды с анизодиаметрическими частицами (несферическими, палочкообразными, игольчатыми или листочкоподобными), а также структурированные коллоидные системы не подчиняются основным законам вязкости, обнаруживая так называемую аномальную вязкость. Прежде всего, вязкость таких систем (даже весьма разбавленных) всегда очень велика и зависит от давления (см. рисунок 1, кривая 2). В области ламинарного потока вязкость аномальных (неньютоновых) жидкостей сначала падает с ростом давления, затем, достигнув некоторого значения, остается постоянной и, наконец, в области турбулентного потока снова увеличивается. Для разбавленных систем это связано с формой частиц. Палочкообразные частицы по мере увеличения давления ориентируются длинной осью по направлению потока, оказывают меньшее сопротивление; вязкость раствора уменьшается. Аналогичная зависимость наблюдается у систем с деформирующимися частицами (например, у эмульсий). Капельки дисперсной фазы при увеличении давления и скорости течения удлиняются, превращаясь из шариков в эллипсоиды, что, конечно, увеличивает текучесть и понижает вязкость. То же самое происходит и при течении растворов высокомолекулярных веществ с гибкими, свернутыми в клубок макромолекулами. Здесь падение вязкости обусловлено распрямлением молекул и их ориентацией в направлении потока. В концентрированных системах растворы сильно загущаются из за образования структур (сеток, каркасов). При течении под давлением такие структуры разрушаются тем сильнее, чем выше давление. Высвобождающийся растворитель разжижает раствор, вязкость уменьшается. После полного разрушения структуры раствор течет, подчиняясь законам Ньютона и Пуазейля. Аномальную вязкость растворов в таких случаях называют структурной. Вязкость растворов и коллоидных систем зависит от концентрации растворенного или диспергированного вещества, так как молекулы растворенного вещества или частицы дисперсной фазы оказывают дополнительное сопротивление течению. С ростом концентрации вязкость линейно растет, если частицы дисперсной фазы удалены друг от друга на достаточно большие расстояния, исключающие межмолекулярное взаимодействие, и представляют собой жесткие недеформируемые шарики. Для растворов высокомолекулярных соединений такая зависимость не наблюдается, так как макромолекулы имеют не шарообразную форму, и даже в разбавленных растворах взаимодействуют, образуя агрегаты, захватывающие жидкость. 9

10 3 Экспериментальная часть Цель работы: изучение зависимости вязкости растворов глюкозы от концентрации. Заранее готовятся водные растворы глюкозы следующих концентраций: 5 %, 10 %, 15 %, 20 %, 25 %, 30 %. Определение вязкости проводится с помощью капиллярного стеклянного вискозиметра, установленного вертикально с помощью штатива. Вискозиметр, показанный на рисунке 2, представляет собой U образную трубку, в колено которой впаян капилляр 1. а, b метки Рисунок 2 Капиллярный стеклянный вискозиметр При измерении вязкости жидкость из резервуара 2 течет по капилляру 1 в резервуар 3. Вискозиметр заполняется через трубку 4 исследуемой жидкостью. При работе с одним и тем же вискозиметром объем заливаемой жидкости должен быть постоянным (20 мл). Далее с помощью резиновой груши жидкость засасывается в расширение 5 немного выше метки «а». Затем жидкости дают возможность свободно вытекать и определяют по секундомеру время истечения жидкости между меткими «а» и «b». Опыт повторяется 4 5 раз с каждым раствором. 10

11 Определение вязкости раствора производится путем сравнения с вязкостью чистого растворителя, которая берется из справочника. Измерения следует начинать с чистого растворителя, а далее с растворами от малой концентрации к более высокой. При засасывании раствора необходимо следить за тем, чтобы раствор не пенился и чтобы в капилляре не было пузырьков воздуха. Необходимо также тщательно следить за тем, чтобы в сужении трубки около метки «а» не застаивалась капля раствора, так как это может привести к значительным погрешностям. Время истечения для одной и той же концентрации при многочисленных измерениях не должно различаться более, чем на 0,5 с. Вязкость раствор вычисляется по формуле: τ d η = η0, (3) τ d где η 0 вязкость воды при данной температуре; τ и τ 0 соответственно время истечения раствора и чистой воды; d и d 0 плотность раствора и воды. Плотность раствора определяется с помощью пикнометра. При температуре опыта взвешивается сначала пустой пикнометр, а затем заполненный. Плотность d рассчитывается по уравнению: 0 0 (gi g) (g g), где d 0 плотность воды; g масса пустого пикнометра; g 0 масса пикнометра с водой; g i масса пикнометра с раствором. d = d (4) Результаты измерений и расчетов заносятся в таблицу. 0 Таблица 1 Результаты измерения и расчетов С, % t, сек. g i, г m = (g i g), г d, г/см 3 h, сп Построить график зависимости вязкости раствора от концентрации и сделать соответствующий вывод. 0 11

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ СЕВЕРСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский

Тема 5. Основы реологии. Вязкость растворов полимеров. Теоретическая часть. Вязкие жидкости и растворы высокомолекулярных веществ (ВМС) по характеру течения делятся на ньютоновские и неньютоновские. Ньютоновские

Министерство образования Российской Федерации Государственное образовательное учреждение ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ВЯЗКОСТИ С ПОМОЩЬЮ КАПИЛЛЯРНОГО ВИСКОЗИМЕТРА Методические

Лабораторная работа по теме «Вязкость» Реологические свойства коллоидных систем. Вязкость Проявление молекулярно-кинетических свойств коллоидных систем неразрывно связано с их реологическими (вязкостными)

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский ядерный университет

1 Министерство образования и науки Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» Кафедра

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ВЯЗКОСТИ ЖИДКОСТИ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ И КОНЦЕНТРАЦИИ НА ШАРИКОВОМ ВИСКОЗИМЕТРЕ Введение Рассмотрим протекание жидкости по трубе. В том случае, когда соседние слои жидкости (или газа)

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Физический факультет ИЗУЧЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ ВЯЗКОСТИ ЖИДКОСТИ МЕТОДОМ СТОКСА Методические указания для выполнения лабораторной работы Томск 2014 Рассмотрено и утверждено

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ

Ярославский государственный педагогический университет им. К. Д. Ушинского Кафедра общей физики Лаборатория молекулярной физики Лабораторная работа 8 Определение вязкости жидкости капиллярным вискозиметром

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИЗМЕРЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ВЯЗКОСТИ ЖИДКОСТИ МЕТОДОМ СТОКСА Методические указания для

4.1. Необходимы математические понятия Опр. Градиентом физической величины называют - вектор, показывающий направление наибольшего возрастания скалярной функции, значение которой изменяется от одной точки

Работа.8 Исследование зависимости вязкости жидкости от температуры и определение энергии активации ее молекул Оборудование: исследуемая жидкость, капиллярный вискозиметр, секундомер, термостат с контрольным

Министерство образования и науки РФ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Утверждаю зав. кафедрой общей и экспериментальной физики В. П. Демкин 2015 г. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА

КАЗАНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ Кафедра физики МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ ПО ФИЗИКЕ для студентов специальностей 903, 90, 907, 908, 90 Лабораторная работа

Лекция 18. ОСНОВЫ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЙ МЕХАНИКИ Структурообразование в дисперсных системах Контакты между частицами: Коагуляционные (в первичном и вторичном минимуме) и фазовые контакты (как в поликристаллах).

МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ухтинский государственный технический университет» (УГТУ) ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЯЗКОСТИ

1 Лабораторная работа 61 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЯЗКОСТИ ЖИДКОСТЕЙ МЕТОДОМ СТОКСА Теоретическое введение Вязкость (внутреннее трение) это свойство жидкостей и газов оказывать сопротивление перемещению одной части

Лабораторная работа ОПРЕДЕЛЕНИЕ СРЕДНЕЙ ДЛИНЫ СВОБОДНОГО ПРОБЕГА И ЭФФЕКТИВНОГО ДИАМЕТРА МОЛЕКУЛ ВОЗДУХА ПО КОЭФФИЦИЕНТУ ВНУТРЕННЕГО ТРЕНИЯ ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ Прибор для определения средней длины

Министерство образования и науки Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» Кафедра

38 ТЕЧЕНИЕ И СВОЙСТВА ЖИДКОСТЕЙ Задание 1. Выберите правильный ответ: 1. Внутреннее трение является следствием переноса... а) электрического заряда; б) механического импульса; в) массы; г) количества теплоты;

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ

1 - МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

МОСКОВСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра физики ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА.5 OПPEДEЛEНИE КOЭФФИЦИEНТA ВЯЗКOCТИ ЖИДКOCТИ МEТOДOМ CТOКCA.5 ФИО студента Выполнил(а) Защитил(а) Шифр группы МОСКВА 0_ г. Лaбopaтopнaя

Методические указания к выполнению лабораторной работы 2.5. ИЗУЧЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ КОЭФФИЦИЕНТА ВЯЗКОСТИ ЖИДКОСТИ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ * * Аникин А.И. Свойства газов. Свойства конденсированных систем: лабораторный

ИЗМЕРЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ВЯЗКОСТИ ЖИДКОСТИ МЕТОДОМ СТОКСА Методические указания для проведения лабораторных работ МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

Федеральное агентство по образованию РФ Ухтинский государственный технический университет 14 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКОЙ ВЯЗКОСТИ ЖИДКОСТИ ПО МЕТОДУ ПАДАЮЩЕГО ШАРИКА Методические указания к лабораторной работе

Ярославский государственный педагогический университет им. К. Д. Ушинского Кафедра общей физики Лаборатория механики Лабораторная работа 11. Определение вязкости жидкости методом Стокса Ярославль 2009

ГОУ ВПО ИГМУ Росздрава Кафедра общей химии Физическая и коллоидная химия ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАБУХАНИЯ ЖЕЛАТИНЫ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ рн СРЕДЫ ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА Методическое пособие Иркутск, 2008 Пособие подготовлено

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Лабораторная работа 2-5 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ВЯЗКОСТИ ВОЗДУХА Методические рекомендации

Цель работы: познакомиться с одним из методов определения коэффициента внутреннего трения. Задача: с помощью измерительного микроскопа измерить диаметр шариков, измерить время падения их и высоту падения.

Работа.5 Определение вязкости газов Введение Газы, как и жидкости, обладают вязкостью, хотя величина коэффициента вязкости в них значительно меньшая, чем в жидкостях. Физические причины возникновения вязкости

Иркутский государственный технический университет Кафедра общеобразовательных дисциплин ФИЗИКА Лабораторная работа.1. «Определение коэффициента динамической вязкости жидкости методом Стокса» доц. Щепин

1 ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ДИЗАЙНА И ТЕХНОЛОГИИ НОВОСИБИРСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ

Лекция 2. Структурообразование и размерный эффект Наноструктуры могут быть: Равновесные и неравновесные наноструктуры. Квазиравновесные структуры. Равновесные наноструктуры характеризуются физико-химическими

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ М.А. Бутюгин, Т.М. Ильясова ФИЗИКА Учебно-методическое пособие по выполнению лабораторной работы М-14 «Определение коэффициента вязкой

Лабораторная работа 16 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ДИНАМИЧЕСКОЙ ВЯЗКОСТИ ЖИДКОСТИ ПО МЕТОДУ СТОКСА Цель работы изучение явления внутреннего трения в газах и жидкостях, экспериментальное определение коэффициента

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЛЕКУЛЯРНОЙ МАССЫ ЖЕЛАТИНА ВИСКОЗИМЕТРИЧЕСКИМ МЕТОДОМ И.Шиян, Я.Припаньковская Кубанский государственный технологический университет Краснодар, Россия DETERMINATION OF MOLECULAR MASS OF VISKOZIMETRICHESKY

Вязкоупругость полимерных жидкостей. Оснвные свойства полимерных жидкостей. К полимерным жидкостям с сильно переплетенными цепями относятся полимерные расплавы, концентрированные растворы и полуразбавленные

1 Тема 11: Основы гидродинамики Гидростатика. Законы Паскаля и Архимеда Плотностью тела называется величина равная отношению массы этого тела к его объёму: m V Размерность плотности: [ ρ] = кг/м 3. Если

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА.3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ВНУТРЕННЕГО ТРЕНИЯ ВОЗДУХА; ОПРЕДЕЛЕНИЕ СРЕДНЕЙ ДЛИНЫ СВОБОДНОГО ПРОБЕГА МОЛЕКУЛ ВОЗДУХА. ЦЕЛЬ РАБОТЫ Целью работы является экспериментальное

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА: ЧАСТЬ 4. СТАТИСТИЧЕСКИЙ ХАРАКТЕР ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ЗАКОНОВ Практикум для вузов Составители: В.И. Кукуев, В.В. Чернышев, И.А.Попова. ВОРОНЕЖ 009

Министерство образования Российской Федерации Томский политехнический Университет Кафедра теоретической и экспериментальной физики ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕМЕНТАРНОГО ЗАРЯДА. ОПЫТ МИЛЛИКЕНА Методические указания к

Лекция 7 (9.05.05) ПРОЦЕССЫ ПЕРЕНОСА В ГАЗАХ Всякая термодинамическая система, под которой мы понимаем совокупность большого числа молекул, при неизменных внешних условиях приходит в состояние термодинамического

Гидроаэромеханика Составитель асс. каф БНГС СамГТУ, магистр Никитин В.И. Занятие 3. 3. РЕОЛОГИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ Реология это наука о поведении различных текучих и пластичных тел при механическом нагружении.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра химии и инженерной экологии в строительстве Громаков Н.С. ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ

Лабораторная работа ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ВНУТРЕННЕГО ТРЕНИЯ ЖИДКОСТИ ПО МЕТОДУ СТОКСА 1. Цель и задачи лабораторной работы Цель работы заключается в определении вязкости, или внутреннего трения, различных

М И Н И С Т Е Р С Т В О О Б Р А З О В А Н И Я И Н А У К И Р О С С И Й С К О Й Ф Е Д Е Р А Ц И И ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «Национальный

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Ивановский государственный химико-технологический университет

222. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЯЗКОСТИ ЖИДКОСТИ МЕТОДОМ СТОКСА Введение На шарик, падающий в вязкой среде, действует сила тяжести mg, сила Архимеда F A и сила сопротивления среды сила Стокса F C. mg= s Vg, (1) F A

Тест Систему с жидкой дисперсионной средой и дисперсной фазой в виде коллоидных частиц называют: Суспензия.. Эмульсия 3. Пена.Лиозоль 5. Раствор ВМВ. Система гидрозоль As S 3 является: Лиофильной свободнодисперсной.

ЛЕКЦИЯ ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ГИДРОДИНАМИКИ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТЕЙ ПО РАДИУСУ ТРУБЫ УРАВНЕНИЕ ПУАЗЕЙЛЯ Гидравлический радиус и эквивалентный диаметр При движении жидкостей по каналам произвольной формы, сечение

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «Национальный исследовательский ядерный университет

Министерство образования и науки Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тамбовский государственный технический университет» ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЯЗКОСТИ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ А.Н. Тимошенко, А.Н. Козлов Ю.В. Тихомиров, А.А. Куколева СЕРТИФИКАЦИЯ ОРГАНИЗАЦИЙ ФИЗИКА АВИАТОПЛИВООБЕСПЕЧЕНИЯ Учебно-методическое

Министерство образования Российской Федерации Томский политехнический университет Кафедра теоретической и экспериментальной физики «УТВЕРЖДАЮ» Декан ЕНМФ И.П. Чернов «14» мая 2002 г. ИЗУЧЕНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ

Государственное высшее учебное заведение «ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» Кафедра физики ОТЧЁТ по лабораторной работе 17 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЯЗКОСТИ ЖИДКОСТИ МЕТОДОМ ПАДАЮЩЕГО ШАРИКА Выполнил студент

50 А. Механика ни. Исторически они были получены на основе законов динамики Ньютона, но представляют собой значительно более общие принципы, областью применения которых является вся физика в целом, а не

ЛЕКЦИЯ 4 МЕХАНИКА ЖИДКОСТЕЙ, ОСНОВЫ БИОРЕОЛОГИИ И НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ГЕМОДИНАМИКИ I. Идеальная и реальная жидкости II.Ньютоновские и неньютоновские жидкости III.Течение вязкой жидкости по трубам IV.Предмет

В свободнодисперсных системах частицы дисперсной фазы нс связаны между собой и могут свободно перемещаться независимо друг от друга. В связнодисперсных системах частицы между собой связаны и образуют структурную сетку с фиксированным взаимным расположением составных частей тела (атомов и молекул) в пространстве. Они не могут перемещаться свободно и совершают только колебательные движения около положения равновесия. Структурные сетки образуются под действием сил Ван- дер-Ваальса и ближнедействующих химических сил в концентрированных суспензиях, эмульсиях, ластах. Структура разбавленных агрегативно устойчивых дисперсных систем по ряду свойств очень похожа на структуру истинных растворов, отличие заключается только в размерах частиц. Увеличение концентрации дисперсной фазы приводит к взаимодействию ее частиц, подобно ассоциации молекул и ионов в истинных растворах. Это взаимодействие сопровождается изменением свойств дисперсных систем, которое происходит постепенно до тех пор, пока в системе не произойдет коагуляция.

В коллоидной химии понятие структуры принято связывать именно с коагуляцией. В процессе коагуляции происходит образование пространственной структурной сетки из частиц дисперсной фазы, что резко увеличивает прочность системы. Структурообразование в свободно-дисперсных системах непосредственно связано с потерей их агрегативной устойчивости. По мере увеличения прочности свободнодисперсная переходит в связнодисперсную систему.

В связнодисперсных системах появление и характер образующихся структур определяют по механическим свойствам системы: вязкости, упругости, прочности и пластичности. Эти свойства называются структурномеханическими или реологическими, так как их исследуют методами реологии - науки о деформациях и течении материальных систем.

Дисперсная система приобретает комплекс структурно- механических (реологических) свойств, характеризующих се способность сопротивляться деформации и делению на части, в результате радикального изменения в ходе структурирования.

Основное из реологических свойств - механическая прочность. Это свойство характерно для всех твердых тел и материалов, оно определяет их роль в природе и технике. Закономерности структурообразования в дисперсных системах, механические свойства структурированных систем и получаемых на их основе разнообразных материалов с особым вниманием к роли физико-химических явлений на границе раздела фаз изучает реология - отдельный раздел коллоидной химии. Иначе этот раздел назы-

вается физико-химической механикой. Реология изучает механические свойства систем по проявлению деформации под действием внешних напряжений.

Известно, что деформация - это относительное смещение точек системы, при котором не нарушается ее сплошность. Деформация делится на упругую (обратимую, когда тело полностью восстанавливается после снятия нагрузки) и остаточную (необратимую). Упругая деформация, в свою очередь, подразделяется на объемную (растяжение-сжатие), сдвиговую и деформацию кручения. Остаточная деформация, при которой не происходит разрушения тела, называется пластической.

Важными при рассмотрении структурно-механических свойств являются два вида деформаций - растяжение-сжатие и сдвиг. Количественно оба вида деформации характеризуются относительными величинами:

Относительным удлинением (здесь / Q - первоначальная

длина образца; / - его длина после приложенной нагрузки; Д/ - удлинение образца);

Относительный сдвиг или (здесь у - смещение верхнего

слоя, х - высота, на протяжении которой происходит смещение).

Эти понятия включены в законы реологии, сформулированные в виде двух аксиом. По первой аксиоме реологии при всестороннем равномерном (изотропном) сжатии все материальные системы ведут себя одинаково - как идеальные упругие тела, действует только упругая деформация. Изотропное сжатие не позволяет выявить качественные различия в структуре тел.

Вторая аксиома реологии - это утверждение, что любая материальная система обладает всеми реологическими свойствами. Эти свойства проявляются при сдвиговой деформации. Характер и величина деформации зависят от свойств материала, формы тела и способа приложения внешних сил.

Величина 8 в реологии называется упругой деформацией, величина у - сдвиговой деформацией или просто деформацией (рис. 8.1).

, вызывающая деформацию тела, определяется отношением внешней силы F к единице поверхности тела s , на которую она действует: P = F!s. Единицей измерения напряжения является Паскаль (Па): [Р] = Па. Один Паскаль равен давлению, вызываемому силой 1 Н, равномерно распределенной по нормальной к ней поверхности площадью 1 м 2: 1 Па = 1 Н/м".

Жидкости и газы деформируются при наложении минимальных нагрузок, под действием разности давлений они текут. Течение является одним из видов деформации, при котором величина деформации непрерывно увеличивается под действием постоянного давления (нагрузки). В отличие от газов жидкости при течении не сжимаются и их плотность остается практически постоянной.

Рис. 8.1. Схема деформации при растяжении (и) и сдвиге (б)

В реологии механические свойства представляются в виде моделей, в основе которых лежат законы, связывающие напряжение с деформацией (рис. 8.2). Трем участкам кривой соответствуют три элементарные модели идеализированных материалов, отвечающих основным реологическим характеристикам (упругость, вязкость, пластичность): идеально упругое тело Гука, идеально вязкое тело Ньютона, идеально пластичное тело Сен- Венана - Кулона.

Рис. 8.2.

Рис. 8.3.

На участке I зависимость имеет прямо пропорциональный характер и описывается законом Гука для тел с упругой деформацией. Идеально упругое тело Гука представляют в виде спиральной пружины (рис. 8.3).

В соответствии с законом Гука деформация у в упругом теле пропорциональна напряжению сдвига Р :

где Е - модуль упругости (модуль Юнга), который является характеристикой материала и его структуры. Для молекулярных кристаллов модуль упругости составляет ~ 10 9 Па, для ковалентных кристаллов и металлов ~10" Па и более. После снятия нагрузки идеально упругое тело Гука мгновенно принимает первоначальную форму (Р = 0; / = 0) . Энергия, затраченная на деформацию идеально упругого тела, возвращается после прекращения действия напряжения, поэтому тело Гука принадлежит к консервативным структурам.

На участке II по рис. 8.2 при значении напряжения, превышающего некоторую величину Р^, называемую пределом упругости, то есть Р > Р к

может произойти разрушение тела или появиться остаточная деформация (Р = 0; у Ф 0). Это область идеально вязкого тела Ньютона, которое представляется в виде поршня с отверстиями, помещенного в цилиндр с жидкостью (рис. 8.4).

При течении идеально вязкой жидкости происходит сдвиг одного слоя жидкости относительно другого при их плоскопараллельном движении. Это течение описывает закон Ньютона, по которому при ламинарном движении жидкости напряжение сдвига Р пропорционально градиенту скорости жидкости или скорости деформации:

где и - скорость течения жидкости; л; - координата; -

градиент скорости, связанный со скоростью ; dr - время,

за которое происходит изменение при деформации dy , сопровождающей плоскопараллельное движение двух слоев жидкости: ; /

Скорость деформации

Рис. 8.5.

Рис. 8.4.

Из приведенных соотношений следует связь между скоростью потока и скоростью деформации:

В уравнениях (8.1) коэффициент пропорциональности /; называется коэффициентом внутренного трения, но чаще - ньютоновской вязкостью, динамической вязкостью или просто вязкостью. Это важнейшее свойство, характеризующее структуру любой дисперсной системы. Вязкость является реологической константой и определяет способность жидкости сопротивляться течению.

Величина, обратная вязкости I/77, называется текучестью.

Динамическая вязкость в системе СИ имеет размерность Н-с/м 2 . Эта размерность называется паскаль - секунда (Пас): = Па с. Пас- кальсскунда равна вязкости среды, касательное напряжение в которой при ламинарном течении и при разности скоростей слоев, находящихся на расстоянии 1 м но нормали к направлению скорости, равной 1 м/с, равно 1 Па:

. Например, вязкость воды при 20,5 °С равна 1,005 мПас.

В литературе встречается еще одна единица измерения вязкости - пуаз (П): 1 П=0,1 Па-с. Вязкость газов примерно в 50 раз меньше, у высоковязких жидкостей значения вязкости могут достигать в тысячу и миллионы раз большее значение, у твердых тел вязкость более чем 10 15 - Ю 20 Па с.

Жидкости, течение которых описывают указанные выше уравнения, называются ньютоновскими. Величина деформации ньютоновской жидкости зависит от времени действия напряжения. Так как или ,

то , то есть при постоянном напряжении Р деформация пропорциональна времени действия этого напряжения.

Ньютоновские жидкости способны течь (деформироваться) под действием очень малых внешних нагрузок до тех пор, пока они действуют. Энергия, затраченная на деформацию идеально вязкого тела (ньютоновской жидкости), превращается в теплоту, поэтому тело Ныотоиа принадлежит к диссипативным структурам.

Идеально пластичное тело Сен-Венана - Кулона представляется расположенным на плоскости твердым телом, при движении которого гре- ние постоянно и не зависит от нормальной, то есть перпендикулярной поверхности силы (рис. 8.5). В основе этой модели лежит закон внешнего трения, в соответствии с которым деформация отсутствует, если напряжение сдвига меньше некоторой величины Pj , называемой пределом текучести, то есть при Р деформация отсутствует: у = 0 и у = 0. На рис. 8.2

это III участок, показывающий возможность перехода упругой деформации в пластическую.

Если напряжение достигнет предела текучести, то развиваемая деформация идеально пластического тела нс имеет предела, течение происходит с любой скоростью, то есть при Р = P.j. деформация положительна:

у > 0 и у > 0.

Предел текучести Р^ отражает прочность структуры тела. При условии Р= Р т структура идеального пластического тела разрушается, после

чего сопротивление напряжению полностью отсутствует. Энергия, затраченная на деформацию идеально пластичного тела Сен-Венана - Кулона, превращается в теплоту, поэтому оно принадлежит к диссипативным структурам.

СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ

Наименование параметра	Значение
Тема статьи:	СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ
Рубрика (тематическая категория)	Химия

Образование структур в коллоидных и микрогетерогенных системах является следствием коагуляции этих систем и по мере увеличения концентрации дисперсной фазы проходит широкий “спектр” состояний – от истинно жидких (золи) через структу-рированные жидкости, гели, к твердообразным системам.

Коллоидные и микрогетерогенные системы с жидкой и твердой дисперсионной средой, как и все конденсированные системы, обладают определенными механическими свойствами – вязкостью, часто пластичностью, упругостью и прочностью. Эти свойства связаны со структурой систем, в связи с этим их называют структурно-механическими свойствами, или реологическими .

Коллоидные и микрогетерогенные дисперсные системы делятся на свободнодисперсные и связнодисперсные. В случае если дисперсионной средой является жидкость, то бывают и переходные системы, отдельные частицы которых связаны друг с другом в рыхлые агрегаты, но не образуют сплошной структуры – структурированные жидкости.

На тип системы большое влияние оказывает концентрация дисперсной фазы. Коллоидные системы, в которых частицы находятся на достаточно больших расстояниях друг от друга и практически не взаимодействуют, называются свободнодисперсными. При введении в такую систему стабилизатора, препятствующего сближению частиц и проявлению молекулярных сил между ними, можно значительно увеличить критическую концентрацию, при которой возникают связи между элементами структурной сетки. Необходимо отметить, что по своим свойствам такие коллоидные системы очень похожи на обычные жидкости, их вязкость мало отличается от вязкости дисперсионной среды и незначительно увеличивается с ростом содержания дисперсной фазы.

В связнодисперсных системах концентрация дисперсной фазы может достигать высоких значений. Частицы в такой системе связаны друг с другом межмолекулярными силами и вследствие этого не способны к взаимному перемещению, они образуют пространственную сетку или структуру. Связнодисперсные системы обладают в известной степени свойствами твердых тел – способностью сохранять форму, некоторой прочностью, упругостью, эластичностью. Но из-за малой прочности связи между отдельными элементами структуры они легко разрушаются и эти системы приобретают способность течь.

Структурированные жидкости представляют из себясистемы с малой концентрацией дисперсной фазы, но с явно выраженной тенденцией частиц к слипанию. Οʜᴎ обладают промежуточными свойствами, эти системы способны течь, но они не подчиняются при этом законам течения обычных неструктурированных жидкостей.

СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ - понятие и виды. Классификация и особенности категории "СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ" 2017, 2018.

Также по теме

Сырое яйцо Что такое во сне яйца

Анжела значение имени - характер и судьба Анжела по церковному как будет

Является ли балкон собственностью собственника квартиры

Письмо-уведомление о применении компанией или предпринимателем осно

Кто такие курды и откуда они взялись?