588_Gulaja_E._V._Fiziko-khimija_nanomaterialov_

УДК 541.1 (075.8)

Утверждено редакционно-издательским советом СибГУТИ

Рецензент канд. физ.-мат. наук, доцент В.И. Сигимов

Гулая Е.В., Зайцев В.П., Полянская А.В. Физико-химия наноматериа-

лов : учебно-методическое пособие / Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики; каф. технической электроники. – Новоси-

бирск, 2016. – 35 с.

В учебно-методическом пособии в краткой форме изложены основные вопросы дисциплины «Физико-химия наноматериалов»: поверхностные и капиллярные явления, термодинамика поверхностей раздела фаз, адсорбция, электрические, оптические, структурно-механические и молекулярнокинетические свойства дисперсных систем.

©Гулая Е.В., Зайцев В.П., Полянская А.В., 2016

©Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики, 2016

2

ПРЕДИСЛОВИЕ

Учебно-методическое пособие к лабораторным работам предназначено для студентов, обучающихся по направлениям 28.03.02 – Наноинженерия, 11.03.04 – Электроника и наноэлектроника, а также 11.03.03 – Конструирование и технология электронных средств, изучающих дисциплину «Физико-химия наноматериалов». Физико-химия наноматериалов изучает процессы образования и разрушения дисперсных систем и химию наночастиц, а также их характерные свойства, связанные с поверхностными явлениями на границах раздела фаз в этих системах.

Дисперсными системами называются гетерогенные системы с сильно развитой внутренней поверхностью раздела между фазами. Они состоят из двух или нескольких фаз, одна из которых (дисперсная фаза) обладает высокой дисперсностью (раздробленностью) и распределена в виде множества мельчайших частиц в окружающей непрерывной дисперсионной среде. Все эти знания позволяют прогнозировать свойства дисперсных материалов, а также управлять этими свойствами в современных технологиях.

Данное пособие содержит описание шести лабораторных работ, расположенных в порядке изучения соответствующих разделов теоретического курса «Физико-химия наноматериалов». В пособии кратко изложен теоретический материал, который позволяет составить общее представление о предмете работы, выполнить все требуемые расчеты, записать необходимые уравнения реакций, ответить на теоретические вопросы.

Экспериментальная часть лабораторных работ подробно описывает методику проведения каждого опыта и включает в себя перечень вопросов, на которые необходимо ответить при составлении отчета.

Подобная структура подразумевает предварительную теоретическую подготовку студентов по теме лабораторной работы, а затем самостоятельное проведение химического эксперимента с предоставлением письменного отчета преподавателю.

Данное учебно-методическое пособие будет служить основой для самостоятельной работы студентов. Также оно будет полезно студентам других специальностей, магистрантам и аспирантам.

3

ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ

Работа в химической лаборатории подразумевает использование различных химических реактивов, нередко сильно токсичных, а также стеклянной посуды и нагревательных приборов, неправильное обращение с которыми может стать причиной несчастных случаев. Поэтому студенты обязаны знать и строго соблюдать установленные правила техники безопасности:

–рабочее место необходимо содержать в чистоте и порядке, не загромождать его посторонними предметами;

–в химической лаборатории нельзя принимать пищу;

–химические реактивы нельзя пробовать на вкус;

–нюхать вещества надо осторожно, направляя рукой поток воздуха от пробирки к носу;

–нельзя допускать попадания реактивов на кожу и одежду;

–химические реактивы нельзя брать руками, только сухим и чистым шпателем (отдельным для каждого реактива);

–избыток реактивов нельзя выливать (высыпать) обратно в исходные склянки (это приводит к загрязнению реактивов, по той же причине нельзя менять пробки склянок);

–наливая жидкость, следует держать склянку так, чтобы ее этикетка была направлена в руку (во избежание загрязнения этикетки);

–работать с ядовитыми и резко пахнущими веществами, с концентрированными кислотами и щелочами необходимо в вытяжном шкафу и с особой осторожностью;

–при попадании кислоты или щелочи на кожу или одежду необходимо смыть ее большим количеством воды;

–перед использованием спиртовки нужно выпустить пары спирта, приподняв фитиль; горящую спиртовку нельзя передвигать;

–при нагревании на спиртовке пробирку сначала следует прогреть по всей длине (иначе она может лопнуть), держать ее следует под углом 45 градусов, направляя отверстием от себя и сидящих рядом;

–при любом несчастном случае или порче оборудования следует немедленно обратиться к преподавателю;

–по окончанию работы необходимо убрать рабочее место, вымыть лабораторную посуду и тщательно промыть руки.

4

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1 ПОЛУЧЕНИЕ ЭМУЛЬСИЙ И СУСПЕНЗИЙ

Цель работы: научиться на практики получать эмульсии и суспензии. Теоретические сведения. Для объектов коллоидной химии характерны

два основных признака, сформулированных одним из основоположников отечественной коллоидной химии Н.П. Песковым: гетерогенность и дисперсность.

Гетерогенность (многофазность) указывает на наличие межфазной поверхности и поверхностного слоя. Количественной характеристикой гетерогенности является величина поверхностного натяжения (удельной поверхностной энергии) на границе раздела фаз. Чем сильнее выражена гетерогенность и чем сильнее по природе отличаются соприкасающиеся фазы, тем больше поверхностное натяжение. Всякая дисперсная система состоит из дисперсной фазы и дисперсионной среды.

Дисперсность (раздробленность) определяется размерами и геометрией частиц. Частицы могут быть сферическими, цилиндрическими, кубическими, а чаще всего имеют неправильную форму.

Мерой дисперсности может служить:

–поперечный размер частиц (а), диаметр для сферических частиц (d) и длина ребра для кубических частиц (l);

–дисперсность (D) – величина, обратная поперечному размеру частицы:

–удельная поверхность (Sуд) – межфазная поверхность, приходящаяся на единицу объема или массы дисперсной фазы:

Таким образом, удельная поверхность прямо пропорциональна дисперсности D, и обратно пропорциональна поперечному размеру частицы а.

В современной коллоидной химии отсутствует единая классификация дисперсных систем. Причина этого заключается в том, что любая предложенная

5

классификация принимает в качестве критерия не все свойства дисперсной системы, а только какое-нибудь из них. Рассмотрим наиболее распространенные классификации дисперсных систем.

Классификация по размерам частиц дисперсной фазы

В основу наиболее простой классификации дисперсных систем положены размеры частиц дисперсной фазы, т. е. дисперсность. Согласно этой классификации все дисперсные системы условно подразделяют на:

–грубодисперсные (размер частиц > 10–5 м) – частицы видны невооруженным глазом, оседают под действием силы тяжести, не проходят через бумажные фильтры;

–среднедисперсные или микрогетерогенные (размер частиц 10–5 – 10–7 м)

–частицы видны в обычный микроскоп, не проходят через бумажные фильтры;

–высокодисперсные или коллоидные (размер частиц 10–7 – 10–9 м) – частицы проходят через бумажные и стеклянные фильтры, но не проходят через ультрафильтры; невидимы в обычный микроскоп, но видимы в ультра- и электронный микроскоп.

Низкомолекулярные системы (обычные жидкости, растворы, газовые смеси) имеют размеры частиц менее 10–9 м. Входящие в их состав молекулы и ионы невидимы в ультрамикроскоп и способны проходить через ультрафильтры.

Классификация по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды

Наиболее общая классификация дисперсных систем основана на различии в агрегатном состоянии дисперсной фазы (ДФ) и дисперсионной среды (ДС). Сочетание трех агрегатных состояний дисперсной фазы и дисперсионной среды позволяет выделить девять типов дисперсных систем. Для краткости их обозначают дробью, в числителе которой указывается агрегатное состояние дисперсной фазы, а в знаменателе – дисперсионной среды: ДФ/ДС.

Табл. 1.2. Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию

6

Продолжение табл. 1.2

В общем случае высокодисперсные системы называют золями (гидрозолями, органозолями, лиозолями, аэрозолями – по характеру дисперсионной среды), грубодисперсные системы типа Т/Ж называют суспензиями, типа Ж/Ж

– эмульсиями.

Классификация по силе межфазного взаимодействия дисперсной фазы и дисперсионной среды

Эта классификация применима только для систем с жидкой дисперсионной средой. В зависимости от характера взаимодействия дисперсной фазы с дисперсионной средой различают лиофильные и лиофобные дисперсные системы.

Табл. 1.3. Классификация по силе межфазного взаимодействия дисперсной фазы и дисперсионной среды

Классификация по подвижности частиц ДФ (по структуре)

По структуре все дисперсные системы можно разделить на два основных класса: свободнодисперсные и связнодисперсные.

Свободнодисперсные – частицы дисперсной фазы не связаны между собой, находятся на больших расстояниях друг от друга и могут свободно перемещаться относительно друг друга. К ним относятся: суспензии, эмульсии, золи.

7

Связнодисперсные – частицы дисперсной фазы связаны друг с другом за счет межмолекулярных сил, образуя в дисперсионной среде своеобразные пространственные сетки или каркасы (структуры). К ним относятся: капиллярнопористые тела, мембраны, гели, пасты, концентрированные эмульсии и пены, порошки.

Классификация по фазовой различимости

Эта классификация применима только для высокодисперсных систем. По фазовой различимости дисперсные системы могут быть разделены на два основных класса: суспензоиды и молекулярные коллоиды.

Суспензоиды – высокодисперсные гетерогенные системы (лиофильные или лиофобные), частицы которых представляют собой агрегаты атомов или молекул, отделенные четко различимой физической границей раздела фаз.

Молекулярные коллоиды – гомогенные однофазные системы, устойчивые и обратимые, образующиеся самопроизвольно, с отдельными сольватированными макромолекулами в качестве кинетических единиц (растворы высокомолекулярных соединений).

Классификация по форме частиц

Форма дисперсных частиц очень разнообразна. На многие свойства дисперсных частиц и образуемых ими дисперсных систем влияет соотношение между их размерами: длиной (l), шириной (h), и толщиной (d). По этому признаку частицы классифицируют на три группы:

–корпускулярные (объемные, трехмерные) – все три размера (l, h, d) примерно одинаковы;

–ламинарные (поверхностные, двумерные) – толщина (d) отвечает дисперсному интервалу, а длина и ширина имеют макроскопические значения – пленки;

–фибриллярные (линейные, одномерные) – интервалу дисперсных размеров отвечает поперечный размер – тонкие нити, волокна.

Экспериментальная часть

Опыт 1. Получение и стабилизация эмульсии бензола в воде

В две пробирки до одной трети их объема налить воды и в каждую внести 8 капель бензола. В одну из пробирок добавить 5 капель 1 %-ного спиртового раствора мыла. Обе пробирки плотно закрыть пробками и сильно встряхнуть. Отметить относительную скорость расслоения эмульсии в обеих пробирках.

Мыло образует пленку на поверхности капелек бензола и препятствует их слипанию, а также уменьшает поверхностное натяжение. Стабилизирующее действие мыла объясняется тем, что коллоидные частицы мыла R-COONa способны к электролитической диссоциации и при адсорбции поверхности капелек бензола после отщепления ионов Na+ приобретают одноименный заряд.

8

Опыт 2. Получение эмульсии мыла

В пробирку налить дистиллированной воды до трети ее объема, добавить несколько капель растительного масла, закрыв пробирку пробкой, несколько раз встряхнуть. Получается неустойчивая эмульсия – масло в воде.

Добавьте в пробирку несколько капель 1 %-ного раствора мыла в спирте и встряхните ее.

Сравните время расслаивания эмульсий в обеих случаях. Объясните стабилизирующее действие мыла на устойчивость эмульсии масла в воде.

Опыт 3. Получение и стабилизация суспензии мела в воде

Налить в две пробирки дистиллированной воды до половины объема, в одну из них добавить 1 мл 0,5 %- ного раствора желатина. Затем внести в пробирки по одному микрошпателю растертого в порошок мела и сильно взболтать. Поставить пробирки в штатив и наблюдать расслаивание суспензии. Обратите внимание на время расслаивания в обеих пробирках. Какую роль играет желатин? Что является в данной суспензии дисперсной фазы и дисперсионной средой?

Вопросы и задания для самоконтроля

1.Дайте определение дисперсных систем.

2.В чем отличие коллоидных растворов от истинных?

3.На каких признаках основан каждый тип классификации дисперсных

систем?

4.Какие существуют методы получения дисперсных систем? В чем заключается суть каждого метода?

5.Каким образом можно очистить коллоидные системы? Зачем это нужно

делать?

9

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2 ПОЛУЧЕНИЕ КОЛЛОИДНЫХ РАСТВОРОВ

Цель работы: научиться на практики получать коллоидные растворы. Теоретические сведения. Дисперсные системы широко используются в

различных областях промышленности и их необходимо получать с необходимым набором физических и химических свойств (состав, агрегатное состояние, размер, форма, структура, поверхностные свойства).

При получении дисперсных систем решают две важные задачи:

1.Получение дисперсных частиц нужного размера и формы;

2.Стабилизация дисперсных систем, т. е. сохранение размеров дисперсных частиц в течение достаточно длительного времени (особенно актуальна для наночастиц).

Методы получения дисперсных систем делятся на три большие группы: диспергационные, конденсационные и методы пептизации.

Диспергационные методы

Методы заключаются в измельчении крупных (макроскопических) образцов данного вещества до частиц дисперсных размеров. При диспергировании химический состав и агрегатное состояние вещества обычно не меняются, меняется размер частиц и их форма. Диспергирование происходит, как правило, не самопроизвольно, а с затратой внешней работы, расходуемой на преодоление межмолекулярных сил при дроблении вещества.

Диспергационные методы используют в основном для получения грубодисперсных частиц – от 1 мкм и выше. Например, производство цемента (1 млрд тонн в год), измельчение руд полезных ископаемых, получение пищевых продуктов и лекарств и т. д.

Работа, необходимая для диспергирования твердого тела, затрачивается на работудеформирования тела (Wдеф) и работуобразования новой поверхности (Wп):

где k – коэффициент пропорциональности, равный работе объемного деформирования единицы объема твердого тела;

V – объем тела.

Работа образования новой поверхности при диспергировании пропорциональна приращению поверхности:

где – энергия образования единицы площади поверхности или поверхностное натяжение;

S– приращение поверхности или площадь образовавшейся поверхности.

10