Презентация Физическая химия тугоплавких неметаллических и силикатных материалов. Дисперсные системы. (Лекции 1-3) онлайн

Содержание слайда: СПЕЦГЛАВЫ ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ ТУГОПЛАВКИХ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ И СИЛИКАТНЫХ МАТЕРИАЛОВ Лекции 1-3 Дисперсные системы Кафедра технологии силикатов и наноматериалов проф. Хабас Т.А.

Содержание слайда:

Содержание слайда: Основные направления современной коллоидной химии: Термодинамика поверхностных явлений. Изучение адсорбции ПАВ. Изучение образования и устойчивости дисперсных систем, их молекулярно-кинетических, оптических и электрических свойств. Физико-химическая механика дисперсных структур. Разработка теории и молекулярных механизмов процессов, происходящих в дисперсных системах под влиянием ПАВ, электрических зарядов, механического воздействия и т. п.

Содержание слайда: Список рекомендуемой литературы Литература обязательная 1. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. М., "Химия", 2004 г. – 463с. 2. Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. М., "Химия", 1976 г. –512с. 3. Фридрихсберг Д.А. Курс коллоидной химии. — СПб. : Химия, 1995, 400с. 4.Сумм Б.Д., Горюнов Ю.В. Физико-химические основы смачивания и растекания. – М: Химия, 1976. 5. Сумм Б. Д. Основы коллоидной химии: учебное пособие.— М. : Академия, 2007. — 240 с. 6.Поверхностные свойства твердых тел. - М:Мир, 1972. 7.Щукин Е.Д., Перцов А.В., Амелина Е.А. Коллоидная химия. –М: Изд-во ВШ, 2007— 445 с. 8.Рабухин А.И., Савельев В.Г. Физическая химия тугоплавких неметаллических и силикатных соединений: Учебник.– М.: ИНФРА-М, 2009. – 304 с. 9. Зимон А. Д. Коллоидная химия (в том числе наночастиц).— М.: Агар, 2007. — 342 с.

Содержание слайда: Литература дополнительная 1.Семченко Г.Д. Золь-гель процесс в керамической технологии. Харьков, 1997.-144с. 2.Эткинс П. Физическая химия. – М: Мир, 1980. 3.Евстратова К.И., Купина Н.А., Малахова Н.Е., "Физическая и коллоидная химия". Москва, "Высшая школа", 1990 г. 4.Бережной А.С. Многокомпонентные системы окислов,- Киев: Наукова думка, 1970.-542с. 5.Горшков В.С., Савельев В.Г., Федоров Н.Ф. Физическая химия силикатов и других тугоплавких соединений. М.: Высшая школа, 1988. 6.Куколев Г.Б. Химия кремния и физическая химия силикатов. -М.: Высшая школа, 1966.-463 с.

Содержание слайда: 7.Торопов Н.А., Барзаковский В.П., Лапин В.В., Курцева Н.Н. Диаграммы состояния силикатных систем. Двойные системы.- Л.:Наука, 1969, 721с. 7.Торопов Н.А., Барзаковский В.П., Лапин В.В., Курцева Н.Н. Диаграммы состояния силикатных систем. Двойные системы.- Л.:Наука, 1969, 721с. 8.Торопов Н.А., Барзаковский В.П., Лапин В.В., Курцева Н.Н., Войкова А.У. Диаграммы состояния силикатных систем. Тройные системы. Л.: Наука, 1972, 447с. 9.Стрелов К.К., Булер П.И. Силикаты и тугоплавкие оксиды в жидком и стеклообразном состоянии. Методич.пособие, УПИ, Свердловск, 1987,80с. 10.Краткий справочник физико-химических величин. Под редакцией Равделя А.А., Пономаревой А.М., Ленинград, "Химия", 1983 г. 11. Поверхностные явления и дисперсные системы : Учебные пособия / С. Н. Карбаинова, Н. П. Пикула, Л. С. Анисимова и др. ; Томский политехнический институт. — Томск : Изд-во ТПУ, 2000. — 128 с. 12. Кутолин, Сергей Алексеевич. Элементарный курс физической химии: Конспект лекций для вузов / С. А. Кутолин, Г. М. Писиченко. — Новосибирск : Chem.Lab.NCD, 2001. — 103 с.

Содержание слайда: Коллоидная химия — устоявшееся традиционное название науки, изучающей вещество в дисперсном состоянии, с особым вниманием к роли явлений, происходящих на поверхностях раздела фаз. Коллоидная химия — устоявшееся традиционное название науки, изучающей вещество в дисперсном состоянии, с особым вниманием к роли явлений, происходящих на поверхностях раздела фаз. Коллоидная химия ставит своей целью раскрытие особенностей строения и свойств систем (и протекающих в них процессов), связанных с их дисперсным состоянием.

Содержание слайда: Дисперсная система – это гетерогенная система, в которой одно вещество равномерно распределено в объеме другого.

Содержание слайда: Дисперсионная среда – это вещество, которое в дисперсной системе находится в большем количестве. Дисперсная фаза – это вещество, которое присутствует в дисперсной системе в меньшем количестве. Дисперсионная среда Дисперсная фаза

Содержание слайда: Дисперсными системами (или дисперсиями) называют гетерогенные, преимущественно микрогетерогенные, двух- и многофазные системы, в которых, по крайней мере, одна из фаз находится в дисперсном состоянии. Дисперсными системами (или дисперсиями) называют гетерогенные, преимущественно микрогетерогенные, двух- и многофазные системы, в которых, по крайней мере, одна из фаз находится в дисперсном состоянии. Дисперсная система рассматривается как совокупность частиц дисперсной фазы и окружающей их сплошной дисперсионной среды. Если в связнодисперсных системах обе фазы непрерывны (пронизывают друг друга), то системы называют биконтинуальными.

Содержание слайда: Если форма частиц дисперсной фазы близка к изометрической, то степень раздробленности этой фазы может характеризоваться линейным размером частиц (средним радиусом r), дисперсностью D, либо площадью удельной поверхности S1. Если форма частиц дисперсной фазы близка к изометрической, то степень раздробленности этой фазы может характеризоваться линейным размером частиц (средним радиусом r), дисперсностью D, либо площадью удельной поверхности S1. D=S12/V1 - отношение суммарной поверхности раздела дисперсной фазы 1 с дисперсионной средой 2 (межфазной поверхности) S12 к суммарному объему этих частиц

Содержание слайда: Удельная поверхность -это отношение суммарной поверхности к общей массе частиц S1 = S12 /(V1 ) или S1 = D/  , где р

Содержание слайда: Для монодисперсной системы, состоящей из сферических частиц радиусом r, D = 3/r Для частиц другой формы также сохраняется обратная пропорциональность дисперсности линейному размеру частиц, но с другими численными коэффициентами.

Содержание слайда: Классификация по агрегатному состоянию:

Содержание слайда:

Содержание слайда: Эмульсия – это дисперсная система с жидкой дисперсионной средой и жидкой дисперсионной фазой . Эмульсия – это дисперсная система с жидкой дисперсионной средой и жидкой дисперсионной фазой . Суспензия– это система с жидкой дисперсионной средой и твердой дисперсной фазой (паста, взвесь). Аэрозоли – это дисперсные системы, в которых дисперсионной средой является газ, а дисперсной фазой – жидкость.

Содержание слайда: Коллоидные системы с жидкой дисперсионной средой Золи (лат. Soluto – раствор) - жидкоподвижные системы;

Содержание слайда: Гели (лат. Gelatus – замерзший, застывший) - студнеобразные системы, обладающие некоторыми свойствами твердых тел. Гели (лат. Gelatus – замерзший, застывший) - студнеобразные системы, обладающие некоторыми свойствами твердых тел.

Содержание слайда: По величине частиц дисперсной фазы:

Содержание слайда: Современная химия рассматривает широкий диапазон дисперсных систем : Современная химия рассматривает широкий диапазон дисперсных систем : грубодисперсные с частицами от 1 мкм и выше и Sуд< 1 м2 /г высокодисперсные, в том числе ультрамикрогетерогенные коллоидные системы (наносистемы) с частицами от 1 до 200 нм и Sуд до 1000 м2/г. Коллоиднодисперсные системы занимают промежуточное положение между истинными растворами и грубодисперсными системами.

Содержание слайда: Нижняя граница гетерогенности дисперсной системы – имеет порядок десятков ангстрем (единиц нм). Нижняя граница гетерогенности дисперсной системы – имеет порядок десятков ангстрем (единиц нм). Поэтому при уменьшении частиц измельчаемого вещества ниже этого предела граница раздела фаз исчезает, и система становится гомогенной – однофазной: коллоидный раствор переходит в истинный (это молекулярно- или ионнодисперсионная система).

Содержание слайда:

Содержание слайда: Оптические свойства коллоидных систем

Содержание слайда:

Содержание слайда: Джон ТИНДАЛЬ John Tyndall,  1820–93 Ирландский физик и инженер. Окончил механический институт в Престоне. Уволен с военно-геодезической службы за протесты против плохих условий труда. Профессор Королевского института (Royal Institution) в Лондоне. Основные труды ученого посвящены магнетизму, акустике, поглощению теплового излучения газами и парами, рассеянию света в мутных средах. Изучал строение и движение ледников в Альпах.

Содержание слайда: Эффект Тиндаля в отличие от отражения света крупными частицами (больше длины волны падающего света – пыль, капельки влаги) основан на рассеянии света во все стороны (опалесценция) частицами размером меньше половины длины волны падающего света (частицы золя). Эффект Тиндаля в отличие от отражения света крупными частицами (больше длины волны падающего света – пыль, капельки влаги) основан на рассеянии света во все стороны (опалесценция) частицами размером меньше половины длины волны падающего света (частицы золя).

Содержание слайда: Коллоидные частицы значительно меньше длины волны света, поэтому попадая в поле световой волны каждая частица становится источником света, рассеивая его во все стороны. Яркость опалесценции обратно пропорциональна 4 падающего света, поэтому сильнее рассеивается голубые и фиолетовые лучи, слабее красные или желтые. Поэтому при освещении «белым» светом золи выглядят голубоватыми.

Содержание слайда:

Содержание слайда: Опалесцирующая эмаль

Содержание слайда: Ультрамикрогетерогенные системы с определенной (коллоидной) дисперсностью проявляют способность к интенсивному броуновскому движению и обладают высокой кинетической устойчивостью. Ультрамикрогетерогенные системы с определенной (коллоидной) дисперсностью проявляют способность к интенсивному броуновскому движению и обладают высокой кинетической устойчивостью. Броун открыл это движение при исследовании пыльцы растений в 1827-28гг.

Содержание слайда: Кинетические свойства коллоидных частиц

Содержание слайда: Не следует смешивать понятия «броуновское движение» и «тепловое движение»: броуновское движение является следствием и свидетельством существования теплового движения. Не следует смешивать понятия «броуновское движение» и «тепловое движение»: броуновское движение является следствием и свидетельством существования теплового движения. Формула Альберта Эйнштейна для коэффициента диффузии D (1905г.), a –радиус частиц; ξ (кси)– динамическая вязкость среды.

Содержание слайда: Песков Николай Петрович (1880-1940) Песков Николай Петрович (1880-1940) предложил устойчивость дисперсных систем подразделять на два вида: 1) седиментационная, 2) агрегативная

Содержание слайда: 1.Седиментационная (кинетическая) устойчивость – это способность системы противостоять оседанию частиц дисперсной фазы под действием силы тяжести (седиментация), т.е. устойчивость к процессу разделения фаз в коллоидной системе, или способность дисперсной системы сохранять равномерное распределение частиц дисперсной фазы по объему дисперсионной среды. Для определения седиментационной или кинетической устойчивости изучают условия выделения диспергированных частиц в гравитационном или центробежном поле.

Содержание слайда: 2.Агрегативная устойчивость - это устойчивость к агрегации (коагуляции) этих частиц. Понятие агрегативной устойчивости, подразумевает отсутствие агрегирования, т.е. снижения степени дисперсности коллоидной системы при хранении. Имея высокоразвитую поверхность раздела фаз и, следовательно, громадный избыток свободной поверхностной энергии, коллоидные системы являются принципиально термодинамически неустойчивыми, что выражается в агрегации частиц, т.е. в отсутствии агрегативной устойчивости. Тем не менее, золям некоторых веществ присуща– большая агрегативная устойчивость (способность долго сохранять степень дисперсности )

Содержание слайда: Агрегативная устойчивость обусловлена, Снижением поверхностной энергии системы благодаря наличию на поверхности частиц дисперсной фазы двойного электрического слоя. 2 . Наличием кинетических препятствий для коагуляции в виде электростатического отталкивания частиц дисперсной фазы, имеющих одноименный электрический заряд. 3. Адсорбцией на межфазной поверхности поверхностно-активных веществ.

Содержание слайда: Снижение степени дисперсности коллоидной системы происходит посредством коагуляции или коалесценции. Снижение степени дисперсности коллоидной системы происходит посредством коагуляции или коалесценции. Коагуляция (от лат. coagulatio—створаживание), — сцепление частиц дисперсной фазы в свободнодисперсной системе (характерно для золей). При этом либо выпадает в осадок дисперсная фаза, либо застывает весь коллоидный раствор в студень— гель. При сближении частиц происходит частичное насыщение поверхностных сил в зоне контакта и снижение вследствие этого поверхностной энергии. Коагуляция приводит к переходу свободнодисперсной системы в связнодисперсную структурированную систему.

Содержание слайда:

Содержание слайда: Коагуляция http://meltice.com.ua/articles/wasser/tag/mexanicheskaya-ochistka/

Содержание слайда: Коалесценция -(от лат. coalesce - срастаюсь, соединяюсь), слияние капель или пузырьков. Коалесценция -(от лат. coalesce - срастаюсь, соединяюсь), слияние капель или пузырьков. Это самопроизвольный процесс, который сопровождается уменьшением свободной энергии системы. Конечным результатом коалесценции может быть распад дисперсной системы на макрофазы. Устойчивость частиц к коалесценции определяется температурой и вязкостью среды, межфазным натяжением, размером частиц и наличием на межфазной поверхности молекул ПАВ (стабилизаторов).

Содержание слайда: Схематическая диаграмма, иллюстрирующая последовательные стадии коалесценции. Схематическая диаграмма, иллюстрирующая последовательные стадии коалесценции. http://thesaurus.rusnano.com/wiki/article5246

Содержание слайда: Дисперсные системы могут быть Дисперсные системы могут быть свободнодисперсными и связнодисперсными (разбавленные и концентрированные)

Содержание слайда: Особенности связнодисперсных твердых систем Это пористые тела наряду с внешней удельной поверхностью они характеризуются размером (радиусом) пор, их объемом и внутренней удельной поверхностью. В соответствии с классификацией М.М. Дубинина все пористые тела можно разделить на три класса (в зависимости от размеров пор) : 1.микропористые тела с радиусом пор до 2·10-9 м, 2. мезопористые (переходнопористые) - от 2·10-9м до 50·10-9 м, 3. макропористые - более 50·10-9 м

Содержание слайда: Важно для силикатных технологий! Коагуляция и срастание частиц придают дисперсной системе качественно новые, структурно-механические (реологические) свойства; дисперсная структура приобретает прочность и, тем самым, способность служить материалом .

Содержание слайда: Т.о. : в основу классификации разнообразных дисперсных систем могут быть положены различные признаки: Т.о. : в основу классификации разнообразных дисперсных систем могут быть положены различные признаки: Агрегатное состояние и связанность составляющих фаз. Дисперсность; Концентрация; Устойчивость и её природа.

Содержание слайда:

Содержание слайда: Зависимость удельной поверхности от размера частиц

Содержание слайда: Влияние кавитационного ультразвукового воздействия на диспергирование порошковых материалов Порошки всегда агломерированы. Агломерирование объясняется адгезией частиц под действием сил Ван дер Ваальса, которые увеличиваются в случае наличия наночастиц. Ультразвуковое диспергирование основано на явлении акустической кавитации – образование и cхлопывание полостей в жидкости под действием ультразвука. Частицы при этом разрушаются в результате многократного воздействия на их поверхность импульсных нагрузок, сопровождающих замыкание кавитационных пузырьков.

Содержание слайда: Дробление ультразвуком Механизм хрупкого разрушения При УЗ облучении кристалла его поверхность и границы зерен подвергаются циклическим сжимающе-растягивающим нагрузкам. При этом на поверхности кристалла и на границах зерен одновременно с изменением возникающих напряжений меняется концентрация вакансий. В результате циклического изменения концентрации вакансий количество вакансий, поглощаемых поверхностью и границами зерен, меньше, чем диффундирующих вглубь кристалла. Таким образом, со свободной поверхности и границ зерен происходит «накачка» вакансий в объем кристалла.

Содержание слайда: Образующиеся дислокационные петли создают в кристалле дополнительные напряжения. С увеличением размера петель и их плотности увеличивается и величина внутренних напряжений. Образующиеся дислокационные петли создают в кристалле дополнительные напряжения. С увеличением размера петель и их плотности увеличивается и величина внутренних напряжений. При достижении определенной критической плотности и размера дислокационных петель происходит разрушение материала. Для хрупких образцов (Si, Ge) критическая плотность петель, приводящая к разрушению кристалла, составляет 3⋅1012 см -3. В таких кристаллах образуется большое количество вторичных магистральных трещин и разрушение происходит с образованием множества мелких осколков

Содержание слайда: Хрупко-пластичное разрушение под действием ультразвука Разрушение пластичных материалов при УЗ воздействии не может быть связано с образованием в них скоплений дислокационных петель, а вызывается формированием скоплений краевых дислокаций одного знака с высокой плотностью. Механизм разрушения при ультразвуковом воздействии в этом случае связан с образованием вблизи свободной поверхности и границ зерен пучности стоячей ультразвуковой волны и - скоплений краевых дислокаций за счет «переползания» дислокаций из объема. Разрушение происходит при превышении критического значения плотности дислокаций.

Содержание слайда: Кроме того, возможно также измельчение за счет соударения частиц порошка, возникающего при их беспорядочном движении под действием ультразвука. Кроме того, возможно также измельчение за счет соударения частиц порошка, возникающего при их беспорядочном движении под действием ультразвука. Применение ультразвука по сравнению с другими видами размола (в шаровой, планетарной, вибрационной и других мельницах) исключает засорение порошков примесями, так как мелющие тела отсутствуют.

Содержание слайда: В 1928г. Петр Александрович Ребиндер открыл адсорбционное понижение прочности (эффект Ребиндера) и в 40—50-х годах на основе развития этого направления и исследования структурообразования в дисперсных системах создал физико-химическую механику. В 1928г. Петр Александрович Ребиндер открыл адсорбционное понижение прочности (эффект Ребиндера) и в 40—50-х годах на основе развития этого направления и исследования структурообразования в дисперсных системах создал физико-химическую механику. Физико-химическая механика –наука о явлениях, происходящих в технологических процессах, основу которых составляют различные формы разрушения твердых материалов. Эффект используется для повышения эффективности диспергирования, помола,

Содержание слайда: Эффект Ребиндера  —это адсорбционное понижение прочности, или изменение механических свойств твёрдых тел вследствие физико-химических процессов, вызывающих уменьшение поверхностной (межфазной) энергии тела. Проявляется в снижении прочности и возникновении хрупкости, уменьшении долговечности, облегчения диспергирования. Возможен при контакте твёрдого тела, находящегося в напряжённом состоянии, с жидкой (или газовой) адсорбционно-активной средой. Существенную роль играет реальная структура тела — наличие дислокаций, трещин, посторонних включений и др.

Содержание слайда: Способы испарения (конденсации), или газо-фазный синтез получения нанопорошков основаны на испарении металлов, сплавов или оксидов с последующей их конденсацией в реакторе с контролируемой температурой и атмосферой. Фазовые переходы пар-жидкость-твердое тело или пар-твердое тело происходят в объеме реактора или на поверхности охлаждаемой подложки или стенок. Способы испарения (конденсации), или газо-фазный синтез получения нанопорошков основаны на испарении металлов, сплавов или оксидов с последующей их конденсацией в реакторе с контролируемой температурой и атмосферой. Фазовые переходы пар-жидкость-твердое тело или пар-твердое тело происходят в объеме реактора или на поверхности охлаждаемой подложки или стенок. Сущность способа состоит в том, что исходное вещество испаряется путем интенсивного нагрева, с помощью газа-носителя подается в реакционное пространство, где резко охлаждается.

Содержание слайда:

Содержание слайда:

Содержание слайда:

Содержание слайда:

Содержание слайда:

Содержание слайда:

Содержание слайда: