Расчет поверхностного натяжения

Рег. №

 

МНОГОВАРИАНТНЫЕ ЗАДАЧИ

По коллоидной химии

 

Учебное пособие

Направление подготовки 19.03.04 – Технология продукции и организация общественного питания.

 

 

Санкт-Петербург

Допущено

редакционно-издательским советом СПбГЭУ

в качестве методического издания

Составители

канд. химических. наук, доцент О.А. Черемисина.

канд. технических. наук, профессор С.Т. Прокопенко.

канд. экономических. наук, профессор Е.Ф. Антипов.

Рецензент

доктор физ.- мат. наук, профессор С.В. Сипаров

(Санкт-Петербургский государственный университет гражданской авиации).

 

 

Подготовлено на кафедре

Гостиничного и ресторанного бизнеса

 

 

Одобрено научно-методическим советом факультета

гостинично-ресторанного бизнеса

 

Отпечатано в авторской редакции с оригинал-макета,

представленного составителем

 

 

В сборник вошли задачи по основным разделам дисциплины «Коллоидная химия».

Каждый раздел включает в себя примеры решения типовых задач и задачи для самостоятельного решения.

 

ã СПбГЭУ, 2016

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………….
1. КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ………………………………………………………………..
2. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ 2.1. Расчет поверхностного натяжения……………………………… 2.2. Межфазные взаимодействия. Адгезия, когезия, смачивание, растекание………………………………………… 2.3. адсорбция на границе твердое тело – газ……………………..
3. Коллоидные растворы 3.1. Оптические свойства коллоидных растворов……………… 3.2. Молекулярно-кинетические свойства коллоидных растворов……………………………………………………………… 3.3. Электрокинетические свойства коллоидных растворов….. 3.4. Агрегативная устойчивость коллоидных растворов. 3.5. Коагуляция………………………………………………………... 3.6. реологические свойства дисперсных систем………………...
4. РАСТВОРЫВМС…………………………………………………….
5. РАСТВОРЫКОЛЛОИДНЫХ ПАВ…………………………………
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ…………………………………..…….…….

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Настоящий сборник многовариантных задач составлен в соответствии с рабочей программой по дисциплине «Физическая и коллоидная химия» раздел «Коллоидная химия» для студентов-бакалавров, обучающихся по направлению 19.03.04 – Технология продукции и организация общественного питания.

 

Целью выполнения индивидуальных самостоятельных работ по дисциплине является приобретение навыков в применении химических законов для решения конкретных задач с проведением количественных вычислений и использовании учебной, справочной и специальной литературы.

Для этого необходимо:

ü отработать практические навыки решения задач в области коллоидной химии;

ü научить студентов понимать основные закономерности протекания коллоидно-химических процессов;

ü приобрести опыт практических расчетов, необходимых для решения производственных задач в области пищевых технологий.

 

Основные задачи дисциплины направлены на формирование следующих компетенций:

ü Использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования. Уметь использовать нормативные правовые документы в своей деятельности (ПК-3);

ü Устанавливать и определять приоритеты в сфере производства продуктов питания. Обосновывать принятие конкретного технологического решения при разработке новых технологических решений при разработке новых технологических процессов производства продукции питания; выбирать технические средства и технологии с учетом экологических последствий их применений (ПК-10);

ü Уметь проводить исследования по заданной методике и анализировать результаты экспериментов (ПК-30);

ü Уметь измерять и составлять описание проводимых экспериментов, подготавливать данные для составления обзоров, отчетов и научных публикаций; владеть статистическими методами и средствами обработки экспериментальных данных проведенных исследований (ПК-32);

 

1. КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ

ПРИМЕРЫРЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

Пример 1. В сосудах диаметр капель эмульсии масла зависит от способа приготовления и при ручном взбалтывании составляет 20 мкм, а при машинном перемешивании 4 мкм. Определить дисперсность, удельную поверхность дисперсной фазы, а также отношение этих величин, если плотность масла равна 1,1∙10³ кг/м³.

Решение. Определяем дисперсность по формуле D_маш = 1/а, где а – размер частицы, м.

D_маш = 1/а = 1/(4∙10^-6) = 2,5∙10⁵ м^-1.

D_руч = 1/а = 1/(20∙10^-6) = 5∙10⁴ м^-1.

Часто удельную поверхность относят к массе m дисперсной фазы (дисперсиионной среды), и тогда нужно учитывать плотность вещества. Находим удельную поверхность по формуле: S_уд = 6/(а ∙ ρ), м²/кг

где ρ – плотность вещества, кг/м³.

S_уд^маш = 6/(4∙10^-6∙1,1∙10³) = 13,6∙10² м²/кг.

S_уд^руч = 6/(20∙10^-6∙1,1∙10³) = 2,72∙10² м²/кг.

D_маш/D_руч = 2,5∙10⁵/5∙10⁴ = 5; S_уд^маш / S_уд^руч = 13,6∙10²/2,72∙10² = 5.

Пример 2. Методом механического диспергирования 5 г толуола в 1 л воды получена дисперсная система с частицами толуола шарообразной формы с радиусом 2,5×10^-7 м. Плотность толуола равна 0,867 г/см³.

1. Определите тип системы по всем классификационным признакам.

2. Рассчитайте дисперсность системы D и удельную поверхность S_уд.

2. Рассчитайте параметры частицы дисперсной фазы: объем V₀, поверхность S₀, массу m₀.

3. Рассчитайте общую поверхность всех частиц S и число частиц N в дисперсной системе.

Решение. 1. Определяем тип системы. По дисперсности – грубодисперсная, т.к. размер частиц попадает в интервал 10^-7- 10^-5 м. По агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды это эмульсия, т.к. фаза и среда являются жидкостями. По наличию или отсутствию взаимодействия между частицами дисперсной фазы и частицами дисперсионной среды система – свободно-дисперсная. По степени взаимодействия дисперсной фазы и дисперсионной среды система – лиофобная (гидрофобная), т.к. практически отсутствует взаимодействие между толуолом и водой.

2. Определяем дисперсность системы D и удельную поверхность S_уд.

Удельная поверхность – межфазная поверхность, приходящаяся на единицу объема дисперсной фазы.

D = 1/а, м^-1

где а – размер частицы (диаметр шара или длина ребра куба (l)).

Для шарообразной частицы а = 2r:

D = 1/(2∙2,5∙10^-7) = 2∙10⁶ м^-1.

S_уд = S/V = 6 D (для частиц шарообразной формы), где S – поверхность частиц, V – объем частиц. Для кубических частиц S_уд = S / V = 6 l²/l³ = 6/ l = 6 D.

S_уд = 6∙2∙10⁶ = 1,2∙10⁷ м^-1.

3. Рассчитываем параметры шарообразной частицы толуола.

V ₀ = 4/3πr³ = 4/3∙3,14(2,5∙10^-7)³ = 6,54∙10^-20 м³.

S₀ = 4 πr² = 4∙3,14(2,5∙10^-7)² = 7,85∙10^-13 м²

(для кубических частиц V₀ = l³ м³, S₀ = 6 l² м²)

m ₀ = ρV ₀ = 0,867∙10³∙6,54∙10^-20 = 5,67∙10^-17 кг;

ρ = 0,867 г/см³ = 0,867∙10³ кг/м³.

4. Рассчитаем общую поверхность частиц S и число частиц N в дисперсной системе.

N = m / m ₀ = 5∙10^-3/5,67∙10^-17 = 8,82∙10¹³ шт.

S = N ∙ S₀ = 8,82∙10¹³∙7,85∙10^-13 = 69,2 м².

 

МНОГОВАРИАНТНЫЕ ЗАДАНИЯ

Задача 1

Вари-ант	Задача
1, 13	Средний диаметр частиц каолина составляет 5∙10-7 м, плотность равна 2,5 г/см3. Определить величину удельной поверхности каолина в м2/кг.
2, 14	Определите средний диаметр частиц цеолита, если удельная поверхность раздела фаз равна 5,2∙104 м2/кг, плотность частиц равна 2,1∙103 кг/м3.
3, 15	Определить удельную поверхность раздела фаз гидроксида кальция, средний диаметр частиц которого равен 1,7∙10-7 м, плотность равна 2,1∙103 кг/м3.
4, 16	Определите средний диаметр частиц гидрозоля гидроксида железа, если удельная поверхность раздела фаз равна 4,8∙104 м2/кг, плотность частиц равна 1,1 г/см3.
5, 17	Определите удельную поверхность пылевидного топлива, если известно, что его плотность равна 1,68 г/см3, а средний диаметр частиц равен 1,5∙10-3 мм.
6, 18	Определите удельную поверхность силикагеля, если средний диаметр частиц диоксида кремния 2∙10-6cм, плотность частиц 2,1 г/см3
7, 19	Определите средний диаметр частиц цеолита, если удельная поверхность раздела фаз равна 5,2∙104 м2/кг, плотность частиц равна 2,1∙103 кг/м3.
8, 20	Удельная поверхность силикагеля, найденная методом низкотемпературной адсорбции азота, составляет 8,3∙103 м2/кг. Плотность силикагеля 2,2 г/см3. Рассчитайте средний диаметр частиц силикагеля.
9, 21	Рассчитайте удельную поверхность бензола, эмульгированного в воде, если диаметр капель бензола равен 5∙10-7 м, плотность бензола 0,858 г/см3.
10, 22	Определите средний диаметр частиц гидрозоля гидроксида железа, если удельная поверхность раздела фаз равна 4,8∙104 м2/кг, плотность частиц равна 1,1 г/см3.
11, 23	Вычислите удельную поверхность гидрозоля сульфида мышьяка As2S3, средний диаметр частиц которого равен 1,2·10–7 м, а плотность равна 3,43·103 кг/м3. Ответ дайте в м–1 и в м2 /кг.
12, 24	Рассчитайте средний диаметр частиц силикагеля, если его удельная поверхность равна 8,3·103 м2, а плотность r = 2200 кг/м3

Задача 2.

Дана дисперсная система с массой дисперсной фазы m, плотностью дисперсной фазы r, с частицами дисперсной фазы определенной формы и размера: r – радиус шара, l – длина ребра куба.

1. Определите тип системы по всем классификационным признакам.

2. Рассчитайте дисперсность системы D и удельную поверхность S_уд.

3. Рассчитайте параметры частицы дисперсной фазы: объем V₀, поверхность S₀, массу m₀.

4. Рассчитайте общую поверхность всех частиц S и число частиц N в дисперсной системе.

Вари- ант	Дисперсная фаза	Дисперсионная среда	Форма частиц	r(l), м	r·10-3, кг/м3	m, кг.
	Сера	Вода	Куб	2·10-8	2,07
	Платина	Вода	Куб	4·10-8	21,4
	Пыль угольная	Воздух	Шар	8·10-5	1,8
	Бензол	Вода	Шар	8·10-7	0,86
	Ртуть	Вода	Шар	6·10-8	13,55
	Пыль мучная	Воздух	Шар	5·10-5	0,82
	Платина	Вода	Куб	9·10-9	21,4
	Серебро	Вода	Куб	4·10-8	10,5	0,1
	Вода	Воздух	Шар	2·10-7	0,997
	Сера	Вода	Куб	1·10-7	2,07
	Ртуть	Воздух	Шар	2·10-7	13,55	0,5
	Золото	Вода	Куб	4·10-9	19,3
	Масло растительное	Вода	Шар	4·10-6	0,92
	Ртуть	Вода	Шар	8·10-8	13,55
	Пудра сахарная	Воздух	Шар	6·10-5	0,85
	Толуол	Вода	Шар	2·10-6	0,87	0,8
	Серебро	Вода	Куб	5·10-8	10,5
	Камфара	Вода	Шар	1·10-6	0,99
	Пыль угольная	Воздух	Куб	6·10-5	1,8
	Золото	Вода	Шар	8·10-9	19,3
	Селен	Вода	Шар	2,8·10-7	4,28	0,3
	Глина	Вода	Шар	5,6·10-6	2,7	0,04
	AgCl	Вода	Шар	3×10-6	5,6
	Al2O3	Вода	Шар	2,9×10-9		0,2

ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ

расчет поверхностного натяжения

 

ПРИМЕРЫРЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

Пример 1. Вычислите поверхностное натяжение анилина при 292 К, если методом наибольшего давления пузырька газа получены следующие данные: давление пузырька при проскакивании его в воду составляет 11,82·10² Н/м², а в анилин равно 7,12·10² Н/м². Поверхностное натяжение воды 72,55·10^-3 Н/м.

Решение. Широко распространенным методом определения поверхностного натяжения является метод наибольшего давления пузырька (метод Ребиндера). К поверхности жидкости подводится вакуумная пробирка с капилляром, на конце которого под действием вакуума образуется воздушный пузырек. Давление, при котором пузырек проскакивает через поверхностную пленку жидкости и прорывает ее, определяется величиной поверхностного натяжения жидкости:

 

σ_x = (σ₀·p_x)/p₀ (Н/м),

 

где σ₀ – поверхностное натяжение стандартной жидкости (Н/м), p_x и p₀ – давления, необходимые для проскока пузырька через поверхность исследуемой и стандартной жидкости (Н/м²).

σ_x = (72,55·10^-3 · 7,12·10²)/ 11,82·10² = 43,7·10^-3 Н/м.

Пример 2. Найти поверхностное натяжение анилина, если с помощью сталагмометра Траубе получены следующие данные: число капель анилина 42, плотность его 1020 кг/м³, число капель воды 18. Температура опыта 288 К поверхностное натяжение воды σ₀ = 73,26·10^-3 Н/м.

Решение. Широко распространенным методом определения поверхностного натяжения является метод Траубе (метод счета капель). С помощью сталагмометра подсчитывается, какое число капель стандартной жидкости n₀ и исследуемой жидкости n_x содержится в определенном объеме этих жидкостей:

σ = (n₀ · ρ _x · σ₀) / (n_x · ρ₀) (Н/м)

где ρ₀ и ρ_x – плотности стандартной и исследуемой жидкостей, σ₀ – поверхностное натяжение стандартной жидкости (Н/м).

 

σ = (18 · 1020 · 73,26·10^-3)/(42·999)=32,1·10^-3 Н/м.

Пример 3. Вычислите поверхностное натяжение глицерина, если в стеклянном капилляре с радиусом 0,8 мм столбик ее поднялся на 12,0 мм выше уровня глицерина в сосуде. Плотность глицерина равна 1,26·10³ кг/м³.

Решение. При погружении в жидкость капилляра уровень жидкости, смачивающей стенки капилляра, выше, чем ее аналогичный уровень в широком сосуде. Причем уровень жидкости в капилляре тем выше, чем меньше радиус капилляра. Если жидкость не смачивает стенки капилляра, то жидкость в капилляре будет опускаться.

При использовании метода поднятия (опускания) жидкости в капилляре применяют следующее уравнение:

σ = (h·r·ρ · g)/2 (Н/м)

где, r – радиус капилляра (м), ρ – плотность (кг/м³), g – ускорение свободного падения (м/с²).

σ =(12·10^-3·0,8·10^-3·1,26·10³· 9,8)/2 = 59,3·10^-3 Н/м.

МНОГОВАРИАНТНЫЕ ЗАДАНИЯ