ПӘннің ОҚУ-Әдістемелік кешені «Коллоидты химия» «5В072100» – Органикалық заттардың химиялық технологиясы» мамандығы үшін ОҚУ-Әдістемелік материалдары

1.Беттік құбылыстар және беттік керіліс туралы ұғым.

2.БАЗ және БИЗ.

3.Антонов ережесі.

4.Агрегативті тұрақсыз және тұрақты жүйелер.


Қолданылған әдебиеттер:

Мұсабеков Қ.Б.,Әбдиев Қ.Ж. Коллоидтық химия: Оқулық.-Алматы: 2011.- Б. 48-51, Б.113-122.

1. 
   Коллоидты ерітінділердің коагуляциясы.
   
2. 
   Ұю кинетикасы.
   
3. 
   Коллоидтардың тұрақтылығы.
   
4. 
   Ұюдың түрлері.
   

Электролиттер арқылы ұйытқандағы негізгі заңдылықтар. Коллоидты системаларды алғаш зерттеген ғалымдарға электролит мөлшерінің өзгерісіне сәйкес зольдер тұрақтылығының да өзгеретіні сол кездің өзінде-ақ белгілі болған ( Ф. Сельми, Т. Грэм, М. Фарадей, Н. Борщов). Бертін келе нақтылы мәліметтер жинақталып, негізгі теориялық қорытындылар жасалды. Бұл ретте, әсіресе, электролит арқылы коллоидты ерітінділердің ұю теориясына әйгілі совет ғалымдары Б. В. Дерягин шәкірттерімен, Г. А. Ребиндер және оның ғылыми мектебі, Ю. М. Глазман және басқалар үлкен үлес қосты. Сонымен тәжірибе кезіндегі мәліметтер мен теориялық ерітінділерді электролит көмегімен ұйыту заңдылықтарын ұю ережелері деген атпен былай топтастыруға болады: 1) ұюды (коагуляцияны) кез келген электролит тудырады, бірақ оның жылдамдығы электролит концентрациясы белгілі бір мәнге жеткенде ғана байқалады; осы мәннен асқанда коллоидты ерітіндінің ұюы байқалатын ең кіші концентрацияны «ұю табалдырығы» дейді; 2) коллоидты бөлшек зарядына, тек электролиттегі кері зарядталған ионның ғана ұйыту қабілеті байқалады және мұндай электролиттің валенттілігі көбейген сайын оның ұйыту қабілеті де артады; мұны күкіртті мышьяк гидрозолінің ұюын зерттегенде 1882 жылы Шульц пен 1900 жылы Гарди бірінші болып анықтағандықтан, Шульц-Гарди ережесі деп атайды; 3) органикалық қатардағы иондардың ұйыту әсері, олардың адсорбциялық қабілетіне орай өседі; 4) бейорганикалық иондар қатарында, олардың гидротациялану активтілігі валенттілік төмендеген сайын ұйытушылығы артады; мысалы, бір валенттті катиондар мен аниондар қатарындағы олардың гидротациялану және ұйыту активтіліктері келесі жүйе бойынша өзгереді:

Li⁺ Na⁺ R⁺ Rb⁺

гидратация дәрежесінің өсуі

ұйыту активтілігінің өсуі

CI^- Br^- I^- CNS^-

гидратация дәрежесінің өсуі

Мұндай бір валенттіліктегі гидротация дәрежесінің кему ретіне орай орналасқан қатарларды лиотропты немесе Гофмейстер қатары деп те атайды; 5) көбінесе ұю процесі басталған уақытта дзета-потенциал төмендеп, өз шегіне (шамамен 0,036) жетеді; 6) электролит қосып ұйытылған коллоидты ерітіндідегі тұнбаға ұйып түскен шөгінді де, әрқашан оны осы күйге жеткізген иондар бірге болады; мысалы, барий хлоридінің көмегімен күкіртті мышьяктің золін ұйытқанда тұнбаға түскен теріс зарядталған бөлшектерден тұратын шөгіндімен бірге барий катионының едәуір саны кездеседі.

Бертін келе, Смолуховский өз теориясын баяу ұю облысына да таратуға тырысады. Ол осы мақсатпен әрекеттесетін бөлшектердің әсерлігін ескеретін коэффициент енгізді. Егер қақтығысқан әр бөлшек бірігіп, жабысуға қатысса, онда α =1, яғни ұю тез жүреді, ал 0< α <1 болса, онда ұю баяу жүреді. Баяу ұю процесіне арналған теңдеуді мына төмендегідей өрнектеуге болады:

ΣG = C (1)

1+ α k C₀ t
мұндағы С – концентрация; k – жылдамдық константасы; t – уақыт. Бұл теңдеу кейде тәжірибе кезінде алынған деректермен тура келе бермейді және α коэффициенті мен золь қасиетін байланыс тыра өрнектейтін мәліметте жоқ.

Г. Мюллер коллоидты система полидисперсті болатын жағдаймен ондағы бөлшек түрлері таяқша және жалпақ табақша тәрізді болып келетін түрге арналған теорияны ұсынды. Бұл теорияға орай, коллоидты системаның ұю процесі Смолуховский болжамындағыдан тезірек жүреді. Осындай полидисперсті системадағы бөлшек түрінің өзгеше болып келуі де ұю жылдамдығын тездетуге де септігін тигізеді, өйткені бөлшектердің қақтығысуына ілгерілмелі броундық қозғалыспен қатар, айналмалы броундық қозғалыста ықпал етеді. Мюллердің теориялық болжамы Вигнер, Туорил, Маршал және басқа да ғалымдардың ғылыми-зерттеулерінде үйлесімді қолдау тапты.

Коллоидтардың тұрақтылығы. Дисперстік жүйелердің тұрақтылығы деп олардың қасиеттерінің (дисперстігінің, дисперстік ортада біркелкі таралуының, фазааралық әрекеттесудің) уақыт өту барысында өзгеріссіз қалуын (тұракты болуын) айтады. Демек, тұрақтылық деп дисперстік жүйелердің ірілену және шөгу құбылыстарына қарсы тұра алу қабілетін айтады. Дисперстік жүйенің тұрақтылығының теориялық және практикалық маңызы бар.

Песковтың ұсынысы бойынша дисперстік жүйелердің тұрақтылығын екіге бөліп: 1) шөгу құбылысына қарсы тұра алу және 2) бөлшектердің бірігіп, ірілену құбылысына қарсы тұра алу қабілеті деп қарастырған жөн. Бірінші тұрақтылықты седиментациялық тұрақтылық деп атайды. Екіншісін - агрегаттық тұрақтылық деп атайды. Агрегаттық тұрақтылықтың өзі термодинамикалық және кинетикалық тұрақтылық болып екіге бөлінеді.

Термодинамикалық тұрақты жүйелер бір фаза екінші фазаның көлемінде ұсақ бөлшектер (тамшылар) түрінде өз бетімен таралуы нәтижесінде түзіледі. Термодинамикалық тұрақты жүйелерді лиофилъдік жүйелер деп атайды. Бірақ термодинамикалық тұрақсыз жүйелер кинетикалық тұрғысынан тұрақты болуы мүмкін. Мұндай жүйелерді кинетикалық тұрақты жүйелер деп атайды. Кинетикалық тұрақты жүйелерді лиофобтық жүйелер деп атайды. Лиофобтық жүйелер белгілі бір уақыт аралығында ғана тұрақты болады, одан кейін оның агрегаттық тұрақтылығы бұзылады.

Қатты бөлшектердің бір-бірімен байланысып іріленуін коагуляция деп, ал тамшылардың қосылып іріленуін коалесценция деп атайды. Бөлшектердің (тамшылардың) іріленуі, сонымен бірге, изотермиялық айдау барысында да байқалады. Изотермиялық айдау деп тұрақты температурада кіші бөлшектердің еріп, тамшылардың буланып, үлкен бөлшектерге (тамшыларға) конденсациялануы нәтижесінде бөлшектердің одан әрі қарай ірілену құбылысын айтады.

Лиофобтық жүйелердің агрегаттық тұрақтылығы коагуляция жылдамдығы арқылы сипатталады. Б.В.Дерягинның көзқарасына сәйкес агрегаттық тұрақтылыктың негізі болып сынама қысым (П) саналады. Сынама қысым (1-сурет) екі бөлшек (1) бір-біріне жакындағанда арасындағы дисперстік ортаның (қабыршақтың) (2) қатты жұқаруының нәтижесінде пайда болады.

ны.

1-сурет. Сынама қысымның пайда болуының сызба-нұскасы

Сынама қысым бөлшектер арасындағы тартылыс (теріс құраушы бөлігі) және тебіліс (оң құраушы бөлігі) күштерінен құралады. Сондықтан оның мәні оң немесе теріс те болуы мүмкін. Сынама қысымның теріс құраушы бөлігін фазалардағы атомдар мен молекулалар арасындағы тартылыс күштері кұрайды. Тартылыс күштерінің ішіндегі кең тарағаны Ван-дер-Ваальс күштері.

Оң құраушы бөлігін бөлшектер арасындагы электростатикалық тебіліс күштері құрайды. Электростатикалық тебіліс күштері бөлшек пен дисперстік ортаның арасында қос электрлік қабаттың түзілуі нәтижесінде пайда болады.

Жалпы термодинамикалық және кинетикалық тұрақтылықтарды қамтамасыз ететін мынадай факторлар бар:

3. 
   Электростатикалық фактор, ол ҚЭҚ-тың болуымен қамтамасыз етіледі;
   
4. 
   Адсорбциялық-солъваттық фактор, ол бөлшектің дисперстік ортамен әрекеттесуі нәтижесінде фазааралық керілудің кемуімен қамтамасыз етіледі;
   

4. Құрылымдық-механикалық фактор, ол фазааралық бөлу бетінде серпімділік және беріктік қасиеттері бар адсорбциялық қабаттардың түзілуімен қамтамасыз етіледі;

5. Гидродинамикалық фактор, ол бөлшектердің беттік қабатындағы дисперстік ортаның тұтқырлығының артуымен қамтамасыз етіледі;

6. Аралас факторлар. Ол жоғарыдағы факторлардың бірнешеуінің бір мезгілде әсер етуі нәтижесінде іске асады.

Бөлшек зарядының абсолюттік шамасының азаюы ұюдың нәтижесінде болады. Сонан соң бөлшек қайтадан заряд ала бастайды, бірақ та оның мәні кері болғандықтан, тұрақтылығы артады. Электролит концентрациясын онан әрі жоғарылату бөлшектегі заряд шамасының кемуіне әкеледі және осы тұста золь де ұйиды. Тұрақтылық пен зарядты салыстыру «дұрыс емес қатарлар» құбылысының беткі қабаттың қайта зарядталуынан екенін көрсетеді.

Потенциал анықтаушы иондарды алмастыру нәтижесінде де беткі қабаттың заряды өзгеруі мүмкін. Мысалы, теріс зарядталған иодты күміс золіне аз мөлшермен азот қышқылды күміс ерітіндісін ақырын қосу арқылы, ондағы кристалл торына күміс катионын енгізуге болады; мұнда электролит концентрациясы жоғарылаған сайын бөлшектегі зарядтың абсолюттік шамасы кемиді, сонан соң кристалл торын толықтыратын күміс катионының енуі салдарынан беткі қабат оң зарядталып, зарядтың нөлдік нүктесі арқылы өтеді. Зонаның кезектесуіне екінші себеп – зарядталған беткі қабатқа кері иондардың адсорбциялануы. Көп валентті иондардың әсерін жан-жақты зерттеу көп валентті металл иондары адсорбцияланғанда беткі қабаттағы қайта зарядталу құбылысының жүрмейтінін көрсетеді.

Коллоидтардың өзара ұюы. Егер бір системада екі не одан да көп коллоидты ерітінді болса, онда кейбір коллоидты ерітінді басқаның әсерінен ұйиды екен, яғни коллоидты ерітінділер бірін-бірі ұйытады. Мұндай құбылысты зерттеу XIX ғасырдың аяғында басталды. Тәжірибе кезінде анықталған жайларға қарағанда коллоидты системадағы бөлшектер зарядының қосындысы заряд белгісімен қоса есептегенде нөлге тең болса, онда зольдер біріне-бірі барынша әсер етеді. Ондағы бөлшектердің электрокинетикалық тартылысы зольдердің өзара ұюындағы жалғыз себеп емес. Ионды атмосфера құрамы мен дисперстік фазаның табиғаты әртүрлі болатын аттас зарядталған зольдердің ұюы мүмкін, сондықтан бөлшектер арасында адсорбциялық және химиялық әрекеттесулер пайда болуы ықтимал.

Сенсибилизация. Коллоидты системаларды тұрақтандыру мақсатымен оларға жоғары молекулалық қосылыс ерітіндісін, олардың арасындағы активті белокты жиі қосады. Алайда, коллоидты ерітіндіге қосылған жоғары молекулалық қосылыс мөлшері аз болса, онда кері құбылыс жүріп кетуі мүмкін, яғни коллоидты ерітінді тұрақсызданады немесе тұрақтылығы төмендейді. Бұл құбылысты Г. Фрейндлих сенсибилизация десе, Н. Песков астабилизация (тұрақсыздану) деп атады.

Зольдегі белок бөлшектері мен макроиондары заряд белгісі әр түрлі болған жағдайда сенсибилизация өте айқын болады. Мұндайда бөлшектің беткі қабатына адсорбцияланған белок оның зарядын нейтралдап, ондағы ионды атмосфераның пайда болуына байланысты туындайтын тұрақтылықты төмендетеді. Коллоидты ерітіндідегі белоктың азғантай концентрациясы берік қозғаушы қабатты тудыра алмайды. Сондай-ақ, сенсибилизация себебін белоктағы заряды бар ірі иондардың бірден өзімен аттас бірнеше бөлшектерге адсорбцияланатынымен түсіндіреді. Мұндай адсорбция коллоидты бөлшектерді біріктіріп, желімдеп қоятындай көрінеді.

Пептизация құбылысын түсіндіру мақсатымен, потенциал қисықтарын өрнектейтін әдісті пайдалануға болады. П. Ребиндер зерттеулері көрсетіп отырғандай, дамыған сольватты немесе адсорбциялық қабаттағы бөлшектер әрекеттескен кездегі потенциалдық қисықтар келтірілген, яғни осы әрекеттесу энергиясының концентрациясының әртүрлі мәнде болғандағы өзгерісі көрсетілген. Ондағы минимумдардың пайда болуы, бөлшектер аралығы өте қысқарғанда туындайтын тебіліс күшіне байланысты. Сол секілді сольватты немесе адсорбциялық қабаттар сығылғында да тебіліс күші пайда болады екен. Сонымен коллоидты ерітінді ұйыған кездегі бөлшектердің күйі суретте көрсетілген потенциал шұңқыры (А) арқылы сипатталады.

Коллоидты ерітіндіні ұйытатын электролит концентрациясы оны жуу салдарынан өте төмендеп кетеді де диффузиялық қабат кеңейеді, ал бұл қосымша тебіліске әкеледі. Егер жылулық қозғалыстың энергиясы бөлшектердің ара қашықтығына қарай өзгеретін потенциал тосқауылынан артық болса, онда осы аралық алыстаған сайын бөлшектер тарала келіп, пептизация жүреді. Көбінесе пептизацияны жақсы жүргізу үшін механикалық жолмен араластыру әдісін де жиі қолданады.

Негізгі түсініктер: коагуляция, ұю, коллоидтардың тұрақтылығы, коллоидтардың өзара ұюы, агрегаттық тұрақтылық, кинетикалық тұрақтылық, термодинамикалық тұрақтылық, сынама қысым, Ван-дер-Ваальс күштері

Өзін-өзі бақылау сұрақтары:

1. 
   Коллоидты ерітінділердің коагуляциясы.
   
2. 
   Ұю кинетикасы.
   
3. 
   Коллоидтардың тұрақтылығы.
   
4. 
   Ұюдың түрлері.
   

Мұсабеков Қ.Б.,Әбдиев Қ.Ж. Коллоидтық химия: Оқулық.-Алматы: 2011.-155-162 б.

1. ЖМҚ химиясының пәні және міндеттері.

2. Жоғары молекулалық қосылыстардың маңыздылығы.

3. ЖМҚ химиясының даму этаптары.

4. ЖМҚ химиясының негізгі ұғымдары және анықтамалары.

5.Полимерлердің молекулалық-массалық таралуы. Полимерлердің молекулалық массалары.

6. ЖМҚ құрылымы және формасы.
1. Жоғары молекулалық қосылыстар атауы төмен молекулалық заттардан айрықшаланатын, молекулалық массасы сирек түрде бірнеше жүзге жететін, молекулалық массасы үлкен заттардан шыққан. Қазіргі уақытта молекулалық массасы 5000 – нан асатын және бірнеше миллионға жететін заттарды ЖМҚ- ға жатқызады. ЖМҚ химиясы молекуласы бірнеше жүз атомдардан тұратын химиялық заттарды зерттейді. ЖМҚ молекулаларын макромолекула деп, ал ЖМҚ химиясын – макромолекула химиясы немесе макромолекулалық химия деп атайды. ЖМҚ –ның негізгі міндеті молекуладағы химиялық байланыстағы атомдар санының көптігінен туындаған ерекшеліктердің жалпы заңдылықтарын, химиялық ұғымдары мен әдістерін оқу болып табылады.

2. Органикалық жоғары молекулалық қосылыстар тірі табиғаттың негізі болып табылады. Өсімдіктердің құрамына кіретін, маңызды қосылыстар – полисахаридтер, лигнин, ақуыздар, пектиндік заттардың барлығы жоғары молекулалы. Торф, сұр көмір, тас көмірлерде өсімдіктер ұлпаларының геологиялық өзгерісінің өнімдері – целллоза мен лигнин бар. Жануарлар әлемінің негізі болып жоғары молекулалық қосылыс – ақуыз табылады. Бұлшықеттер, бекіткіш ұлпалар, ми, қан, тері, шаш, жүн жоғары молекулалық ақуыз заттарды құрайды.

Адамзат өзінің қажеттілігін қанағаттандыру үшін жоғары молекулалы материалдар жасайды және қолданады. ЖМҚ беріктігі жоғары, иілгіш, қатты болатын көптеген құрастырушы материалдардың негізгі құрамды бөлігі болып табылады және мұндай қасиеті жағынан ЖМҚ- мен тек металдар ғана бәсекелесе алады.

ЖМҚ химиясының дамуында К.Мейер мен Г.Марктің мицелл теориясы және Г.Штаудингердің макромолекулалық теориясы зор мәнге ие.

19 ғасырдың аяғында басталған органикалық синтездің дамуы және синтетикалық өнімдер мен мономерлердің көптеген мөлшерін алу әр түрлі ЖМҚ - ны синтездеуге жол ашты. Табиғи және синтетикалық ЖМҚ қасиеттері мен құрылымы жалпыландырылды. Полимерлер мол. массасы он және жүз мыңдық ұзын жіп тәрізді молекулалардан тұратыны көрсетілді. Г.Марк, Е.Гут, В.Кун, П.П.Кобеко, А.ПАлександрова, Я.И.Френкель, В.А.Каргин, С.Банна, С.Н Журковтың жұмыстары негізінде қазіргі заманға сай ЖМҚ құрылымы туралы көзқарас қалыптасты, онда ЖМҚ формасын өзгертуге қабілетті иілгіш жіп тәрізді ұзын молекуладан тұрады делінген. Молекулалар арасындағы байланыс молекулааралық өзара әсерлесудің физикалық күшінен туындайды. Барлық полимерлер физикалық құрылымы бойынша біртекті емес. Кристалданатын полимерлер екіфазалы және кристалды, аморфты ортасы бар. Аморфты полимерлер бір фазалы, бірақ бұл полимерлерде, В.Каргиннің болжауларына сәйкес, реттілік ортасы бар (қорап деп аталатын).

4. Мономерлік буын деп аталатын белгілі құрамда қайталанып отыратын буындардан құрылған макромолекулалардың қосылысы полимер деп аталады. Бірдей мономерлерден құрылған ЖМҚ гомополимерлер деп аталады. Тізбегі әртүрлі звенолардан тұратын полимерлік қосылыстар сополимер немесе аралас полимер деп аталады.

« ЖМҚ » терминін оның молекулалық массасының үлкендігін көрсету үшін қолданады, бірақ молекулалық массасы үлкен жай органикалық заттарды мысалы, гемин, хлороформ, каротинді полимер деп атауға болмайды, олар полимер болып саналмайды. ЖМҚ – ның ТМҚ – дан негізгі айырмашылықтары:



ММТ қисығы бойынша полимердің алыну механизмін анықтайды. ММТ негізгі сипаттамасы шыңның орналасуы және қисықтың ені болып табылады. ММТ құрастырғанда ордината осінде фракция үлесін, ал абсцисса осінде полимердің ММ енгізеді. ММТ негізгі сипаты қисықтың шыңңың биіктігі және қисықтың ені болады. Қисық ені жалпақ болған сайын, соғұрлым полимер полимолекулярлы.

1 сурет. Молекулалық массалық таралудың интегральды және дифференциальды қисықтары