Сдам Сам

ПОЛЕЗНОЕ


КАТЕГОРИИ







Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу





Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу

 

Мельник О. Д., Побережний Л. Я., Калин Т. І.

 

 

ФІЗИЧНА ТА КОЛОЇДНА ХІМІЯ

 

 

ЛАБОРАТОРНИЙ ПРАКТИКУМ

З КОМП’ЮТЕРНОЮ ПІДТРИМКОЮ

 

 


Міністерство освіти і науки України

Івано-Франківський національний технічний

Університет нафти і газу

Кафедра хімії

 

 

 

Мельник О. Д., Побережний Л. Я., Калин Т. І.

 

 

ФІЗИЧНА ТА КОЛОЇДНА ХІМІЯ

 

ЛАБОРАТОРНИЙ ПРАКТИКУМ

З КОМП’ЮТЕРНОЮ ПІДТРИМКОЮ

 

Для студентів напрямків „Гірництво” та „Екологія”

 

Івано-Франківськ


МВ-02070855-1562-2005

 

Мельник О. Д., Побережний Л. Я., Калин Т. І. Фізична та колоїдна хімія: Лабораторний практикум з комп’ютерною підтримкою.- Івано-Франківськ: Факел, 2005- 48 с.

Лабораторний практикум складено у відповідності до типової програми з курсу фізичної та колоїдної хімії для студентів напрямків „Гірництво” та „Екологія” ІФНТУНГ. Для кожного заняття подається завдання на самостійну роботу та зразок картки контролю знань. Для лабораторних робіт крім того подано короткі теоретичні відомості. У електронному додатку зібрано шаблони звітів до лабораторних робіт.

 

 

Рецензент канд. хім. наук, доц.,

завідувач кафедри хімії ІФНТУНГ Романко П. Д.

 

 

 

 

Завідувач кафедри хімії ____________ П. Д. Романко

 

Член експертно-рецензійної

комісії університету ____________ П. Д. Романко

 

 

Нормоконтролер ____________ О. Г. Гургула

 

 

Коректор ____________ Н. Ф. Будуйкевич

 

 

Дане видання – власність ІФНТУНГ. Забороняється тиражування та розповсюдження.

 

МВ-02070855-1562-2005

 

Мельник О. Д., Побережний Л. Я., Калин Т. І. Фізична та колоїдна хімія: Лабораторний практикум з комп’ютерною підтримкою.- Івано-Франківськ: Факел, 2005- 48 с.

Лабораторний практикум складено у відповідності до типової програми з курсу фізичної та колоїдної хімії для студентів напрямків „Гірництво” та „Екологія” ІФНТУНГ. Для кожного заняття подається завдання на самостійну роботу та зразок картки контролю знань. Для лабораторних робіт крім того подано короткі теоретичні відомості. У електронному додатку зібрано шаблони звітів до лабораторних робіт.

 

 

Рецензент канд. хім. наук, доц.,

завідувач кафедри хімії ІФНТУНГ Романко П. Д.

 

Дане видання – власність ІФНТУНГ. Забороняється тиражування та розповсюдження.


Зміст

Правила оформлення звітів лабораторних робіт………...  
Основи техніки безпеки при виконанні лабораторних робіт………………………………………………………...  
Лабораторна робота № 1 Електрохімічний захист металів від корозії……………..  
Лабораторна робота № 2 Водневий показник водних розчинів……………………..  
Лабораторна робота № 3 Одержання колоїдних розчинів…………………………...  
Лабораторна робота № 4 Одержання та інверсія емульсій………………………….  
Лабораторна робота № 5 Седиментаційний аналіз суспензій……………………….  
Лабораторна робота № 6 Адсорбція речовин на твердому адсорбенті……………..  
Лабораторна робота № 7 Адсорбція на межі розділу фаз «рідина-газ»…………….  
Лабораторна робота № 8 Коагуляція колоїдних систем електролітами……………  
Лабораторна робота № 9 Йонообмінна адсорбція……………………………………  
Перелік рекомендованих джерел…………………………  
Додаток А…………………………………………………..  

Правила оформлення

Звітів лабораторних робіт

Звіти до лабораторних робіт оформляються на комп'ютері у текстовому редакторі Місrоsоft® Word 97/2000/ХР/2003 та роздруковуються на аркушах формату А4.

Структурно звіт повинен складатися з:

• титульного аркуша стандартної форми із зазначенням прізвища студента, який виконав дану роботу (у випадку спільного виконання робочою групою із кількох студентів вказуються прізвища всіх її членів), та викладача, під керівництвом якого вона була виконана;

• теоретичних відомостей;

• ходу виконання роботи;

• рівнянь реакцій, спостережень та висновків по кожному виконаному досліду;

• загального висновку по роботі.

Зразок оформлення звіту до лабораторної роботи приведено в додатку А.

Для полегшення та прискорення процедури оформлення звітів підготовано шаблони, які включають:

• титульний аркуш без зазначення прізвищ студента, який виконав дану роботу та викладача, під керівництвом якого вона була виконана;

• теоретичні відомості;

• хід виконання роботи.

Файли шаблонів містяться на файловому сервері університету та мають назви LR_X. dос, де X - цифра, що відповідає порядковому номеру лабораторної роботи у даному практикумі. Теоретичні відомості та хід робіт, наведені у шаблонах, ідентичні таким у практикумі.


Основи техніки безпеки

При виконанні лабораторних робіт

При виконанні лабораторних дослідів потрібно дотримуватись наступних правил безпеки:

• виконувати лише ті досліди, які відносяться до даної лабораторної роботи;

• витримувати рекомендовані у практикумі кількості та співвідношення реагентів;

• при нагріванні реакційних сумішей у пробірці рівномірно прогрівати останню та утримувати напрямленою у кут витяжної шафи;

• визначаючи запах речовини направляти газ до носа легким помахом руки, тримаючи пробірку на відстані;

• насипати тверді речовини шпателем, тримаючи пробірку над аркушем паперу;

• досліди з концентрованими їдкими речовинами і такі, що супроводжуються виділенням газу, проводити лише під витяжною шафою.

Забороняється:

• брати реактиви руками;

• пробувати речовини на смак;

• їсти в лабораторії.

При попаданні їдких речовин на шкіру потрібно:

• промити уражене місце під проточною водою;

• обробити розчином соди (у випадку кислоти) або ацетатної кислоти (у випадку лугу) (знаходяться в аптечці).

 


Лабораторна робота № 1

Електрохімічний захист металів від корозії

Мета роботи: вивчити протекторну дію різних металів та визначити залежність її радіусу при захисті сталі в розчинах натрій хлориду різної концентрації.

 

Прилади і матеріали:

1. Склянка місткістю 500мл – 1шт.

2. Кювети – 3 шт.

3. Стальні пластини довжиною 20 см, шириною
10 мм, на одному кінці яких прикріплені кусочки металів (міді, олова, цинку) у вигляді пластинок довжиною 10 мм – 3 шт.

4. 10% водний розчин червоної кров’яної солі.

Теоретична частина

Корозія (від лат. corodere – роз’їдати) є складним процесом, в якому поєднуються хімічні і електрохімічні процеси, і полягає в окисненні поверхні металів з утворенням оксидів, гідроксидів чи солей. Цей процес відбувається самочинно під дією природних чинників. За механізмом окиснення поверхні металу розрізняють хімічну і електрохімічну корозію. Найчастіше вона розглядається як складний електрохімічний процес.

Хімічна або газова корозія відбувається внаслідок дії на метал сухих газів. Вона супроводиться переходом електронів від металу до окисника в точці контакту. Основними методами боротьби з газовою корозією є легування, створення на поверхні металу захисних покрить, заміна газового середовища. Наприклад, при зварюванні титану і його сплавів використовують аргонову атмосферу

Якщо процес руйнування поверхні металу протікає сумісно із просторовою передачею зарядів, то такий корозійний процес називають електрохімічною корозією.

Слід відмітити, що детальний аналіз механізмів хімічної та електрохімічної корозії показує, що різкої відмінності між ними не існує і можливий поступовий перехід від хімічного механізму в електрохімічний і навпаки.

Як відомо, кожен метал містить домішки інших металів, або неметалів і практично завжди поверхня металу вкрита розчином електроліту. Внаслідок цього утворюється гальванічний елемент, анодом якого є більш активний метал, який окиснюється, тобто кородує. Якщо метал містить домішку менш активного металу, то утворюється гальванічна пара, де на поверхні більш активного металу відбувається перехід металу із твердої фази у розчин у вигляді йонів, а надлишок електронів залишається на поверхні твердого тіла:

Me – n ē =Me n +

Відповідно такі процеси є процесами окиснення. Протилежні процеси, відновлення, протікають на поверхні менш активного металу, які нейтралізують надлишок електронів, що переходять з ділянки більш активного металу на поверхню менш активного металу. Речовини, які приймають участь у "зв'язуванні" надлишкових електронів, що з'явились на металі, називають деполяризаторами. Найчастіше розрізняють корозію з водневою та кисневою деполяризацією. Тобто, речовинами, які приймають надлишкові електрони найчастіше можуть бути йони Н+, або розчинений кисень повітря. Воднева деполяризація відбувається у кислому середовищі, де є надлишок йонів Н+.

При цьому на поверхні менш активного металу буде проходити процес:

+ +2ē = Н2

А в лужному і нейтральному середовищі відбувається киснева деполяризація:

О2 + 2Н2О + 4ē = 4ОН¯

У слабокислому середовищі при наявності розчиненого кисню протікає на поверхні менш активного металу реакція:

О2 + 4ē + 4Н+ = 2Н2О

Таким чином, у випадку електрохімічної корозії працює гальванічний елемент, анодом якого є метал, а катодом – водневий або кисневий електрод.

Швидкість корозії залежить як від різниці в активності металів, так і від концентрації йонів в розчині. Ці величини входять у рівняння Нернста.

Рівняння Нернста (1889) співвідносить електродні потенціали із значеннями стандартних електродних потенціалів, якщо, як це частіше буває, активність йонів металу не дорівнює одиниці. Рівняння має вигляд:

Е = Е0 + lg ,

де Е – електродний потенціал металу при будь-якій концентрації (активності) йонів металу; Е0 – стандартний електродний потенціал; R – універсальна газова стала;Т – температура; n – заряд йона металу; F – стала Фарадея; – активність йонів металу у розчині, моль/л.

Величина потенціалів водневого (φ 2Н+/Н ) та кисневого (φ ОН¯/Н О) електродів залежить від pH.

Рівняння Нернста для водневого електрода, як було вказано вище, запишеться у вигляді:

φ Н+/Н = φ° Н+/Н + C Н+

Оскільки φ° 2Н+/Н рівне нулю, то провівши відповідні обчислення, отримаємо:

φ 2Н+/Н = – 0,059 pH,

а для кисневого електрода:

φ ОН¯/Н О =1,23 – 0,059 pH.

У зв'язку з цим, кородувати з водневою деполяризацією будуть метали, в яких електродний потенціал:

φ Ме n+/Me < – 0,59 pH,

а в нейтральному середовищі (при pH =7):

φ Ме n +/Me < – 0,59·7≈ – 0,413 В.

А у випадку кисневої деполяризації:

φ Ме n +/Me = 1,23 – 0,059·7 = 0,817 В.

Таким чином метали з стандартним потенціалом більше 0,817 В можуть бути корозійно стійкими.

У відповідності з розглянутими раніше механізмами корозію металів можна загальмувати зміною потенціалу металу, пасивацією металу, зниженням концентрації окисника, ізоляцією поверхні металу від окисника, зміною складу металу та ін. Вибір способу визначається його ефективністю, а також економічною доцільністю. Всі методи захисту умовно поділяють на наступні групи:

а) легування металів;

б) захисні покриття (металічні і неметалічні);

в) електрохімічний захист;

г) зміна властивостей корозійного середовища;

д) раціональне конструювання виробів.

Однією з форм захисту від корозії є покриття поверхні металу більш активним металом (протекторний захист). При пошкодженні виробу утворюється гальванічний елемент, анодом якого є більш активний метал, який окиснюється і переходить в розчин (кородує). В цьому випадку основний метал буде катодом і не руйнується. Потенціали металів залежать від складу і концентрації розчинів, тому при зміні складу розчину може змінюватись і характер покриття. Так, покриття сталі оловом в розчині H2SO4 – катодне, а в розчині органічних кислот – анодне.

Зміна концентрації електроліту теж впливає на зміну швидкості корозії і, відповідно, на ефективність протекторного захисту.

Хід роботи

1 Вивчення протекторної дії різних металів

В стакан наливають 500 мл дистильваної води і 10 крапель червоної кров’яної солі. Розчин розмішують і розливають порівну в три кювети. В кожну з них занурюють пластину, попередньо зачищену наждачним папером, промиту водою і витерту фільтрувальним папером. Через деякий час (5 – 10 хвилин) на пластинах з’являються сині плями. На пластинах, які захищені протектором, таких плям мало, або їх зовсім немає.

 

2 Визначення радіусу дії протекторів

В кювету наливають по черзі розчини натрій хлориду різних концентрацій, добавляють декілька крапель червоної кров’яної солі і занурюють стальну пластину, з’єднану з тим металом, який в попередньому досліді проявив протекторну дію. Через 10 – 15 хвилин за допомогою лінійки визначають віддаль від місця контакту протектора з пластиною до найближчої плями на ній. Аналогічний дослід проводять з розчинами хлориду натрію інших концентрацій, а також з дистильованою та водогінною водою.

Таблиця 1.1 – Радіус захисної дії протектора

№ розчинів Розчин Радіус захисної дії протектора, см
  0,1%  
  0,2%  
  0,3%  
  1,5%  
  водогінна вода  
  дист. вода  

Питання на самостійну підготовку

1. Електродні потенціали. Ряд електрохімічних потенціалів металів.

2. Рівняння Нернста.

3. Гальванічний елемент. Напруга гальванічного елемента.

4. Корозія металів.

 

Література

[1] ст. 34-45, [2] ст. 8-38, 40-61


Лабораторна робота № 2

Теоретична частина

Часто на дні нафтопроводів після тривалої експлуатації нагромаджується рідина з кислою реакцією. Її кількість потрібно постійно контролювати, оскільки вона посилює корозію повхні металу. Особливо швидко критичні параметри досягаються при підвищеномі вмісті Н2S і CO2 в продуктах перекачки. Тому найдоцільніше проводити регулярні заміри рН рідини, що нагромаджується в технологічних ємностях при транспортуванні газу та нафтопродуктів.

На установках зневоднення та знесолення нафти інколи доводиться вимірювати рН відділеної від нафти води. Тут величина рН показує ступінь знесолення нафти. рН -метр використовується при вивченні питання генезису нафти. Навіть дуже очищена вода володіє деякою електропровідністю. При 25ºС питома електропровідність її складає 6,3∙10-8Ом-1·см-1.

Отже, молекули води дисоціюють за рівнянням:

2О ↔ Н3О++ОН-

В спрощеному вигляді:

Н2О ↔ Н++ ОН-

Застосувавши до дисоціації води закон діючих мас, одержуємо константну її дисоціації:

,

де а – активності відповідних йонів, що виражають ефективну концентрацію будь-якого йону і є функцією його концентрації в розчині:

а = f·с,

де с – аналітична концентрація відповідних йонів;

f – коефіцієнт активності.

У розведених розчинах, де с → 0, f → 1 і, отже, aс; в концентрованих розчинах f < 1.

Дебаєм і Гюккелем розроблено метод розрахунку f. Для розбавленого розчину бінарного електроліту:

lg f = − 0,51· Z 2 ,

де Z – заряд йону, для якого розраховується f;

І – йонна сила розчину, що враховує присутність всіх речовин в розчині, які зазнають дисоціації.

Йонна сила І розраховується як півсума концентрації всіх йонів, помножених на квадрат їх заряду:

І = 0,5 ∑ Сі·Zi 2

Ступінь дисоціації води дуже малий, тому активність води можна вважати сталою величиною. Запишемо вираз для Кдис . наступним чином:

де Кw – йонний добуток води, який залежить від температури (табл. 2.1).

Таблиця 2.1 − Залежність величини

Хід роботи

Використовуючи формули для розрахунку рН сильного електроліту, обчислюємо і рН для розчинів хлоридної кислоти концентрацій 10-1, 10-2, 10-3, 10-4, 10-5 моль/дм3 і дані заносимо в таблицю 2.2

Таблиця 2.2 − Залежність рН (HCl) від

C (HCl), моль/дм3 рНтеор рНексп
10-1        
10-2        
10-3        
10-4        
10-5        

 

Виходячи з 0,1 М розчину хлоридної кислоти, готуємо 0,01; 0,001; 0,0001 та 0,00001 М розчини наступним чином:

1. Наливаємо 0,1 М розчин НСl в конічну колбу №1;

2. Піпеткою відбираємо 10 см3 розчину кислоти;

3. Переносимо в мірну колбу на 100 см3;

4. Доливаємо дистильованої води до мітки;

5. Перемішуємо вміст колби і переносимо одержаний розчин в конічну колбу з наступним порядковим номером.

6. Повторюємо пп.. 2-5, використовуючи як вихідні розчини №2, 3, 4 відповідно.

За допомогою цифрового рН -метра проводимо визначення величини водневого показника приготованих розчинів, рухаючись в сторону збільшення їх концентрації і витримуючи рН -метр в кожному розчині не менше
3 хв. Заносимо одержані результати в табл. 2. Будуємо графічні залежності рНтеор = f(C HCl); рНексп = f (C HCl) у напівлогарифмічній системі координат.

 

Питання на самостійну підготовку

  1. Дисоціація кислот та основ. Константа дисоціації, ступінь дисоціації.
  2. Сильні і слабкі електроліти.
  3. Йонна сила. Активність. Коефіцієнт активності.
  4. Йонний добуток води. Поняття про рН.
  5. Розрахунок рН сильних та слабких кислот і основ.

Література

[1] ст. 30-34, [8] ст. 84-94, 101-124, [9] ст. 147-155, 164-177
Лабораторна робота № 3

Теоретична частина

Колоїдні розчини займають проміжне положення між молекулярно-йонними розчинами та грубодисперсними системами. На цьому і ґрунтуються два можливих методи одержання колоїдних розчинів: конденсаційний і диспергаційний.

Конденсація – утворення гетерогенної дисперсної системи з гомогенної в результаті агрегації (асоціації) молекул, атомів чи йонів.

Диспергація – подрібнення великих частинок грубої зависі та суспензії до колоїдної дисперсності.

Розглянемо більш детально основні методи конденсації і диспергування, які використовуються у лабораторній і промисловій практиці.

Методи конденсаціїбазуються на створенні умов, при яких дисперсійне середовище перенасичується речовиною наступної дисперсної фази. Від того, яким способом створюються ці умови, методи поділяються на фізичні і хімічні.

Фізичні методи:

- конденсації при пропусканні парів простої речовини у рідину;

-метод одержання золів із молекулярних пучків.

Ще один із фізичних методів – метод заміни розчинника – ґрунтується на заміні середовища, що відбувається при додаванні невеликої кількості істинного розчину речовини до розчинника, в якому ця речовина нерозчинна або малорозчинна. Це приводить до виділення її у вигляді високодисперсної системи.

При хімічній конденсації нова тверда фаза виникає внаслідок різнотипних реакцій, продуктами яких є нерозчинні в реакційному середовищі речовини. Найбільш широко використовуються реакціїподвійного обміну. Наприклад, при змішуванні розведених розчинів AgNO3 та KI за умови, що один з реагентів є у надлишку, аргентум йодид може не випадати в осад, а утворює колоїдний розчин:

AgNO3 + KIнадл. = AgI + KNO3 .

Методи диспергації:

-механічне подрібнення за допомогою різних приладів – ступок, фарборозтирачів, колоїдними млинами;

-електричне диспергування (найчастіше одержують гідрозолі благородних металів);

-дія ультразвуком;

-пептизація – перехід в колоїдний розчин осадів в результаті його промивання чи під дією пептизаторів.

Дисперсну фазу золя становлять міцели.

Міцела – найменша кількість колоїдної речовини, здатна до самостійного існування у вигляді окремого цілого і виражає всі основні властивості колоїдної системи.

Міцела ліофобного золя AgI, одержаного при добавленні розчину КІ до розчину AgNO3, взятого в надлишку, має наступну будову:

{[(m AgI) n Ag+] n +(n–x)NO3} x + x NO3,

і складається з наступних структурних частин:

(…) – агрегат; […] – ядро; {…} – гранула.

Міцела – електронейтральна сполука, тоді як колоїдна гранула несе електричний заряд, в даному випадку позитивний. Основна причина стабільності ліофобних золей – електростатичне відштовхування гранул, заряджених однойменно.

 

Хід роботи

1 Одержання золя ферум(ІІІ)гідроксиду методом пептизації

До 1-2 мл 2%–го розчину FeCl 3 додаємо розчину NH4OH до одержання осаду. Потім доливаємо декілька крапель розчину FeCl 3 як пептизатора і спостерігаємо самочинне розчинення осаду.

2 Одержання золя ферум (ІІІ) гідроксиду методом гідролізу

У плоскодонній колбі ємністю 100 мл нагріваємо до кипіння 50 мл дистильованої води і поступово додаємо з пробірки 5 мл 2%-ного розчину FeCl3.

3 Oдержання золя берлінської лазурі реакцією подвійного обміну

В стакан ємністю 100 мл наливаємо 5 мл розчину FeCl3 концентрацією 0,005 моль-екв/л і розводимо його ~ 50 мл дистильованої води. Потім приливаємо 5 мл розчину K4[Fe(CN)6] концентрацією 0,005 моль-екв/л.

 

4 Одержання золя сірки окисно-відновною реакцією.

В стакан на 100 мл наливаємо 10 мл розчину натрій тіосульфату, додаємо 10 мл розчину H2SO4, розводимо 100 мл води і чекаємо декілька хвилин.

5 Одержання золя каніфолі методом заміни розчинника.

В стакан ємністю 100 мл наливаємо ~ 50 мл дистильованої води, додаємо 2 мл 2 %-го спиртового розчину каніфолі і перемішуємо.

 

Питання на самостійну підготовку

1.Класифікація дисперсних систем:

а) за агрегатним станом ДФ і ДС;

б) за взаємодією між частинками ДФ;

в) за взаємодією між частинками ДФ і ДС;

г) за топографічною ознакою;

д) за ступенем дисперсності.

2.Методи одержання ліофобних колоїдних розчинів:

а) методи конденсації (фізичні та хімічні);

б) методи диспергації (фізичні та хімічні).

Література

[3] Розд ІІ, [4] Гл.12 §2, [5] Гл.1 §1-6, [7] ст. 32-43
Лабораторна робота № 4

Теоретична частина

Емульсії - грубодисперсні системи, що складаються з двох практично нерозчинних одна в одній рідин. Розрізняють два типи емульсій: "олія у воді" - О/В, де дисперсійним середовищем є вода (емульсії І-го роду або прямі емульсії) та "вода в олії" - В/О, де дисперсійним середовищем є будь-яка неполярна рідина, що умовно називається олією (емульсії ІІ-го роду).

Залежно від концентрації дисперсної фази розрізняють: емульсії розбавлені - вміст дисперсної фази не більше
0,1%, концентровані - вміст дисперсної фази не більше 74% та висококонцентровані - вміст дисперсної фази більше 74%, в яких геометрична форма частинок значно відрізняється від сферичних.

Для одержання стабільних емульсій використовують речовини, які називають стабілізаторами емульсії або емульгаторами. Тип емульсії, що утворюється, звичайно визначається типом емульгатора. Згідно правила Банкрофта при утворенні емульсії дисперсійним середовищем стає та рідина, яка краще змочує або розчиняє емульгатор. Емульгаторами можуть бути поверхнево-активні речовини (ПАР), високомолекулярні сполуки (ВМС), високодисперсійні порошки та інші речовини. Так, гідрофільні емульгатори - мила лужних металів, желатин, альбумін, танін, крейда, гіпс, глина, стабілізують емульсії типу О/В, а гідрофобні емульгатори - мила полівалентних металів, ланолін, каучук, парафін, сажа - стабілізують емульсії типу В/М.

Механізм емульгуючої дії ПАР полягає в специфічній адсорбції полярних (дифільних) молекул ПАР на межі розділу фаз, утворенням сольватних плівок навколо крапель, в результаті чого зменшується поверхневий натяг крапель, а, отже, і поверхнева енергія.

Специфічною властивістю більшості емульсій є взаємне перетворення емульсії двох типів або їх інверсія: О/В ↔ В/О

Здійснити дане перетворення можна введенням ПАР, яка стабілізує зворотній тип емульсії, або збільшенням кількості емульгованої фази, або зміною рН середовища. Так, при додаванні олеату кальцію емульсія О/В перетворюється в емульсію В/О. Перетворення емульсії відбувається поступово. Спочатку руйнується існуюча емульсія і виникає нестійка система, яка може розшаровуватись. При дальшому додаванні емульгатора-антагоніста і енергійному перемішуванні системи утворюється новий тип емульсії, тобто відбувається інверсія фаз.

Емульсії звичайно одержують механічним диспергуванням – емульгуванням однієї рідини в іншій сильним перемішуванням, а в деяких випадках – за допомогою ультразвукових установок: свистків і сирен, а також на електричних установках, де на поверхні рідин створюється надлишок електричних зарядів, які стабілізують емульсію.

Серед методів вивчення властивостей емульсій особливе значення мають методи визначення фаз. З них найчастіше використовуються наступні три методи.

1. Метод змішування. Невелику краплю емульсії поміщають на предметне скло. Поруч наносять краплю тієї чистої рідини, по відношенню до якої можна вважати, що вона є дисперсійним середовищем. Нахиляючи скло, приводять краплі в контакт і спостерігають за їх станом. Якщо краплі зіллються, то досліджувана рідина є дисперсійним середовищем цієї емульсії.

2. Метод електропровідності. Він грунтується на тому, що вода і водні розчини проводять струм краще, ніж малополярні рідини.

В досліджувану емульсію опускають два електроди і включають їх в ланцюг, що складається з акумулятора і послідовно приєднаного міліамперметра. Струм виникає в ланцюгу лише тоді, якщо дисперсійним середовищем є вода.

3. Метод фарбування. Метод грунтується на використанні барвників, практично розчинних тільки в полярних чи тільки в неполярних рідинах. Як водорозчинний барвник можна використати метиленовий синій, а як олієрозчинний - барвник класу суданів.

Невелику щіпку порошкоподібного барвника поміщають під шар емульсії, попередньо нанесеної на предметне скло. Залежно від обраного барвника і типу емульсії, барвник швидко розчиняється в одному з компонентів і, таким чином, визначається тип емульсії.

Природні нафтові емульсії утворюються в процесі видобутку нафти і є, як правило, емульсіями типу В/О. Емульгаторами нафтових емульсій є кальцієві і магнієві солі нафтенових кислот, нафтові смоли, високодисперсійні частинки парафіну, а також частинки глини та мінералів.

Основні способи руйнування емульсії є: відстоювання, фільтрація, центрифугування, термічна та термохімічна обробка, обробка в електричному полі.

На основі нафтових емульсій створені та широко використовуються на промислах емульсійні глинисті розчини, що містять до 60% нафти та продукти її переробки. Емульгатором таких емульсій є частинки твердої фази (гідратовані частинки глини, мила, КМЦ, крохмаль. поліфосфати, гідрофобна крейда).

Основні переваги застосування емульсійних глинистих розчинів є збільшення змащувальної здатності розчину та зменшення липкості та проникливості глинистої кірки, що веде до зниження водовіддачі, поліпшує умови освоєння шарів, зменшує можливість прихоплення.

Певний інтерес представляє застосування нафтоемульсійних цементних розчинів, де рідинною фазою є емульсія типу В/О.

 

Хід роботи

В пробірку наливаємо 1-2 мл толуолу (неполярна рідина) з барвником - суданом III. При цьому рідина забарвлена в червоний колір. Потім додаємо таку ж кількість води (полярна рідина), закриваємо пробірку гумовим корком і сильно перемішуємо. Переконуємося в тому, що емульсія, яка утворюється при перемішуванні, є нестабільною і швидко розшаровується.

Далі в ту ж пробірку доливаємо 1мл 3%-ого розчину олеату натрію і вміст пробірки знову сильно перемішуємо. Одержуємо відносно стабільну емульсію. Щоб визначити тип емульсії, відбираємо краплю її, розміщуємо на предметному склі і розглядаємо в мікроскоп при невеликому збільшенні.

Після цього в пробірку доливаємо декілька крапель водного розчину CaCl2 і 2 мл толуолу, і рідину сильно перемішуємо. Розглядаємо в мікроскоп краплю емульсії і встановлюємо, чи відбулась інверсія.

Олеат натрію (мило) добре розчинний у воді, тому він може бути використаний як емульгатор при одержанні стабільних емульсій типу "олія у воді".

Введення в розчин йонів кальцію, що утворюють водонерозчинний олеат, змінює картину на обернену. Олеат кальцію сприяє утворенню емульсії "вода в олії". При достатній кількості "олії" відбувається перехід емульсії типу О/В у В/О – її інверсія. Вводячи в емульсію барвник, наприклад, судан III, добре розчинний в неполярних рідинах, можна визначити, яка з рідин виконує функцію дисперсної фази, а яка - дисперсійного середовища.

Мікроскопічну картину емульсії О/В і В/О зарисовуємо у звіті, схематично показуюючи розташування шару емульгатора на міжфазній поверхні (поверхні краплі ДФ), користуючись загальноприйнятими символами.

Питання на самостійну підготовку

  1. Класифікація дисперсних систем:

а) за агрегатним станом ДФ і ДС;

б) за взаємодією між частинками ДФ;

в) за взаємодією між частинками ДФ і ДС;

г) за топографічною ознакою;

д) за ступенем дисперсності.

2. Характеристика мікрогетерогенних систем (емульсії, піни, суспензії).

Література

[3] §57-64, [7] Розд. 5


Лабораторна робота № 5

Теоретична частина

В практиці буріння та її експлуатації широко використовують різні промивні та цементні розчини, нафтові емульсії, піни, ряд інших мікрогетерогенних систем. Однією з важливих характеристик таких систем є їх полідисперсність, тому для теорії і практики важливо знати фракційний склад таких систем, тобто кількісний розподіл частинок за їх розмірами.

Одним із методів дослідження полідисперсності системи є седиментаційний аналіз. Принцип його полягає у визначенні швидкості осідання частинок дисперсної фази в якому–небудь дисперсійному середовищі. Швидкість осідання частинок дисперсної фази під дією гравітаційної сили(f), яка, з врахуванням поправки на втрату у вазі за законом Архімеда, становить:

де r – радіус частинки, м;

ρ – густина дисперсної фази, кг/м3;

ρо – густина дисперсійного середовища, кг/м3;

g – прискорення сили тяжіння (9,81 м/с2).

Осіданню протидіє сила тертя f 1.

За законом Стокса сила тертя для сферичної частинки дорівнює:

де η – в’язкість середовища;

V – швидкість руху частинки.

При f = f 1 частинка рухається з сталою швидкістю.

З рівняння можна встановити зв’язок між швидкістю осідання частинки і її радіусом:

Для даної дисперсної фази та дисперсійного середовища величини η, ρ і ρо – сталі. Тоді

Оскільки швидкість осідання , тобто дорівнює пройденій частинками віддалі Н (глибині занурення чашки в розчин, м), поділеній на час їх осідання τ, то формула для розрахунку радіусів частинок буде мати вигляд:

Для суспензії глини у воді ρ = 2300 кг/м3, ρо = 1000 кг/м3, g = 9,81 м/с2, η = 0,1 кг/м·с.

 

Хід роботи

Записують масу чашки m (мг) та глибину її занурення в воду Н (м) (відстань від рівня води до чашки).

Із порошка досліджуваної глини готують 0,5 %-у суспензію. Для цього наважку порошку (5 г) вносять в циліндр з водою об’ємом 1 л. Перед початком зважування осаду суспензію перемішують поступальним рухом по вертикалі паличкою з надітим на її кінець гумовим диском. Після цього чашечку опускають в суспензію і через 15 с проводять перше зважування. Зважування проводять спочатку через 15 с, а потім, оскільки осідання з часом сповільнюється, поступово збільшують інтервали між зважуванням до 30 с,
1 хв. (60 с), 2 хв. (120 с) і 5 хв. (300 с), якщо різниця між двома послідовними зважуваннями з однаковим інтервалом не більше 2 мг. Аналіз вважають завершеним, якщо два останні зважування з інтервалом між ними не менше 5 хв. співпадають. Результати зважування заносять в таблицю 5.1. Кінцеву масу осаду приймають за 100 % і розраховують відсотковий вміст осаду для кожного виміру.

Таблиця 5.1Експериментальні та розрахункові дані для побудови кривої седиментації суспензії глини у воді

Інтервал часу Δ τ, с Час осідання частинок τ Маса чашки з осадом, m 1, мг Маса осаду m 2= m 1m ч, мг Відносна маса осаду Q, %
         

За результатами аналізу будують криву седиментації в координатах τ (с) ¸ Q (%).

До почат







Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? - задался я вопросом...

Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...

Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор...

ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования...





Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:


©2015- 2024 zdamsam.ru Размещенные материалы защищены законодательством РФ.