Контрольные задания состоят из 1 теоретического вопроса и 2 задач. Задания выполняются в виде домашней письменной контрольной работы в соответствии с индивидуальными вариантами.

Контрольные задания

Теоретические вопросы

1. Высокодисперсные системы как объекты коллоидной химии

2. Наночастицы - представители высокодисперсных систем

3. Новые качества наночастиц

4. Обоснование минимального и максимального размера наночастиц.

5. Разнообразие и многообразие форм наночастиц

6. Трёхмерные, двухмерные и одномерные наночастицы

7. Классификация наночастиц по агрегатному состоянию

8. Особенности кристаллических и аморфных наночастиц

9. Разнообразие структур и форм наночастиц

10. Структура и фазовое состояние наночастиц различных модификаций

11. Причины повышения удельной поверхности наночастиц

12. Полидисперсность наночастиц

13. Геометрическая неоднородность наночастиц

14. Распределение наночастиц по размерам: нормальное и логарифмическое нормальное

15. Зависимость избыточной энергии (энергии Гиббса) от размера частиц

16. Дополнительный избыток поверхностной энергии наночастиц

17. Свободная поверхностная энергия наночастиц (энергии Гиббса), её поверхностные и объёмные слагаемые

18. Влияние экстремальных условий образования наночастиц на поверхностные явления

19. Избыточная поверхностная энергия как энергия дефектов кристаллических наночастиц

20. Удельная свободная поверхностная энергия. Её зависимость от размера наночастиц.

21. Формула Толмена для определения удельной свободной поверхностной энергии в зависимости от размера наночастиц

22. Упрощённая формула Русанова для определения удельной свободной поверхностной энергии в зависимости от размера наночастиц

23. Причины роста удельной свободной поверхностной энергии по мере снижения размера наночастиц

24. Изменение свободной поверхностной энергии ( в виде энергии Гиббса) с течением времени

25. Специфические способы определения удельной свободной поверхностной энергии

26. Связь удельной свободной поверхностной энергии наночастиц с подобным параметром для плоских поверхностей

27. Связь между неравновесной и равновесной удельной свободной поверхностной энергией наночастиц

28. Способы определения удельной свободной поверхностной энергии наночастиц

29. Изменение удельной свободной поверхностной энергии с течением времени

30. Влияние избытка поверхностной энергии на процесс адсорбции наночастиц

31. Повышенная адсорбционная активность (ёмкость) наночастиц

32. Увеличение скорости адсорбционного процесса

33. Зависимость адсорбционного потенциала от размера частиц

34. Применение наночастиц для очистки воды

35. Особенности применения наночастиц в качестве катализатора

36. Причины повышенной адгезии наночастиц

37. Влияние избытка поверхностной энергии на адгезионное взаимодействие наночастиц

38. Определение адгезии наночастиц путём моделирования

39. Расчётное значение силы адгезии наночастиц по теории Дерягина- Мюллера – Топорова (ДМТ)

40. Связь силы адгезии с равновесной работой сил адгезии и поверхностном натяжении

41. Уравнение Юнга для нанокапель

42. Зависимость краевого угла от размера нанокапель

43. Линейное натяжение нанокапель

44. Смачивание нитей нанокаплями

45. Смачивание тонкой упругой плёнки

46. Стадии растекания нанокапель

47. Качественные особенности диффузии наночастиц

48. Сопоставление диффузии наночастиц с ионной и молекулярной

49. Три вида диффузии в отношении кристаллических наночастиц

50. Соотношение межкристаллической, поверхностной и межфазовой диффузии

51. Соотношение коэффициента диффузии для трёх её различных видов кристаллических тел

52. Особенности структуры аморфных наночастиц

53. Влияние свойств наночастиц на броуновское движение

54. Зависимость броуновского движения от свойств наночастиц, дисперсионной среды и их взаимного влияния

55. Осмотическое давление, его математическое выражение для наночастиц

56. Осмос через мембраны с наноразмерными порами

57. Структура двойного электрического слоя с учётом дискретности кристаллической поверхности наночастиц

58. Соизмеримость адсорбционной и особенно диффузной части двойного электрического слоя с размерами самих наночастиц

59. Разделение электронного поля на наночастиц, находящегося в виде золя

60. Электролитические явления в наноразмерных капиллярах

63. Электроосмос в зависимости от соотношения размера частиц и радиуса нанокапель

64. Линейная скорость электроосмоса в наноразмерных капиллярах

65. Влияние дискретной кристаллической структуры наночастиц на рассеяние и поглощение света

66. Оптические свойства в зависимости от размера наночастиц

67. Отклонение от закона Бугера-Ланберга-Бера при пропускании света через слой наночастиц

68. Классификация способов получения наночастиц

69. Диспергирование и конденсационные способы получения наночастиц

70. Специфические способы получения наночастиц

71. Элементарные процессы и стадии механического диспергирования

72. Физические и химические способы получения наночастиц

73. Варианты процесса диспергирования

74. Образование наночастиц конденсационными способами

75. Жидкостное восстановление и радиолиз

76. Стадия метода молекулярного наращивания

77. Получение наночастиц кристаллизацией из раствора

78. Особенности получения частиц путём золь-гель перехода

79. Классификация методов определения размеров наночастиц

80. Принцип работы сканируемых зондовых приборов

81. Особенности двух видов устойчивости наночастиц

82. Системы с фиксированным положением наночастиц

83. Седиментационная устойчивость золя и аэрозоля

84. Отклонение от теории ДЛФО для наночастиц

85. Расчёт энергии межмолекулярного взаимодействия, в зависимости от отношения между радиусом наночастиц и прослойкой между ними

86. Зависимость энергии межмолекулярного взаимодействия от размеров наночастиц

87. Особенности расклинивающего давления применено к наночастицам

88. Определение константы Гамакера

89. Расчёт электростатической компоненты расклинивающего давления для наночастиц

90. Связь электрической компоненты расклинивающего давления с величиной дзета – потенциала

91. Структурная компонента расклинивающего давления

92. Условия коагуляции в зависимости от расстояния между наночастицами

93. Агрегативная устойчивость с учётом суммарного взаимодействия составляющих расклинивающего давления

94. Коагуляция и нарушение агрегатной и седиментационной устойчивости наночастиц

95. Влияние растворителя и внешнего воздействия на коагуляцию наночастиц

96. Механические свойства отдельных наночастиц (твёрдость, прочность и др.) и объектов из множества наночастиц

97. Свободнодисперсные и связнодисперсные системы из наночастиц

98. Два типа структур связнодисперсных наночастиц – способные течь и обладающие прочностью

99. Предел текучести связнодисперсных систем

100. Прямые и обратные мицеллы

101. Самопроизвольно образующиеся наночастицы

102. Адсорбционный монослой ПАВ

103. Локальная концентрация и образование островковой наноразмерной структуры

Задачи

Тема: распределение наночастиц по размерам

1-10. В образце синтезированных наночастиц золота диаметр частиц распределен приблизительно нормально, со средним арифметическим`х и со средним квадратичным отклонением s, указанным в таблице ниже, для соответствующего номера задачи. Вычислить (для своего номера задачи) долю частиц в образце, диаметры которых находятся в пределах от x<sub>1</sub> до x<sub>2</sub>, приняв m =`х  и s  = s.

11-20. Из электронно-микроскопического анализа образца наночастиц серебра найдено распределение числа частиц N по диаметру d, показанное в таблице ниже (для соответствующего номера задачи). Вычислить (для своего номера задачи) средний арифметический диаметр`d, среднее квадратичное отклонение диаметра s и коэффициент вариации V (в процентах).

Задача 11

Задача 12

Задача 13

Задача 14

Задача 15

Задача 16

Задача 17

Задача 18

Задача 19

Задача 20

21. В результате изучения образца частиц серебра (плотность 10.5 г/см³) методами электронной микроскопии и адсорбции аргона найдено, что частицы имеют форму диска (низкий цилиндр) со средним диаметром 14 нм, и имеют удельную поверхность 128 м²/г. Вычислить толщину частиц (высоту цилиндра).

22. В результате изучения образца частиц каолина (плотность 2.5 г/см³) методами электронной микроскопии и адсорбции азота найдено, что частицы имеют приблизительно форму правильной призмы с 6-угольным основанием, со средним диаметром описанной окружности 21 нм, и имеют удельную площадь поверхности 248 м²/г. Вычислить толщину (высоту) частиц. (В этой задаче необходимо вспомнить формулу площади правильного n-угольника s = ran/2, где r – длина стороны, а – апофема, равная ... у правильного 6-угольника.)

Тема: адгезия наночастиц

23-27. Вычислить силу адгезии наночастицы жидкости к плоской поверхности твёрдого материла, зная константу Гамакера А двух данных фаз, радиус частицы r и величину зазора h между частицей и поверхностью, указанные в следующей таблице (для своего номера задачи):

Тема: двойной электрический слой

28-37. Рассчитать потенциальную энергию u взаимодействия двух плоскопараллельных пластин, находящихся в водном растворе электролита с концентрацией с, при значении потенциала диффузного слоя φ_s, относительной диэлектрической проницаемости ε_r и температуре t. При расчете принять константу Гамакера А^* = 3.0·10^–20 Дж. Вычисления сделать для расстояний между пластинами h:  2, 5, 10, 15, 25, 50 нм. Построить график зависимости u = f(h).

38-47. Рассчитать энергию U отталкивания сферических наночастиц с радиусом r в водном растворе электролита с концентрацией с при потенциале диффузного слоя φ_s. Принять температуру 25 °С и относительную диэлектрическую проницаемость среды 78,6. Расчет произвести при расстояниях между поверхностями частиц h: 1, 2, 4, 8, 16, 32 нм. Построить график U = f(h).

48-57. Рассчитать и построить кривую потенциальной энергии взаимодействия сферических частиц радиусом r в водном растворе KCl с концентрацией с по следующим данным: константа Гамакера А^* = 1,5·10^-20 Дж, потенциал диффузного слоя φ_s (в таблице), температура 20 °С, относительная диэлектрическая проницаемость среды 80,1. Значения энергии взаимодействия частиц определить при расстояниях между поверхностями h: 1, 2, 4, 8, 16, 32 нм.

58-67. Рассчитать и построить графическую зависимость энергии притяжения сферических наночастиц, находящихся в водной среде, от расстояния между поверхностями частиц в интервале от 2 до 20 нм. Константа Гамакера 2,0·10^-20 Дж. Температура, коэффициент  диффузии наночастиц и вязкость среды указаны в таблице.

68. Вычислить радиус частиц гидрозоля серы, если в водном растворе NaCl с концентрацией 0,020 моль/л  при расстоянии между поверхностями частиц h = 10 нм энергия электростатического отталкивания такая же, как энергия отталкивания сферических частиц золя серы с радиусом 25 нм в водном растворе 0,0020 моль/л KCl. Принять температуру 25 °С, диэлектрическую постоянную 78,38, и потенциал диффузного слоя одинаковым в обоих случаях.

69. Диаметр сферических частиц гидрозоля серебра составляет 50 нм. Рассчитать и построить графическую зависимость энергии притяжения от расстояния между центрами частиц в интервале от 55 нм до 100 нм. Константу Гамакера  принять равной 0,50·10^-20 Дж.

70.  Рассчитать и построить графическую зависимость энергии электростатического отталкивания между частицами гидрозоля золота, диаметр которых составляет 33 нм, от расстояния между центрами сферических частиц в интервале от 35 нм до 100 нм. Принять потенциал диффузного слоя φ_s = 15 мВ, температуру 20 °С, относительную диэлектрическую проницаемость 80,20, толщину диффузного слоя 4,0 нм.

71. Для дисперсной системы твердых углеводородов в воде при 25 °С минимум потенциальной энергии взаимодействия наблюдается при расстоянии между частицами 0,20 нм. Во сколько раз эта энергия превышает энергию теплового движения, если диаметр частиц равен 20 нм. Устойчива ли такая дисперсная система? Константа Гамакера А^*= 9,0·10^–20 Дж. Принять во внимание, что глубина первичного потенциального минимума определяется работой сил притяжения.

Тема: электрокинетические свойства наночастиц

72. Рассчитать электрофоретическую подвижность частиц корунда в воде при 20 °С, если известно, что скорость электроосмоса через корундовую мембрану в том же растворе составляет 1,5·10^–8 м³/с, удельная электропроводность раствора 1,5·10^–2 Ом^–1·м^–1, поверхностная проводимость диафрагмы 2,2·10^-2 Ом^–1·м^–1, η = 1,00·10^–3 Па·с, сила тока при электроосмосе 1,5·10^–2 А. Диэлектрическая постоянная воды 80,2.

73. Определить необходимую величину внешнего электрического поля при электрофорезе сферических частиц золя алюминия в этилацетате, если электрокинетический потенциал равен 84.0 мВ, относительная диэлектрическая проницаемость 6.02, вязкость 0,426∙10^–3 Па∙с,  скорость электрофореза 3,0∙10^-5 м/с, расстояние между электродами 30 см.

74. Определить знак заряда частиц и величину дзета-потенциала для суспензии кварца в воде (толщина диффузного слоя много больше размера частиц). При электрофорезе частицы перемещаются к аноду. За время 3900 с наблюдаемая граница сместилась на расстояние 5,00 см, градиент напряжения внешнего поля 20.0 В/м, относительная диэлектрическая проницаемость среды 80.16, вязкость среды 1,00 мПа ∙с.

75. Электрофорез гидрозоля Fe(OH)₃ проводили при разности потенциалов на электродах 50.0 В и расстоянии между электродами 30.0 см. Перемещение частиц за 10 минут составило 15 мм. Относительная диэлектрическая проницаемость воды 80.2, вязкость 1.00 мПа∙с. Вычислить дзета-потенциал частиц в предположении применимости уравнения Хюккеля.

76. Электрокинетический потенциал частиц гидрозоля оксида железа(III) равен 30.0 мВ. Градиент напряжения электрического поля 9.0 В/см. Перемещение частиц за 30 минут составило 60 мм. Относительная диэлектрическая проницаемость 80.16, вязкость среды 1.002∙10^-3 Па∙с. Вычислить электрофоретическую подвижность частиц.

77. Частицы аэросила SiO₂ в водной среде при рН = 6,2 имеют дзета-потенциал  –30,7 мВ. На какое расстояние и к какому электроду сместятся частицы за 30 минут, если напряжение при электрофорезе 110 В, расстояние между электродами 25 см, относительная диэлектрическая проницаемость дисперсионной среды 80,16, вязкость среды 1.002 мПа ∙с ?

78. Вычислить величины электрокинетического потенциала z и построить график зависимости z от концентрации хлорида калия с из следующих данных, полученных при изучении электроосмоса водного раствора KCl через пористую корундовую диафрагму:

Относительная диэлектрическая проницаемость 80.16, вязкость 1,00 мПа·с; сила тока 1,50·10^–3 А, коэффициент эффективности диафрагмы α = 3.

79. Вычислить скорость электрофореза частиц алюминия в воде по следующим данным: дзета-потенциал 15 мВ; напряженность электрического поля 600 В/м; относительная диэлектрическая проницаемость 80,16; вязкость 1,00 мПа·с; радиус частиц 20 нм; параметр Дебая i = 2,5·10⁸ м^–1.

80. Рассчитать скорость электрофореза частиц оксида алюминия в этаноле с учетом электрофоретического торможения по следующим данным: дзета-потенциал 25 мВ; напряженность поля 900 В/м; относительная диэлектрическая проницаемость 24,35; вязкость 1,087·10^–3 Па·с; радиус частиц 300 нм, параметр Дебая i = 1,0·10⁷ м^–1.

81. Вычислить электрофоретическую подвижность частиц карбоната стронция в воде при напряженности электрического поля 800 В/м, если дзета-потенциал, определенный по скорости электрофореза равен 25 мВ; вязкость 1,00·10^–3 Па·с, относительная диэлектрическая проницаемость 80.16; параметр Дебая i = 1,0·10⁷ м^–1. Радиус частиц 300 м.

82. Вычислите скорость электроосмоса раствора хлорида калия через корундовую диафрагму, если известен дзета-потенциал, определенный по скорости электрофореза частиц корунда в том же растворе, равный 70 мВ; вязкость 1,00·10^–3 Па·с, относительная диэлектрическая проницаемость 80.16; напряженность электрического поля 100 В/м; сила тока 2.00·10^-2А; удельная электрическая проводимость раствора 2,00·10^-2 Ом^–1·м^–1; α = 1,1; iа = 3,00.

83. Найти электрофоретическую подвижность частиц оксида железа в растворе, если известна скорость электроосмоса через диафрагму из таких же частиц в том же растворе 3,33·10^-8 м³/с; удельная электрическая проводимость раствора 0,012 Ом^–1·м^–1; поверхностная электрическая проводимость частиц 0,022 Ом^–1·м^–1; относительная диэлектрическая проницаемость 80,2; вязкость 1.002 сПз, сила тока 0,035 А.

Тема: диффузия и броуновское движение наночастиц

84. Определить средний  квадратичный сдвиг сферических наночастиц золя Al₂O₃ за время 5 с, если вязкость среды 1,002 мПа·с, температура 20 °С, радиус частиц 6.0 нм.

85. Средний квадратичный сдвиг сферических наночастиц гидрозоля кремнезёма за время  4 с составляет 12 мкм.  Вычислить радиус частицы, если вязкость дисперсионной среды равна 1,00  мПа·с при 20 °C.

86. Определить средний квадратичный сдвиг наночастиц золя Al₂О₃  на основании следующих данных: удельная поверхность частиц 1,5·10⁴  м²/кг , плотность Al₂О₃  3,97 г/см³, вязкость дисперсионной среды 1,002 мПа·с, температура 20 °C, время наблюдения 6 с. Принять сферическую форму частиц.

87. Коэффициент диффузии наночастиц золя платины при 20 °C в ацетоне равен 5,1· 10^-10 м²/с. Вычислить радиус частиц, если вязкость среды 0,32 мПа·с.

88. Определить коэффициент диффузии шарообразных наночастиц гидроксида железа при температуре 17 °C, если их диаметр составляет 22 нм, а вязкость среды 1,09 сПз.

89. При 20 °C коэффициент диффузии коллоидных наночастиц селена в воде составляет 1,8·10^-6 м²/сут. Предполагая, что они имеют сферическую форму, рассчитать массу одной частицы, если плотность дисперсной фазы 4,81 г/см³, вязкость дисперсионной среды 1,002·10^–3 Па·с.

90. Определить объем сферической наночастицы платины на основании известного коэффициента диффузии этих частиц в пропиловом спирте 2,4·10^–6 м²/сут. Температура 293 К, вязкость среды 2,26 сПз.

91. Коэффициент диффузии сферических наночастиц гидрозоля кремнезема равен 1,6·10^-6 м²/сут, вязкость среды 1,00·10^-3 Па·с, температура 20 °C, плотность кремнезема 2,7 г/см³. Определить частичную концентрацию золя кремнезема, если массовая концентрация 0,500 г/л.

92. Средний квадратичный сдвиг наночастиц золя платины в воде за время 1 с составляет 3,5 мкм. Определить объем наночастицы, если вязкость среды 1,09·10^-3 Па·с при 17 °C. Принять сферическую форму частиц.

93. Определить коэффициент вязкого трения сферической частицы золя золота диаметром 44 нм в среде с вязкостью 1,002 сПз (температура 20°C).

94. Средний квадрат сдвига при Броуновском движении наночастиц гидрозоля золота за 4 с составляет 6,89·10^–11 м². Определить диаметр частицы, если вязкость дисперсионной среды 1,10·10^–3 Па·с при температуре 290 К.

95. По данным Сведберга значение среднего квадратичного сдвига наночастиц гидрозоля золота с радиусом 22 нм составляет 6,6 мкм за 3 с в воде при 20 °С. Вычислить средний квадратичный сдвиг за то же время и сравнить с экспериментальным значением. Вязкость среды 1,002·10^-3 Па·с при этой температуре.

96. Сравнить коэффициент трения сферических наночастиц золя платины в ацетоне и пропиловом спирте, если за 2 с средний квадратичный сдвиг равен соответственно 5,4 и 2,9 мкм, соответственно. Вязкость ацетона 3,2·10^-4 Па·с, вязкость пропилового спирта 22,6·10^-4 Па·с при температуре 20°C.

97. Вычислить средний квадрат сдвига при Броуновском движении наночастиц гидрозоля селена за время 5 с, если радиус сферических частиц равен 35 нм, вязкость среды 1,10 сПз, температура 17 °C.

98. Средний квадрат сдвига при Броуновском движении наночастиц гидрозоля сульфата бария 1,42·10^-11 м² за время наблюдений 7 с при температуре 20 °C. Определить массу частицы гидрозоля, зная вязкость среды 1,002·10^-3 Па·с. Принять, что форма частиц сферическая, плотность сульфата бария 4,50 г/см³.