XXIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Тиксотропный эффект: механизм и возможности практического применения

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Сорокин В.С. 1

---

1ГБНОУ Санкт-Петербургский городской центр детского технического творчества

Давыдов В.Н. 1

---

1ГБНОУ Санкт-Петербургский городской центр детского технического творчества

Работа в формате PDF

422.4 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Чистые вещества в природе встречаются очень редко. Смеси веществ в различных агрегатных состояниях могут образовывать гетерогенные и гомогенные системы.

Дисперсными называют гетерогенные системы, в которых одно вещество в виде очень мелких частиц распределено в объеме другого. Истинными растворами называют гомогенные системы, в которых вещество раздроблено до молекул или ионов размером менее одного нанометра.

Коллоидные растворы занимают промежуточное положение между грубо дисперсными системами и истинными растворами. Они широко распространены в природе. Глобальная роль коллоидных растворов в естествознании заключается в том, что они являются основными компонентами таких биологических образований как живые организмы.

Существует целая наука о таких системах – коллоидная химия. Явления в коллоидных системах весьма многообразны. Нас заинтересовало одно из них, называемое тиксотропией.

В качестве объекта нашего исследования выбраны явления в коллоидных растворах. В качестве предмета явление тиксотропии.

Цель работы: выяснить, что собой представляет явление тиксотропии и каковы возможности его практического применения.

Задачи:

1. Познакомиться с явлением тиксотропии по литературным источникам.

2. Провести эксперименты по воспроизведению явления тиксотропии.

3. Предложить новые сферы использования явления тиксотропии.

1. Общие сведения о дисперсных системах

1. 1. Понятие дисперсной системы

Дисперсные системы (дисперсии)–микрогетерогенные образования, в которых одно мелкораздробленное вещество–дисперсная фаза равномерно распределено в другой фазе – дисперсионной среде. Размер частиц дисперсной фазы составляет 10^–9 –10^–7 м, т.е. лежит в интервале от нанометров до долей микрометров. Эта область превосходит размер типичной малой молекулы, но меньше размера объекта, видимого в обычном оптическом микроскопе.

Изучением дисперсных систем и поверхностных явлений занимается коллоидная химия - раздел физической химии. Коллоидная химия как самостоятельная наука возникла в 60-е годы 19 века. С тех пор её предмет и методы существенно изменились. В период становления коллоидной химии «коллоидами» называли клееподобные аморфные тела (в отличие от кристаллических тел, «кристаллоидов»); теперь термин «коллоиды» — синоним высокодисперсных (микрогетерогенных) систем, то есть дисперсных систем с наиболее развитой поверхностью раздела фаз.

Коллоидная химия изучает процессы и явления, обусловленные особенностями высокодисперсного состояния тел. К ним относятся, например, самопроизвольное укрупнение частиц твёрдой дисперсной фазы или капель жидкости (коагуляция и коалесценция) как проявление термодинамической (агрегативной) неустойчивости дисперсных систем; застудневание жидких дисперсных систем с образованием гелей и возникновение пространственных дисперсных структур; взаимодействие соприкасающихся тел (трение, адгезия) и изменение этого взаимодействия под влиянием веществ, адсорбирующихся на поверхностях соприкосновения; явления в тонких жидких и твёрдых плёнках; самопроизвольное диспергирование жидкостей и твёрдых тел. Характерные особенности объектов изучения коллоидной химии обусловили развитие специфических методов исследования, таких как ультрацентрифугирование, ультрафильтрация, диализ и электродиализ, электроосмос и электрофорез, различные методы фракционирования и дисперсионного анализа, ультрамикроскопия, электронная микроскопия, нефелометрия и т.д.

Коллоидная химия разрабатывает научные основы технологических процессов с участием дисперсных систем. К ним относятся технология строительных материалов, силикатов (особенно керамики), технология пластмасс, резины, лакокрасочных материалов с использованием высокодисперсных пигментов и наполнителей; технология бурения горных пород, механической обработки твёрдых материалов, в том числе металлов; процессы гетерогенного катализа и адсорбционные процессы. Учение о дисперсных структурах лежит в основе науки о материалах будущего, без которой невозможен технический прогресс[1, с.356-362].

1.2. Типы коллоидных растворов

Термин «коллоид» ввел в 1861 году английский химик Томас Грэм. Он обнаружил, что растворы желатина, крахмала и других клееподобных веществ очень отличаются по ряду свойств от растворов неорганических солей и кислот. По-гречески «коло» - клей; так появилось это название. Правильно говорить не о коллоидных веществах, а о коллоидных системах. Этот термин ввел российский ученый П.П. Веймарн в 1908 году. Коллоидные системы очень разнообразны (таблица№1)

Таблица 1.

Классы коллоидов по агрегатному состоянию дисперсных частиц и среды [2]

Способы очистки коллоидных растворов: [1, с. 372-376]

Диализ. Простейшим прибором для диализа – диализатором является мешочек из полупроницаемого материала (коллодия), в который помещается диализируемая жидкость.

Мешочек опускается в сосуд с растворителем (водой). Периодически или постоянно меняя растворитель в диализаторе можно практически полностью удалить из коллоидного раствора примеси электролитов и низкомолекулярных не электролитов.

Электродиализ – процесс диализа, ускоряемый действием электрического тока. Электродиализ применяют для очистки коллоидных растворов, загрязненных электролитами. Если необходима очистка коллоидных растворов от низкомолекулярных не электролитов, процесс электродиализа малоэффективен.

Ультрафильтрация – фильтрование коллоидных растворов через полупроницаемую мембрану, пропускающую дисперсионную среду с низкомолекулярными примесями и задерживающую частицы дисперсной фазы или макромолекулы. Для ускорения процесса ультрафильтрации ее проводят при перепаде давления по обе стороны мембраны: под вакуумом или повышенным давлением.

Ультрафильтрация есть не что иное, как диализ, проводимый под давлением.

1.3. Тиксотропия

В 1923 г. немецкие химики Е. Шалек и А. Сегвари из института физической химии и электрохимии кайзера Вильгельма обнаружили, что гели на водной основе окиси железа обладают замечательным свойством становиться полностью жидкими только при осторожном встряхивании до такой степени, что жидкий гель едва отличим от исходного золя, снова через некоторое время... процесс изменения состояния может повторяться несколько раз без каких-либо видимых изменений в системе». Термин тиксотропия был введен Петерфи в 1927 г. в первой статье, в которой правильно описывалось это явление. Термин сочетает в себе греческие слова thixis (перемешивание или встряхивание) и trepo (переворачивание или изменение)[4].

Тиксотропия – это изотермически обратимый переход структурированной системы в бесструктурную или слабоструктурированную систему при механических воздействиях, т.е. способность восстанавливать свою структуру во времени после её механического разрушения [1, с.469-471].

Причиной этого явления является то, что многие коллоидные растворы типа гидроксида железа (III), способны при нахождении в покое переходить в твердое состояние, этот процесс носит название застудневания или желатинирования. Продукты, образовавшиеся в результате этого процесса, называются студнями или гелями. Студни или гели – это дисперсные системы, у которых частицы дисперсной фазы связаны между собой. Возникновение связей, образование и упрочнение пространственной сетки и является причиной застудневания. Под влиянием механических воздействий происходит разрушение связей между частицами, студни разжижаются, переходят в золи, а затем при хранении в покое снова застудневают. Тиксотропия – одно из доказательств того, что структурообразование в гелях происходит за счет межмолекулярных взаимодействий.

Изучение явления тиксотропии позволяет дать объяснение некоторым эффектам, которые ранее относились к разряду паранормальных. Среди религиозных реликвий, которые почитаются Римско-католической церковью, находятся остатки крови ранних святых. Самой почитаемой из этих чудодейственных реликвий является флакон, содержащий темное неопознанное вещество, которое считается кровью Святого Януария, которое ожижается один или два раза в год с 1389 года в Неаполе [4].

Рис.1. Кровь святого Януария [4]

Святой Януарий был епископом Беневенто, обезглавленным во время преследования христиан императором Диоклетианом в 305 году. Реликвия, которая, как говорят, была его кровью, появилась более десяти веков спустя в Неаполе около 1389 года.

Несколько лет назад итальянский физико-химик Луиджи Гарлашелли предположил, что тиксотропия может дать объяснение свойствам крови святого Януария. Благодаря тиксотропности некоторые гели разжижаются при встряхивании и повторно затвердевают, когда их оставляют в покое. Действия с реликвией во время церемонии - повторное переворачивание бутылки для проверки состояния агрегации содержимого - может обеспечить ожижение.

Для подтверждения этой гипотезы были изготовлены тиксотропные образцы, которые напоминали «кровь» Януария, используя материалы и методы, которые были доступны в четырнадцатом веке. Один из предложенных рецептов реализован в экспериментальной части нашей работы.

2. Экспериментальная часть

2.1. Изготовление тиксотропной жидкости [5]

Растворяют 25 г гексагидрата хлорида железа (III) в 100 мл воды, получая красно-оранжевый раствор. Затем добавляют 10 г измельченного карбоната кальция. Так как раствор хлорида железа (III) кислый, смесь начинает пениться и выделять углекислый газ. Поэтому вносить карбонат кальция нужно медленно при перемешивании. Благодаря образованию коллоидного FeO(OH) раствор приобретает темно коричневый цвет.

2 FeCl₃ + 3 CaCO₃ + H₂O → 2 FeO(OH) + 3 CaCl₂ + 3 CO₂↑

Чтобы диализировать смесь был взят сосуд с донышком из целлофана. Затем его поместили в дистиллированную воду, почти не углубляя (см. рис.1).

Рис. 1. Диализ коллоидного FeO(OH)

В результате недельного диализа был получен гель, который при воздействии встряхивания ожижался, а после прекращения воздействия застывал (см. рис. 2 и 3).

Рис.2. Гель гидроксида железа

Рис.3. После встряхивания происходит ожижение (гель превращается в золь)

2.2. Применения тиксотропного эффекта

Тиксотропия уже имеет множество практических применений. Например, тиксотропные краски дают возможность проводить окрашивать, так, чтобы на вертикальной поверхности не оставалось потеков. Набранная на кисть порция тиксотропной краски не стекает и ведет себя почти как твердое тело. Но если начать размазывать её, то под давлением кисти она превращается в жидкость и легко размазывается. Однако стоит кисти уйти в сторону от оставшегося на стене мазка краски, как он и на вертикальной поверхности превращается в твердообразное тело и не стекает. Даже неопытный маляр красит такой краской без потеков и экономно, поскольку ничего не капает с кисти, не натекает на пол [3].

Мы полаем, что тиксотропный эффект может найти и еще одно применение, а именно, в датчике вибрации.

Индикатор вибрации

Относится к устройствам, которые визуализируют внешнее вибрационное воздействие на приборы. Может найти применение в областях приборостроения, в которых вибрации способны оказать негативное воздействие.

Индикатор вибрации содержит корпус в виде стеклянной пробирки со шкалой, в которой размещен, находящийся под действием пружины стальной шарик, располагающийся на слое тиксотропного материала.

Формула изобретения

Индикатор вибрации, содержащий прозрачный корпус в виде пробирки (1) со шкалой (5), в которой размещен, находящийся под действием пружины стальной шарик (2), располагающийся на слое чувствительного к вибрации материала (4), отличающийся тем, что чувствительный к действию вибрации элемент выполнен в виде слоя тиксотропного материала.

Рис.4. Схема индикатора вибрации

Описание действия индикатора

В случае появления вибрации происходит разжижение тиксотропного материала (4). Шарик (2) под действием пружины (3) погружается в тиксотропный материал (4). Степень погружения контролируется через прозрачные стенки пробирки (1) с помощью шкалы (5).

Погружение шарика в тиксотропный материал свидетельствует о том, что устройство подверглось действию вибрации.

Рис.5. Индикатор вибрации

Заключение

Нам удалось получить тиксотропный гель гидроксида железа и провести опыты по его ожижению и затвердеванию. Предложено новое применение тиксотропного геля в датчике вибрации. Датчик такого типа может дать информацию о том – подвергалась ли система вибрации.

Список использованных источников и литературы

1. 1. Болдырев, А.И. Физическая и коллоидная химия / А.И. Болдырев. -М.: Высшая школа, 1974. – 504 с.

   2. Гольдт, И.В. Коллоидная система [Электронный ресурс] /И.В. Гольдт, О.А. Шляхтин /Словарь нанотехнологических и связанных с нанотехнологиями терминов – Режим доступа: http://thesaurus.rusnano.com/wiki/article16818, свободный. – Загл. с экрана.

   3. Войтович, В.А. Новые противокоррозионные материалы в промышленности /В.А. Войтович. –Горький: Волго-Вятское книжное издательство, 1980 -95 с.

   4. Barnes, H.A. Thixotropy – a review /H.A. Barnes // J. Non-Newtonian Fluid Mech. – 1997. - Vol. 70. -P. 1-33

   5. Garlaschelli L. Chemie der Wunder /L. Garlaschelli //Chemie in unserer Zeit. -1999. –Vol. 33, - Nr.3. –S. 152-157