物理化学第5章（その2）

物理化学ー第５章ー
界面化学（その２）
物理化学演習の成績評価
• レポート（10回）をすべて提出：50点
（期日までに提出した場合は：プラス 2ｘ10＝20点
1：春休み宿題 2：自由課題中間報告 3：問題Ｂ−４
4：ＧＷ宿題
5：問題Ｃ 6：吸着 7：ＤＬＶＯ計算
8：問題Ｄ
9：技術倫理 10：自由課題最終報告
・出席点：10点
・理解度確認テスト： 20点
（7月1日 実施予定）
計 100点で評価
Aが大→θは小
３−２ 濡れの三つの型
現在の状態
前の状態
濡れの仕事が σｌ と θ
のみで求められる
重力場
ガラス
水銀
水
ガラス
無重力場
水銀
水
３−３ 濡れの現象の応用
浮選
気泡
粒子
疎水性表面の粒子
⇒気泡に付着
フロス層
石炭の浮選
イランの銅・Ｍｏ鉱山における
浮選工場
水中における固体と気泡の付着（1）
・ W＞０のとき
付着は起こる
・ Θ ⇒ 大（疎水性）
W ⇒ 大
付着 ⇒ 容易
W：付着仕事
Θ：接触角
γ:界面張力（界面エネルギー）
添字
WV:気−液
SV:固−気
SW:固−液
水中における固体と気泡の付着（2）
・ 水溶液中の固体粒子が気泡と衝突し，気泡表面に付着
する時の仕事（W） ＝ 固体−水界面と空気−水界面が固
体−空気界面に置き換わる時の界面自由エネルギーの減
少分（−ΔG）
W ＝−ΔG ＝γS/W +γW/A −γS/A
・・・ （1）
・ また，固体−水―空気の系では，Youngの式が成り立つ。
γS/A ＝γS/W +γW/A・cosθ
・・・ （2）
・ 式(1)と式(2)より，式(3)が得られる。
W ＝γW/A(1 − cosθ)
・・・ (3)
・ Θが大きい固体の表面 ⇒ 疎水性表面
・ グラファイト，ダイヤモンド，輝水鉛鉱物など ⇒ 疎水性
・ 大部分の固体表面 ⇒ 親水性
⇒ 捕収剤により特定の固体表面を疎水性に
親水基
疎水基
表面の約10％程度被覆
すれば気泡に付着可能
アルキル基＝疎水基
陰イオン性
陽イオン性
代表的な捕収剤
アルキル基＝疎水基
陰イオン性
陽イオン性
代表的な捕収剤
ミニテスト１
世界の界面活性剤生産量を世界の総人口で
割ると（１人あたりの平均使用量，いくらになる
か？
解答 約10 kg／人
ミニテスト２
水に浮かぶ１円硬貨の
左端の水面に希薄な界
面活性剤水溶液を少量
落としたとき，１円硬貨は
１）右へ動く
どうなる？
３）変化なし
２）左へ動く
４）その他
４．界面動電現象
表面で水和→表面水酸基を生成
酸性領域で起きやすい
アルカリ性領域で起きやすい
界面電位の発生（その２）
・イオン性結晶粒子の場合
正、負二種のイオンからなる結晶粒子
（例：AgI,BaSO4)
→それぞれの結晶構成イオンの吸着により帯電
→電位決定イオン
・水和熱からの説明
水和熱
Ag+ > I-
Ag+ の方が少し多く溶け出す
→ 負に帯電
界面電位の発生（その3）
・表面解離基を持つ粒子の場合
カーボンブラック（黒色顔料）
→ 表面にある –OH（フェノール性）、-COOHが
解離
-OH →-O- + H+
-COOH → -COO- + H+
界面電位の発生（その4）
ゼータ電位
（個数／cm3)
（1.60x10-19 クーロン）
(8.73 x 10-18 cm-3 g-1 s4 A2)
（8.73 x 10-16 erg/K )
(298K)
C(10-3 mol/dm3=10-6mol/cm3 )
N:アボガドロ数 とすると
n=6ｘ1023ｘ10-6Ｃ＝6 x 1017 C
従って
４−２ ζ電位の測定法
+
+
-
顕微鏡電気泳動法
―
―
―
―
―
+
―
―
―
―
流動電位法
等電点
(iep)
捕収剤の吸着機構：静電的吸着
ゲーサイト（水和酸化鉄）
等電点(pH6.7)
陽イオン性捕収剤
⇒ 負に帯電して
いる表面に吸着
陰イオン性捕収剤
⇒ 正に帯電して
いる表面に吸着
無機電解質
限界凝集濃度
ある添加濃度
になると
浸 透 圧
Π：浸透圧
Ｔ：絶対温度
純
溶
媒
溶
液
Ｃ：溶液のモル濃度
Π＝ＲＴＣ
半透膜
純溶媒が移動
→ 純溶媒の浸透を抑えるために溶
液の方に余分の圧力（π）を加える
(
補 足
64nkT
κ
64 n εk 3T 3 1 / 2
=
(
)
ev
8π
64 6 × 1020 C 8.73 × 10−18 k 3T 3 1 / 2
=
(
)
−19
1.60 × 10 v
8π
C
= 48.1
v
1 x
sinh x = ( e − e − x )
2
1 x
cosh x = (e + e − x )
2
(e x − e− x )
tanh x = x
(e + e− x )
イオン雰囲気
の圧縮
：
ＤＬＶＯ理論
Vt = VR + VA
電解質濃度→
大→ ＶＲ →
小 →Ｖｔ →
小→凝集
（Ｖｔ）
分子数の増加→浸透圧の増加 or高分
子鎖の運動が阻害→エントロピー低下→
自由エネルギー増加
課 題 ７
・ 表面電位(ψ0)が76.8mVの固体粒子が0.1M
のNaCl水溶液中に懸濁している。
・ この固体粒子間に働く全相互作用ポテンシャ
ルエネルギー（Vt）を粒子間距離(κd)の関数と
して計算して，Vtと粒子間距離の関係を図で示
しなさい。
・ なお，Hamaker定数は2x10-13ergである。
課 題 8
テキストp.68の問題Ｄ
締め切り：
いずれも 7/2
固液分離（凝集の効果）
D
u
D
凝集
u
u
u
粒子径Dpが大 ⇒ 沈降速度uが大
(
ρ P − ρ )g 2
u=
D
18µ
液体密度ρ，粘性係数μ
粒子密度ρp，重力加速度ｇ
u
固液分離（無機凝集剤）
Fe2（SO4）3，FeCl3, Al（SO4)3 など3価金属の塩
＋ ＋ ＋
＋ ＋ ＋＋ ＋
＋
＋
＋ ＋
＋
＋ ＋ −
＋
＋
−
＋ −
＋＋＋−
＋ ＋
＋
−
−
＋
＋
＋
＋
＋
＋＋＋− ＋ −
＋
＋＋−
＋
＋
＋ ＋
＋
＋ ＋ ＋ ＋
＋ ＋
＋ ＋＋
＋＋＋＋＋
＋
＋
＋
＋＋ ＋
＋
＋
＋
＋ ＋＋ ＋ ＋ ＋
＋
＋
＋＋
＋
＋
＋ ＋
＋ ＋ ＋＋ ＋
＋
＋
＋
＋＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋
＋＋
＋＋ ＋ ＋− ＋
＋
＋＋＋−
＋
＋
＋
＋
＋
−
−
＋＋＋
＋＋−−
＋ ＋
＋
＋
＋
＋
＋−＋＋ ＋−＋ ＋ −
＋
＋
＋
＋＋ ＋
＋＋ ＋
＋
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＋
＋
＋
＋ ＋＋ ＋ ＋ ＋
＋
＋
＋＋
＋
＋
反発
−− −
−
−
− −−
−
−
−− −
−
−
− −−
−
−
水中の粒子は帯電
⇒ 静電反発
⇒ 分散
イオン強度Iの増大
⇒ 静電反発力の低下
⇒ 凝集
1
2 Ci：イオン濃度
I = Σ ( C iZ i )
Zi：イオン価数
2
固液分離（有機高分子凝集剤）
高分子鎖
固液分離（シックナー）
原液：汚濁水
清澄水
レーキ
懸濁粒子の沈降・濃縮
濃縮スラリー
Source http://www.japanits.co.jp/supaflo.htm
シックナーにおける面積の原理
• 沈降操作は，施設・装置の違いにもかかわら
ず面積の原理による
•
A = Q/Umin
A：沈降の行われる水面の面積（ｍ2）
Q：オーバーフローの流量（ｍ3/ｈ）
Umin:沈降する限界粒子の終末沈降速度
(m/h)