В

Рис. 1.1

Дисперсионная система:

1 – дисперсионная среда;

2 – дисперсная фаза

еличина В характеризует удельную поверхность раздела фаз и позволяет количественно определять фактическую границу между дисперсной фазой и дисперсионной средой. Для частиц одного и того же размера удельная поверхность равна поверхности одной частицы В₁, умноженной на число частиц в 1 кг дисперсной фазы n, т.е.

В_уд = В₁n. (1.2)

Число сферических частиц в 1 кг дисперсной фазы

n = (4 πr³ρ/3^)—1, (1.3)

где ρ — плотность вещества дисперсной фазы, кг/м³; r — радиус частиц, м.

Учитывая, что поверхность сферических частиц равна 4πr², из формул (1.2) и (1.3) получим

В_уд = 3/(rρ), или В_уд = 6 /(aρ), (1.4)

где a — диаметр частиц, м.

Аналогичным образом можно выразить удельную поверхность для других частиц правильной формы (кубических, цилиндрических и др.).

Удельная поверхность, определяемая уравнениями (1.1) и (1.4), равна поверхности всех частиц, содержащихся в 1 кг дисперсной фазы и имеет размерность м²/кг.

Иногда удельную поверхность выражают путем отношения поверхности частиц к суммарному объему этих частиц, т.е.

В_уд = В/V. (1.5)

Удельная поверхность в соответствии с формулой (1.5) равна поверхности всех частиц (м²), содержащихся в 1 м³ дисперсной фазы и измеряется в м^—1. Определение удельной поверхности в обратных единицах длины связано с таким понятием, как дисперсность D, т.е. с величиной, обратной размеру частиц а:

D = 1/а. (1.6)

Для сферических частиц величина а равна диаметру этих частиц. Дисперсность, как и удельная поверхность [(см. формулу 1.4)], обратно пропорциональна размеру частиц. Удельную поверхность в м²/кг можно выразить через дисперсность следующим образом:

В_уд = 6D/ρ. (1.7)

Удельная поверхность определяет влияние размеров частиц на поверхностные явления.

Посмотрим, как изменится удельная поверхность 1 кг сахара в зависимости от того, в каком виде находится этот продукт. В одном пакете сахарного песка массой 1 кг содержится примерно 1,610⁶ сахаринок диаметром 1 мм, и их удельная поверхность равна 5 м²/кг. Кусок сахара массой 1 кг имеет поверхность всего 0,05 м², т.е. в 100 раз меньшую. Если раздробить сахар и превратить его в сахарную пудру с размером частиц 10 мкм, то удельная поверхность сахарной пудры уже составит 500 м²/кг. Таким образом, поверхность 1 кг сахара в зависимости от степени его измельчения будет составлять от 0,05 до 500 м².

Помимо частиц дисперсная фаза может формироваться из нитей, волокон, пор, а также пленок (см. табл. 1.4), особенности удельной поверхности которых отражены в формулах (1.7, а) и (1.7, б).

Дисперсные системы с течением времени могут изменяться. Частицы, которые образуют дисперсную фазу в жидкой или газовой среде, могут исчезать, возникать вновь, укрупняться, дробиться и перемещаться. Но все эти превращения дисперсных систем проходят при одном неизменном условии — сохранении раздробленности вещества или веществ, составляющих дисперсную фазу.

Раздробленность сообщает дисперсным системам следующие новые качества, которые связаны с резким увеличением поверхности раздела фаз:

Качественные

особенности дисперсных систем

Большая удельная поверхность раздела фаз

Избыточная поверхностная энергия на межфазовой поверхности

Интенсификация процессов за счет кривизны поверхности частиц дисперсной фазы

Раздробленность и большая удельная поверхность раздела фаз обусловливают значительный избыток поверхностной энергии на межфазовой поверхности. Это в свою очередь приводит к возникновению поверхностных явлений, о которых пойдет речь в последующих главах. Поверхностные явления наблюдаются на любой поверхности, разграничивающей фазы. Резкое увеличение удельной поверхности (в случае измельчения куска сахара до сахарной пудры она возрастет в 10000 раз) приводит к интенсификации поверхностных явлений, вызванных избытком поверхностной энергии.

Раздробленность предполагает образование частиц различной формы, поверхность которых характеризуется определенной кривизной. Кривизна поверхности частиц также определяет качественные особенности дисперсных систем. Ряд процессов, о которых речь пойдет ниже, на плоской и на искривленных поверхностях протекают по-разному. Кривизна поверхности в некоторых случаях является дополнительным фактором интенсификации процессов, которые происходят на границе раздела фаз.

Поверхностные явления, которые вызваны избытком поверхностной энергии и кривизной поверхности раздела фаз, становятся характерным признаком дисперсных систем. Таким образом, коллоидная химия — наука о поверхностных явлениях и дисперсных системах. Подобное определение означает единство важнейших качественных признаков дисперсных систем, вызванных раздроблением на частицы дисперсной фазы и значительной удельной поверхностью.