3. Как классифицируются дисперсные системы по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсной среды? Приведите примеры медико-биологического профиля.

По агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды. Эта классификация была предложена Оствальдом.

1. По структуре дисперсные системы различают:

1. свободные дисперсные системы, когда частицы обеих составляющих системы могут свободно перемещаться друг относительно друга (золь);

2. связанные дисперсные системы, когда одна из составляющих системы представляет собой структурированную систему, т.е. частицы фазы жестко связаны между собой (студень, композиты).

Классификация дисперсных систем по агрегатным состояниям фаз

Дисперсион-ная среда	Дисперс-ная фаза	Примеры дисперсных систем
Твердая	Твердая	Рубиновое стекло; пигментированные волокна; сплавы; рисунок на ткани, нанесенный методом пигментной печати
Твердая	Жидкая	Жемчуг, вода в граните, вода в бетоне, остаточный мономер в полимерно-мономерных частицах
Твердая	Газо- образная	Газовые включения в различных твердых телах: пенобетоны, замороженные пены, пемза, вулканическая лава, полимерные пены, пенополиуретан
Жидкая	Твердая	Суспензии, краски, пасты, золи, латексы
Жидкая	Жидкая	Эмульсии: молоко, нефть, сливочное масло, маргарин, замасливатели волокон
Жидкая	Газо- образная	Пены, в том числе для пожаротушения и пенных технологий замасливания волокон, беления и колорирования текстильных материалов
Газообразная	Твердая	Дымы, космическая пыль, аэрозоли
Газообразная	Жидкая	Туманы, газы в момент сжижения
Газообразная	Газо- образная	Коллоидная

4. Объясните. Почему коллоидно-дисперсные и грубодисперсные системы являются термодинамически неустойчивыми

Лиофобные дисперсные системы термодинамически неустойчивы вследствие сгущения поверхностной энергии в межфазных слоях. В суспензиях (и эмульсиях) самопроизвольно могут протекать процессы коагуляции и коалесценции, сопровождающиеся уменьшением свободной поверхностной энергии: F_s= ₁₂S₁₂+ S_{12 12} ( ₁₂ - удельная свободная энергия на границе раздела фаз, S₁₂ - поверхность раздела фаз).

При коагуляции уменьшение свободной поверхностной энергии достигается в результате частичного взаимного насыщения нескомпенсированных молекулярных сил на поверхности частиц в местах их контакта, эквивалентного уменьшению эффективного значения ₁₂ (т.е. F_s= ₁₂S₁₂ ). Существенно большее снижение избытка свободной энергии имеет место при коалесценции, когда F_s= S_{12 12} за счет сокращения поверхности.

Термодинамически неустойчивые лиофобные дисперсные системы могут, однако, существовать достаточно долго не коагулируя, т.е. оставаться агрегативно устойчивыми, что обусловливается действием различных факторов стабилизации. Чем меньше разность полярностей между частицами дисперсной фазы и дисперсионной среды (меньше ₁₂), тем агрегативно более устойчивой будет суспензия, тем дольше будут существовать частицы дисперсной фазы в данной дисперсионной среде, не сцепляясь друг с другом, т.е. не коагулируя; чем больше разность полярностей, тем менее устойчивой относительно коагуляции будет суспензия.

Так, например, гидрофильные порошки оксида алюминия, оксида железа, карбоната кальция и др. в полярной дисперсионной среде (воде) образуют агрегативно устойчивые суспензии. При седиментации (оседании под действием силы тяжести) каждая частица в таких суспензиях оседает отдельно, не образуя агрегатов с другими частицами.

Наоборот, в неполярной дисперсионной среде гидрофильные порошки образуют агрегативно неустойчивые суспензии. При этом частицы коагулируют, сцепляясь в агрегаты, и оседание дисперсной фазы в таких суспензиях происходит значительно быстрее. В осадках силы сцепления между частицами велики по сравнению с весом частиц, вследствие чего образующиеся рыхлые коагуляционные структуры лишь очень медленно уплотняются под действием силы тяжести.

С другой стороны, гидрофобные порошки, например, сажа, образуют агрегативно устойчивые суспензии в неполярных углеводородных средах, но коагулируют в воде.

Основной принцип стабилизации суспензий сводится к усилению взаимодействия молекул дисперсионной среды с поверхностью частиц дисперсной фазы путем направленного модифицирования этой поверхности, ее лиофилизации. Это может быть достигнуто добавлением в дисперсионную среду определенных поверхностно-активных веществ (ПАВ), адсорбирующихся на границе раздела фаз. Например, чтобы сделать агрегативно устойчивой суспензию окиси алюминия в бензоле, можно добавить к бензолу малорастворимое ПАВ (олеиновую кислоту и т.д.), которое образует адсорбционный слой на границе раздела фаз и делает поверхность окиси алюминия олеофильной (гидрофобной). Чтобы стабилизировать суспензию гидрофобного порошка в воде, нужно ввести такую добавку, которая вызвала бы гидрофилизацию поверхности частиц. Обычно для этой цели применяют растворимые в воде ПАВ.

В определенных условиях агрегативно неустойчивые дисперсные системы могут образовывать дисперсные структуры - пространственные сетки во всем объеме системы. Структурированные дисперсные системы занимают как бы промежуточное положение между жидкими и твердыми телами, причем их свойства зависят от степени развития и прочности структурной сетки.

Наличие структуры придает дисперсным системам своеобразные механические свойства - упругость, пластичность, повышенную вязкость. Важнейшей механической характеристикой дисперсных структур является прочность - способность сопротивляться разрушению под действием приложенных механических напряжений. Прочность зависит в основном от величины сил сцепления частиц (прочности контактов между ними) и степени развития структуры во всем объеме системы. Для широкого круга дисперсных структур в первом приближении

, (1)

где P_c - прочность дисперсной структуры (Па), c - число контактов на единицу поверхности разрушения (м^-2), - средняя прочность индивидуальных контактов (Н). При этом под прочностью индивидуального контакта подразумевается сила, необходимая для его разрушения (разъединения частиц).

Прочность и другие механические свойства дисперсных структур можно варьировать в очень широких пределах, изменяя значения c и . На этом основаны практически все методы управления структурно-механическими свойствами дисперсных систем.

Все дисперсные структуры можно разделить на две основные группы: структуры с контактами коагуляционного типа (коагуляционные структуры) и структуры с фазовыми контактами.

В коагуляционных структурах взаимодействие частиц в контактах ограничивается их "соприкосновением" - через сохраняющиеся равновесные прослойки дисперсионной среды или непосредственно. Для таких контактов и структур в целом характерна механическая обратимость - способность к самопроизвольному восстановлению после механического разрушения (тиксотропия).

В фазовых контактах сцепление частиц осуществляется за счет близкодействующих сил когезии, реализуемых на площади, значительно превышающей площадь элементарной ячейки, т.е. сцепление обусловлено 10² и более связями. Такая контактная поверхность подобна участку границы зерна в поликристаллическом материале, а переход от одной частицы к другой осуществляется внутри одной фазы (отсюда название таких структур). В отличие от коагуляционных структур, обладающих свойством тиксотропии, структуры с фазовыми контактами разрушаются необратимо. Такие структуры возникают в процессах спекания порошковых материалов, конденсации и кристаллизации новой дисперсной фазы из переохлажденных расплавов и пересыщенных растворов. В последних двух случаях образующиеся частицы новой фазы срастаются, создавая более или менее плотный структурный каркас или беспористый монолит. Таков, например, механизм образования искусственного камня при твердении цементов и бетонов.

Для определения прочности дисперсных структур используются, в основном, две группы методов: тангенциально смещаемой пластинки (реже цилиндра) и конический пластометр. В первом методе измеряется сила F, которую необходимо приложить, чтобы погруженная в дисперсную систему пластинка, обычно имеющая шероховатую поверхность или поперечные риски для предотвращения проскальзывания, начала смещаться; если площадь пластинки S, прочность равна:

p_c=F/2S (2)

Конический пластометр служит для измерения пластической прочности (P_m) структурированных дисперсных систем. Метод основан на определении усилия F, которое необходимо приложить к конусу для погружения его в систему на известную глубину h (или на измерении глубины погружения под действием постоянной нагрузки).

Пластическая прочность P_m рассчитывается по формуле:

, (3)

где k - коэффициент, зависящий от угла при вершине конуса:

При =60^o, k = 0,41; при = 40^o, k =0,77.