4. Дисперсное состояние вещества

Дисперсные системы. Кри­сталлы любого вещества, например сахара или хлорида натрия, можно получить разного размера—крупные и мелкие. Каков бы ни был размер кристаллов, все они имеют одинаковую для данного вещества внутреннюю структуру—молекулярную или ионную кри­сталлическую решетку.

При растворении в воде кристаллов сахара и хлорида натрия Образуются соответственно молекулярные и ионные растворы. Таким образом, одно и то же вещество может находиться в раз­личной степени раздробленности: макроскопически видимые ча­стицы (>0,2—0,1 мм, разрешающая способность глаза), микроскопически видимые части­цы (от 0,2—0,1 мм до 400— 300 нм, разрешающая спо­собность микроскопа при освещении белым светом) и в молекулярном (или ион­ном) состоянии.

Постепенно складывались представления о том, что между ми­ром молекул и микроскопически видимых частиц находится об­ласть раздробленности вещества с комплексом новых свойств, при­сущих этой форме организации вещества.

Представим себе кубик какого-либо вещества, который будем разрезать параллельно одной из его плоскостей, затем полученные пластинки начнем нарезать на палочки, а последние—на кубики. В результате такого диспергирования (дробления) ве­щества получаются пленочно-, волокнисто- и корпускулярнодис-персные (раздробленные) системы. Если толщина пленок, попе­речник волокон или частиц (корпускул) меньше разрешающей способности оптического микроскопа, то они не могут быть обна­ружены с его помощью. Такие невидимые в оптический микроскоп частицы называют коллоидными, а раздробленное (дисперги­рованное) состояние веществ с размером частиц от 400—300 нм до 1 нм—коллоидным состоянием вещества.

Дисперсные (раздробленные) системы являются гетерогенными. Они состоят из сплошной непрерывной фазы—дисперсион­ной среды и находящихся в этой среде раздробленных частиц того или иного размера и формы—дисперсной фазы.

Поскольку дисперсная (прорывная) фаза находится в виде от­дельных небольших частиц, то дисперсные системы, в отличие от гетерогенных со сплошными фазами, называют микрогетероген-ными, а коллоидноднсперсные системы называют также ультра-микрогетерогенными, чтобы подчеркнуть, что в этих системах граница раздела фаз не может быть обнаружена в световом мик­роскопе.

Когда вещество находится в окружающей среде в виде молекул или ионов, то такие растворы называют истинными, т. е. гомоген­ными однофазными растворами.

Обязательным условием получения дисперсных систем является взаимная нерастворимость диспергируемого вещества и диспер­сионной среды. Например, нельзя получить коллоидные растворы сахара или хлорида натрия в воде, но они могут быть получены в керосине или в бензоле, в которых эти вещества практически нерастворимы.

Дисперсные системы классифицируют по дисперсности, агрегат­ному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды, интен­сивности взаимодействия между ними, отсутствию или образова­нию структур в дисперсных системах.

Количественной характеристикой дисперсности (раздробленно­сти) вещества является степень дисперсности (степень раздробленности, D)—величина, обратная размеру (а) дисперс­ных частиц:

Здесь а равно либо диаметру сферических или волокнистых частиц, либо длине ребра кубических частиц, либо толщине пленок.

Степень дисперсности численно равна числу частиц, которые можно плотно уложить в ряд (или в стопку пленок) на протяже­нии одного сантиметра.

Если все частицы дисперсной фазы имеют одинаковые размеры, то такие системы называют монодисперсными. Частицы дисперсной фазы неодинакового размера образуют полидисперсные системы. С повышением дисперсности все большее и большее число ато­мов вещества находится в поверхностном слое, на границе раз­дела фаз, по сравнению с их числом внутри объема частиц дис­персной фазы. Соотношение между поверхностью и объемом ха­рактеризует удельная поверхность: Sуд==S/V, которая для частиц сферической формы равна

а для частиц кубической формы

где r—радиус шара; d—его диаметр; l—длина ребра куба.

Так, удельная поверхность вещества, раздробленного до мик­ронных кубиков, составляет 6-10⁴ см-¹. При этом из 1 см³ обра­зуется 10¹² микронных кубиков с суммарной поверхностью (S =Sуд-V), равной 6-10⁴ см² (6 м²). При дальнейшем дроблении 1 см³ вещества до кубиков коллоидной дисперсности, например с длиной ребра l = 10-⁶ см (10 нм), их число достигает 10¹⁸ ча­стиц, суммарная поверхность—6*10⁶ см² (600 м²), а удельная по­верхность—6*10⁶ .

Следовательно, с повышением дисперсности вещества все боль­шее значение имеют его свойства, определяемые поверхностными явлениями, т. е. совокупностью процессов, происходящих в меж­фазовой поверхности. Таким образом, своеобразие дисперсных си­стем определяется большой удельной поверхностью дисперсной фазы и физико-химическим взаимодействием дисперсной фазы и дисперсионной среды на границе раздела фаз.

Дисперсные системы с газообразной дисперсионной средой на­зывают аэрозолями. Туманы представляют собой аэрозоли с жидкой дисперсной фазой (Г1—Ж2), а пыль и дым—аэро­золи с твердой дисперсной фазой (Г1—Т2); пыль образуется при днспергированни веществ, а дым—при конденсации летучих ве­ществ.

Пены—это дисперсия газа в жидкости (Ж1—Г2), причем в пенах жидкость вырождается до тонких пленок, разделяющих отдельные пузырьки газа. Эмульсиями называют дисперсные системы, в которых одна жидкость раздроблена в другой, нерас­творяющей ее жидкости (Ж1—Ж2). Низкодисперсиые системы твердых частиц в жидкостях (Ж1—Т2) называют суспензия­ми, или взвесями, а предсльно-высокодисперсные— коллоидными растворами, или золями, часто лиозолямн, чтобы подчеркнуть, что дисперсионной средой является жидкость (от греч. «лиос»—жидкость). Если дисперсионной средой являет­ся вода, то такие золи называют гидрозолями, а если органи­ческая жидкость — органозолями.

В твердой дисперсионной среде могут быть диспергированы гачы, жидко­сти или 1вердые тела. К системам Ti— Г; (твердые пены) относятся пепопласгы, пенобетон, пемза, шлак, металлы с включением газов. Как своеобразные твердые пены можно рассматривать и хлебобулочные изделия. В твердых пенах газ на­ходится в виде отдельных замкнутых ячеек, разделенных дисперсионной средой. Примером системы Ti — Жэ является натуральный жемчуг, представляющий со­бой карбонат кальция, в котором коллоидно-диспергирована вода.

Большое практическое значение имеют дисперсные системы типа T1 — Т2. К ним относятся важнейшие строительные материалы (например, бетон), а также металлокерамические композиции и ситаллы.

К дисперсным системам типа T1 — Т2 относятся также некоторые сплавы, цветные стекла, эмали, ряд минералов, в частности некоторые драгоценные и по­лудрагоценные камни, многие изверженные горные породы, в которых при застывании магмы выделились кристаллы.

Цветные стекла образуются в результате диспергирования в силикатном стекле примесей металлов или их оксидов, придающих стеклу окраску. Например, рубиновое стекло содержит 0,01—0,1'% золота с размером частиц 4—30 мкм. Условия получения ярко-красных рубиновых н других окрашенных стекол изу­чались еще М. В. Ломоносовым. Эмали—это силикатные стекла с включениями пигментов (SnO2, TiО2, ZrО2), придающих эмалям непрозрачность и окраску. Драгоценные и полудрагоценные камни часто представляют собой оксиды метал­лов, диспергированные в глиноземе при кварце (например, рубин—это Сг2О3, диспергированный в Al203).

Дисперсные системы могут быть свободнодисперсными и связнодисперсными в зависимо­сти от отсутствия или наличия взаимодействия между частицами Дисперсной фазы. К свободнодисперсным системам относятся аэро­золи, лнозоли, разбавленные суспензии и эмульсии. Они текучи. В этих системах частицы дисперсной фазы не имеют контактов, участвуют в беспорядочном тепловом движении, свободно переме­щаются под действием силы тяжести. Спязноднсперсные систе­мы—твердообразны; они возникают при контакте частиц дисперс­ной фазы, приводящем к образованию структуры в виде каркаса или сетки. Такая структура ограничивает текучесть дисперсной системы и придает ей способность сохранять форму. Подобные структурированные коллоидные системы называют гелями.