8. Дисперсные системы Основные понятия и определения

Большинство веществ и материалов, возникающих естественным или создаваемых искусственным путем, находятся в раздробленном (дисперсном) состоянии. Реальный металлический расплав рассматривают как дисперсную систему в которой дисперсная фаза (суб- и микроскопические частицы твердой фазы – оксиды, нитриды. Сульфиды и др.) обладает чрезвычайно большой поверхностью раздела. По приближенным оценкам в 1 см³ жидкой стали содержится несколько миллионов твердых частиц.

Особые свойства веществ и материалов, обусловленные их раздробленностью изучает коллоидная химия – наука о дисперсных системах и поверхностных явлениях.

Поверхностные явления – это совокупность явлений, связанных с физическими особенностями границ раздела (поверхностных слоев) между соприкасающимися фазами. Поверхностные явления обусловлены тем, что молекулы и атомы в поверхностных слоях образуют особую структуру, а вещество принимает особое состояние, отличающееся по свойствам от его состояния в объемах этих фаз. Таким образом, коллоидное состояние – состояние вещества в поверхностных слоях, характеризуемое особыми свойствами. Коллоидное состояние проявляется тем сильнее, чем больше дисперсность вещества.

Дисперсными системами являются наиболее типичные и сложные объекты коллоидной химии, потому что в них проявляется все многообразие поверхностных явлений. Дисперсные системы – гетерогенные системы, в которых одна из фаз находится в дисперсном (раздробленном состоянии). Всякая дисперсная система состоит из дисперсной фазы и дисперсионной среды.

Дисперсная система

Дисперсная фаза

(раздробленная часть

дисперсной системы)

Дисперсионная среда

(непрерывная часть дисперсной системы)

Признаки объектов коллоидной химии

Для объектов коллоидной химии характерны два основных признака, сформулированных одним из основоположников отечественной коллоидной химии Н.П.Песковым: гетерогенность и дисперсность.

Гетерогенность (многофазность) указывает на наличие межфазной поверхности и поверхностного слоя. Количественной характеристикой гетерогенности является величина поверхностного натяжения (удельной поверхностной энергии) на границе раздела фаз. Чем сильнее выражена гетерогенность и чем сильнее по природе отличаются соприкасающиеся фазы, тем больше поверхностное натяжение.

Дисперсность (раздробленность) определяется размерами и геометрией частиц. Частицы могут быть сферическими, цилиндрическими, кубическими, а чаще всего имеют неправильную форму.

Мерой дисперсности может служить:

• Поперечный размер частиц (а) – диаметр для сферических частиц (d) и длина ребра для кубических частиц (l).

• Дисперсность (D) – величина, обратная поперечному размеру частицы: D=1/a.

• Удельная поверхность (S_уд) – межфазная поверхность, приходящаяся на единицу объема или массы дисперсной фазы:

; или . (8.1)

Удельная поверхность связана с размером (дисперсностью) и формой частиц:

Частицы сферической формы	;
Частицы цилиндрической формы
Частицы кубической формы

Таким образом, удельная поверхность прямо пропорциональна дисперсности D, и обратно пропорциональна поперечному размеру частицы а.

Пример 8.1. Дисперсность частиц коллоидного золота 10⁸ м^-1. Принимая частицы золота в виде кубиков определить, какую поверхность они могут покрыть, если их плотно уложить в один слой. Масса коллоидных частиц золота 1 г. Плотность золота 19,6·10³ кг/м³.

Решение:

1.Общая поверхность частиц коллоидного золота равна S=S_уд·V.

2. Удельная поверхность кубических частиц S_уд=6D.

3. Объем золота равен V=m/ρ.

4. Тогда общая площадь поверхности составит:

.

Рис. 8.1. Зависимость удельной поверхности системы от размера частиц: I – истинные растворы, II – высокодисперсные (коллоидные) системы; III – среднедисперсные системы; IV – грубодисперсные системы.

При увеличении дисперсности, то есть при уменьшении размера частиц вещества, его удельная поверхность резко возрастает (рис.8.1) По величине удельной поверхности коллоидные системы занимают особое положение среди дисперсных систем. Это наглядно показано на диаграмме, изображающей резкое увеличение удельной поверхности при уменьшении размеров частиц до коллоидных размеров. В связи с резким увеличением удельной поверхности высокодисперсные системы обладают рядом специфических особенностей.