1.Основные понятия коллоидной химии; классификация, основные особенности, количественные характеристики дисперсных систем.
Коллоидная химия изучает свойства разнообразных систем (неорганических, органических, полимерных, белковых), в которых хотя бы одно из веществ находится в виде частиц размером примерно от 1 нм (несколько молекулярных размеров) до 10 мкм. Частицы таких размеров называют дисперсными (лат. dispergo - рассеивать, распылять).
Дисперсные частицы могут находиться в любом агрегатном состоянии: твердом (микрокристаллы, волокна), жидком (капли в туманах и эмульсиях), газообразном (пузыри в пенах).
Главная особенность дисперсных частиц
Физические и химические свойства дисперсных частиц значительно отличаются от аналогичных свойств крупных (макроскопических) объектов для одного и того же вещества. К числу таких свойств относятся прочность, теплоемкость, температура плавления, магнитные и электрические характеристики, реакционная способность. Эти различия называют размерными (или масштабными) эффектами. Они выражены тем сильнее, чем меньше размер дисперсных частиц, и поэтому особенно характерны для частиц нанометровых размеров (наночастиц).
Количественные характеристики дисперсных систем
1. Средний (d), минимальный (dmin) и максимальный (dmax) размер дисперсных частиц.
2. Концентрация
частиц (
,
м-З), равная числу дисперсных частиц
(nd)
в единице объема дисперсионной среды
(V):
З. Удельная поверхность дисперсной фазы (Ωd, м2/кг) - отношение суммарной площади поверхности (Ωп) всех дисперсных частиц к их суммарной массе (m):
4. Дисперсность (D) - отношение суммарной площади поверхности дисперсных частиц (Ωп) к суммарному объему (Vп) дисперсной фазы: D= Ωп /Vn
5. Поверхностное натяжение (σ, Дж/м2) на границе дисперсных частиц с дисперсионной средой - основной термодинамический параметр, характеризующий свойства поверхности раздела фаз; для жидкостей численно равно удельной свободной поверхностной энергии.
6.Количественной мерой продолжительности существования дисперсных систем с жидкой или газовой дисперсной фазой служит время жизни (τ) одной дисперсной частицы - капли в эмульсиях, тонкой жидкой пленки в пенах и газового пузырька в газовых эмульсиях.
2. Диспергационные методы получения дисперсных систем
Диспергирование твердых материалов.Измельчение макроскопических образцов до дисперсных частиц (от 1мкм и выше) Для диспергирования тв. тел используют механические(дробление, истирание и тд.), электрические (распыление в электрическом поле) методы и взрывы.
Самый распространенный способ – механическое измельчение, эффективен для хрупких (минералов, керамика, стекло). Механическое диспергирование пластичных материалов до достижения мелких р-в требует очень больших энергетических затрат.
Ультразвуковое диспергирование с частотой колебаний порядка 200тыс ГЦ. Применяют для диспергирования тв. материалов, помещенных в жидкость.
Электрогидравлическое диспергирование. Основано на действии разряда высокого напряжения в диэлектрической жидкой среде. При данном методе используют вольтову дугу между электродами из диспергационного материала, которые перемещены в воду. Высокая температура дуги приводит к распылению металла в виде очень мелких частиц.
К числу диспергационных методов относится коллоидно-химический процесс, называемый петизацией или дезагрегацией ( распад структуры на образующие ее частицы при промывании осадка достаточным количеством жидкости или по действием спец. веществ(пептизаторов)).
Диспергирование жидкости. Для диспергирования жидкости и получения мелких капель в аэрозолях и эмульсиях используют преимущественно механические методы: встряхивание; быстрое перемешивание, сопровождаемое кавитационными разрывами; воздействие ультразвука; распыление при течении жидкости через тонкие отверстия.
Диспергирование газов. Для получения газовых пузырьков в жидкости применяют несколько вариантов диспергирования:
1.Барботирование-прохождение газовой струи через жидкость с достаточно большой скоростью при которой струя становится неустойчивой и начинает дробиться на отдельные небольшие пузырьки;
2.Одновременное течение жидкости и газа через устройства, которые смешивают эти потоки; при этом формируются газовые пузырьки; В качестве диспергирующих устройств используют пористые перегородки, узкие трубки, мембраны, сопла и тд. Пример: газ+вода+корабль – пузырьки лопаются, плотность воды падает, следовательно корабль тонет.