1.2. Классификация дисперсных систем

Дисперсной называется система, состоящая из мелких частиц вещества (дисперсная фаза), распределённого в другом веществе (дисперсионная среда).

Процесс измельчения и равномерного распределения ве­щества в газообразной, жидкой или твёрдой среде называется диспергированием.

Свойства дисперсных систем в значительной мере определяются размерами частиц дисперсной фазы. Различают макродисперсные, микродисперсные и ультрамикродисперсные системы (табл. 1.1).

Таблица 1.1

Классификация дисперсных систем

по размерам частиц дисперсной фазы

Тип дисперсной системы	Размер частиц дисперсной фазы, мкм
Макродисперсная система		> 10
Микродисперсная система	0,1	… 10
Ультрамикродисперсная система	0,001	… 0,1

Частицы макродисперсных систем легко наблюдаются невооружённым глазом.

Частицы микродисперсных систем можно рассмотреть в микроскоп.

Частицы ультрамикродисперсных систем обнаруживаются с помощью ультрамикроскопа.

Дисперсные системы со средним диаметром частиц в жидкости 1 … 100 нм часто называют коллоидными растворами.

В зависимости от агрегатного состояния диспергируемого вещества и дисперсионной среды различают следующие типы дисперсных систем: газ в газе, жидкость в газе, твёрдое в газе, газ в жидкости, жидкость в жидкости, твёрдое в жидкости, газ в твёрдом, жидкость в твёрдом и твёрдое в твёрдом.

Дисперсные системы классифицируют по агрегатному состоянию дисперсионной среды и дисперсной фазы и по размеру частиц диспергированного вещества. В промышленности применяются различные дисперсные системы: суспензии, аэрозоли, пены, эмульсии, золи, гели.

Суспензия — это дисперсная система, образованная твёрдыми частицами с диаметром более 10 мкм и жидкостью.

Аэрозоль — это дисперсная система, состоящая из частиц жидкости или твёрдого вещества, распределённых в газе (например, пыль, дым, туман). Пыль состоит из твёрдых частиц размером 10 … 100 мкм, диспергированных в газовой среде. Пыль образуется в результате измельчения твёрдых тел, взрывных работ, дробления горных пород, бурения и действия газовых струй и ветра. Частицы пыли быстро оседают. Они часто несут электрический заряд. Дым возникает при горении, деструктивной перегонке и возгонке твёрдых веществ и последующей конденсации их паров, а также в результате химических реакций газообразных веществ с образованием новой фазы. Он, как правило, состоит из частиц размером 0,1 … 5 мкм. Дым более устойчивая дисперсная система по сравнению с пылью. Туман образуется при конденсации пара или при распылении жидкостей. Диаметр капель в тумане  10 мкм.

Дисперсная система, образующаяся из природного тумана и газовых выбросов промышленных предприятий, котельных или двигателей внутреннего сгорания, называется смогом.

Устойчивость аэрозолей может достигать нескольких лет. В природных условиях аэрозоли образуются и при извержениях вулканов. Так, в 1883 году при извержении вулкана Кракатау в атмосферу было выброшено около 16 км³ расплавленной лавы, камней, грязи и пыли. Образовалось огромное количество кол­лоидных частиц, которые в течение многих лет по всему свету придавали причудливую окраску солнечным закатам.

Пена — дисперсная система, содержащая диспергированный газ в жидкости (например, взбитые сливки, яйца).

Эмульсия — дисперсная система двух обладающих очень низкой взаимной растворимостью жидкостей, состоящая из капелек одной жидкости, распределённых в другой.

Различают эмульсии низкой концентрации (неструктурированные) и высокой концентрации (структурированные).

Встречаются прямые и инвертные (обратные) эмульсии.

Прямые эмульсии — капли неполярной жидкости в полярной (тип “масло в воде”).

Инвертные эмульсии — капли полярной жидкости в неполярной (тип “вода в масле”).

Изменение состава эмульсии или внешнее воздействие могут привести к обращению типа эмульсии:

масло в воде  вода в масле.

По устойчивости различают лиофильные и лиофобные эмульсии.

Лиофильность и лиофобность характеризуют способность веществ взаимодействовать с жидкой средой. Лиофильные вещества растворимы в данной жидкости. Молекулы лиофильных веществ сильно сольватированы. Энергия их взаимодействия с молекулами растворителя значительна. Лиофильность по отношению к воде называют гидрофильностью, к маслам — олеофильностью или липофильностью. Гидрофильны: желатин, крахмал и глины. Олеофильны: парафин, натуральный каучук, сажа.

Лиофобные вещества не набухают, их поверхность не смачивается данной жидкостью (водой или маслом), а лиофобные атомные группы слабо взаимодействуют с молекулами жидкости. Количественной мерой лиофильности или лиофобности могут служить теплоты растворения, набухания или смачивания, а при контакте с твёрдой поверхностью — краевой угол смачивания.

Золь — дисперсная система, состоящая из твёрдого вещества, диспергированного в жидкости (например, мельчайшие частицы золота, диспергированные в воде).

Если твёрдое вещество диспергировано в воде, то систему называют гидрозолем, а если в органическом растворителе — органозолем.

Частица твёрдой фазы золя (мицелла) свободно участвует в броуновском движении.

При коагуляции лиофобные золи превращаются в гели.

Твёрдыми золями называют дисперсные системы с распределёнными в твёрдой фазе мельчайшими частицами другой твёрдой фазы (например, рубиновые стёкла).

Ультрамикродисперсная система “кассиев пурпур” настолько устойчива, что может не оседать очень долго. Одна из таких дисперсных систем, приготовленная более ста лет назад М. Фа­радеем, до сих пор находится в прекрасном состоянии.

Гель — это дисперсная система, состоящая из газа, диспергированного в твёрдом веществе (например, газ в пористом адсорбенте), или из жидкости, диспергированной в твёрдом веществе (например, желе, жемчуг), или из твёрдого вещества, диспергированного в твёрдом веществе (например, некоторые сплавы и минералы).

Помимо указанных двух фаз в состав дисперсной системы всегда входит третий компонент — ионные или молекулярные частицы, адсорбированные на поверхности раздела фаз.

Гели представляют собой студенистые тела, механические свойства которых подобны свойствам твёрдых тел. Гели, образованные в воде, называют гидрогелями, а образованные в углеводородной среде — органогелями. При сушке гелей можно получить аэрогели (ксерогели), которые используются как сорбенты и носители (например, в катализе).

Нередко дисперсные системы содержат несколько различных по физическим и химическим свойствам компонентов. Такие системы называют сложными. Например, молоко состоит в основном из жира, казеина и молочного сахара, распределённых в воде. Жир находится в виде эмульсии и при стоянии молока поднимается кверху за счёт разницы плотностей жира и воды. Казеин содержится в виде коллоидного раствора и осаждается при скисании молока или подкислении его искусственным путём. Молочный сахар находится в виде молекулярного раствора.

Итак, вы познакомились с классификацией

поверхностных явлений и дисперсных систем.

Прежде чем переходить к дальнейшему чтению пособия, выучите наизусть все понятия

и определения, приведённые в этой главе.

Лабораторная работа 1

Исследование кинетики

осаждения суспензии

Цель работы: освоить фотоколориметрический метод исследования кинетики осаждения суспензии; определить скорость осаждения суспензии.

Приборы, оборудование и растворы: фотоколориметр KF-5; самопишущий потенциометр КСП-4; магнитная мешалка; мерный цилиндр; порошок мела, дистиллированная вода.

Теоретическое введение

Дисперсная система со средним диаметром распределённых в жидкости твёрдых частиц более 10 мкм называется суспензией.

Для суспензий характерно постепенное разделение твёрдой и жидкой фазы. При этом изменяется светопропускание дисперсной системы.

Скорость осветления суспензии в данный момент времени может быть рассчитана по формуле

V_осв. = Т /  t ,

где V_осв. — скорость осветления суспензии, % ^ с^–1 ; Т — изменение свето­пропускания (%) в течение промежутка времени t (с).

Скорость осаждения одинаковых по размеру частиц твёрдой фазы можно рассчитать по уравнению

V_тв. ф. = b (lgT₂ – lgT₁) /  (t₂ – t₁) ,

где b = c₀ /  lgT₀, T₀ — светопропускание исходной дисперсной системы с концентрацией c₀ (г ^ л^–1); T₁ и T₂ — светопропускание в моменты времени t₁ и t₂ (с).

Если скорость процесса не зависит от времени, то наблюдается нулевой порядок процесса осаждения. Если же будет установлено изменение скорости осаждения твёрдой фазы во времени, то рассчитывают константу скорости для процесса первого или второго порядка, соответственно, по уравнениям:

k_I = {2,303 / t} lg{(2 – lgT₀) /  (2 – lgT_t )}

или k_II = t^–1 b^–1 {(2 – lgT₀)^–1 – (2 – lgT₁)^–1} ,

где t — текущее значение времени, с; T₀ — светопропускание в начальный момент времени, %; T_t — светопропускание в момент времени t, %.

Методика выполнения работы

Перед выполнением работы тщательно изучите инструкции к приборам и ознакомьтесь со схемой установки для исследования (рис. 1.3).

Рис.  1.3. Схема установки для исследования кинетики осаждения суспензии:

1 — фотоколориметр KF-5; 2 — крышка фотоколориметра; 3 — рычаг каретки фотоколориметра; 4 — переключатель фотоколориметра; 5 — светофильтр; 6 — рукоятки регуляторов светового потока; 7 — самопишущий потенциометр КСП-4

1. Включите самопишущий потенциометр и фотоколориметр в сеть переменного тока.

2. Откройте крышку фотоколориметра и извлеките кювету.

3. Заполните кювету дистиллированной водой.

4. Установите кювету в гнездо каретки.

5. Установите каретку в положение, соответствующее прохождению света через кювету с дистиллированной водой.

6. Закройте крышку фотоколориметра.

7. С помощью регуляторов светового потока установите указатель КСП-4 в положение 100 %.

8. Насыпьте 0,1 г порошка мела в стакан с 50 мл дистиллированной воды и тщательно размешайте до получения суспензии.

При использовании магнитной мешалки получается однородная дисперсная система (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Установка для получения суспензии:

1 — магнитная мешалка; 2 — тумблер “Вращение: Вкл. — Выкл.”; 3 — регулятор числа оборотов мешалки

  9. Включите движение диаграммной бумаги самописца (скорость движения 600 мм/ч).

10. Аккуратно налейте во вторую кювету суспензию, немедленно поместите её в фотоколориметр и закройте крышку.

11. Через 30 мин. прекратите запись диаграммы.

12. Переведите рычажок скорости продвижения диаграммы в положение 7200 мм/ч и включите движение бумаги.

13. Остановите движение диаграммной бумаги, когда участок с вашей записью пройдёт устройство для отрыва бумаги. Аккуратно оторвите диаграммную бумагу.

14. Выключите приборы из сети переменного тока.

15. Рассчитайте величины, входящие в табл. 1, и занесите их в соответствующие колонки.

Таблица 1

Экспериментальные и расчётные значения величин

t, с	T, %	Vосв., %  с–1	Vтв. ф., г  (л  с)–1	kI, с–1	kII, л  (г  с)–1
30 60 90 120 150 180

16. Постройте графики зависимости скорости осветления и скорости осаждения суспензии от времени.

17. Определите кинетический порядок процесса.

18. Напишите уравнение для скорости процесса осаждения суспензии.

19. Сделайте вывод о зависимости скорости осаждения суспензии от времени.

Задачи с решениями и ответами

• Как называется система, состоящая из мельчайших частиц серы, диспергированных в воде?

Ответ. Дисперсная система из мельчайших частиц твёрдого вещества, распределённого в воде, называется золем.

• Дисперсная система состоит из газа, распределённого в твёрдом веществе. Как называется такая дисперсная система?

Ответ. Дисперсная система, состоящая из газа, диспергированного в твёрдом веществе, называется гелем.

• Как называется дисперсная система, состоящая из частиц размером 1 … 3 мкм, распределённых в воздухе.

Ответ. Такую систему называют дымом, так как дым состоит из частиц размером 0,1 … 5 мкм, распределённых в воздухе.

• Как называется система, состоящая из диспергированных в воздухе твёрдых частиц размером 25 … 75 мкм?

Ответ. Дисперсная система, состоящая из твёрдых частиц размером 10 … 100 мкм, диспергированных в газовой среде, называется пылью.

• Как называется дисперсная система, состоящая из твёрдых частиц со средним диаметром 15 мкм и жидкости.

Ответ. Дисперсная система, состоящая из твёрдых частиц со средним диаметром более 10 мкм и жидкости, называется суспензией.

• Определите скорость осветления суспензии на 40 секунде после начала осаждения, если касательная к кинетической кривой отсекает по осям координат соответственно:

T₁ = 5 %, t₁ = 0 с, T₂ = 35 %, t₂ = 120 с.

Решение. Скорость осветления суспензии в заданный момент времени может быть рассчитана по формуле

V_осв. = Т / t .

V_осв. = (35 – 5) / (120 – 0) = 0,25 (% ^ с^–1).

Ответ. V_осв. = 0,25 % ^ с^–1.

Вопросы для самопроверки

1. Причина, вызывающая поверхностные явления?

2. Дайте определение адсорбции.

3. Дайте определение поверхностного натяжения.

4. Дайте определение поверхностной энергии.

5. Дайте определение смачивания.

6. Дайте определение статического электричества.

7. Дайте определение опалесценции.

8. Дайте определение электрокапиллярных явлений.

9. Дайте определение капиллярных явлений.

10. Опишите процесс структурообразования.

11. Дайте определение поверхностной активности.

12. Дайте определение коалесценции.

13. Какую дисперсную систему называют золем?

14. Какую дисперсную систему называют гелем?

15. Дайте определение когезии.

16. Какую дисперсную систему называют туманом?

17. Какую дисперсную систему называют дымом?

18. Дайте определение адгезии.

19. Какую дисперсную систему называют пылью?

20. Расскажите о прямых и обратных эмульсиях.

21. Лиофильные и лиофобные эмульсии.

22. Какая система называется дисперсной?

23. Какой процесс называется диспергированием?

24. Какую дисперсную систему называют твёрдым золем?

25. Что такое коллоидный раствор?

26. Какую дисперсную систему называют суспензией?

27. Какую дисперсную систему называют эмульсией?

28. Какую дисперсную систему называют аэрозолем?

29. Какую дисперсную систему называют пеной?

30. Каким образом осуществляется определение скорости осветления суспензии в заданный момент времени?

31. Какая дисперсная система называется смогом?

32. Что такое мицелла?

33. Напишите формулу для расчёта скорости осаждения одинаковых по размеру частиц твёрдой фазы суспензии.

34. Дайте классификацию дисперсных систем по размеру частиц дисперсной фазы.