Г л а в а III

Физико - химия дисперсных систем

Дисперсные системы широко распространены в природе и играют важную практическую роль, чем и определяется не только научное, но и народнохозяйственное значение коллоидной химии. Природные во­ды, облака, дым, почва, глина – все это примеры природных дисперс­ных систем. Такие биологические жидкости, как кровь, плазма, лимфа, спинно-мозговая жидкость представляют собой дисперсные системы, в которых ряд входящих в них веществ, находится в коллоидном состоянии. Например, в биологических жидкостях в коллоидном состоянии могут находиться фосфаты, ураты, оксалаты, карбонаты и т.д. Поэтому знание физико-химических процессов, протекающих в дисперс­ных системах, и факторов, определяющих их устойчивость, позволяет объяснить такие патологические состояния организма человека, как отложение минеральных осадков (камней) в почках, печени, мочевыводящих путях, протоках пищеварительных желез, во внутрисуставной жидкости и т.д.

Многие лекарственные препараты, производимые фармацевтической промышленностью и в виде паст, мазей, суспензий и эмульсий, аэрозолей, также являются дисперсными системами.

Дисперсные системы и их классификация

Дисперсная система – это гетерогенная система, в которых одно или несколько веществ в мелкораздробленном состоянии распределены в другом веществе. Частицы вещества, находящиеся в раздробленном состоянии, называются дисперсной фазой. А то вещество, в котором распределена дисперсная фаза называется дисперсионной средой и она непрерывна.

Обязательным условием получения дисперсной системы является взаимная нерастворимость дисперсной фазы и дисперсионной среды, т.е. гетерогенность системы. Например, так как сахар хорошо растворим в воде, но практически нерастворим в бензоле, то при его растворении в первом случае образуется истинный раствор, а во втором – дисперсная (коллоидная) система. Следовательно, получение дисперсной системы в первую очередь зависит от природы её образующих компонентов.

Вторым обязательным условием образования дисперсной системы является высокая раздробленность (дисперсность) частиц дисперсной фазы. Для характеристики раздробленности дисперсной фазы А. В. Думанский ввел понятие "степень дисперсности" (δ). Степень дисперсности – величина, обратная среднему диаметру (d) частиц:

δ = 1/d, м^-1

Из уравнения следует, что чем меньше размер частиц, тем больше степень дисперсности системы (высокодисперсные системы) и, наоборот, чем больше размер частиц, тем меньше степень дисперсности (низкодисперсные системы). Если в системе частицы сильно различаются по размерам, то система – полидисперсна. От дисперсности частиц зависят многие свойства дисперсных систем, например, их устойчивость, оптические свойства, осмотическое давление, седиментация и т.д.

Единой классификации дисперсных систем, учитывающей разнообразие их свойств, не существует. Рассмотрим наиболее распространенные.

Классификация по агрегатному состоянию фазы и среды. В зависимости от агрегатного состояния дисперсной фазы и дисперсионной среды все дисперсные системы можно разделить на 8 типов (табл. 4). Так как необходимым условием образования дисперсной системы является гетерогенность системы (ограниченная растворимость дисперсной фазы в дисперсионной среде), то система типа "газ в газе" не включается в данную классификацию вследствие их неограниченной растворимости друг в друге.

Таблица 4

Типы дисперсных систем

Агрегатное состояние дисперсионной среды	Тип системы	Агрегатное состояние дисперсной фазы	Условное обозначение системы	Примеры систем
Газ	Аэрозоль	Жидкость Твердое тело	Ж/Г Т/Г	Туман, облака Дым, пыль, порошки
Жидкость	Лиозоль	Газ Жидкость Твердое тело	Г/Ж Ж1/Ж2 Т/Ж	Пена Эмульсии (нефть, молоко) Взвеси, суспензии, коллоидные растворы
Твердое тело	Твердый золь	Газ Жидкость Твердое тело	Г/Т Ж/Т Т1/Т2	Твердые пены (пемза, хлеб) Капиллярные системы (жидкость в пористых телах, почва, грунт) Твердые системы (минералы, сплавы, бетон)

Классификация по степени дисперсности дисперсной фазы. По степени дисперсности различают две группы систем: грубодисперсные и коллоидно-дисперсные (коллоидные).

Грубодисперсные системы – это дисперсные системы, размер частиц которых более 10^–7 м (больше 100 нм). Иногда их называют микрогетерогенными системами или низкодисперсными.

Если размер частиц от 10^–7 до 10^–9 м (1 – 100 нм), то система называется коллоидно-дисперсной (ультрамикрогетерогенной) или высокодисперсной.

Коллоидно-дисперсные системы с твердой дисперсной фазой и жидкой дисперсионной средой (Т/Ж) часто называют коллоидными растворами (гидрозоли или просто золи, если дисперсионной средой является вода).

Системы с частицами менее 1 нм (меньше 10^–9 м) не относятся к дисперсным. Они образуют молекулярные (диаметр частиц 10^–10 м) и ионные (10^–11 м) растворы, известные под общим названием истинные растворы. Примерами истинных молекулярных растворов являются растворы неэлектролитов (хорошо растворимые в воде мочевина, глюкоза, сахароза и т.д.), а ионных систем – растворы электролитов (хлорид натрия в воде). Эти системы термодинамически устойчивы и образуются самопроизвольно, так как, будучи гомогенными, не образуют границу раздела фаз.

В отличие от истинных растворов, дисперсные растворы термодинамически неустойчивы и самопроизвольно не образуются. Но грубодисперсные системы, в отличие от коллоидно-дисперсных, термодинамически более неустойчивы, частицы их дисперсной фазы оседают в гравитационном поле, не проходят через бумажный фильтр и видны в оптическом микроскопе. Частицы коллоидно-дисперсных систем проникают через бумажный фильтр, но не могут проходить через поры животных и растительных мембран, чем отличаются от истинных растворов.

Таблица 5

Свойства систем различной степени дисперсности

Грубодисперсные (микрогетерогенные) системы	Коллоидно-дисперсные (ультрамикрогетерогенные) системы	Молекулярные и ионные (истинные) растворы
Гетерогенные	Гетерогенные	Гомогенные
Термодинамически неустойчивы	Термодинамически неустойчивы, но устойчивы кинетически	Термодинамически устойчивы
Стареют со временем	Стареют со временем	Не стареют
Частицы не проходят через бумажный фильтр	Частицы проходят через бумажный фильтр	Частицы проходят через бумажный фильтр
Частицы не проходят через ультрафильтры (мембраны)	Частицы не проходят через ультрафильтры (мембраны)	Частицы проходят через ультрафильтры (мембраны)
Отражают свет, поэтому непрозрачны	Прозрачные, но рассеивают свет, поэтому опалесцирующие и дают конус Тиндаля	Прозрачные, неопалесцирующие, конус Тиндаля не наблюдается
Частицы видны в оптическом микроскопе	Частицы видны в электронном микроскопе, в ультрамикроскопе	Частицы не видны в современных микроскопах

Здесь не рассматриваются системы, образованные высокомолекулярными соединениями, размеры макромолекул которых находятся в пределах 10^–8 –

10^–9 м, но при этом они могут образовывать как истинные, так и коллоидные растворы. Этот вопрос будет рассмотрен в главе V.

Классификация по кинетическим свойствам дисперсной фазы. Согласно этой классификации все дисперсные системы можно разделить на два класса: свободнодисперсные системы и связнодисперсные системы.

К свободнодисперсным системам относятся бесструктурные системы, в которых частицы дисперсной фазы не связаны друг с другом и способны независимо перемещаться в дисперсионной среде под влиянием теплового движения или силы тяжести. К ним относятся лиозоли, аэрозоли, достаточно разбавленные суспензии и эмульсии.

К связнодисперсным системам относятся системы, в которых частицы связаны друг с другом за счет молекулярных сил, образуя в дисперсионной среде своеобразные пространственные сетки (структуры). Такие частицы, не способны перемещаться, а могут лишь совершать колебательные движения. Это образованные из золей гели, концентрированные суспензии (пасты) и концентрированные аэрозоли. Не следует путать связнодисперсные системы с твердыми растворами, в которых неспособность частиц перемещаться друг относительно друга обусловлена огромной вязкостью дисперсионной среды.