1. Литературный обзор

1. Дисперсные системы, их классификация

Реальные объекты неживой и живой природы, продукты и материалы, создаваемые и используемые человеком, практически всегда находятся в дисперсном состоянии. Термин «дисперсность» означает «раздробленность, измельчения». Измельченное тело образует дисперсную фазу, а непрерывная (сплошная) среда, в которой распределена дисперсная фаза, называется дисперсионной средой.

Мерой измельченности вещества в дисперсных системах является степень дисперсности, или просто дисперсность D – обратная величина линейного размера частицы а:

D = 1/a (1.1)

Таким образом, дисперсными системами (или дисперсиями) называют гетерогенные, преимущественно микрогетерогенные, двух- и многофазные системы, в которых, по крайней мере, одна из фаз находится в дисперсном состоянии.

Существует несколько классификаций дисперсных систем, но рассмотрим детально следующие [1].

1.1.1. Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию фаз

Дисперсные системы могут классифицироваться по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсной среды (таблица 1.1). Тип дисперсной системы принято обозначать двумя буквами, первая из которых относится к дисперсной фазе, а вторая — к дисперсионной среде (буквы Т, Ж, Г обозначают твердое, жидкое и газообразное состояние соответственно) [2].

Таблица 1.1. Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию фаз [1]

Дисперсная фаза	Дисперсная среда	Обозначение	Тип системы	Примеры
Твердая	Жидкость	Т/Ж	Суспензии, эмульсии	Суспензии в природных водах, золи металлов, пасты, мул, бактерии
Жидкость	Жидкость	Ж/Ж	Эмульсии	Сырая нефть, молоко, кремы, масла, латекс
Газ	Жидкость	Г/Ж	Газовые эмульсии, пены	Мыльная пена, противопожарные пены
Твердая	Газ	Т/Ж	Аэрозоли	Пыль, дымы, порошки,
Жидкость	Газ	Ж/Г	Аэрозоли	Туманы, тучи
Газ	Газ	Г/Г	Системы с флуктуациями плотности	Атмосфера Земли
Твердая	Твердая	Т/Т	Твердые коллоидные системы	Минералы, бетон, ситали, сталь, самоцветы, твердое ракетное топливо
Жидкость	Твердая	Ж/Т	Пористые тела, капиллярные системы, гели	Адсорбенты, влажная почва
Газ	Твердая	Г/Т	Пористые и капиллярные системы, ксерогели	Пемза, силикагель, активированный уголь

1.1.2. Классификация дисперсных систем по степени структурированности

Все дисперсные системы можно разделить на бесструктурные и структурированные.

1) Бесструктурные (свободно дисперсные) системы – это дисперсные системы, в которых частички дисперсной фазы не связаны между собой в одну сплошную сетку и способны перемещаться под действием силы тяжести и броуновского движения в дисперсной среде. Такими являются, например, золи. Разбавленные эмульсии и суспензии. Их механические свойства определяются дисперсной средой; вязкость сравнительно мало отличается о вязкости растворителя.

2) Структурированные (связано дисперсные) системы – это дисперсные системы, в которых частички дисперсной фазы связаны между собой за счет межмолекулярных сил и осуществляют только колебательные движения. Как результат, образуется сплошная пространственная сетка – матрица, или своеобразный каркас. При достаточно прочной сетке структурированные дисперсные системы приобретают ряд свойств твердых тел, независимо от агрегатного состояния дисперсной среды и дисперсной фазы врозь. Так появляются гели – дисперсные системы с жидкой дисперсной средой, в которых частицы дисперсной фазы образуют пространственную структурную сетку. Гели относятся к твердообразным телам, способным сохранять форму, и имеют свойства упругости и пластичности. Дисперсная фаза становится практически неподвижной [1].

1.1.3. Классификация дисперсных систем по природе устойчивости и интенсивности межмолекулярных взаимодействий на границе раздела фаз

1) Для лиофильных коллоидных систем характерна высокая степень родственности дисперсной фазы и дисперсионной среды и малая интенсивность поверхностных сил на поверхности раздела фаз, чему отвечают очень низкие значения поверхностной энергии на межфазных поверхностях. Эти коллоидные системы могут образовываться самопроизвольно из соответствующих макроскопических фаз; для них характерно термодинамически равновесное распределение частиц дисперсной фазы по размерам (а иногда и по форме), которое зависит только от состава и условий существования системы.

2) В лиофобных системах дисперсная фаза и дисперсионная среда менее родственны и различие граничащих фаз по химическому составу и строению проявляется в слабом межфазном взаимодействии, большой интенсивности поверхностных сил и значительном избытке энергии на межфазной поверхности. Такие системы и термодинамически неустойчивы и требуют специальной стабилизации.

В данной работе будут рассмотрены свойства золей и гелей. Исходя из выше изложенного материала, можно отметить, что золи – это бесструктурные дисперсные системы с твердой дисперсной фазой и жидкой дисперсной средой, а гели – это структурированные дисперсные системы с жидкой дисперсной фазой и твердой дисперсной средой [3].

2. Физико-химические свойства золей и гелей

Рассмотрим основные физико-химические свойства коллоидных систем на примере золей и гелей.

1. Структурно-механические свойства золей и гелей

К структурно-механическим свойствам дисперсных систем относятся: вязкость, упругость, пластичность, закономерности структурообразования и т.д.

В рамках данного подраздела следует рассмотреть следующие понятия.

Коагуляция – образование дисперсных систем за счет сцепления между частицами под действием сил Ван-дер-Ваальса через прослойку дисперсионной среды. Системы с такой структурой обладает вязкостью и пластичностью, а при внешнем воздействии способны к обратимому разрушению, т.е. могут восстанавливаться во времени. К специфическим свойствам коагуляционных структур относятся тиксотропия и синерезис [4].

Многие гели под влиянием механических воздействий при перемешивании, встряхивании способны разжижаться, переходить в золи, а затем, при хранении в покое, с большей или меньшей скоростью вновь затвердевать. Если вновь полученный гель снова перемешать, то он снова разжижается, вязкость его уменьшается до вязкости исходного золя. Но стоит оставить полученную систему в покое, как она через некоторое время снова превращается в гель.

Такое повторное разрушение геля протекает изотермически и называется тиксотропией (от греческих слов тиксис - встряхивание и тропос - изменяться).

Тиксотропия – способность системы восстанавливать структуру во времени после ее механического разрушения (без нагревания). Т.е. способность к изотермическому превращению золя в гель. Например, масляная краска благодаря быстрому структурообразованию не стекает с вертикальных стен, а быстро затвердевает.

При хранении гелей в системах происходят изменения, связанные с агрегацией частиц, повышением твердости и эластичности, с гидратацией и т. д. Изменение свойств гелей в процессе их хранения связывают со старением систем. При этом некоторые процессы протекают частично или полностью необратимо. Особенно важное значение имеет процесс разделения геля на две фазы, названный синерезисом.

Синерезис – самопроизвольное уменьшение размеров геля с одновременным выделением наружу дисперсионной среды, содержащейся в петлях геля (промежутках между частицами), разделение геля на 2 фазы. Причина этого явления – увеличение числа контактов между частицами с течением времени при постоянной концентрации частиц. Каркас геля при этом сжимается, выдавливая жидкость – дисперсионную среду. Объем системы уменьшается. Синерезис в живых клетках – старение человека [5].