Глава VI

 

ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ, КОЛЛОИДНЫЕ СИСТЕМЫ

 

§ 19. Классификация дисперсных систем. Предмет коллоидной химии

 

Коллоидная химия? первоначально была одной из глав физической химии. В настоящее время она является са­мостоятельной наукой, посвященной изучению дисперс­ных систем.

Дисперсными называют системы, состоящие из веще­ства, раздробленного до частиц большей или меньшей ве­личины и распределенного в другом веществе. Измельченное (раздробленное) вещество называют дисперсной фазой Вещество, в котором распределена дисперсная фа­за называют дисперсионной средой. Например, в дис­персной системе, которой является обычный туман, дис­персной фазой являются мельчайшие капельки воды, а дисперсионной средой служит воздух.

Слово «диспергирование» означает раздробление, из­мельчение, рассеивание. Для характеристики дисперсных систем вводят понятие степени дисперсности, т. е. степени раздробленности вещества дисперсной фазы. Степень дисперсности D представляет собой величину, обратную размеру частиц:

                          (VI.1)

 

Из уравнения (VI.1) следует, что чем больше сте­пень дисперсности (степень измельчения), тем меньше размер частиц, и наоборот.

Дисперсные системы характеризуются вели­чиной удельной поверхности системы, которая равна отношению общей поверхности частиц к общему объему вещества, подвергнутого дроблению:

                                        (VI.2)

где S_УД — удельная поверхность; S — общая поверх­ность частиц, т. е. поверхность раздела между фазами; V — объем вещества дисперсной фазы.

Степень дисперсности и удельная поверхность взаи­мосвязаны. Например, чем меньше размер частиц, тем больше степень дисперсности тем больше их удельная поверхность. По степени дисперсности, т. е. по величи­не частиц дисперсной фазы, все дисперсные системы можно разделить на три группы: грубодисперсные, коллоиднодисперсные, молекулярно-и ионнодисперсные.

 Грубодисперсные системы. Размер частиц дисперсной фазы этих систем колеблется в пределах 10^-3—10^-5см. Вещество дисперсионной среды состоит из молекул, размер которых равен 10^-8 см. Следовательно, в грубо-дисперсных системах имеется граница раздела между дисперсной фазой и дисперсионной средой, т. е. они гетерогенны. Примерами грубодисперсных систем явля­ются суспензии, эмульсии и пены.

Суспензии представляют собой гетерогенные систе­мы, в которых частицы твердой дисперсной фазы рас­пределены в жидкой дисперсионной среде. Примерами суспензий могут служить взвесь крахмала в холодной воде, напитки кофе и какао, а также известковый и це­ментный растворы, применяемые в строительной тех­нике,

Эмульсии образуются двумя несмешивающимися жидкостями. Обычно одной из фаз в эмульсиях явля­ется вода. Примерами эмульсий могут служить молоко, майонез, маргарин, эмульсия бензола в воде.

Пены также относятся к дисперсным системам. Они состоят из ячеек, заполненных газом и отделенных друг от друга пленками очень малой толщины (жидкими или твердыми). Например, к жидким пенам относятся мыль­ная пена, муссы и др., к твердым — пемза, пенопласты и т. д.

Характерным признаком всех грубодисперсных си­стем является то, что частички дисперсной фазы в них видны в обычный микроскоп или даже невооруженным глазом. Они могут задерживаться бумажным фильтром. Из-за сравнительно больших размеров частиц эти си­стемы неустойчивы и со временем дисперсная фаза от­деляется от дисперсионной среды.

Коллоиднодисперсные системы (коллоидные раство­ры). Размер частиц дисперсной фазы составляет 10^-5— 10^-7 см, а размер частиц дисперсионной среды 10^-8 cм. Степень дисперсности в коллоидах значительно выше, чем в грубодисперсных системах, поэтому коллоидные растворы можно рассматривать как микрогетерогенные системы с высокой дисперсностью и очень большой по­верхностью раздела. Коллоидные частицы не оседают под действием силы тяжести, проходят через бумажные фильтры, но задерживаются порами ультрафильтра; они невидимы в обычный микроскоп, но наблюдаются в ультрамикроскопе и в электронном микроскопе./Кол­лоидные растворы обычно называют золями. Поэтому коллоидный раствор мелкораздробленного металличе­ского золота называют золем золота, а йодистого сереб­ра — золем йодистого серебра. В зависимости от приро­ды дисперсионной среды золи называют гидрозолями, если дисперсионной средой является вода, аэрозолями, если дисперсионная среда — воздух. Так, золь золота в воде - гидрозоль, а дым или туман — аэрозоли.

Молекулярно - и ионнодисперсные системы (истин­ные растворы). В истинных растворах частицы достига­ют предела дисперсности имеют размер порядка 10^-8 см, т. е, равный размерам молекул и ионов. В та­ких системах гетерогенность исчезает — системы стано­вятся гомогенными (однофазными), образуются истин­ные растворы; т. е. молекулярно- или ионнодисперсные системы. К ним относятся истинные растворы низкомолекулярных веществ — неэлектролитов (например, вод­ные растворы сахара, спирта и тому подобных веществ), а также дисперсные системы, в которых растворенное вещество находится в виде отдельных гидратированных ионов, — водные растворы сильных электролитов (NaCl, Na₂CO₃, HCl, NaOH и др.). Слабые же электролиты (например, СН₃СООН, NH₄OH) представлены в водных растворах одновременно и молекулами и ионами.

Из характеристики дисперсных систем видно, что коллоидные растворы по величине частиц дисперсной фазы являются промежуточной областью между грубо-дисперсными системами и истинными растворами низко­молекулярных веществ. Поэтому некоторые свойства коллоидных растворов сходны со свойствами как истин­ных растворов, так и грубодисперсных систем.

Высокомолекулярные соединения. К истинным (мо­лекулярным) растворам принадлежат и растворы высо­комолекулярных веществ, молекулярная масса которых достигает десятков и сотен тысяч единиц. Растворы вы­сокомолекулярных соединений являются также однофаз­ными (гомогенными системами. Но так как их молеку­лы (макромолекулы) по своим размерам сравнимы с размерами коллоидных частиц, то до последнего време­ни их относили к коллоидным растворам. Растворы высокомолекулярных соединений рассматриваются в курсе коллоидной химии, так как обладают рядом свойств, одинаковых с коллоидными системами.

Кроме классификации дисперсных систем по величи­не частиц дисперсной фазы их классифицируют также по агрегатному состоянию дисперсной фазы и диспер­сионной среды. Согласно классификации, предложенной Оствальдом, возможны восемь разновидностей дис­персных систем (табл. 7).

Таблица 7