7.9. Дисперсные системы. Коллоидные растворы

Истинные растворы содержат молекулы, ионы или атомы, размеры которых обычно не превышают 5∙10^–9 м (5 нм). При увеличении размеров частиц система становиться гетерогенной, состоящей из двух или более фаз с сильно развитой поверхностью раздела. Такие системы получили название дисперсных систем.

7.9.1. Общие понятия о дисперсных системах

Все дисперсные системы состоят из сплошной фазы, называемой дисперсионной средой, и прерывистой фазы (частиц), называемой дисперсной фазой. В зависимости от размера частиц дисперсные системы подразделяют на группы:

а) взвеси (суспензии, эмульсии), у которых частицы имеют размер 1000 нм (10^–6 м) и более;

б) коллоидные системы, размер частиц которых лежит в пределах от 1 до 500 нм (10^–9 – 510^–7 м).

Дисперсные системы также классифицируются по агрегатным состояниям дисперсной фазы и дисперсионной среды (таблица 7.1).

в) нано-частицы (10^–9 м)

Таблица 7.1

Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию фаз

Дисперсная фаза	Дисперсионная среда	Название	Примеры
Г	Г	аэрозоли	Атмосфера земли, выхлопы автомобилей
Ж	Г	аэрозоли	Туман, облака
Т	Г	аэрозоли	Дым, туман, пыль
Г	Ж	пена	Мыльная пена, мороженное, пивная пена.
Ж	Ж	эмульсии	Смазки, нефть, молоко, керосин, маргарин.
Т	Ж	золь	Краски, суспензии, пасты.
Г	Т	твердые пены	Пемза, пенопласт, строительные пены, хлеб, пористые тела, седые волосы.
Ж	Т	гели	Вода в сливочном масле, жемчуг, желе, почва, холодец.
Т	Т	твердые золи	Сталь, чугун, драгоценные камни, рубиновое стекло (1 г золота в 1 т стекла).

По характеру взаимодействия дисперсной фазы и дисперсионной среды различают:

1. лиофобные системы, в которых дисперсная фаза не активна по отношению к дисперсионной среде, т.е. не растворяется в ней (золь гидроксида железа);

2. лиофильные системы, в которых дисперсная фаза и дисперсионная среда взаимодействуют (растворы поверхностно активных веществ, высокомолекулярных соединений).

7.9.2. Поверхностные явления

Рассмотрим границу раздела фаз жидкость – газ (рис. 7.5). В глубине жидкости каждая молекула окружена со всех сторон такими же молекулами, взаимодействие которых взаимно компенсируется. Молекулы на поверхности жидкости одновременно взаимодействуют с молекулами жидкости и газа. Воздействие молекул жидкой фазы превышает воздействие, оказываемое молекулами газовой фазы. Разница воздействий, оказываемых на молекулы поверхностного слоя со стороны жидкой и газообразной фазы, выражается результирующей силой, направленной вглубь жидкости. Эта сила стремится втянуть молекулу вглубь жидкости.

Рис. 7.5. Схема образования избытка поверхностной энергии молекул жидкости.

Чтобы образовать межфазную поверхность необходимо совершить работу (–А_обр) по преодолению этой силы при переносе молекул из объема жидкости на поверхность (знак (–) свидетельствует о совершении работы над системой). Затрачиваемая при этом энергия сосредотачивается в поверхностных молекулах и называется поверхностной энергией. Избыток поверхностной энергии, приходящийся на 1 м² поверхности (S) – поверхностное натяжение (σ):

, .

(7.24)

Поверхностное натяжение можно рассматривать и как тангентальную силу, рассчитанную на единицу длины периметра, ограничивающего поверхность жидкости.

Понятия о свободной поверхностной энергии справедливы для любых конденсированных систем, в том числе и для твердого тела, граничащего с газом или жидкостью.