Физическая и коллоидная химия. Дисперсные системы

УДК 544.77(072.8) ББК 24.6я7

Ф50

Авторы:

Е.А. Тиньгаева, Г.А. Козлова, Н.Ю. Уханова, Н.Б. Ходяшев

Рецензенты:

канд. хим. наук, доцент М.М. Соколова (Пермский национальный исследовательский политехнический университет);

д-р хим. наук, ведущий научный сотрудник отдела проблем охраны окружающей среды М.В. Зильберман (ФГБУ УралНИИ «Экология», г. Пермь)

Физическая и коллоидная химия. Дисперсные системы : Ф50 учеб.-метод. пособие / Е.А. Тиньгаева [и др.]. – Пермь : Изд-

во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2014. – 90 с.

ISBN 978-5-398-01275-0

Рассматриваются методы получения и свойства дисперсных систем. Приведены теоретические основы дисциплины, контрольные вопросы и методические указания к выполнению лабораторных работ по разделу «Дисперсные системы».

Предназначено для студентов дневного и заочного обучения, изучающих дисциплины «Поверхностные явления и дисперсные системы», «Коллоидная химия» и «Физическая и коллоидная химия».

УДК 544.77(072.8) ББК 24.6я7

2

3

ВВЕДЕНИЕ

Дисперсные системы (золи, суспензии, эмульсии, пены, аэрозоли, пористые материалы и др.) обладают высокоразвитой поверхностью и широко используются в реакционных аппаратах при проведении различных технологических процессов.

Знание закономерностей, присущих дисперсным системам, необходимо при оптимизации технологических процессов, а также при решении задач охраны окружающей среды (очистке сточных вод, улавливании промышленных выбросов). Поэтому особую важность приобретают практические навыки, усваиваемые студентами в лаборатории коллоидной химии.

Данное издание предназначено в первую очередь для облегчения усвоения студентами содержания дисциплин «Поверхностные явления и дисперсные системы», «Коллоидная химия» и «Физическая и коллоидная химия», приведения изучаемого материала в систему, выделения наиболее нужной и важной информации для дальнейшего ее использования на практике.

Пособие включает в себя краткое изложение теоретических основ курса, необходимых для выполнения экспериментальной части, вопросы к коллоквиумам по темам и указания к выполнению лабораторных работ.

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ

Истинные растворы – гомогенные системы. Растворенные вещества в них находятся в виде ионов, молекул или атомов, размер которых не превышает 10–7 см. При увеличении размеров частиц система становится гетерогенной, состоящей из двух или более фаз, с развитой поверхностью раздела. Такие системы получили назва-

ние дисперсных.

Дисперсные системы состоят, как минимум, из двух фаз. Одна из них является сплошной и называется дисперсионной средой.

4

Другая фаза раздроблена и распределена в первой. Ее называют

дисперсной фазой.

Основными особенностями, отличающими дисперсные системы от истинных растворов, являются:

1)способность к рассеиванию ими света;

2)медленная диффузия частиц дисперсной фазы в дисперсионной среде;

3)способность к диализу;

4)агрегативная неустойчивость дисперсной фазы, которая определяется выделением частиц из дисперсионной среды при добавлении к системе электролитов или под влиянием других внешних воздействий.

Для объектов коллоидной химии характерны два общих признака: гетерогенность (многофазность) и дисперсность, определяемая размерами и формой частиц вещества.

Гетерогенность указывает на наличие межфазной поверхности, на различие в природе (полярности) и структуре фаз. Количественная характеристика гетерогенности – величина поверхностного натяжения (σ). Она определяет степень гетерогенности, резкость перехода от одной фазы к другой.

Дисперсность (степень раздробленности) определяется размером и геометрией частиц. Частицы веществ могут иметь разную форму: сферическую, цилиндрическую, прямоугольную, а чаще – неправильную. Например, при уменьшении размера куба по какойто одной координатной оси получается пленка или поверхностный слой, при уменьшении размера по двум осям образуются нити или капилляры, а уменьшение размера по всем трем осям приводит

кобразованию мелких частиц (рис. 1). При этом раздробленность определяется размером тела по той оси, по которой она достигнута, т.е. наименьшим размером а.

Мерой раздробленности всякой дисперсной системы может служить либо размер частиц a, либо обратная ему величина, назы-

ваемая дисперсностью (она обратно пропорциональна линейным размерам частиц и имеет размерность см–1 или м–1):

5

признака объектов коллоидной химии, необходимо отметить следующее. Дисперсность является чисто количественным параметром, характеризующим степень раздробленности, размер межфазной поверхности. Гетерогенность же указывает на качественную характеристику объектов, что более важно для определения особенностей объектов той или иной науки.

2. КЛАССИФИКАЦИИ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ

Существует несколько способов классификации дисперсных систем (ДС) по различным признакам, рассмотрим основные из них.

2.1. Классификация по агрегатному состоянию фаз

Дисперсная фаза и дисперсионная среда могут быть в каждом из трех агрегатных состояний – твердом (Т), жидком (Ж) и газообразном (Г), образуя девять различных сочетаний. Типы и примеры систем приведены в табл. 1.

6

Таблица 1 Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию фаз

Определенный интерес представляет классификация нефтяных дисперсных систем (НДС) по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды (табл. 2).

7

Таблица 2

Классификация нефтяных дисперсных систем по агрегатному состоянию фаз

8

2.2. Классификация по характеру межмолекулярного взаимодействия на границе раздела фаз

Эта классификация пригодна только для систем с жидкой дисперсионной средой. Г. Фрейндлих предложил подразделить ДС на два вида: лиофильные и лиофобные системы. Если дисперсионной средой является вода, то говорят о гидрофильных и гидрофобных системах.

Клиофильным относятся термодинамически устойчивые, находящиеся в состоянии термодинамического равновесия дисперсные системы. Следовательно, диспергирование в данной жидкой среде есть процесс самопроизвольный, энергетически выгодный

(∆Gдисп < 0). В таком случае процесс образования дисперсной системы должен быть обратимым. К этим системам относятся мицеллярные растворы поверхностно-активных веществ, микроэмульсии. Гидрофильные золи – растворы высокомолекулярных соединений (ВМС), поверхностно-активных веществ и др.

Другую группу лиофильных систем составляют растворы ВМС

вхорошо сольватирующих их растворителях – так называемые молекулярные коллоиды. Примером могут служить водные растворы природных ВМС: желатины и других белков, ДНК и РНК.

Лиофобные дисперсные системы термодинамически неустойчивы. В этих системах гидратация (в общем случае – сольватация) энергетически не настолько выгодна, чтобы компенсировать затраты на возникновение поверхности раздела. Поэтому такие системы

самопроизвольно не образуются (∆Gдисп > 0). Изменения, происходящие в лиофобных системах, как правило, необратимы.

Клиофобным системам относятся золи драгоценных металлов, золи металлоидов (серы, селена, теллура), дисперсии полимеров

вводе (например, полистирола, фторолона), золи сульфидов мышьяка, сурьмы, кадмия, ртути, золи гидроксидов железа, алюминия и т.д.

Влиофобных системах наблюдается слабое взаимодействие дисперсной фазы и дисперсионной среды. В них связи на границе

9

раздела фаз не скомпенсированы и имеется большой избыток свободной поверхностной энергии. Эти системы характеризуются кинетической устойчивостью и агрегативной неустойчивостью и требуют стабилизации.

2.3. Классификация по кинетическим свойствам дисперсной фазы

Согласно этой классификации ДС подразделяют на два типа:

1)свободнодисперсные (бесструктурные);

2)связнодисперсные (структурированные).

Всвободнодисперсных системах частицы дисперсной фазы не связаны друг с другом и способны независимо передвигаться в дисперсионной среде.

Всвязнодисперсных системах частицы дисперсной фазы связаны друг с другом за счет межмолекулярных сил (иногда химических сил) и образуют в дисперсионной среде своеобразные пространственные сетки или каркасы (структуры). Частицы, образующие структуру, не способны к взаимному перемещению и могут совершать только колебательные движения.

Кэтим системам относятся твердообразные системы – гели

истудни. Гели образуются в результате структурообразования суспензоидов и являются двухфазными системами. Студни – гомогенные системы, возникающие из растворов полимеров в результате образования поперечных связей между макромолекулами. К связнодисперсным системам относятся также пористые тела (ксерогели).

2.4. Классификация по степени дисперсности

По степени дисперсности ДС делятся на три группы:

1)ультрамикрогетерогенные (УМГ) системы (размер частиц

а≤ 10–5см);

2)микрогетерогенные (МГ) системы (10–5 ≤ а ≤10–3 см);

3)грубодисперсные системы (а ≥ 10–3 см).

10