свойства дисперсных систем. Курс начинается с учения о поверхностных явлениях, так как они могут рассматриваться независимо от величины дисперсности, в то время как дисперсные системы нельзя представить без поверхностных явлений. Кроме того, изложение поверхностных явлений в начале курса делает его более стройным и логичным, так как происходит переход от общих соотношений и закономерностей к конкретным, от простых явлений к более сложным.
Геометрические параметры поверхности
Межфазные поверхности могут существовать только при наличии в системе жидкой или твердой фазы. Именно они определяют форму и строение поверхностного слоя — переходной области от одной фазы к другой. Свойства поверхности непосредственно связаны с объемной структурой жидких и твердых фаз.
Поверхностный слой жидкости вследствие подвижности молекул в объеме, а также в результате постоянно протекающих процессов испарения и конденсации находится в состоянии непрерывного обновления. Так, среднее время жизни молекулы воды на поверхности составляет около 10-7 с. Плотность граничного слоя между водной фазой и ее насыщенным паром изменяется непрерывно от плотности жидкой воды до плотности ее пара. В то же время межмолекулярные силы обеспечивают наличие поверхностного слоя жидкости определенной толщины. Обычно толщина поверхностного слоя жидкости составляет несколько молекул. Чем больше межмолекулярные силы, тем на меньшее расстояние моле культ могут диффундировать с поверхности, т. е. тем меньше толщина поверхностного слоя. Внутренняя граница слоя соответствует началу изменения структуры жидкости в объеме. Благодаря подвижности жидкости ее поверхность является гладкой и сплошной, или эквипотенциальной, т. е. все точки поверхности энергетически эквивалентны. Поверхность твердого тела в отличие от жидкости в течение долгого времени остается такой же, какой она была в момент образования. Однако многие твердые тела обладают пластическими свойствами и при определенных условиях могут течь. Таким образом, они могут характеризоваться так же, как и жидкости, объемной и поверхностной подвижностью, Времена жизни молекул и атомов на поверхности твердых тел очень сильно различаются для легкоплавких и тугоплавких веществ. для тугоплавкого вольфрама при комнатной температуре время жизни атомов на поверхности составляет 10-32 Практическая неподвижность атомов и молекул в тугоплавких телах, хотя они и колеблются около положения равновесия, обусловливает шероховатость их поверхности и практическую неизменность ее формы во времени. Поверхность твердого тела редко бывает эквипотенциальной. Очевидно, что межфазную поверхность твердое тело — жидкость определяет профиль поверхности твердого тела. Поверхностный слой на межфазных границах имеет одну часть в первой фазе, другую — во второй.
Классификация дисперсных систем
Дисперсные системы можно классифицировать по многим признакам, что связано с огромным множеством объектов, которые изучает коллоидная химия. В качестве основного классификационного признака можно выделить размер частиц дисперсной фазы.
1. Классификация дисперсных систем в зависимости от размера коллоидных частиц
-Грубодисперсные (> 10 мкм): сахар-песок, грунты, туман, капли дождя, вулканический пепел, магма и т. п.
-Среднедисперсные (микрогетерогенные) (0,1-10 мкм): эритроциты крови человека, кишечная палочка и т. п.
-Высокодисперсные (ультрамикрогетерогенные) (1-100 нм): вирус гриппа, дым, муть в природных водах, искусственно полученные золи различных веществ, водные растворы природных полимеров (альбумин, желатин и др.) и т. п.
-Наноразмерные (1-10 нм): молекула гликогена, тонкие поры угля, золи металлов, полученные в присутствии молекул органических веществ, ограничивающих рост частиц, углеродные нанотрубки, магнитные нанонити из железа, никеля и т. п.
2. Классификация по числу характеристических размеров частиц ДФ (размеров, которые определяют дисперсность) или по
топографическому признаку
3. Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды
Таблица 1. Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию фаз
|
|
Жидкая |
Газообразная |
|
Твердая |
|
|||||||
ДС |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Д |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ф |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Т |
|
Т/Ж |
|
– |
Т/Г – пыли, дымы, |
Т/Т |
– |
сплавы, |
|||||
вердая |
суспензии, |
|
золи: |
порошки: |
промышленные |
твердые |
|
|
коллоидные |
||||
|
суспензии металлов и |
выбросы |
|
твердых |
частиц в |
растворы: сплавы металлов, |
|||||||
|
других |
|
твердых |
атмосферу, дым от костра, |
оксидные |
и |
металлоксидные |
||||||
|
частиц, золи металлов |
песчаные бури, мучная и |
композиционные |
материалы, |
|||||||||
|
и их оксидов |
|
|
дорожная пыль в воздухе, |
минералы |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
аэрозоли |
|
|
|
твердых |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
лекарственных веществ |
|
|
|
|
|
|||
Ж |
|
Ж/Ж |
|
– |
Ж/Г – аэрозоли с |
Ж/Т – пористые тела, |
|||||||
идкая |
эмульсии, |
|
кремы: |
жидкой ДФ: туман, капли |
заполненные |
|
жидкостью, |
||||||
|
молоко, |
сметана, |
дождя, |
распыленная |
струя |
капиллярные тела, гели: |
|||||||
|
нефть, |
косметические |
охлаждающей |
жидкости, |
клетки |
живых |
организмов, |
||||||
|
кремы |
|
|
|
распыленные в воздухе духи, |
жемчуг, глины, яблоко |
|||||||
|
|
|
|
|
жидкое |
топливо |
в |
камере |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
сгорания) туманы |
|
|
|
|
|
|
||
Га |
|
Г/Ж – пены: |
– |
|
|
|
|
Г/Т – пористые и |
|||||
зооб- |
мыльная пена, |
пивная |
|
|
|
|
|
капиллярные |
|
системы, |
|||
разная |
пена, |
пена |
для |
|
|
|
|
|
ксерогели: |
|
пемза, |
||
|
тушения пожаров |
|
|
|
|
|
активированный |
уголь, |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
силикагель, |
|
пенопласт, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
древесина, бумага, картон, |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
текстильные ткани |
|||
Систему Г/Г как коллоидную рассматривать не стоит, поскольку газы растворимы друг в друге и образуют гомогенную систему, т. е. не выполняется необходимое для образования коллоидной системы требование гетерогенности. Поэтому образование дисперсных систем типа Г/Г с явными границами раздела фаз невозможно, однако и в газовых смесях возникают неоднородности, обусловленные флуктуациями плотности и концентрации, что до некоторой степени роднит эти системы с дисперсными. Например, по характерным оптическим свойствам: голубой цвет неба связан с рассеянием света на неоднородностях атмосферы.
Интересно отметить, что существуют также дисперсные системы, состоящие только из одной фазы. Например, космическая пыль в безвоздушном космическом пространстве (вакууме) может рассматриваться как однофазная дисперсная система.
4. Классификация по характеру взаимодействия между веществами дисперсной фазы и дисперсионной среды (пригодна лишь
для систем с жидкой дисперсионной средой)
Под взаимодействием фаз дисперсных систем подразумевают процессы сольватации (гидратации в случае водных систем), т. е. образование сольватных (гидратных) оболочек из молекул дисперсионной среды вокруг частиц дисперсной фазы. Соответственно, по интенсивности взаимодействия между веществами дисперсной фазы и дисперсионной среды (только для систем с жидкой дисперсионной средой), по предложению Г. Фрейндлиха различают следующие дисперсные системы:
-Лиофильные (гидрофильные, если ДС – вода): мицеллярные растворы ПАВ, критические эмульсии, водные растворы некоторых природных ВМС, например, белков (желатина, яичного белка), полисахаридов (крахмала). Для них характерно сильное взаимодействие частиц ДФ с молекулами ДС. В предельном случае наблюдается полное растворение. Лиофильные дисперсные системы образуются самопроизвольно вследствие процесса сольватации. Термодинамически агрегативно устойчивы.
-Лиофобные (гидрофобные, если ДС – вода): эмульсии, суспензии, золи. Для них характерно слабое взаимодействие частиц ДФ с молекулами ДС. Самопроизвольно не образуются, для их образования необходимо затратить работу. Термодинамически агрегативно неустойчивы (т. е. имеют тенденцию к самопроизвольной агрегации частиц дисперсной фазы), их относительная устойчивость (так называемая метастабильность) обусловлена кинетическими факторами (т. е. низкой скоростью агрегации).
5. Классификация по степени взаимодействия частиц ДФ
Согласно этой классификации дисперсных систем по кинетическим свойствам разделяются на два класса:
1. Свободнодисперсные, в которых частицы ДФ не связаны между собой и могут свободно перемещаться. Такие системы не оказывают сопротивления сдвиговому усилию, обладают текучестью и всеми остальными свойствами, характерными для обычных жидкостей. Вязкость их определяется в основном вязкостью дисперсионной среды. Это аэрозоли, разбавленные суспензии
иэмульсии, лиозоли.
2.Связнодисперсные, в которых одна из фаз структурно закреплена и не может перемещаться свободно. Частицы образуют сплошной пространственный каркас. К этому классу относятся гели и студни, пены, капиллярнопористые тела, твердые растворы.
Выделяют также разбавленные и концентрированные системы. Дисперсные системы любого типа, полученные в концентрированном состоянии (пасты, мази, густые золи, густые аэрозоли и т. п.), также относят к связнодисперсным системам. В концентрированных дисперсных
системах независимое движение частиц дисперсной фазы затруднено, и для них характерна некоторая степень структурированности, что и позволяет их рассматривать как связнодисперсные системы.
6. классификации дисперсных систем по характеру распределения фаз, образованных дисперсными частицами и дисперсионной средой
Согласно данной классификации наиболее распространенным видом дисперсных систем является такая система, состоящая из сплошной (континуальной) дисперсионной среды – газ, жидкость, твердое тело. В ряде случаев дисперсионная среда состоит из сообщающихся друг с