Даниловская Л. П. / Лекция 1. Введение. Дисперсные системы

ЛЕКЦИЯ 1

Коллоидная химия – это химия реальных тел – например, коллоидными системами являются: космическая пыль, облака, почвы, грунты, природные воды, растения, животные, сам человек и предметы его обихода – пища, одежда, обувь и т. д.

Коллоидная химия – это наука о физико-химических свойствах дисперсных систем и поверхностных явлениях.

Дисперсная система (ДС) – это система, в которой хотя бы одно вещество в более или менее раздробленном (диспергированном) состоянии равномерно распределено в массе другого вещества. ДС гетерогенна, она состоит как минимум из двух фаз.

Раздробленное вещество называют дисперсной фазой. Сплошную среду, в которой раздроблена дисперсная фаза, называют дисперсионной средой. Характерным свойством ДС является наличие большой межфазной поверхности. В связи с этим для ДС определяющими являются свойства поверхности, а не частиц в целом. Для ДС характерны процессы, протекающие на поверхности, а не внутри фазы.

 Гетерогенные дисперсные системы   состоят из нескольких, по крайней мере  двух фаз.  Фазой  называют совокупности частей системы, тождественных (одинаковых) по составу, физическим и химическим свойствам и отделенных от других частей системы поверхностью раздела. Рассмотрим стакан с водой: стекло – одна фаза, вода – другая фаза. Эта двухфазная система – гетерогенна, но она не является дисперсной.

Рассмотрим еще две системы:

-мельчайшие крошки льда в воде при температуре, близкой к нулю градусов;

-смесь растительного  масла с водой после интенсивного встряхивания.

Поясните, являются ли эти системы гетерогенными и (или) дисперсными.

Представим частные случаи дисперсных систем.

Пример 1. Взмученная в воде глина. Дисперсная фаза – взмученные в воде частицы глины. Дисперсионная среда (сплошная и непрерывная)  – вода.  Постепенно частицы глины оседают на дно, т.е., такая система термодинамически  неустойчива.

Пример 2. Сахар в стакане холодной воды, наблюдаем, как крупинки сахара постепенно « тают». После образования раствора отделение молекул сахара от воды невозможно – ни отстаиванием, ни фильтрованием. Эта система термодинамически устойчива. В данном растворе молекулы сахара равномерно распределены между  молекулами воды. Такие растворы называют  «истинными».

Из сопоставления этих двух предельных ситуаций следует, что размеры частиц  дисперсной фазы могут существенно различаться: от размеров молекул (или ионов) до размеров частиц (например, глины), которые различимы глазом и приблизительно  в миллион раз превышают   размеры молекул.

Кроме этих систем, возможны промежуточные варианты дисперсных систем – так, размер частиц дисперсной фазы может превышать размеры молекул, но, частицы, оставаясь невидимыми, могут быть настолько малы, что их смеси не будут разделяться на компоненты под действием сил тяжести.

Истинный раствор не является гетерогенной  системой, в нем нет поверхности раздела фаз. Отдельная молекула растворенного вещества не может образовать ни газ, ни жидкость, ни твердое тело.  Необходимо   по крайней мере 20 – 30 молекул для того, чтобы из них возник агрегат и образовалась отдельная фаза в том или ином агрегатном состоянии.

 Количественные изменения размеров частиц дисперсной фазы при диспергировании  приводят к появлению новых качеств системы. Так, коллоидные частицы (их диаметр от 1 до 100 нанометров), обладают более интенсивной окраской, большей растворимостью, прочностью и твердостью, чем крупные частицы того же вещества. Наряду с изменениями свойств, у веществ в коллоидном состоянии появляются совершенно новые свойства ─ оптические, электрокинетические и многие другие.

 Причины уникальности свойств веществ в коллоидном состоянии состоят в следующем. Известно, что частицы, находящиеся на поверхности раздела фаз, так называемые «поверхностные частицы» отличаются от частиц, находящихся в объеме фаз. Это объясняется тем, что такие частицы обладают избыточной свободной энергий, накопленной при совершении над системой работы по разрыву связей между частицами в процессе диспергирования. Так как суммарная поверхность дисперсной фазы очень велика, то коллоидные системы должны обладать повышенным запасом свободной поверхностной энергии.

Основная и важнейшая особенность коллоидного состояния заключается в том, что значительная доля всей массы и свободной энергии системы сосредоточены в межфазных поверхностных слоях. Эта избыточная свободная энергия и оказывает существенное влияние на свойства вещества в коллоидном состоянии.

Дисперсные системы (ДС)

Для характеристики ДС используются величины:

1. Поперечный размер частиц – d. Для сферических частиц это диаметр сферы, для кубических частиц – это ребро куба.

2. Дисперсность (раздробленность) Д – это величина, обратная поперечному размеру частиц дисперсной фазы: Д = 1: d, где d – условный диаметр частицы.

3. Удельная поверхность. S_{уд –} это межфазная поверхность, приходящаяся на единицу объема дисперсной фазы (или на единицу ее массы).

КЛАССИФИКАЦИЯ ДС ПО РАЗМЕРУ ЧАСТИЦ

По степени дисперсности все ДС делятся на:

1. Истинные растворы, d ≤ 1 нм; (1нм= 10^-9 м);

2. Коллоидные растворы (золи), 100 ≥ d >1 нм;

3. Тонкодисперсные системы, 10⁴ ≥d >10² нм;

4. Грубодисперсные системы, d > 10⁴ нм.

С уменьшением поперечных размеров частиц величина удельной поверхности существенно возрастает. Так, например, если кубик с размером

ребра 1см измельчить до кубических частиц с размером ребра 10­^-6 см (10 нм), то величина общей межфазной поверхности возрастет с 6 см² до 600 м². При d ≤ 1нм частицы уменьшаются до размеров отдельных молекул (или ионов) и гетерогенная система становится гомогенной, в которой межфазная поверхность отсутствует.

Самую большую удельную поверхность имеют частицы дисперсной фазы в коллоидных растворах. Система приобретает особые «коллоидные» свойства также и в тех случаях, когда хотя бы одно или два из трех измерений частиц дисперсной фазы находятся в области высокой дисперсности. При этом дисперсная фаза образует очень тонкую пластинку (пленку) или тонкую нить, соответственно.

Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию фаз

Все дисперсные системы делят на три группы: это системы с газообразной, жидкой и твердой дисперсионной средой. Каждую группу

делят на три подгруппы ─ по агрегатному состоянию дисперсной фазы. Эти сочетания определяют возможность образования девяти видов дисперсных систем (табл.1, см. ниже).

Вопросы для самоконтроля по теме «Дисперсные системы» (Лекция 1)

1. Определите термины: дисперсная система, дисперсионная среда (и фаза), дисперсность, удельная поверхность.

2. Как называется то вещество, которое рассеяно в непрерывной сплошной среде в виде частиц, капелек, пузырьков?

3. Назовите примерный диапазон  размеров  частиц дисперсной фазы, образующих: - коллоидный раствор; - истинный раствор; - грубодисперсную систему.

4. При какой степени дробления вещества исчезает поверхность раздела фаз?

5. Как называются дисперсные системы, в которых дисперсионная среда: жидкая, газообразная, твердая?

6. Как условно обозначаются такие дисперсные системы, как: пемза, дым, молоко, туман,  гетерогенные сплавы. (См. столбец 3 в табл.1, выше.)

7. Приведите примеры дисперсных систем под названием: суспензии, пены, аэрозоли, эмульсии, твердые пены.

Агрегатное состояние дисперсной фазы	Агрегатное состояние дисперсионной среды	Условное обозначение фаза /среда	Название Системы	Примеры
Г	Г	Г/Г	Аэрозоли	Атмосфера Земли*)
Ж	Г	Ж/Г		Туман, облака
Тв	Г	Тв/Г		Дым, пыль
Г	Ж	Г/Ж	Пены	Мыльная пена
Ж	Ж	Ж/Ж	Эмульсии	Молоко, масло, крем
Тв	Ж	Тв/Ж	Суспензии	Краски, пасты
Г	Тв	Г/Тв	Твердые пены	Пемза, пенопласт, хлеб
Ж	Тв	Ж/Тв	Твердые эмульсии	Жемчуг, амальгамы
Тв	Тв	Тв/Тв	Твердые золи	Цветные стекла, сплавы