Понятие о дисперсных системах

•коллоидная химия – это крупная область химической науки,

изучающая свойства вещества в дисперсном состоянии и поверхностные явления в дисперсных системах.

Дисперсные системы

•это гетерогенные системы, состоящие из двух или большего числа фаз с сильно развитой поверхностью раздела между ними. Особые свойства дисперсных систем обусловлены именно малым размером частиц и наличием большой межфазной поверхности.

•В связи с этим определяющими являются свойства поверхности, а не частиц в целом. Главную роль играют процессы, происходящие на поверхности, а не внутри фазы.

•Отсюда становится понятным, почему коллоидную химию называют физикохимией поверхностных явлений и дисперсных систем.

Особенность дисперсных систем состоит в их дисперсности – одна из фаз обязательно должна быть раздробленной, ее называют дисперсной фазой.

Сплошная среда, в которой распределены частицы

дисперсной фазы, называется дисперсионной средой Фаза считается дисперсной, если вещество раздроблено хотя бы в одном направлении. Если вещество раздроблено только по высоте, образуются пленки, ткани,пластины и т. д. Если вещество раздроблено и по высоте, и по ширине,образуются волокна, нити, капилляры. Наконец, если вещество раздроблено по всем трем направлениям, дисперсная фаза состоит из дискретных (отдельных) частиц, форма которых может быть самой разнообразной.

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:

-грубодисперсные (> 10 мкм): сахар-песок, грунты, туман, капли дождя, вулканический пепел, магма и т. п.;

-среднедисперсные (0,1–10 мкм): эритроциты крови человека,кишечная палочка и т. п.;

-высокодисперсные (1–100 нм): вирусы, дымы, 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 органическихвеществ, граничивающих рост частиц, углеродные нанотрубки, нанонити из железа.

Именно размер частиц (линейный размер, а не вес и не число частиц атомов в частице!)

является важнейшим количественным показателем дисперсных систем, определяющим их качественные особенности. По мере изменения размеров частиц изменяются все основные свойства дисперсных систем: реакционная, адсорбционная способность; оптические, каталитические свойства

В области коллоидной степени дисперсности, т. е. в области размеров от 1 нм до 0,1 мкм. По размеру частиц коллоидные системы занимают промежуточное положение между грубодисперсными и молекулярными системами. Можно считать, что в коллоидных системах достигается высшая степень раздробленности вещества, при которой сохраняются понятия «фаза» и «гетерогенность». Уменьшение размеров частиц еще на порядок переводит системы в гомогенные. Помнению Ребиндера, нижней границей размеров частиц, к которым еще применимо понятие «фаза», является 1 нм.

Вещества, полученные в коллоидном состоянии, как правило, обладают более интенсивной окраской, большей прочностью и твердостью по сравнению с массивными телами такого же химического состава. Многие вещества, практически нерастворимые, заметно растворяются, находясь в высокодисперсном состоянии. При увеличении степени дисперсности веществ, наряду с изменением указанных свойств, появляются и совершенно новые, характерные только для коллоидного состояния свойства. Такие свойства связаны главным образом с тем, что структура мелких частиц, состоящих из небольшого числа атомов или атомных группировок, отличается от кристаллической структуры объемных фаз.

При измельчении твердых материалов до наноразмерного состояния наблюдается переход от зонной электронной структуры к набору отдельных электронных уровней, что, наряду с поверхностными явлениями, обусловливает возникновение нетипичных для объемных фазэлектрофизических, адсорбционно-каталитических и оптических свойств. Так, ɑ-Fe2O3, являющийся полупроводником n-типа, будучи полученным в виде тонких пленок в высокодисперсном состоянии ведет себя как полупроводник p-типа.

Резкое изменение свойств вещества с повышением дисперсности связано с быстрым увеличением суммарной

поверхности раздела между частицами и средой. Большая поверхность раздела создает в коллоидных системах большой запас поверхностной энергии, который делает коллоидные системы термодинамически неустойчивыми и чрезвычайно реакционноспособными. В этих системах легко протекают самопроизвольные процессы, приводящие к снижению запаса поверхностной энергии: адсорбция, коагуляция (слипание частиц),образование макроструктур, в том числе самоорганизующихся высокодисперсных наноструктур.