Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Химия в строительстве. Лабораторные и практические работы по курсу химии. Ч.2. Учебное пособие
.pdf
изводства и переработки. Для этого используют классификации
на основе различных признаков: по размеру частиц, по агрегатному состоянию ДФ и ДСР, по характеру взаимодействия частиц ДФ между собой и со средой [6–13].
2.2.1. Классификация по степени дисперсности
По размеру частиц ДФ или по степени дисперсности выделяют следующие типы ДС.
1. Грубодисперсные системы: а > 105 м (D < 105 м‒1). Час-
тицы ДФ видны невооруженным глазом, не проходят через бумажный фильтр. Эти системы кинетически неустойчивы, под
действием силы тяжести быстро расслаиваются на две фазы, не
обладают осмотическим давлением и не способны к диффузии.
Данные системы отражают свет, поэтому непрозрачные. К ним
относятся: порошки, щебень, взвеси глины и песка в воде [6–13].
2. Микрогетерогенные системы: а = 105‒107 м (D =
= 105‒107 м‒1). Частицы ДФ видны в обычный микроскоп, при
отстаивании легко оседают или всплывают. Сюда относятся:
а) суспензии – крахмал, мука, холодное молоко; б) эмульсии ‒
масло в воде, вода в нефти, горячее молоко; в) пены – мыльная,
противопожарная; г) дым (дым из трубы котельной); д) пыль –
угольная, цементная и др. [6–13].
3. Коллоидно-дисперсные или высокодисперсные системы
(золи): а = 10–710–9 м (D = 107‒109 м‒1). Частицы таких систем
видны только в электронном микроскопе, проходят через поры
фильтровальной бумаги. Частицы ДФ находятся в непрерывном
хаотическом движении, обладают способностью к диффузии
и слабым осмотическим давлением. Системы заметно не разделяются. Благодаря малому размеру частиц и их непрерывному
движению такие системы кинетически устойчивы, но неустойчивы термодинамически [6–13].
Важной особенностью свойств коллоидно-дисперсных систем является их высокая агрегативная устойчивость (сопротивление слипанию частиц), которая объясняется наличием на поверхности частиц ДФ защитных слоев: двойного ионного слоя
и адсорбционно-сольватного. Первый из них обусловливает
электростатическое отталкивание одноименно заряженных час-
41
тиц, а второй – препятствует соприкосновению частиц и их слипанию [6–13].
Однако, являясь высокодисперсными гетерогенными системами с чрезвычайно развитой поверхностью раздела фаз, они
обладают большим избытком свободной поверхностной энергии
(энергии Гиббса ‒ ∆Gs), что объясняет их термодинамическую
неустойчивость. Эти системы (золи) прозрачны, рассеивают
свет (опалесцируют), дают конус Тиндаля [6–13].
Примерами таких систем являются: а) туман, пыль, табачный дым, аэрозоль, эмульсия, пена; б) золи металлов, их сульфидов, гидроксидов и солей. Из продуктов питания – это сливки, мороженое, майонез, маргарин, бульоны, соки и др.
4. Ионно-молекулярные системы: а < 10–9 м. Частицы этих
систем представляют собой молекулы или ионы, а сами системы
гомогенные, не имеют признаков, характерных для дисперсных
систем. Эти системы относятся к истинным растворам, обладающим и кинетической, и термодинамической устойчивостью.
Системы прозрачны и пропускают свет [6–13].
Особое место в ДС занимают растворы высокомолекулярных соединений (ВМС) [8, 9, 12, 13], которые относятся к однофазным системам, но в некоторых отношениях сходны с типичными коллоидными системами. Размеры молекул ВМС огромны
по сравнению с обычными молекулами и соизмеримы с размерами коллоидных частиц (10–1000 нм), поэтому растворы ВМС
имеют общие свойства не только с истинными растворами, но
и с высокодисперсными гетерогенными системами. По этой
причине растворы высокомолекулярных соединений не являются типичными гетерогенными системами. Растворы ВМС можно
отнести к лиофильным коллоидным системам, т.е. молекулы
полимеров непосредственно взаимодействуют с растворителем
и при этом может изменяться заряд их поверхности и ее конфигурация. Образуются растворы ВМС самопроизвольно, в результате неограниченного набухания, переходящего далее
в обычное растворение, в результате чего происходит уменьшение свободной энергии и не требуется наличие стабилизатора.
Растворы ВМС агрегативно устойчивы, не фильтруются через
бумажный фильтр и способны рассеивать свет.
42
Название
ДС
Агрегатное состояние
Обо-
зна-
чение
Примеры
Дисперс-
ная фаза
Дисперси-
онная среда
Аэрозоль
(туман)
Жидкость
Газ
Ж/Г
Туманы, пар,
облака
Аэрозоль
(дым, пыль)
Твердая
Газ
Т/Г
Порошки, дым,
пыль
Пены
Газ
Жидкая
Г/Ж
Мыльная пена,
противопожарная пена
Эмульсии
Жидкая
Жидкая
Ж/Ж
Сырая нефть,
майонез, горячее
молоко
Суспензии,
коллоидные
растворы,
золи
Твердая
Жидкая
Т/Ж
Золи металлов,
их сульфидов,
краски на водной
основе, холодное
молоко
Твердые
пены,
пористые
тела
Газ
Твердая
Г/Т
Пенобетон,
пенопласт,
пемза, хлеб,
хлебобулочные
и кондитерские
изделия
Твердые
эмульсии,
гели
Жидкая
Твердая
Ж/Т
Почва, жемчуг,
опал, яичница
Твердый
коллоидный
раствор
Твердая
Твердая
Т/Т
Минералы,
сплавы, цветные
стекла, эмали,
драгоценные
камни
2.2.2. Классификация по агрегатному состоянию фаз
По агрегатному состоянию ДФ и ДСР различают следующие группы ДС (табл. 3).
Классификация дисперсных систем
по агрегатному состоянию ДФ и ДСР
Таблица 3
43
Аэрозолями называют дисперсные системы с газообразной
дисперсионной средой. В газообразной среде могут быть распределены мельчайшие жидкие или твердые частицы. Примерами таких систем служат: смог, образующийся над большими
городами, который состоит из твердых и жидких частиц, распределенных в воздухе; ядохимикаты; парфюмерные, бытовые
и лекарственные средства в аэрозольных упаковках [9].
Взвеси – это дисперсные системы с жидкой ДСР, которые
подразделяются на суспензии, эмульсии. При отстаивании взвеси легко разделяются на ДФ и ДСР. Например, при взбалтывании песка в воде образуется суспензия, при взбалтывании бензина в воде образуется эмульсия [9].
Суспензии – это микрогетерогенные системы, в которых
твердые частицы дисперсной фазы распределены в жидкой дисперсионной среде. К таким дисперсным системам относят известковое молоко, речной ил. Дисперсные системы, в которых
концентрация твердой дисперсной фазы велика, образуют особую группу, к которой относятся пасты, мази, кремы.
Если в суспензии частицы ДФ имеют размеры 10–7–10–9 м,
то такую суспензию называют коллоидный раствор или золь.
Гидрозолем можно считать природную воду, так как многие
примеси в воде имеют коллоидные размеры [9].
Эмульсии – это микрогетерогенные системы, в которых
жидкие частицы дисперсной фазы распределены в жидкой дисперсионной среде, где частицы ДФ не растворяются. К таким
системам относятся водоэмульсионные краски, косметические
и лекарственные средства [9].
Твердые эмульсии – дисперсные системы с твердой дисперсионной средой и жидкой дисперсной фазой. Такие системы
встречаются довольно редко. Примером таких систем может
служить жемчуг – твердый карбонат кальция, в котором распределены капельки воды ультрамикрогетерогенных размеров.
К твердым эмульсиям относят капиллярно-пористые тела, твердая дисперсионная среда которых пронизана порами капиллярных размеров, заполненных жидкостью. К капиллярно-пористым телам относятся древесина, почва [9].
44
Пены – это дисперсные системы, в которых пузырьки газа
распределены в жидкой дисперсионной среде. Примеры таких
систем – мыльная пена, взбитый белок [9].
Твердые пены – системы с твердой дисперсионной средой
и газовой дисперсной фазой. Твердые пены, вследствие большого размера пузырьков газовой фазы, обычно относят к микрогетерогенным или даже к грубодисперсным системам. Примером
природной твердой пены может служить пемза – пористая горная порода вулканического происхождения, применяемая как
абразив для полировки и шлифования. К искусственным твердым пенам относятся пеностекла и пенобетоны, широко применяемые в качестве строительных и изоляционных материалов.
К твердым пенам также относят искусственные губчатые материалы, изготовленные на основе полимеров (микропористая резина, пенопласты) [9].
К твердым пенам относят дисперсные системы с твердой
дисперсионной средой, пронизанные капиллярными порами,
заполненными газом. К таким системам относится кирпич [9].
Твердые растворы – системы с твердой дисперсной фазой
и твердой дисперсионной средой. Данные системы относятся
к высокодисперсным и микрогетерогенным группам. Это некоторые окрашенные драгоценные и полудрагоценные камни,
цветные стекла, эмали, многие минералы, горные породы, некоторые сплавы, композиционные материалы. Драгоценные
и полудрагоценные камни представляют собой, как правило,
глинозем или кварц с диспергированными в них оксидами различных металлов. В природных рубинах и изумрудах такими
примесями служат оксиды хрома. В композиционных материалах одна из твердых фаз является сплошной (ДСР) и называется матрицей, а другие распределены в ней в виде частиц, волокон (ДФ) [9].
45
2.2.3. Классификация по степени взаимодействия
между частицами
1. По отсутствию или наличию взаимодействия между час-
тицами дисперсные системы подразделяют на два класса [9]:
а) свободнодисперсные системы ‒ бесструктурные систе-
мы, в которых частицы ДФ не связаны между собой и могут
свободно перемещаться в ДСР, т.е. обладают текучестью (золи
и разбавленные аэрозоли, суспензии, эмульсии);
б) связнодисперсные системы ‒ системы, в которых частицы одной из фаз структурно закреплены в пространственные
сетки или каркасы и не могут перемещаться свободно. Такая
структура ограничивает текучесть и позволяет сохранять форму.
К структурированным системам с твердой дисперсионной сре-
дой относят: твердые эмульсии, твердые пены, пасты. Сплош-
ную массу твердой дисперсионной среды могут пронизывать
поры и капилляры. Такие структурированные системы называются капиллярно-пористыми. К ним относятся почвы, бумага,
древесина, картон, ткани, порошки, консистентные смазки.
Структурированные коллоидные системы с жидкой дисперсионной средой называются гелями [9]. Среди гелей разли-
чают [8]: коагели ‒ студенистые осадки отдельных фаз при нарушении агрегативной устойчивости коллоидных растворов;
лиогели – богатые жидкостью студнеобразные системы (кисель,
простокваша); ксерогели – бедные жидкостью сухие студнеобразные вещества (крахмал, сухари, листовой желатин, каучук,
силикагель, столярный клей).
2. По характеру взаимодействия частиц ДФ с молекулами
ДСР различают:
а) лиофильные системы ‒ системы, в которых сильно выражено взаимодействие частиц дисперсной фазы с растворителем, что приводит к образованию сольватных (гидратных в случае ДСР – воды) оболочек из молекул ДСР вокруг частиц ДФ.
Примеры лиофильных золей ‒ водные растворы глины, мыла,
некоторых красителей и раствор каучука в бензине. Такие системы образуются при растворении ВМС;
46
б) лиофобные золи ‒ системы, в которых частицы дисперсной фазы слабо взаимодействуют с дисперсионной средой (золи
металлов, их сульфидов и др. химических соединений).
2.3. Методы получения дисперсных систем
Получение дисперсных систем состоит из следующих стадий: получение частиц ДФ коллоидного размера; выбор ДСР
и распределение в ней нерастворимых или плохо растворимых
частиц ДФ; подбор и введение стабилизатора для обеспечения
устойчивости ДС.
Известны два метода получения дисперсных систем [6–13].
1. Метод диспергирования заключается в измельчении
твердых материалов или жидкостей до размера коллоидных частиц и распределении их в жидкой или газообразной среде, в результате чего образуются коллоидно-дисперсные системы. Методы измельчения крупных образований до коллоидного состояния подразделяются на механические, физические и физико-химические.
Механическое диспергирование включает грубое, среднее
и мелкое дробление веществ, основанное на ударных напряжениях или истирании в присутствии поверхностно-активных веществ (стабилизаторов) для облегчения процесса измельчения,
получения высокодисперсных частиц, стабилизации системы
и снижения энергетических затрат. Для этого используют различные приспособления и машины, например коллоидные
мельницы, дробилки, встряхиватели, терки и др.
Физическое диспергирование веществ могут проводить
ультразвуковым воздействием или электрораспылением в вольтовой дуге металлических электродов [8].
Физико-химическое диспергирование (пептизация) – это
процесс превращения в коллоидно-дисперсную систему свежеприготовленного осадка с частицами коллоидной степени дисперсности. В этом случае не изменяется степень дисперсности
частиц, а происходит только их разъединение. Метод основан на
действии электролитов-пептизаторов (стабилизаторов), способных хорошо адсорбироваться на поверхности частиц и сообщать
47
им заряд. Вследствие приобретения одноименного заряда, частицы отталкиваются друг от друга, и осадок равномерно распределяется по всему объему раствора ‒ получается коллоиднодисперсная система [13].
К химическим методам диспергирования относится метод
самопроизвольного диспергирования. Он заключается в получе-
нии коллоидных растворов веществ путем растворения их в соответствующих растворителях. Самопроизвольное диспергирование совершается без введения стабилизаторов и внешних механических воздействий. Этот метод широко применяется для
получения растворов ВМС из твердых полимеров. Например,
путем растворения в воде можно получить коллоидные растворы желатина, агар-агара, в бензине ‒ коллоидный раствор каучука и др.
2. Метод конденсации состоит в укрупнении частиц или
агрегации молекул и ионов. Различают конденсацию физическую и химическую. И в том и в другом случае метод конденсации основан на образовании в гомогенной среде новой фазы,
имеющей коллоидную степень дисперсности частиц. Общим
условием образования новой фазы является состояние пересыщения раствора или пара. При этом образуются агрегаты из нескольких молекул, которые становятся зародышами новой фазы.
К методам физической конденсации относят метод конденсации испаряющегося вещества при понижении температуры
и метод замены растворителя. Например, облака или туман образуются конденсацией испаряющихся паров воды с поверхности земли при понижении температуры и давления насыщенного пара. Метод замены растворителя основан на том, что растворитель в истинном растворе вещества заменяется на другой,
в котором это вещество нерастворимо. Таким методом можно
получать золи серы, фосфора, канифоли и органических веществ. Для этого в спиртовые или ацетоновые растворы добавляют большой объем воды, в результате чего раствор становится
пересыщенным, происходит кристаллизация и образуются частицы ДФ [14].
48
К методам химической конденсации относятся процессы
получения золей в ходе химических реакций разных типов
(окисления-восстановления, гидролиза, обмена, разложения).
В качестве примера можно рассмотреть образование золя гидроксида железа в природной воде. В воде идет реакция окисления и гидролиза растворенного в воде железа:
4Fe(HCO3)2 + 2H2O + O2 = 4Fe(OH)3↓ + 8CO2.
Золь Fe(OH)3 придает природной воде красно-коричневый
цвет.
Коллоидно-дисперсные системы, полученные методом химической конденсации, содержат примеси молекул и ионов
электролитов. Очистка коллоидных растворов от присутствующих примесей называется диализом. Он основан на разнице
размеров частиц и скорости диффузии истинно и коллоидно
растворенных веществ через полупроницаемые перегородки.
В качестве полупроницаемых перегородок используют пергамент, пленки из нитро- и ацетилцеллюлозы, коллодия и целлофана. Через поры этих материалов проходят молекулы и ионы
истинных растворов, и на них задерживаются частицы коллоидно-дисперсных систем.
2.4. Свойства дисперсных систем
2.4.1. Молекулярно-кинетические свойства
К молекулярно-кинетическим свойствам дисперсных систем относятся броуновское движение, диффузия, осмос, седиментация. Эти свойства проявляются в жидких и газообразных
дисперсионных средах и связаны с тем, что в свободнодисперсных системах частицы дисперсной фазы могут свободно перемещаться по всему объему дисперсионной среды. Свойства дисперсных систем определяются в основном дисперсностью, поверхностью раздела фаз и формой частиц ДФ.
Броуновское движение – это непрерывное беспорядочное
тепловое движение частиц ДФ в высокодисперсных и микрогетерогенных системах под действием ударов молекул ДСР, находящихся в молекулярно-тепловом движении.
49
Скорость броуновского движения зависит от температуры,
размеров частиц ДФ и вязкости ДСР. При повышении температуры интенсивность броуновского движения увеличивается.
С увеличением вязкости ДСР и размера частиц ДФ скорость
броуновского движения уменьшается. Количественно броуновское движение дисперсной частицы характеризуют средним
сдвигом или средним смещением дисперсной частицы. Среднее
смещение частицы ДФ (∆х) – это отрезок прямой, соединяющий
начальное положение частицы с ее положением в момент времени τ в плоскости горизонтальной проекции.
Для коллоидных систем броуновское движение, с одной
стороны, определяет кинетическую устойчивость ДС, препятствуя оседанию частиц под действием силы тяжести, а с другой –
снижает агрегативную устойчивость частиц ДФ, осуществляя их
столкновения, а тем самым соединение в агрегаты, т.е. повышается вероятность разрушения ДС.
Диффузия – это самопроизвольный процесс выравнивания
концентрации частиц ДФ по всему объему системы за счет их
броуновского движения (рис. 3).
Рис. 3. Диффузия частиц краски в воде
Диффузионную способность ДС характеризует коэффициент диффузии (D, м2/с), который показывает количество вещества, диффундирующего через поперечное сечение площадью 1 м2
за одну секунду при градиенте концентраций равном единице.
Для сферических частиц коэффициент диффузии определяется
по уравнению Эйнштейна:
где k – постоянная Больцмана, k = 1,38·10
50
,
‒23
Дж/К;
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]