Лекция 12

Особенности коллоидного состояния вещества. Классификация дисперсных систем. Граница раздела фаз. Поверхностная энергия. Поверхностное натяжение. Адсорбция. Поверхностно-активные и поверхностно-инактивные вещества. Уравнение адсорбции Гиббса.

12.1 Поверхностные явления. Особенности коллоидного состояния вещества.

Современная коллоидная химия – крупная область химической науки, изучающая свойства вещества в дисперсном (т.е. раздробленном) состоянии и поверхностные явления в дисперсных системах.

Первоначально коллоидная химия была традиционной составной частью физической химии. Однако по мере развития инструментальных методов исследования и расширения областей применения дисперсных систем коллоидная химия стала самостоятельной областью знаний.

Дисперсные системы – это гетерогенные системы из двух или большего числа фаз с сильно развитой поверхностью раздела между ними.

Обычно одна из фаз образует непрерывную дисперсную среду, в объеме которой распределена дисперсная фаза (или несколько дисперсных фаз) в виде мелких кристаллов, твердых аморфных частиц, капель или пузырьков.

Таким образом гетерогенность и дисперсность – два характерных признака дисперсных систем.

Гетерогенность (характеристика дисперсных систем по природе и агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсной среды) означает, что система состоит как минимум из двух фаз.

Дисперсность (характеристика по величине частиц дисперсной фазы) означает, что одна из фаз обязательно должна быть раздробленной.

Фаза считается дисперсной, если вещество раздроблено хотя бы в одном направлении. Если вещество раздроблено только по высоте, образуются пленки. Если вещество раздроблено и по высоте, и по ширине, то образуются волокно, нити, капилляры. Наконец, если вещество раздроблено по всем трем направлениям, дисперсная фаза состоит из дискретных частиц. Частицы дисперсной фазы малы по сравнению с окружающими нас телами, но велики по сравнению с размерами обычных молекул. Каждая частица состоит из достаточно большого числа молекул, что позволяет рассматривать ее как частицу новой фазы.

Мерой раздробленности всякой дисперсной системы может служить либо поперечный размер частиц a (для сферических частиц – диаметр d; для частиц, имеющих форму куба, – ребро куба l ), либо обратная ему величина

, (1)

называемая дисперсностью (она обратно пропорциональна линейным размерам частиц, размерность см^-1 или м^-1), либо удельная поверхность, т. е. межфазная поверхность, приходящаяся на единицу объема или массы дисперсной фазы. Все эти величины взаимосвязаны. Чем меньше размеры частиц, тем больше дисперсность и удельная поверхность.

Удельная поверхность дисперсной фазы определяется соотношением

или (2)

где S_1,2 – поверхность раздела между дисперсной фазой (1) и дисперсионной средой (2), V₁ – объём дисперсной фазы, ₁  плотность вещества дисперсной фазы.

Очень развитую удельную поверхность (до 500 м² на один грамм и более) имеет активированный уголь, который замечателен своей тонкопористой губчатой структурой. В коллоидных растворах, в которых растворенное вещество разбито не на ионы и молекулы, а на мельчайшие кристаллики, твердая фаза также обладает большой удельной поверхностью.

Особенности свойств дисперсных систем обусловлены именно наличием большой межфазной поверхности. В связи с этим определяющими являются свойства поверхности, а не частиц в целом. Характерными являются процессы, происходящие на поверхности, а не внутри фазы. Отсюда становится понятным, почему коллоидную химию называют физико-химией поверхностных явлений и дисперсных систем.

Влияние поверхности раздела фаз на свойства дисперсных систем связано с наличием на межфазной поверхности избыточной поверхностной энергии.

Классификация дисперсных систем

1. По размеру частиц дисперсной фазы

 грубодисперсные с размером частиц > 10^-5м;

 высокодисперсные с размером частиц 10^-5‑10^-9м.

Принято высокодисперсные делить на

 микрогетерогенные 10^-5‑10^-7м;

 ультрамикрогетерогенные 10^-7‑10^-9м (100‑1 нм).

Ультрамикрогетерогенные системы часто называют истинно коллоидными или просто коллоидными, т.к. раньше именно они считались объектом коллоидной химии.

Частицы в них настолько малы, что вещество, из которого они состоят, почти целиком находится в коллоидном состоянии, т.е. практически содержит только поверхностные атомы и молекулы. Такие частицы по сравнению с отдельной молекулой обладают определенным агрегатным состоянием, которого не имеет молекула. В современной литературе ультрамикрогетерогенные системы с твердой дисперсной фазой называют золями (нем. Sole от лат.solutio  раствор), а иногда коллоидными растворами.