Глава 6. Дисперсные системы

Системы, состоящие из множества частиц вещества, распределенных в твердой, жидкой или газообразной среде другого вещества называются дисперсными (ДС). Непрерывная фаза дисперсной системы называется дисперсионной средой. Дисперсионная среда может быть твердой, жидкой, газообразной. Дисперсная фаза - вещество, равномерно распределенное в дисперсионной среде.

Свойства дисперсных систем зависят от природы веществ и раздробленности частиц дисперсной фазы. Степень раздробленности характеризуют:

• a – размером частиц , м;

• дисперсность (D) - величина обратная размеру частиц.

D = 1/a, где а = диаметр или длина ребра, м.

– удельной поверхностью (S_уд)

S^/_уд = S/V или S^//_уд = S/m,

где S - поверхность частиц, м² V - объем частиц, м³

m - масса частиц, кг

Единицы измерения Sуд - м^-1 или м²/кг

S_уд- это общая поверхность всех частиц, объем которых 1м³ или масса которых 1 кг.

Эти величины взаимосвязаны. Если взять куб размером 1 см (10^–2 м), то его поверхность составит 6 см². При дроблении этого кубика

Длина ребра, м	Число частиц	Общая поверхность, м2
10–2	1	6•10–4
10–5	109	6•10–1
10–7	1015	60
10–8	1018	600
10–9	1021	6000
10–10	Гомогенная система

Д

σ^S

ля дробления необходимо затратить энергию, следовательно, дисперсные системы обладают избыточной энергией, которая тем выше, чем больше удельная поверхность. (рисунок) Эту избыточную энергию называютсвободной поверхностной энергией – σ^S [эрг/см²]. Физический смысл σ^S – энергия, необходимая для создания единицы поверхности. Частицы дисперсной фазы также взаимодействуют с молекулами дисперсионной среды (Е_вз). Если взаимодействие слабое σ^S > Е_вз , то система является термодинамически неустойчивой (ΔG> 0) и называется лиофобной (неорганические вещества). Если взаимодействие перекрывает избыточную поверхностную энергию σ^S < Е_вз, то система термодинамически устойчива (ΔG < 0) и называется лиофильной (глины, органические полимеры).

Классификация диперсных систем

По степени дисперсности (размеру частиц) ДС делятся:

1. Грубодисперсные (взвеси, суспензии, эмульсии, порошки) с размером частиц 10^-4 -10^-6 м.

2. Тонкодисперсные (коллоидные) ДС, размер частиц от 10^-7 до 10^-9 м

Растворы (гомогенные системы) имеют размер молекул и ионов менее 10^-9 м.

По агрегатному состоянию дисперсионной среды и дисперсной фазы различают следующие типы систем

Дисперснаяфаза	Дисперсионная среда
	Газ	Жидкость		Твердое тело
Газ	Не образует		Пена	Твердая пена (пенопласт)
Жидкость	Аэрозоль (туман)	Эмульсия (молоко)		Твердая эмульсия (жемчуг)
Твердое тело	Аэрозоль (дым)	Золь (ил, глина)		Твердый золь (бетон)

Методы получения дисперсных систем.

Коллоидные системы по размеру частиц дисперсной фазы занимают промежуточное положение между грубодисперсными системами и молекулярными. Как следствие, коллоидные частицы могут быть получены либо диспергированием (измельчением) грубодисперсных тел, либо конденсацией молекулярных структур.

Диспергационные методы. При этом используются такие механизмы как дробилки, жернова, шаровые мельницы, коллоидные мельницы, действующие с помощью ультразвука под действием центробежных сил. Используется также распыление металла электрода в дуге. В природе высокая дисперсность достигается под действием воды и ветра.

Конденсационные методы.

1).Физические. Конденсация пара (например, образование тумана), замена растворителя (в результате пересыщения происходит образование новой фазы), например, при добавлении воды в насыщенный раствор серы в спирте образуется коллоидный раствор серы.

2) Химические. Дисперсные системы образуются при химических реакциях, сопровождающихся образованием малорастворимых веществ. Реакции следует проводить в разбавленных растворах при медленном смешивании.

а) реакции гидролиза

FeCl₃ + 3H₂O  Fe(OH)_3тв + 3HCl

б) окислительно-восстановительные реакции.

2H₂S + O₂  2S_тв + 2H₂O

с) реакции обмена

AgNO₃ + NaCl  AgCl_тв + NaNO₃