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) – это величина, обратная поперечному размеру частиц.

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 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.

Табл.2. Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию фаз

При d ≤ 1нм частицы уменьшаются до размеров отдельных молекул и гетерогенная система становится гомогенной, в которой межфазная поверхность отсутствует. Cамую 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.

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.2).

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

Причины уникальности свойств веществ в коллоидном состоянии

Количественные изменения размеров частиц дисперсной фазы приводят к появлению новых качеств системы. Так, коллоидные частицы 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.

Известно, что частицы, находящиеся на поверхности раздела фаз, так называемые «поверхностные частицы» отличаются от частиц 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.

Рассмотрим методы получения дисперсных систем применительно к коллоидным системам, которые занимают промежуточное положение между грубодисперсными и молекулярными системами. Поэтому получить их можно двумя противоположными путями. Диспергационный метод основан на раздроблении крупных тел на мелкие частицы требуемой степени дисперсности. Конденсационный метод основан на объединении молекул или ионов в агрегаты коллоидных размеров.

Диспергационный метод - самый простой способ дробления вещества, не требующий никаких усилий, это растворение. Однако таким образом получаются истинные растворы, так как вещество дробится до молекул. Коллоидные растворы образуются при растворении тогда, когда мы имеем дело с природными коллоидами ─ крахмалом, белком, клеем. В этом случае молекулярный раствор будет одновременно и коллоидным, так как молекулы ─ гиганты имеют размеры коллоидных частиц. Это ─ химическое самопроизвольное диспергирование.

Механический метод диспергирования. Чтобы измельчить вещество, нужно затратить определенную работу. При этом энергия расходуется на преодоление межмолекулярных сил и на увеличение поверхности измельчаемого вещества. Полная работа диспергирования (А) прямо пропорциональна вновь образовавшейся поверхности (S): А= кS, где к − коэффициент, зависящий от природы вещества, окружающей среды, метода диспергирования. Например, чтобы распылить 1см3 воды на частицы диаметром 100нм, нужно затратить 4,2 Дж работы. Дробят тела, используя размалывание, раздавливание, истирание. Применяют различные мельницы. Шаровая мельница − это полый цилиндр, в котором находятся стальные или фарфоровые шары различного диаметра. Цилиндр с шарами и веществом вращается от электромотора. При движении шаров происходит измельчение вещества до частиц диаметром 50−60 микрон. Более высокая степень дисперсности − до 0,1микрона может быть получена в коллоидной мельнице с узким зазором между быстро вращающимся ротором и неподвижным корпусом. При этом частицы разрываются или истираются в зазоре. Производительность коллоидных мельниц существенно выше, чем шаровых. Диспергирование ультразвуком происходит за счет разрывающих усилий. Они возникают в жидкости или твердом теле при прохождении через них ультразвуковых колебаний с частотой более 20 000 Гц в секунду. При этом в системе возникают местные, быстро чередующиеся сжатия и расширения вещества, которые приводят к его разрушению.

Конденсационные методы ─ это те, в основе которых лежат процессы возникновения новой дисперсной фазы путем соединения молекул, атомов, ионов в исходной гомогенной системе. Обязательным условием является пересыщенность исходной системы. Рассмотрим физическую конденсацию из паров. Исходное вещество находится в паре, а при понижении температуры пар становится пересыщенным и частично конденсируется, образуя жидкую или твердую дисперсную фазу. Метод замены растворителя основан на изменении состава и свойств дисперсионной среды. При вливании, например, спиртового раствора серы в воду, происходит понижение растворимости серы в новом растворителе ─ воде. Раствор становится пересыщенным и часть серы конденсируется, образуя частицы дисперсной фазы.

Химическая конденсация. Коллоидная система возникает в результате протекания химической реакции. При этой реакции выделяется вещество, образующее новую дисперсную фазу. Такими реакциями являются реакции обмена, гидролиза, окисления и др. Например, в природе распространены процессы окисления и гидролиза гидрокарбоната железа, растворенного в термальных водах. Это происходит при выходе вод в поверхностные зоны грунтов:

4Fе(НСО₃)₂ +О₂ + 2Н₂О 4Fе(ОН)₂+8СО₂

Получающийся золь (суспензия) гидроксида железа придает красно-коричневую окраску природным водам и является источником ржаво-бурых зон отложений в нижних слоях почвы.

Для того чтобы в ходе реакции образовался коллоидный раствор, а не осадок, необходимо, чтобы скорость образования зародышей кристаллов дисперсной фазы была гораздо выше, чем скорость роста кристаллов. Это условие выполняется обычно тогда, когда концентрированный раствор одного компонента вливается в сильно разбавленный раствор другого компонента при интенсивном перемешивании.

КОЛЛОИДНЫЕ РАСТВОРЫ, ИХ СТРОЕНИЕ

Коллоидные системы, в которых дисперсионная среда  жидкость, называют золями или коллоидными растворами. Частицы дисперсной фазы коллоидных растворов называют коллоидными частицами. Их размер соответствует размерам нескольких десятков, сотен, а иногда и тысяч атомов. Коллоидная частица состоит из ядра, адсорбирующего из окружающей среды ионы одного вида. Эти ионы называют зарядообразующими или потенциалопределяющими, их химическая природа близка химической природе ядра коллоидной частицы.

Ядро коллоидной частицы вместе с адсорбированными зарядообразующими ионами притягивает к себе из среды ионы противоположного знака заряда  противоионы. Зарядообразующие ионы и противоионы гидратированы и поэтому вместе с ними в коллоидную частицу входит вода, молекулы которой создают гидратную оболочку. Весь этот комплекс перемещается в растворе как единое целое, его и называют коллоидной частицей. В состав коллоидной частицы входит только часть имеющихся в системе противоионов, их называют связанными. Другая часть противоиоонов остается в дисперсионной среде, т.е. в жидкой фазе. Эти противоионы называют свободными. Они придают заряд дисперсионной среде. Все сочетание, состоящее из коллоидной частицы и гидратированных свободных противоионов, называют мицеллой. Заряд мицеллы равен нулю. Мицеллу считают структурной единицей коллоидного раствора.

Рассмотрим формулы мицелл двух золей. Первый золь хлорида серебра AgCl, стабилизированный хлоридом калия:

{[m(AgCl) nCl^{- .} (n – x) K^{+ .} yH₂O]^x- + xK^{+ .} zH₂O}⁰

коллоидная частица

мицелла

Второй золь  золь гидроксида железа Fe(OH)₃, стабилизированный хлоридом железа FeCl₃:

{[mFe(OH)₃ nFe³⁺ 3(n – x)Cl^{- .} yH₂O]^3x+ + 3xCl^{- .} zH₂O}⁰

коллоидная частица

мицелла

В рассмотренных формулах мицелл m  число молекул, образующих коллоидную частицу; n  число потенциалопределяющих ионов; (n- x)  число противоионов адсорбционного слоя; y  число молекул воды в гидратной оболочке коллоидной частицы; z  число молекул воды, связанных со свободными противоионами.

В соответствии с правилом Панета  Фаянса, на поверхности твердой частицы избирательно адсорбируются только те ионы, которые способны достроить ее кристаллическую решетку или изоморфны с ней. В первом золе на поверхности твердой коллоидной частицы будут адсорбироваться ионы Cl^-, так как они входят в состав кристаллической решетки AgCl. Коллоидная частица при этом имеет отрицательный заряд. В золе Fe(OH)₃ кристаллическую решетку частицы достраивают ионы Fe³⁺, поэтому она приобретает положительный заряд.

Различают лиофобные и лиофильные золи (лио  растворяю,фобос  страх, филео  люблю). Общими условиями получения лиофобных золей являются нерастворимость или очень малая растворимость вещества дисперсной фазы в дисперсионной среде, а также наличие в среде веществ, которые способны стабилизировать частицы дисперсной фазы  стабилизаторов. Процесс диспергирования является несамопроизвольным, требует затраты энергии. Наличие четко выраженной межфазной границы и избытка свободной поверхностной энергии обусловливает стремление к коагуляции. Примерами гидрофобных золей являются гидрозоли металлов, сульфидов, эмульсии масла в воде и др.

Образование лиофильныхзолей происходит самопроизвольно, часто с выделением энергии. Имеет место сильное межмолекулярное взаимодействие между частицами дисперсной фазы и дисперсионной среды. Лиофильные золи термодинамически устойчивы, что означает постоянство во времени концентрации и размеров частиц. К лиофильным золям относятся коллоидные поверхностноактивные вещества (ПАВ), а также растворы высокомолекулярных соединений (ВМС).

МОЛЕКУЛЯРНО  КИНЕТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА