8.ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ

8.1.Классификация дисперсных систем

По межфазному взаимодействию между веществами дисперсной фазы и дисперсионной среды системы могут быть лиофильными (в воде гидро-

фильными) и лиофобными (в воде гидрофобными). Для лиофильных систем характерно сильное межмолекулярное взаимодействие. Это взаимодействие приводит к образованию сольватных (в случае воды – гидратных) оболочек из молекул дисперсионной среды вокруг частиц дисперсной фазы – сольватация (гидратация). Лиофильные системы термодинамически устойчивы и характеризуются самопроизвольным диспергированием. Так мыла и многие глины самопроизвольно «распускаются» в воде.

В лиофобных системах межмолекулярное взаимодействие слабое, диспергирование происходит за счет внешней работы. Образующиеся дисперсии термодинамически неустойчивы, хотя могут быть вполне устойчивы кинетически, существуя длительное время в метастабильном состоянии.

8.2. Получение дисперсных систем

Коллоидными растворами называются высокодисперсные гетерогенные системы, в которых хотя бы одно вещество находится в коллоидном состоянии.

Коллоидное состояние – это высокодисперсное состояние, когда вещество раздроблено до частиц размерами 10–9 – 10–7 м, невидимых в оптический микроскоп, но представляющих собой агрегаты, состоящие из молекул или ионов, такого множества, что этим частицам присущи свойства отдельной термодинамической фазы, называемой дисперсной фазой. Среда, в которой распределены частицы дисперсной фазы, называется дисперсионной сре-

дой.

Как видно из табл. 8.1, коллоидные растворы по размеру частиц (10–9–10–7 м) занимают промежуточное положение между истинными растворами (10–10 м) и грубодисперсными системами (более 10–7 м), поэтому они могут быть получены либо соединением отдельных частиц растворенного вещества в более крупные агрегаты, либо диспергированием крупных частиц на более мелкие. В соответствии с этим методы получения коллоидных сис-

тем делятся на конденсационные и диспергационные. Отдельно стоит метод

пептизации, заключающийся в переводе в коллоидный раствор осадков, первичные частицы которых уже имеют коллоидные размеры. Наконец, в неко-

8. ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ

8.2. Получение дисперсных систем

торых случаях коллоидные системы могут образоваться путем самопроизвольного диспергирования дисперсной фазы в дисперсионной среде.

Общими условиями получения коллоидных систем, независимо от метода синтеза, являются:

нерастворимость или достаточно малая растворимость дисперсной фазы в дисперсионной среде;

наличие в системе, в которой образуются частицы, веществ, способных стабилизировать эти частицы, а в случае конденсационных методов и замедлять (приостанавливать) их рост. Такими веществами могут быть как чужеродные вещества, специально вводимые в систему, так и вещества, образующиеся при взаимодействии дисперсной фазы с дисперсионной средой (стабилизаторы).

Любое вещество можно получить в коллоидном состоянии, если подобрать для него соответствующую среду. Например, хлорид натрия можно получить в коллоидном состоянии при диспергировании его в бензоле, в котором он не растворяется и не образует истинные растворы. Сера хорошо растворяется в этиловом спирте, образуя истинный раствор, в воде же она может давать только коллоидный раствор, т. к. в ней она не растворяется. Разнообразие типов и форм дисперсных систем основывается на многочисленности методов их получения.

8.2.1. Диспергационныеметоды

Это способы получения лиофобных золей путем дробления крупных кусков вещества до агрегатов коллоидных размеров.

Измельчение производится в инертной среде. Диспергирование является несамопроизвольным процессом. Образование дополнительной межфазной поверхности связано с накоплением дополнительной свободной поверхностной энергии и происходит за счет совершения внешней работы.

В зависимости от вида внешней работы, которая совершается над грубодисперсной системой, диспергационные методы можно подразделить на механические, ультразвуковые, электрические.

Механическое дробление в зависимости от внешнего воздействия делится на способы: резание, раскалывание, удар, раздавливание, истирание. При механическом дроблении или растирании даже в присутствии стабилизатора образуются обычно порошки, размер частиц которых не меньше нескольких микрометров (мкм). Поэтому методы диспергирования значительно уступают методам конденсации по дисперсности полученных систем.

Измельчение до размеров нескольких десятков микрон осуществляется в шаровых, коллоидных мельницах и краскотерах.

Наибольшую степень дисперсности (0,1–1,0 мк) можно получить в коллоидных мельницах с узким зазором между вращающимся ротором (10–20 тыс. об/мин) и неподвижным корпусом, частицы разрываются или истираются в зазоре.

20 000 Гц/с) происходит за счет разрывающих усилий и эффективно для веществ с малой прочностью (смол, серы, графита, гипса). Под влиянием ультразвуковых колебаний возникают местные, быстро чередующиеся сжатия и расширения вещества, приводящие к образованию мельчайших полостей – кавитаций, что разрушает твердую фазу.

К электрическому диспергированию можно отнести получение золей электрораспылением в вольтовой дуге металлических электродов, погруженных в дисперсионную среду. При прохождении тока через электроды возникает вольтова дуга и образуется облачко высокодисперсного металла. Переменный ток проходит по слою металлического порошка и вызывает в точках неполного касания электрический разряд.

8.2.2. Конденсационныеметоды

Это способы получения коллоидных растворов путем объединения молекул и ионов в агрегаты коллоидных размеров и превращения системы из гомогенной в гетерогенную (конденсация, кристаллизация, десублимация).

Необходимым условием конденсации и кристаллизации является пересыщение и неравномерное распределение вещества в дисперсионной среде (флуктуация концентрации), а также образование центров конденсации, или

зародышей.

Конденсационные методы классифицируются по природе сил, вызывающих конденсацию, на физические и химические.

Кфизическим методам конденсации относятся:

1)прямая конденсация из паров путем их охлаждения;

2)замена растворителя.

Наиболее наглядный пример конденсации из паров – образование тумана (дыма). При понижении температуры пар становится пересыщенным и частично конденсируется, образуя дисперсную фазу. Таким путем получают маскировочный дым при охлаждении паров P2O5, ZnO.

В методе замены растворителя изменяют состав и свойства дисперсионной среды, при этом химический потенциал компонента в дисперсионной среде становится выше равновесного, что приводит к образованию новой фазы.

Изменение состава среды достигается тем, что к истинному раствору какого-либо вещества добавляют в большом объеме другую жидкость, являющуюся для этого вещества плохим растворителем, но хорошо смешивающуюся с исходным растворителем. Например, если к исходному раствору серы в этиловом спирте добавить воду, то молекулы серы будут соединяться в частицы дисперсной фазы золя серы, т. к. сера плохо растворяется в водноспиртовой смеси. Образованием золей объясняется помутнение одеколона и духов при попадании в них воды.

При химических методах конденсации вещество, образующее дисперсную фазу, получается в результате химической реакции. Чтобы образовался