- •Физическая химия дисперсных систем Определение дисперсных систем
- •Классификация дисперсных систем и их общая характеристика
- •Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию вещества дисперсной фазы и дисперсионной среды
- •Классификация по взаимодействию между частицами дисперсной фазы или степени структурированности системы
- •Классификация по характеру взаимодействия дисперсной фазы с дисперсионной средой
- •Методы получения дисперсных систем
- •Диспергирование жидкостей
- •Диспергирование газов
- •Конденсационные методы
- •Методы физической конденсации
- •Методы химической конденсации
- •Очистка золей
- •Компенсационный диализ и вивидиализ
- •Молекулярно-кинетические свойства золей
- •Броуновское движение
- •Диффузия
- •Седиментация в золях
- •Осмотическое давление в золях
- •Оптические свойства золей
- •Рассеяние света (опалесценция)
- •Оптические методы исследования коллоидных систем Ультрамикроскоп
- •Механизм образования и строение коллоидной частицы – мицеллы
- •1. Получение золя берлинской лазури:
- •2. Получение с помощью гидролиза FeCl3 золя гидроксида железа (III).
- •3. Получение золя As2s3:
- •Электрокинетические свойства золей
- •Устойчивость гидрофобных коллоидных систем. Коагуляция золей Виды устойчивости золей
- •Теория коагуляции Дерягина-Ландау-Фервея-Овербека
- •Влияние электролитов на устойчивость золей. Порог коагуляции. Правило Шульца-Гарди
- •Чередование зон коагуляции
- •Коагуляции золей смесями электролитов
- •Скорость коагуляции
- •Коллоидная защита
- •Роль процессов коагуляции в промышленности, медицине, биологии
- •Растворы высокомолекулярных соединений
- •1) Своеобразное тепловое движение частиц растворенного вещества, схожее с броуновским движением мицелл в золях;
- •Общая характеристика высокомолекулярных соединений
- •Классификация полимеров
- •Набухание и растворение вмс
- •Термодинамические аспекты процесса набухания
- •Давление набухания
- •Свойства растворов высокомолекулярных соединений
- •Осмотическое давление растворов вмс
- •Онкотическое давление крови
- •Вязкость растворов полимеров
- •Свободная и связанная вода в растворах
- •Полиэлектролиты
- •Факторы, влияющие на устойчивость растворов полимеров. Высаливание
Классификация по характеру взаимодействия дисперсной фазы с дисперсионной средой
По характеру взаимодействия между частицами дисперсной фазы и молекулами дисперсионной среды коллоидные и грубодисперсные системы подразделяются на лиофильные(от греческогоlyo– растворяю,philia– люблю) илиофобные(phobia– страх, нелюбовь).
Системы, в которых дисперсионной средой является вода, называются, соответственно, гидрофильными и гидрофобными.
Лиофильные (гидрофильные) системы характеризуются сильно выраженным взаимодействием частиц дисперсной фазы с молекулами дисперсионной среды. Результатом такого взаимодействия является образование на поверхности частиц сольватных оболочек из молекул растворителя, которые препятствуют их слипанию и уменьшают поверхностную энергию. Лиофильные системы термодинамически устойчивы, могут образовываться самопроизвольно и не требуют добавок стабилизаторов. Они немногочисленны и в природе встречаются редко. К ним можно отнести растворы некоторых поверхностно-активных веществ, определенные сорта глин.
На начальном этапе коллоидной химии к лиофильным золям отнесли растворы высокомолекулярных соединений. Однако в дальнейшем было доказано, что данные системы являются молекулярно-дисперсными и гомогенными. Но вследствие того, что макромолекулы полимеров по своим размерам совпадают с коллоидными частицами, их растворы по многим свойствам схожи с золями.
Большинство так называемых классических дисперсных систем являются гидрофобными. Они характеризуются очень слабым взаимодействием частиц дисперсной фазы с молекулами дисперсионной среды, вследствие чего защитная сольватная оболочка на их поверхности не образуется. Такие системы термодинамически неустойчивы, самопроизвольно не получаются, могут существовать лишь непродолжительное время, в связи с чем для увеличения времени жизни требуют специальных методов стабилизации, например, добавок соответствующих веществ.
Методы получения дисперсных систем
Для получения дисперсных систем необходимо решить следующие задачи:
1) в зависимости от поставленной цели подобрать такие компоненты системы, чтобы вещество дисперсной фазы не растворялось самопроизвольно в дисперсионной среде с образованием истинного раствора;
2) довести размеры частиц дисперсной фазы до соответствующей величины;
3) равномерно распределить дисперсные частицы по всему объему раствора, не превышая заданного уровня их концентрации;
4) определенным способом стабилизировать дисперсную систему, чтобы сохранить ее степень дисперсности и свойства в течение достаточно длительного времени (например, ввести добавки специальных веществ – стабилизаторов).
Сложнее всего выполнить вторую задачу. Дисперсные частицы, в том числе и коллоидные, могут быть образованы двумя способами:
1) путем дробления (диспергирования) более крупных образований веществ;
2) путем агрегации (конденсации) молекул и ионов истинных растворов.
В соответствии с этим различают диспергационныеиагрегационные(конденсационные)методыполучения дисперсных частиц.
Диспергационные методыиспользуют в основном для получения грубодисперсных частиц от 10–6м и выше. С помощью специальных приспособлений или устройств удается снизить их размеры до 10–7м, но в промышленных процессах диспергирования обычно получают более крупные частицы.
Для диспергирования твердых тел используют механические, ультразвуковые, химические методы, взрывы.
Эти процессы широко применяют в народном хозяйстве: при производстве цементов, для помола зерна и других продуктов, измельчения угля в энергетике, при изготовлении красок, наполнителей и т.п. Мировое производство порошков для вышеперечисленных целей превышает 1 млрд. т в год.
Механическое измельчение твердых веществосуществляется в соответствующих установках: дробильных аппаратах, мельницах различного типа и т.п. В них измельчаемый материал подвергается сильным механическим нагрузкам (растяжению, сжатию, ударам), которые приводят к разрушению больших образцов вещества на мелкие частицы (рис. 49).
Рис. 49. Схема коллоидной мельницы. Измельчение вещества происходит в зазорах между лопастями ротора b и выступамиа внутри корпуса в результате быстрого вращения вала
В случае хрупких материалов, имеющих атомную или ионную кристаллическую решетки (многие минералы, керамика, стекло и т.д.), процесс измельчения идет достаточно эффективно.
Пластичные материалы (металлы) диспергировать гораздо труднее. Механические нагрузки вызывают вначале большую пластическую деформацию и только после этого происходит их разрушение. Поэтому механическое диспергирование таких веществ до достаточно мелких частиц требует особо больших энергетических затрат.
Ультразвуковой методиспользуют для диспергирования твердых веществ, помещенных в жидкость. Для этих целей воздействуют на систему звуковыми волнами с частотой колебаний более 20 000 Гц. Ультразвук создает резкие чередования сжатия и расширения, в результате чего появляются разрывающие силы, ведущие к раздроблению образца.
Химическое диспергирование или метод пептизациизаключается в раздроблении свежеприготовленных рыхлых осадков на отдельные частицы при добавлении к ним растворов электролитов или поверхностно-активных веществ. Данные соединения (их иначе называютпептизаторами, по аналогии с ферментомпепсином, вызывающим гидролиз белковых макромолекул) уменьшают взаимодействие между частицами осадка и облегчают их переход в состояние золя. При этом степень дисперсности вещества фактически не изменяется, т.к. частицы рыхлого осадка уже имеют нужные размеры, но находятся в связанном состоянии за счет сил межмолекулярного взаимодействия и разделены тонкими прослойками из молекул дисперсионной среды.
Слежавшиеся осадки со слипшимися частицами, лишенными прослоек из растворителя, не поддаются диспергированию путем пептизации. Фактически в данном методе происходит не диспергирование, а дезагрегация уже имеющихся частичек.
Пептизация имеет биологическое значение: рассасывание атеросклеротических бляшек в кровеносных сосудах, почечных и печеночных камней, действие антикоагулянтов при тромбофлебитах сводится, в сущности, к явлению пептизации.