Розділ 1

ПРЕДМЕТ І ЗАДАЧІ ФІЗИКО-ХІМІЧНОЇ МЕХАНІКИ

1.1. Навколишній світ та дисперсні системи

1.2. Фізико-хімічна механіка як наукова дисципліна, її задачі

1.3. Дисперсні системи. Класифікація дисперсних систем з позиції фізико-хімічної механіки композиційних матеріалів

1.4. Особливості властивостей колоїдних систем

1.5. Короткий історичний огляд

1.1. Навколишній світ та дисперсні системи

Навколишній світ існує багато в чому завдяки існуванню тіл, що створені сполученням, злипанням, зростанням найтонших часток (їх коагуляції) або, навпаки, здатності цих часток знаходитись у завислому стані у певному середовищі: рідині, газі, твердому тілі. Що є спільного між кометою, хмарою, туманом, ґрунтом, порошковою металургією, аспірином, керамікою, цементним бетоном, асфальтовим бетоном, гумою, пластмасою, кремами, хлібом, цеглою тощо?

Спільним є те, що усі ці тіла, матеріали та предмети, які є частиною навколишнього світу, являють собою дисперсні системи.

Дисперсними називають системи, що складаються з багатьох дрібних часток, розташованих у рідкому, твердому або газовому середовищі.

Дисперсний – означає «подрібнений, розсіяний». У статистиці дисперсія означає ступінь розсіювання результатів або даних. Найбільш важливими ознаками розглядувальних систем є: висока дисперсність та гетерогенність (тобто неоднорідність складу). За розмірами частки, що утворюють матеріальний світ, відрізняються у багато мільйонів разів. Елементарні частинки, атоми, молекули – це галузь фізики та хімії. Більш крупні частки виявляють власну специфіку поведінки. Закони їх взаємодії – це галузь досліджень спеціальних наук – фізико-хімічної механіки дисперсних систем та колоїдної хімії. Сама назва цих наук пов'язана з поняттям дрібних часток, які утворюють клей (колоїд – colla, грец.). Цю назву запровадив англійський хімік Томас Грем у першій половині ХІХ століття під час дослідження властивостей розчинів речовин, які виявляють нетипові для справжніх (молекулярних) розчинів властивості: випадання осаду при додаванні до розчину невеликих кількостей солей, відсутність температурних ефектів при розчиненні, розсіювання світла або опалесценція та ін.

Усі ці та інші особливості зв’язані з високим ступенем дисперсності часток, зі специфічними особливостями їх поверхні (висока вільна енергія), з наявністю у системі поверхні розподілу фаз.

Фаза – це частина дисперсної гетерогенної системи, яка відокремлена поверхнями розподілу фаз і яка характеризується однаковими фізичними властивостями в усіх точках.

Речовина, в якій розподіляються тонкі частки, називається дисперсійним середовищем (ДС), а речовина, що розподілена в об’ємі середовища, називається дисперсною фазою (ДФ).

Гетерогенність - це неоднорідність походження та властивостей компонентів, що входять до складу дисперсних систем. Незважаючи на достатньо малі розміри дисперсних колоїдних часток, для них характерна агрегативна нестійкість. Задача технолога полягає в умінні або забезпечувати стійкість дисперсної системи (емульсії, однорідні вапняні та цементні розчини, зв'язні бетонні суміші), або її руйнувати, тобто забезпечувати коагуляцію (злипання) часток (одержання керамічної цегли, цементного клінкеру спіканням, розпад емульсій, коагуляція асфальтенових комплексів, міцел).

Нестійкість дисперсних систем пов'язана з їх великою вільною поверхневою енергією, зосередженою на границі розподілу фаз. Ця енергія накопичується у процесі подрібнення, і молекули, що розташовані на поверхні, знаходячись в особливому неврівноваженому стані, сприяють злипанню часток (коагуляції). При цьому нібито зникає міжфазна границя і вільна енергія системи зменшується. Вона набуває стану рівноваги (можна згадати краплі масла у воді, коли вони об'єднуються з малих у великі, нафтові плівки при аваріях танкерів та ін.). Ця здатність часток може бути використана з метою одержання міцної клейової сполуки, поліпшення зчеплення бітуму або цементу з кам'яними матеріалами.

В основі існування дисперсних систем і, отже, будівельних матеріалів є баланс сил притягання-відштовхування. Сили зчеплення звичайно мають міжмолекулярну природу (Ван-дер-Ваальсові сили: орієнтаційні, індукційні, дисперсійні). Ці сили дуже швидко зростають у міру зближення. Силами відштовхування є електричні сили. Вони виникають на поверхні часток, завдяки використанню різних добавок електролітів, поверхнево-активних речовин або механоактивації. У цих умовах частки фази набувають однойменного заряду і відштовхуються одна від одної. Причиною забезпечення стійкості часток у середовищі може бути створення на поверхні часток фази спеціальних шарів з навколишнього середовища.