1.7. Влияние дисперсности на свойства вещества
Основными критериями ультрадисперсного (коллоидного) состояния являются следующие:
Малая кинетическая подвижность частиц вследствие высокой массы частицы по сравнению с молекулой.
Гетерофазность.
Адсорбционные явления на поверхности.
Стабилизация системы за счет снижения поверхностной энергии третьим компонентом.
Высокая чувствительность к малым добавкам электролитов.
Высокодисперсные системы характеризуются особыми свойствами. Вследствие малого размера частицы в них не оседают. Рассеяние света такими системами приводит к их мутности.
Высокая удельная поверхность таких систем приводит к возрастанию роли поверхностных слоев. По мере дробления в системе происходят качественные изменения. При переходе от грубо дисперсных систем к высокодисперсным системы приобретают седиментационную устойчивость, возрастает прочность и растворимость, растет взрывоопасность. Из-за увеличения кривизны поверхности увеличивается химическая активность. Ультрадисперсные частицы могут на воздухе воспламеняться. С увеличением степени дисперсности изменяются все свойства вещества.
С изменением дисперсности изменяются условия протекания многих химических реакций. Так, реакция обжига известняка с повышением дисперсности сдвигается вправо:
Удаление кристаллизационной
воды из грубодисперсного оксида алюминия
происходит при
,
а из коллоидного оксида - на
ниже, т. е. при
.
Коллоидное золото растворяется в соляной
кислоте.
Другим примером влияния
дисперсности на свойства является
изменение свойств воды при дроблении.
С уменьшением размера капель воды
давление пара над каплей увеличивается.
При диаметре капель, равном
,
отношение давления пара над каплей при
данной температуре
к давлению над
плоской поверхностью воды
.
Повышенному давлению пара отвечает
пониженная температура замерзания
капель воды. Это явление имеет большое
значение в живой природе, обеспечивая
жизнеспособность растений при низкой
температуре.
В ультрадисперсных
твердых частицах размером
может происходить коренная перестройка
расположения атомов. Из-за большой
кривизны поверхности возникают
значительные внутренние напряжения,
что приводит к изменению физических
свойств веществ. Так, температура
плавления серебра сильно зависит от
размера частиц и равна: при размере
частиц
-
,
-
,
тогда как крупные частицы серебра
плавятся при
.
В высокодисперсных системах повышается температура перехода в сверхпроводящее состояние. Возникает возможность получения высокотемпературных сверхпроводников.
Явление сверхпроводимости было открыто в 1911 году голландским физиком Камерлинг-Онессом. Он обнаружил, что при температуре, близкой к абсолютному нулю, ртуть почти полностью теряет электрическое сопротивление, т.е. переходит в сверхпроводящее состояние. Для практического использования явления сверхпроводимости, например с целью передачи электроэнергии без потерь на большие расстояния, необходимо получать сверхпроводники при более высокой температуре. В 1986-87 годах в Швейцарии, США, Японии, СССР был открыт класс новых керамических материалов, сверхпроводящих при температуре жидкого азота. Эти материалы изготовлены на основе иттрия и являются дисперсными системами.
В последнее время
обнаружены неустойчивые фазы новых
керамических материалов, в которых
наблюдаются переходы, начинающиеся при
.
Чтобы сделать их практически доступными,
нужно изучить их фазовую структуру и
свойства. Уже в настоящее время возможно
применение этих материалов в
сверхпроводниковой электронике и
вычислительной технике.
Таким образом, в высокодисперсном состоянии вещество обладает особыми свойствами. Это состояние является промежуточным между свободными атомами или молекулами и массивными образцами.