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 греческого lyo – растворяю, philia – люблю) и лиофобные (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 диспергационные и агрегационные (конденсационные) методы получения дисперсных частиц.

Диспергационные методы используют в основном для получения грубодисперсных частиц от 10^–6 м и выше. С помощью специальных приспособлений или устройств удается снизить их размеры до 10^–7 м, 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 веществ осуществляется 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 выступами а 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 метод используют 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 пептизации заключается в раздроблении свежеприготовленных рыхлых осадков на отдельные частицы при добавлении к ним растворов электролитов или поверхностно-активных веществ. Данные соединения (их иначе называют пептизаторами, по аналогии с ферментом пепсином, 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.