Дисперсні системи - хімічна енциклопедія

дисперсні системи

Відео: Хімія 11 клас 18-20 тиждень Дисперсні системи та розчини

дисперсні системи. гетерог. системи з двох або більшого числа фаз з сильно розвиненою поверхнею розділу між ними. Зазвичай одна з фаз утворює безперервну дисперсійне середовище. в обсязі до-рій розподілена дисперсна фаза (або дек. дисперсних фаз) у вигляді дрібних кристалів. твердих аморфних частинок, крапель або бульбашок. Дисперсні системи можуть мати і більш складну будову, напр. являти собою двофазне освіту, кожна з фаз догрого, будучи безперервної, проникає в обсяг ін. фази. До таких систем відносяться тверді тіла. пронизані розгалуженою системою каналів-пір, заповнених газом або рідиною. нек-риє мікрогетерогенні полімерні композиції та ін. Нерідкі випадки, коли дисперсійнаСереда "вироджується" до найтонших шарів (плівок), що розділяють частки дисперсної фази.
Основні типи дисперсних систем. За дисперсності. т. е. розміром частинок дисперсної фази або відношенню загальної площі міжфазної пов-сті до обсягу (або масі) дисперсної фази (уд. поверхні), дисперсні системи умовно ділять на Грубодисперсні і тонко (високо) дисперсні. Останні, за традицією, наз. колоїдно-дисперсними або просто колоїдними системами. У грубодисперсних системах частинки мають розміри від 1 мкм і вище (уд. Пов-сть не більше 1 м 2 / г), в колоїдних - від 1 нм до 1 мкм (уд. Пов-сть досягає сотень м 2 / г). Дисперсність оцінюють за усередненим показником (середнього розміру часток, уд. Пов-сті) або дисперсному складу (див. Дисперсійний аналіз). Тонкопорістой тіла характеризують пористістю -Поняття, аналогічним дисперсності. У вільнодисперсні системах зчеплення між частинками дисперсної фази відсутня, кожна частинка кінетично незалежна і при досить малих розмірах бере участь в інтенсивному броунівському русі. Для структурованих (связнодісперсних) систем характерна наявність невпорядкованою просторів. сітки (каркаса), утвореної частинками дисперсної фази (див. Структуроутворення в дисперсних системах). Особливу групу складають висококонцентровані дисперсні системи, в яких брало частки знаходяться в "обмежених" умовах як, напр. в периодич. колоїдних структурах. Мех. св-ва вільнодисперсні систем визначаються гл. обр. св-вами дисперсійного середовища. а связнодісперсних систем - також св-вами і числом контактів між частинками дисперсної фази (див. Реологія). По агрегатному стані дисперсійного середовища і дисперсної фази виділяють слід. осн. види дисперсних систем: 1) аеродісперсние (газодисперсного) системи з газовим дисперсійним середовищем. аерозолі (дими. пилу. тумани), порошки. волокнисті матеріали типу повсті. 2) Системи з рідким дисперсійним середовищем - дисперсна фаза м. Б. твердої (Грубодисперсні суспензії і пасти. високодисперсні золі і гелі), рідкої (Грубодисперсні емульсії. високодисперсні мікроемульсії і латекси) або газової (Грубодисперсні газові емульсії і піни). 3) Системи з твердим дисперсійним середовищем. стеклообразниє або кристалічної. тіла з включеннями дрібних твердих частинок, крапель рідини або бульбашок газу. напр. рубінові скла, мінерали типу опала, різноманітні мікропористі матеріали. Окремі групи дисперсних систем складають мн. металеві. сплави. гірські породи. складні композиційні та ін. багатофазні системи. Ліофільні і ліофобні дисперсні системи з рідким дисперсійним середовищем розрізняються залежно від того, наскільки близькі або різні за своїм св-вам дисперсна фаза і дисперсійне середовище (див. Ліофільность і ліофобность). У ліофільних дисперсних системах міжмолекулярні взаємодій. по обидві сторони розділяє фази пов-сті розрізняються незначно, тому уд. своб. поверхнева енергія (для рідини - поверхневий натяг) надзвичайно мала (зазвичай соті частки мДж / м 2), межфазная межа (поверхневий шар) м. б. розмита і по товщині нерідко порівнянна з розміром частинок дисперсної фази. Ліофільні дисперсні системи термодинамічно рівнозначні, вони завжди високодисперсних, утворюються мимовільно і при збереженні умов їх виникнення можуть існувати як завгодно довго. Типові ліофільні дисперсні системи - мікроемульсії. нек-риє полімер-полімерні суміші, міцелярні системи ПАР, дисперсні системи з жідкокрісталліч. дисперсними фазами. До ліофільним дисперсним системам часто відносять також набухають і мимовільно диспергуюча у водному середовищі мінерали групи монтморилоніту, напр. бентонітові глини. Слід зазначити, що в минулому "ліофільними колоїдами" зв. розчини полімерів. т. е. принципово гомог. системи. Однак в суч. термінології поняття "колоїд" відноситься тільки до мікрогетерогенних системам - по відношенню до гомогенним (однофазним) системам його не вживають. В ліофобних дисперсних системах межмолекулярное взаємодій. в дисперсійному середовищі і в дисперсної фазі істотно разлічно- уд. своб. поверхнева енергія (поверхневий натяг) велика - від дек. одиниць до дек. сотень (і тисяч) мДж / м 2 - межа фаз виражена досить чітко. Ліофобні дисперсні системи термодинамічно неравновесни- великий надлишок своб. поверхневої енергії обумовлює протікання в них процесів переходу в більш енергетично вигідний стан. У изотермич. умовах можлива коагуляція -сбліженіе і об`єднання часток, які зберігали початкові форму і розміри, в щільні агрегати, а також укрупнення первинних частинок внаслідок коалесценції -сліянія крапель або бульбашок газу. збиральної рекристалізації (в разі кристалічної. дисперсної фази) або изотермич. перегонки (мовляв. переносу) в-ва дисперсної фази від дрібних частинок до великих (в разі дисперсних систем з рідким дисперсійним середовищем - останній процес наз. переконденсаціей). Нестабілізованние і, отже, нестійкі ліофобні дисперсні системи безперервно змінюють свій дисперсний склад в бік укрупнення частинок аж до повного розшарування на макрофази. Однак стабілізувати ліофобні дисперсні системи можуть зберігати дисперсність протягом довгих. часу.
Освіта дисперсних систем. Можливо двома шляхами: диспергационними і конденсаційним. Диспергирование макрофази з утворенням ліофільних дисперсних систем відбувається спонтанно - для цього достатньо енергії теплового руху. Такий процес здійснюється при значеннях поверхневого натягу s нижче деякого критичного. значення s _кр = B kТ / d 2. де d - розмір часток дисперсної фази. Т - абс. т-ра, k - постійна Больцмана. b - безрозмірний коеф. приймає значення приблизно 10-30. Освіта ліофобних дисперсних систем шляхом диспергування стабільної макрофази вимагає значних енергетичних. витрат, які визначаються сумарною площею пов-сті частинок дисперсної фази. У реальних умовах на освіту пов-сті при подрібненні твердих тіл або при розпилюванні і емульгуванні рідин доводиться лише невелика частина (частки відсотка) підводиться до системи енергії-інше витрачається на побічні процеси і розсіюється в навколишньому просторі (див. Диспергирование). Конденсаційний шлях утворення дисперсних систем пов`язаний із зародженням нової фази (або нових фаз) в пересичені метастабільною початковій фазі - майбутньої дисперсійному середовищі. Для виникнення високодисперсною системи необхідно, щоб число зародків нової фази було досить великим, а швидкість їх зростання не надто велика. Крім того, потрібна наявність факторів, що обмежують можливості надмірного розростання і зчеплення частинок дисперсної фази. Перехід спочатку стабільної гомог. системи в метастабільний стан може відбутися в результаті зміни термодинамич. параметрів стану (тиску. т-ри, складу). Так утворюються, напр. природні та штучні аерозолі (туман - з переохолоджених водяних парів. дими - з парогазових сумішей, що виділяються при неповному згорянні палива), нек-риє полімерні системи - з розчинів при погіршенні "термодинамич. якості" р-розчинника, органозолі металів шляхом конденсації парів металу спільно з парами орг. рідини або при пропущенні перших через шар орг. рідини. колоїдно-дисперсні полікрісталліч. тіла (металеві. сплави. нек-риє види гірських порід і мистецтв. неорг. матеріалів). Можливо також утворення дисперсних систем в результаті хім. р-ції в гомог. середовищі, якщо продукт р-ції при даних умовах знаходиться в агрегатному стані. відмінному від "материнської" фази, або практично не розчиняється в ній. Прикладами подібних систем можуть служити аерозолі з твердими частинками NH₄ Cl (утворюються при взаємодій. Газоподібних NH₃ і НСl), аерозолі з крапельно-рідкими частинками H₂ SO₄ (При взаємодій. SO₃ і водяної пари). У природі і технол. процесах часто утворюються гідрозолі різного складу при гідролізі солей і ін. сполуки. нестійких до дії води. Окісліт.-відновить. р-ції використовують для отримання золів Аu і Ag, розкладання Na₂ S₂ O₃ разб. сірчаної або соляної к-тій - для отримання гідрозолі елементарної сірки. Хім. або термохім. розкладання карбонатів. орг. порофору (пороутворювачів. вспенивающем агентів) і ін. сполуки. з виділенням газоподібних в-в в спочатку рідких середовищах лежить в основі пром. произова мн. пеноматериалов.
Стійкість дисперсних систем характеризується постійністю дисперсності (розподілу часток за розмірами) і концентрації дисперсної фази (числом частинок в одиниці об`єму). Наїб. складна в теоретич. аспекті і важлива в практич. відношенні проблема стійкості аерозолів і рідких ліофобних дисперсних систем. Розрізняють седиментаційну стійкість і стійкість до коагуляції (агрегатівную стійкість). Седиментаційно стійкі колоїдні системи з газової і рідким дисперсійним середовищем. в яких брало броунівський рух частинок перешкоджає оседанію- Грубодисперсні системи з однаковою щільністю складових їх фаз- системи, швидкістю седиментації в яких брало можна знехтувати через високу в`язкості середовища. В агрегативно стійких дисперсних системах безпосередній. контакти між частинками не виникають, частинки зберігають свою індивідуальність. При порушенні агрегативной стійкості дисперсної системи частинки, зближуючись в процесі броунівського руху. з`єднуються необоротно або швидкість агрегації стає значно більше швидкості дезагрегації. Між твердими частинками виникають безпосередні точкові ( "атомні") контакти, к-які потім можуть перетворитися в фазові (когезійні) контакти, а зіткнення крапель і бульбашок супроводжується їх коалесценції і швидким скороченням сумарної площі міжфазної пов-сті. Для таких систем втрата Агрегативна стійкості означає також втрату седімeнтаціонной стійкості. В агрегативно стійких системах дисперсний склад може змінюватися внаслідок изотермич. перегонки - мовляв. перенесення в-ва дисперсної фази від дрібних частинок до більших. Цей процес обумовлений залежністю тиску насиченої пари (або концентрації насиченого розчину) від кривизни пов-сті розділу фаз (див. Капілярні явища). Агрегативна стійкість і тривале існування ліофобних дисперсних систем зі збереженням їх св-в забезпечується стабілізацією. Для високодисперсних систем з рідким дисперсійним середовищем використовують введення в-в - стабілізаторів (електролітів. ПАР, полімерів). У теорії стійкості Дєрягіна-Ландау-фервея-Овербека (теорії ДЛФО) осн. роль відводиться іонно-електростатіч. фактору стабілізації. Стабілізація забезпечується електростатіч. відштовхуванням дифузних частин подвійного електричні. шару, к-рий утворюється при адсорбції іонів електроліту на пов-сті частинок. При недо-ром відстані між частинками відштовхування дифузних шарів обумовлює наявність мінімуму на потенц. кривої (дальній, або вторинний, мінімум-см. рис.). Хоча цей мінімум щодо неглибокий, він може перешкоджати подальшому зближенню частинок, притягує силами міжмолекулярної взаємодії. Близький, або первинний, мінімум відповідає міцному зчепленню частинок, при к-ром енергії теплового руху недостатньо для їх роз`єднання. Зближуючись на відстань, що відповідає цього мінімуму, частинки об`єднуються в агрегати, освіту яких брало веде до втрати системою агрегативной стійкості. При цьому стійкість системи до коагуляції визначається висотою енергетичних. бар`єру.

Залежність енергії взаємодії Е між частинками від відстані R: 1 і 2 - ближній і дальній мінімуми відповідно.

При введенні в дисперсні системи в якості стабілізатора ПАР фактором стабілізації м. Б. "Термодинамич. Пружність" плівок середовища, що розділяє частки. Стабілізація забезпечується тим, що при зближенні частинок, напр. крапель або газових бульбашок, відбувається розтягнення і утоньшение розділяє їх прошарку, що містить ПАР, і, як наслідок, порушення адсорбції. рівноваги. Відновлення цієї рівноваги і призводить до підвищення стійкості прошарку середовища, що розділяє частки. Гидродинамич. опір витісненню рідкого дисперсійного середовища з прошарку між зближуються частинками - один з кинетич. факторів стабілізації дисперсних систем. Він особливо ефективний в системах з високов`язкої дисперсійним середовищем. а при застекловиваніі останньої робить систему необмежено стійкою до агрегації частинок і коалесценції. Структурно-мех. фактор стабілізації, по П. А. Ребіндера, виникає при утворенні на міжфазній межі полімолекулярних захисних шарів з міцеллообразующих ПАР, високомолекулярних соед. а іноді і тонких суцільних або дискретних фазових плівок. Міжфазний захисний шар повинен мати здатність чинити опір деформацій і руйнування, достатньою рухливістю для "заліковування" виникли в ньому дефектів і, що особливо важливо, бути ліофілізований з зовн. боку, зверненої в бік дисперсійного середовища. Якщо захисний шар недостатньо ліофілен, він, оберігаючи частки від коалесценції. не зможе запобігти коагуляції. Структурно-мех. бар`єр є, по суті, комплексним фактором стабілізації, к-рий включає термодинамич. кинетич. і структурні складові. Він універсальний і здатний забезпечити високу агрегатівную стійкість будь-яких дисперсних систем з рідким дисперсійним середовищем. в т. ч. висококонцентрованих, наиб. важливих в практич. відношенні. Осн. св-ва дисперсних систем визначаються поверхневими явищами. адсорбцией. освітою подвійного електричного шару і обумовлених їм електрокінетичних явищ. контактними взаємодіями частинок дисперсної фази. Розмір частинок визначає оптич. (Светорассеяніє і ін.) І молекулярно-кінетичної. св-ва (дифузія. термофорез. осмос та ін.). Дисперсні системи повсюдно поширені в природі. Це - гірські породи. грунти. грунту, атм. і гідросферні опади, ростить. і тваринні тканини. Дисперсні системи широко використовують в технол. процессах- у вигляді дисперсних систем випускається більшість пром. продуктів і предметів побутового вжитку. Високодисперсні техн. матеріали (наповнені пластики. дісперсноупрочненние композиції. матеріали) відрізняються надзвичайно великою міцністю. На високорозвинених пов-стях інтенсивно протікають гетерог. і гетерог.-каталитич. хім. процеси. Вчення про дисперсні системи і поверхневих явищах в них становить сутність колоїдної хімії. Самостоят. розділ колоїдної хімії - фізико-хімічна механіка - ізучаeт закономірності структуроутворення та хутро. св-ва структурованих дисперсних систем і матеріалів в їх зв`язку з фіз.-хім. явищами на міжфазних межах.
===
Ісп. література для статті «Дисперсні системи». Ребиндер П. А. Поверхневі явища в дисперсних системах. Поверхневі явища. Обр. праці, М. 1978- Дерягин Б. В. «Успіхи хімії», 1979, т. 48, ст. 4, с. 675-721- Урьев Н. Б. Висококонцентровані дисперсні системи, М. 1980 Коагуляційні контакти в дисперсних системах, М. 1982- Капілярна хімія. під ред. К. Тамару, пров. з япон. М. 1983 Щукін Є. Д. Перцов А. В. Амеліна Е. А. Поверхневі явища. М. 1982- Див. Також літ. при статтях Колоїдна хімія. Поверхневі явища. Фізико-хімічна механіка. Л. А. Шіц. Е. Д. Щукін.