Дисперсные системы. Состояние вещества на границе раздела фаз.

Большинство веществ и материалов, которые возникают естественным или создаются искусственным путём, находятся в раздробленном (дисперсном) состоянии. Подобное состояние характерно для сырья, полуфабрикатов и конечной продукции различных промышленных и с/х производств для грунта, почвы, атмосферы и водоёмов Земли и процессов в Космосе.

Особенности свойства в-в и материалов, обусловленные их раздробленностью, изучает коллоидная химия – наука о дисперсных системах и поверхностных явлениях. Коллоидная химия -–наука, изучающая свойства гетерогенных высокодисперсных систем и протекающих в них процессов.

Коллоидное состояние в-ва – это состояние, в котором в-во находится в высокодисперсном (сильно раздробленном) виде, отдельные его частицы являются не молекулами, а агрегатами, состоящими из множества молекул. Молекулы среды, в которой диспергированы коллоидные частицы, образуют другую фазу. Следовательно, коллоидный раствор представляет собой гетерогенную систему. Наиболее типичный процесс для коллоидных систем – коагуляция, т.е. слипание отдельных агрегатов под действием межмолекулярных (не химических) сил.

Дисперстные системы гетерогенны, они состоят из 2-х фаз, одна из которых обязательно раздроблена, прерывна (дисперсная фаза), а другая – непрерывна, нераздроблена (дисперсионная среда).

Раздробленность приводит к резкому увеличению поверхности раздела фаз, а это, в свою очередь, придает дисперсным системам особые, характерные только для них свойства (т.е. количественные изменения приводят к возникновению нового качества – дисперсности).

Между дисперсной фазой и дисперсионной средой образуется граница раздела. Необходимым условием образования дисперсных систем является нерастворимость или ограниченная взаимная растворимость дисперсной фазы и дисперсионной среды.

Поверхностные явления возникают на границе раздела фаз, т.е. на границе между дисперсной фазой и дисперсионной средой.

Примеры дисперсных систем: взвесь эритроцитов, кишечной палочки, вирус гриппа, золь золота.

Дисперсность (D) является основной характеристикой дисперсной системы и мерой раздробленности вещества. Математически дисперсность определяют как величину, обратную размеру частиц: D = 1/a, где a - размер частиц.

Классификация дисперсных систем.

1. По агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды

Система «газ в газе» не существует, т.к. является гомогенной молекулярной, в ней отсутствуют границы раздела.

1. В зависимости от размера частиц дисп.фазы:

- грубодисперсные (с радиусом частиц = 10^-4 – 10^-7 м.

- коллоидно-дисперсные (золи) с размером частиц 10^-7 – 10^-9 м.

- молекулярные и ионные растворы (менее 10^-9 м).

3. По степени взаимодействия дисп.фазы с дисп.средой:

- лиофильные (системы, в которых выражено взаимодействие частиц д.ф. с растворителем). Примеры: дисперсии некоторых глин и ПАВ, растворы ВМС.

- лиофобные (когда частицы д.ф. состоят из вещества, слабо взаимодействующего со средой). Примеры: коллоид.растворы – золи металлов (Аu, Ag), галогенидов Ag.

4. По отсутствию или наличию взаимодействия между частицами д.ф.:

- свободно-дисперсные (частицы д.ф. не связаны между собой и могут свободно перемещаться: лиозоли, аэрозоли, суспензии, эмульсии)

- связно-дисперсные (одна из фаз структурно закреплена и не может перемещаться свободно: гели, студни, пены, капиллярно-пористые тела (диафрагмы), твёрдые растворы).

Под устойчивостью дисперсной системы понимают постоянство во времени ее состояния и основных свойств: дисперсности, равномерного распределения частиц дисперсной фазы в объеме дисперсионной среды и характера взаимодействия между частицами.

Вопросы устойчивости дисперсных систем занимают центральное место в коллоидной химии, т.к. основной класс коллоидных систем – лиофобные коллоиды (в которых частицы дисперсной фазы слабо взаимодействуют со средой) - термодинамически нестабильны, т.е. склонны к коагуляции (слипание частиц). При коагуляции изменяются физико-химические свойства системы: появляются мутность, снижается осмотическое давление, изменяется электропроводимость и характер вязкости.

На изменении физико-химических свойств основаны методы наблюдения и изменения процесса коагуляции.

Фактором, вызывающим коагуляцию, может быть любой агент, нарушающий агрегативную устойчивость системы. Например, изменение температуры (сильное нагревание или охлаждение, вплоть до замораживания), механическое воздействие (интенсивное встряхивание, перемешивание), действие света и различного рода излучений, действие электрических разрядов. Однако, наиболее важным фактором является действие электролитов

Коагуляция представляет собой укрупнение частиц в результате слипания или слияния частиц дисперсной фазы при потере системой агрегативной устойчивости. Придание системам устойчивости требует специальных методов стабилизации. Только при таких условиях возможно получение и использование многих ценных материалов, продуктов и др. изделий, в частности, лекарственных препаратов (мази, суспензии, эмульсии, болтушки).

Существует два вида устойчивости дисперсных систем:

1) седиментационная (кинетическая),

2) агрегативная.

Седиментационная устойчивость позволяет системе сохранять равномерное распределение частиц в объеме, т.е. противостоять действию силы тяжести и процессам оседания или всплывания частиц.

Основным условием этой устойчивости является высокая дисперсность и участие частиц дисперсной фазы в броуновском движении.

Агрегативная устойчивость дисперсных систем – способность противостоять агрегации (склеиванию) частиц.

Поверхностные явления обусловлены поверхностной энергией и особыми свойствами дисперсных систем.

Поверхностная энергия является избыточной по сравнению с энергией в объеме и сосредоточена на границе раздела фаз.

Увеличение поверхности раздела в результате раздробленности дисперсной фазы приводит к росту поверхностной энергии, которая в свою очередь служит причиной поверхностных явлений.

Высокие значения поверхностной энергии и поверхностные явления – это то общее, что объединяет многочисленные дисперсные системы.

Поверхностными явлениями называют процессы, происходящие на границе раздела фаз и обусловленные особенностями свойства и строения поверхностного (пограничного) слоя.

Все поверхности раздела в зависимости от агрегатного состояния пограничных фаз делятся на 2 типа:

1) подвижные поверхности раздела: между жидкостью и газом, между 2мя несмешивающимися жидкостями (вода и масло),

2) неподвижные поверхности раздела: между твердым телом и газом, твердым телом и жидкостью, между 2мя твердыми телами.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: