В какой области размеров специфические свойства дисперсных систем проявляются особенно интенсивно?

Итак, из материала предыдущей лекции Вы должны были усвоить, что современная коллоидная химия – это крупная область химической науки, изучающая свойства вещества в дисперсном состоянии и поверхностные явления в дисперсных системах. А что же такое дисперсные системы?

Все особенности дисперсных систем, связанные с поверхностными явлениями (например, поверхностное натяжение, способность к адсорбции, высокая реакционная способность и т. п.), обусловлены избыточной энергией, которой обладают атомы и молекулы в поверхностных слоях, по сравнению с атомами и молекулами в глубине тела (в объеме), а также малым размером частиц. Благодаря избыточной поверхностной энергии и малому размеру частиц вещество в дисперсном состоянии приобретает уникальные свойства. Эти свойства человек с древних времен использует в повседневной жизни (часто даже не задумываясь об этом), в науке и производстве. Без сомнения Вам тоже знакомы такие примеры.

Вспомните, как Вы поступаете при разжигании костра. Для того чтобы разжечь огонь, Вы не берете толстый картон или толстые ветки, а используете тонкую бумагу и мелкие щепки, которые воспламеняются гораздо легче. И чем тоньше щепки, тем легче происходит воспламенение. Это объясняется тем, что с уменьшением размера щепки, с одной стороны, увеличивается площадь контакта молекул воздуха с материалом древесины, а с другой стороны, увеличивается доля расположенных на поверхности щепки молекул, которые обладают повышенным запасом энергии и, соответственно, повышенной реакционной способностью, в том числе и в процессе горения. Известны случаи, когда взвесь очень мелкой древесной, сахарной или мучной пыли в воздухе взрывается от искры, т. е. горение в этом случае происходит с чрезвычайно большой скоростью. Так, 10 г муки или крахмала или 35 г сахара, распыленные в 1 м³ воздуха уже составляют взрывчатую смесь. При сгорании 1 г распыленного сахара в 3,7 дм³ воздуха температура доходит до 4300 °С, а давление – до 20 атм.

Аналогичные закономерности справедливы не только для процесса горения, но и для всех физико-химических процессов (химических и электрохимических реакций, растворения и др.). Например:

-растворение веществ происходит гораздо быстрее после их измельчения;

-повышенная реакционная способность высокодисперсных частиц широко используется в промышленности для синтеза высокоактивных катализаторов;

-величина сигнала всевозможных датчиков и сенсоров на действие отравляющих и горючих газов, ионов, света и других видов излучения возрастает во много раз при использовании в качестве чувствительных элементов материалов, полученных в наноразмерном (1-100 нм) состоянии;

-для проведения твердофазных синтезов (спекание твердых оксидов, металлов с оксидами и т. п.) реагирующие вещества предварительно тщательно измельчают, что позволяет существенно снизить температуру синтеза, избежав тем самым огромных затрат энергии; кроме того, иногда температура взаимодействия реагентов в массивном (не раздробленном) состоянии превышает температуру их разложения, и провести синтез в таких условиях невозможно.

Важно отметить, что получение материалов в наноразмерном состояния (1-100 нм) приводит не только к повышению их реакционной способности, но и к изменению целого ряда их физико-химических свойств, что в некоторых случаях может вызвать изменение механизмов различных реакций с участием таких систем. Данное утверждение особенно справедливо для процессов с участием наноразмерных полупроводниковых материалов, электронная структура и, соответственно, свойства которых чрезвычайно чувствительны к адсорбции различных веществ и действию излучений. Хорошо известно также, что для многих металлов и полупроводников (Ag, Au, Pb, Sn, In, Bi, Ga, CdS) наблюдается сильное понижение температуры плавления при их переводе в наноразмерное состояние.

Помимо рассмотренных выше уникальных свойств дисперсных систем, связанных с поверхностными явлениями, можно выделить ряд специфических свойств дисперсных систем, которые обусловлены именно малым размером частиц и малой массой (оптические свойства, диффузия, седиментация). Такие свойства будут рассмотрены ниже.

^ Иногда говорят, что коллоидная химия – это раздел физической химии. Так ли это и какова связь коллоидной химии с другими науками?

Первоначально коллоидная химия была традиционной составной частью физической химии. Однако по мере развития инструментальных методов исследования и расширения областей применения дисперсных систем коллоидная химия стала самостоятельной областью знаний.

Вследствие большого числа объектов, охватываемых коллоидной химией, и ее задач проявляется тенденция, с одной стороны, к привлечению методов синтеза и исследования структуры веществ из других наук наряду с классическими коллоидно-химическими методами (определение поверхностного натяжения и поверхностного давления, ультрамикроскопия, диализ, ультрафильтрация, дисперсионный анализ, порометрия, рассеяние света, электрофорез). В частности, в настоящее время в качестве экспериментальных методов исследования дисперсных систем применяются современные физические методы исследования, такие как рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС), ядерный магнитный резонанс (ЯМР), электронный парамагнитный резонанс (ЭПР), ядерный гамма-резонанс (ЯГР или мессбауэровская спектроскопия) инфракрасная (ИК), оптическая и ультрафиолетовая (УФ) спектроскопии, сканирующая электронная микроскопия (СЭМ), просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения (ЭМВР), электронно-зондовые методы, флуоресцентная микроскопия, эллипсометрия и др.

С другой стороны, имеется тенденция к выделению некоторых разделов коллоидной химии в самостоятельные научные дисциплины и использованию ее методов и идей в смежных областях науки. Так, из коллоидной химии выделилась физическая химия растворов полимеров; в значительной мере самостоятельно развиваются наука об аэрозолях, химия поверхности, химия ультрадисперсных систем (в последние годы нанохимия); некоторые коллоидно-химические проблемы, связанные с изучением функционирования биологических мембран и липосом, изучаются физико-химической биологией, биофизикой и электрохимией мембран.

Вопросы для самоконтроля знаний по материалу 1-й лекции

Не забудьте, что для ответа на эти вопросы, Вам необходимо прочитать 1-ю лекцию опорного конспекта по коллоидной химии и внимательно прослушать лекцию преподавателя!

1.
Дайте определение и назовите объекты исследования коллоидной химии.

2.
Охарактеризуйте значение коллоидной химии для развития промышленности, науки, охраны окружающей среды.

3.
Третий период, который можно выделить в истории коллоидной химии – это развитие современной коллоидной химии. Укажите два предыдущих периода и назовите основные этапы и имена ученых, с которыми связан третий период. Чему были посвящены их работы?

4.
Каковы тенденции развития современной коллоидной химии?

5.
Что такое коллоидное состояние вещества, и каковы его признаки?

6.
Как Вы думаете, какой из признаков дисперсных систем является более универсальным: гетерогенность или дисперсность? Почему?

7.
Продолжите ряд примеров материи в коллоидном состоянии: типографская краска, продукты питания, туман, паутина, почва, микроорганизмы, строительные материалы, ткани, раствор крахмала или яичного белка в воде...

8.
Какова связь коллоидной химии с другими науками?

Знакомимся с основными понятиями физической химии (для курсантов военного факультета)

Повторяем курс физической химии (для студентов химического факультета)

1.
Что такое система? Системой называют отдельное тело или группу тел, фактически или мысленно отделенных от окружающей среды. Окружающая среда – это все, что находится в прямом или косвенном контакте с системой.

2.
Дайте современное и полное определение понятия «фаза».

3.
Что такое гомогенная и гетерогенная системы? Систему называют гомогенной, если она состоит из одной фазы (например, вода или лед). Гетерогенная система состоит из нескольких фаз (вода со льдом).

ЛЕКЦИЯ 2
«Степень дисперсности есть только один из главных признаков коллоидного состояния, и многие свойства дисперсных систем являются функцией их степени дисперсности»

^ С.М. Липатов

^ Дисперсные системы – это гетерогенные системы, состоящие из двух или большего числа фаз с сильно развитой поверхностью раздела между ними. Особые свойства дисперсных систем обусловлены именно малым размером частиц и наличием большой межфазной поверхности. В связи с этим определяющими являются свойства поверхности, а не частиц в целом. Характерными являются процессы, происходящие на поверхности, а не внутри фазы. Отсюда становится понятным, почему коллоидную химию называют физико-химией поверхностных явлений и дисперсных систем.

Особенность дисперсных систем состоит в их дисперсности – одна из фаз обязательно должна быть раздробленной, ее называют дисперсной фазой. Сплошная среда, в которой распределены частицы дисперсной фазы, называется дисперсионной средой. Фаза считается дисперсной, если вещество раздроблено хотя бы в одном направлении. Если вещество раздроблено только по высоте, образуются пленки, ткани, пластины и т. д. Если вещество раздроблено и по высоте и по ширине, образуются волокна, нити, капилляры. Наконец, если вещество раздроблено по всем трем направлениям, дисперсная фаза состоит из дискретных (отдельных) частиц, форма которых может быть самой разнообразной.

^ Какие признаки можно положить в основу классификации дисперсных систем?

Дисперсные системы можно классифицировать по многим признакам, что связано с огромным множеством объектов, которые изучает коллоидная химия. В качестве основного классификационного признака можно выделить размер частиц дисперсной фазы:
- Грубодисперсные (> 10 мкм): сахар-песок, грунты, туман, капли дождя, вулканический пепел, магма и т. п.

- Среднедисперсные (0,1-10 мкм): эритроциты крови человека, кишечная палочка и т. п.

- Высокодисперсные (1-100 нм): вирус гриппа, дым, муть в природных водах, искусственно полученные золи различных веществ, водные растворы природных полимеров (альбумин, желатин и др.) и т. п.

- Наноразмерные (1-10 нм): молекула гликогена, тонкие поры угля, золи металлов, полученные в присутствии молекул органических веществ, ограничивающих рост частиц, углеродные нанотрубки, магнитные нанонити из железа, никеля и т. п.

Здесь отметим, что классификацию дисперсных систем по размеру частиц мы рассматриваем первой не случайно. ^ Именно размер частиц (линейный размер, а не вес и не число частиц атомов в частице!) является важнейшим количественным показателем дисперсных систем, определяющим их качественные особенности. По мере изменения размеров частиц изменяются все основные свойства дисперсных систем: реакционная, адсорбционная способность; оптические, каталитические свойства и т. д. Современная коллоидная химия изучает дисперсные системы с широким диапазоном размеров частиц: от грубодисперсных (10^-6-10^-4 м) до высокодисперсных или собственно коллоидных (10^-9-10^-7 м).

В области коллоидной степени дисперсности, т. е. в области размеров от 1 нм до 0,1 мкм. По размеру частиц коллоидные системы занимают промежуточное положение между грубодисперсными и молекулярными системами. Можно считать, что в коллоидных системах достигается высшая степень раздробленности вещества, при которой сохраняется понятия «фаза» и «гетерогенность». Уменьшение размеров частиц еще на порядок переводит системы в гомогенные.

Вещества, полученные в коллоидном состоянии, как правило, обладают более интенсивной окраской, большей прочностью и твердостью по сравнению с массивными телами такого же химического состава. Многие вещества, практически нерастворимые, заметно растворяются, находясь в высокодисперсном состоянии. При увеличении степени дисперсности веществ, наряду с изменением указанных свойств, появляются и совершенно новые, характерные только для коллоидного состояния свойства. Такие свойства связаны главным образом с тем, что структура мелких частиц, состоящих из небольшого числа атомов или атомных группировок, отличается от кристаллической структуры объемных фаз. При измельчении твердых материалов до наноразмерного состояния наблюдается переход от зонной электронной структуры к набору отдельных электронных уровней, что, наряду с поверхностными явлениями, обусловливает возникновение нетипичных для объемных фаз электрофизических, адсорбционно-каталитических и оптических свойств. Так, a-Fe₂O₃, являющийся полупроводником n -типа, будучи полученным в виде тонких пленок в высокодисперсном состоянии, ведет себя как полупроводник p -типа. Эффективность и характер взаимодействия субстрата с катализатором зависит от его коллективных электронных свойств – расположения энергетических зон и локальных уровней электронов, работы выхода электрона, концентрации носителей тока и др., которые в случае коллоидно-дисперсных материалов в определяются именно их дисперсностью и состоянием поверхности.

Дата добавления: 2014-01-04