Возникает вопрос, а достаточно ли для получения стабильных в течение длительного времени коллоидов только достижения требуемой степени дисперсности?

Среди дисперсных систем наиболее четко выраженными коллоидно-химическими свойствами обладают системы с размером частиц 10-9-10-7 м. Именно эти системы называютистинно коллоидными или просто коллоидными системами. Наиболее типичными их представителями являются золи, т. е. высокодисперсные системы Т/Ж или Т/Г (аэрозоли). Как Вы узнали из предыдущей лекции, коллоидные системы занимают промежуточное положение между истинными растворами (молекулярно- или ионно-дисперсными системами) и грубодисперсными системами. Соответственно, для получения коллоидных систем принципиально могут быть использованы два подхода.

Вы уже усвоили, что дисперсные системы состоят из дисперсной фазы и дисперсионной среды. При этом необходимым условием существования дисперсных систем является нерастворимость вещества дисперсной фазы в дисперсионной среде. Однако возникает вопрос, а реализуется ли в дисперсных системах взаимодействие между фазами и что под этим подразумевается?

Под взаимодействием фаз дисперсных систем подразумевают процессы сольватации (гидратации в случае водных систем), т. е. образование сольватных (гидратных) оболочек из молекул дисперсионной среды вокруг частиц дисперсной фазы. Соответственно, по интенсивности взаимодействия между веществами дисперсной фазы и дисперсионной среды (только для систем с жидкой дисперсионной средой), по предложению Г. Фрейндлиха различают следующие дисперсные системы:

- Лиофильные (гидрофильные, если ДС – вода): мицеллярные растворы ПАВ, критические эмульсии, водные растворы некоторых природных ВМС, например, белков (желатина, яичного белка), полисахаридов (крахмала). Для них характерно сильное взаимодействие частиц ДФ с молекулами ДС. В предельном случае наблюдается полное растворение. Лиофильные дисперсные системы образуются самопроизвольно вследствие процесса сольватации. Термодинамически агрегативно устойчивы.

- Лиофобные (гидрофобные, если ДС – вода): эмульсии, суспензии, золи. Для них характерно слабое взаимодействие частиц ДФ с молекулами ДС. Самопроизвольно не образуются, для их образования необходимо затратить работу. Термодинамически агрегативно неустойчивы (т. е. имеют тенденцию к самопроизвольной агрегации частиц дисперсной фазы), их относительная устойчивость (так называемая метастабильность) обусловлена кинетическими факторами (т. е. низкой скоростью агрегации).

(А теперь воспользуйтесь Вашими знаниями классификации дисперсных систем по размеру частиц и с этой точки зрения дайте характеристику всем вышеперечисленным лиофильным и лиофобным системам.)

^ По агрегатному состоянию фаз В. Оствальд предложил ставшую весьма распространенной классификацию:

Таблица 1. Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию фаз

ДФ	Жидкая	Газообразная	Твердая
Твердая	Т/Ж – суспензии, золи:суспензии металлов и других твердых частиц, золи металлов и их оксидов	^ Т/Г – пыли, дымы, порошки: промышленные выбросы твердых частиц в атмосферу, дым от костра, песчаные бури, мучная и дорожная пыль в воздухе, аэрозоли твердых лекарственных веществ	^ Т/Т – сплавы, твердые коллоидные растворы:сплавы металлов, оксидные и металлоксидные композиционные материалы, минералы
Жидкая	Ж/Ж – эмульсии, кремы:молоко, сметана, нефть, косметические кремы	^ Ж/Г – аэрозоли с жидкой ДФ:туман, капли дождя, распыленная струя охлаждающей жидкости, распыленные в воздухе духи, жидкое топливо в камере сгорания) туманы	^ Ж/Т – пористые тела, заполненные жидкостью, капиллярные тела, гели:клетки живых организмов, жемчуг, глины, яблоко
Газооб-разная	Г/Ж – пены:мыльная пена, пивная пена, пена для тушения пожаров	–	^ Г/Т – пористые и капиллярные системы, ксерогели: пемза, активированный уголь, силикагель, пенопласт, древесина, бумага, картон, текстильные ткани

Итак, принципиально возможно существование 9 комбинаций агрегатных состояний частиц ДФ и ДС. А Вы догадались, почему мы оставили незаполненной строку для систем с газообразными ДФ и ДС?

Систему Г/Г как коллоидную рассматривать не стоит, поскольку газы растворимы друг в друге и образуют гомогенную систему, т. е. не выполняется необходимое для образования коллоидной системы требование гетерогенности. Поэтому образование дисперсных систем типа Г/Г с явными границами раздела фаз невозможно, однако и в газовых смесях возникают неоднородности, обусловленные флуктуациями плотности и концентрации, что до некоторой степени роднит эти системы с дисперсными. Например, по характерным оптическим свойствам: голубой цвет неба связан с рассеянием света на неоднородностях атмосферы.

Интересно отметить, что существуют также дисперсные системы, состоящие только из одной фазы. Например, космическая пыль в безвоздушном космическом пространстве (вакууме) может рассматриваться как однофазная дисперсная система.

^ Как учитывается взаимодействие частиц дисперсной фазы при выделении классификационных типов дисперсных систем?

В соответствии с кинетическими свойствами дисперсной фазы различают свободнодисперсные и связнодисперсные системы. Выделяют также разбавленные и концентрированные системы. В связнодисперсных системах одна из фаз структурно закреплена (между частицами реализуется взаимодействие, они «связаны» друг с другом) и не может перемещаться свободно. В свободнодисперсных системах частицы обособлены и участвуют в тепловом движении и диффузии. В разбавленных связнодисперсных системах частицы образуют сплошную пространственную сетку (дисперсную структуру) – возникают гели. Дисперсные системы любого типа, полученные в концентрированном состоянии (пасты, мази, густые золи, густые аэрозоли и т. п.), также относят к связнодисперсным системам. В концентрированных дисперсных системах независимое движение частиц дисперсной фазы затруднено, и для них характерна некоторая степень структурированности, что и позволяет их рассматривать как связнодисперсные системы.

^ А знаете ли Вы о существовании классификации дисперсных систем по характеру распределения фаз, образованных дисперсными частицами и дисперсионной средой?

Согласно данной классификации наиболее распространенным видом дисперсных систем является такая система, состоящая из сплошной (континуальной) дисперсионной среды – газ, жидкость, твердое тело. В ряде случаев дисперсионная среда состоит из сообщающихся друг с другом тонких прослоек (каналов), размеры которых соответствуют размерам частиц дисперсной фазы. По существу в этом случае обе фазы являются дисперсными. Такие системы называют биконтинуальными. Пример: пористая среда с частицами и порами дисперсных размеров.

^ Вопросы и задания для самоконтроля знаний по материалу 2-й лекции

1.
Что такое дисперсные системы? Приведите примеры дисперсных систем.

2.
Какие дисперсные системы изучает коллоидная химия? Являются ли объектами изучения коллоидной химии системы:

а) мелкая галька на морском дне;

б) сладкий чай в стакане;

в) сорбент с открытой пористостью (поры связаны между собой в единую систему)?

г) клеточная мембрана, т. е. оболочка клетки, которая состоит из двух или четырех слоев больших органических молекул липидов и белков.

3.
К чему приведет неограниченное диспергирование гетерогенной дисперсной системы?

4.
Чем определяется своеобразие свойств вещества в коллоидном состоянии?

5.
Какие количественные характеристики дисперсности Вы знаете?

6.
Рассчитайте удельную поверхность частиц кубической формы с длиной ребра l = 10^-8 м, нитей с сечением 10^-8 × 10^-8 м и пленки толщиной 10^-8 м.

7.
Найдите общую поверхность 1 кг сферических частиц угля, если средний диаметр частиц 7∙10^-2 мм, а плотность угля 1,8∙10³ кг/м³.

8.
Удельная поверхность силикагеля равна 8,3∙10³ м²/кг. Рассчитайте средний диаметр частиц силикагеля, если его плотность равна 2,2 г/см³.

9.
Коллоидные частицы палладия (Pd) в матрице из оксида алюминия катализируют реакцию гидрирования этена с образованием этана: CH₂=CH₂ + H₂ → CH₃–CH₃.

Ниже приведены характеристики различных катализаторов:
Диаметр частиц Pd (Å) 55 75 75 115 145

Концентрация частиц Pd (ppm^*) 170 250 200 250 250

Выход этана в пересчете

на 25 мг катализатора (%) 50 45 40,5 38,5 29
^* ppm (parts per million) – количество искомых частиц на миллион всех частиц композиции
а) Проанализируйте зависимость активности катализатора от массы Pd и от площади удельной поверхности частиц Pd.

б) На основании результатов Вашего анализа сделайте вывод о том, связана ли активность катализатора со свойствами объемной фазы Pd или она определяется именно особым состоянием поверхности частиц Pd.

10.
Что такое лиофильные коллоиды? Что такое лиофобные коллоиды? Приведите несколько примеров.

11.
Перечислите основные признаки, положенные в основу классификации дисперсных систем.

12.
Что означает термин «стабильность» применительно к коллоидным системам? В чем разница между кинетической и термодинамической стабильностью коллоидов?

13.
Приведите не менее пяти примеров термодинамически устойчивых коллоидных систем.

14.
Поясните разницу между терминами «агрегация» и «коалесценция». Приведите пять примеров процессов, в которых имеет место агрегация частиц.

15.
Приведите названия дисперсных систем, образованные от латинских слов «частица», «нить», «пленка». На каком признаке основана эта классификация?

16.
Охарактеризуйте дисперсные системы, приведенные ниже и описанные А. Блоком в стихотворении «Незнакомка», основываясь на классификации по агрегатному состоянию и размеру частиц дисперсной фазы: холодное молоко, горячее молоко, сливочное масло, маргарин, хлеб, зубная паста, описанные алхимиками коллоидные растворы золота, драгоценные камни, противопожарная пена, кровь, активированный уголь.

«...дыша духами и туманами,

Она садится у окна...»
«...вдали над пылью переулочной,

Над скукой загородных дач...»

17.
Какое отношение к коллоидной химии имеют растворы полимеров? Какие типичные коллоидные системы на основе полимеров Вы знаете?

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

Повторяем курс физической химии (для студентов химического факультета)

1.
Что такое термодинамическая система? Какие системы называют открытыми, закрытыми, изолированными?

2.
Что такое термодинамические параметры, функции состояния?

3.
Что такое внутренняя энергия, энтальпия, энтропия?

4.
Какие термодинамические функции определяют возможность самопроизвольного протекания процесса в изолированной системе, в закрытой системе?

5.
Какова связь энергии Гиббса и Гельмгольца с работоспособностью системы?

6.
Известно, что лиофобные коллоидные системы с течением времени разделяются на отдельные фазы. С каким началом термодинамики это связано?

ЛЕКЦИЯ 3
«Приготовление искусственных минеральных коллоидов является работой весьма деликатной в виду характерной для них нестойкости»

Л. Менье

Коллоидные системы могут быть получены либо путем ассоциации (метод конденсации) молекул или ионов истинных растворов, либо увеличением степени раздробленности частиц ДФ грубодисперсных систем (метод диспергирования). При этом достигается коллоидная степень дисперсности (10⁹-10⁷ м^-1).

Диспергирование и конденсация – два общих подхода к получению не только золей, но и других дисперсных систем: порошков, суспензий, эмульсий.

Вспомним классификацию дисперсных систем по характеру взаимодействия между частицами дисперсной фазы и дисперсионной средой. Так, для систем, в которых указанное взаимодействие сильно выражено, т. е. лиофильных систем реализуется самопроизвольное образование, причем образующиеся системы являются термодинамически устойчивыми относительно процессов слипания (агрегации) частиц и, соответственно, последующего расслоения на отдельные фазы. Получение лиофильных систем не требует специальных приемов (например, введения стабилизатора) для повышения их устойчивости. Примерами лиофильных систем могут быть критические эмульсии, мицеллярные растворы ПАВ, растворы некоторых ВМС (например, растворы яичного белка, крахмала или желатина в воде образуются самопроизвольно и в дальнейшем не расслаиваются).

Для лиофобных систем, напротив, характерно слабое взаимодействие между частицами дисперсной фазы и дисперсионной среды (малое сродство). Выигрыш энергии от сольватации частиц дисперсной фазы молекулами дисперсионной среды, а также увеличение энтропии системы (Подумайте, за счет чего здесь возрастает энтропия.) не компенсирует полностью избыточную энергию на межфазной поверхности, которая накапливается в системе в процессе диспергирования в результате увеличения площади межфазной поверхности. Такие системы являются термодинамически неустойчивыми. Они могут быть получены путем принудительного диспергирования или конденсации, т. е. для их образования требуется затратить внешнюю работу. Для стабилизации лиофобных систем необходимо присутствия стабилизатора, который концентрируется на межфазной поверхности и понижает общую энергию системы, а также образует оболочки, физически препятствующие агрегации частиц. Роль стабилизатора могут выполнять электролиты, ПАВ, белковые соединения и т. п. Лиофобными дисперсными системами являются, например, водные суспензии и золи твердых частиц (металлов, оксидов металлов и др.), которые слабо взаимодействуют с водой, эмульсии слабо взаимодействующих жидкостей (вспомните, например, как при приготовлении зеленого салата Вы смешиваете растительное масло и уксус), суспензии лекарственных средств в воде (Вы, наверное, не раз пользовались лекарствами с надписью «Перед употреблением взболтать!») и т. п.

Дата добавления: 2014-01-04