Получение

Классификация

ПОЛУЧЕНИЕ И ОЧИСТКА ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ

II. Д И С П Е Р С Н Ы Е С И С Т Е М Ы

ГЛАВА 4

Дисперсные системы - это гетерогенные системы, состоящие из двух или более фаз с сильно развитой поверхностью раздела между ними. Одна из фаз образует непрерывную дисперсионную среду (ДС), по объёму которой распределена дисперсная фаза (ДФ), состоящая, как правило, из множества мелких твёрдых частиц, жидких капелек или пузырьков газа.

В некоторых дисперсных системах с большой объёмной концентрацией дисперсной фазы, как, например, в пастах, пенах или желатинированных эмульсиях, дисперсионная среда существует в виде тонких плёнок или прослоек между частицами дисперсной фазы, но, тем не менее, она остаётся непрерывной. Существуют и системы с взаимопроникающими дисперсной фазой и дисперсионной средой, - гели, структурированные жидкости и т. п. Часто бывает трудно чётко определить, что именно является в них дисперсной фазой, а что - дисперсионной средой, в особенности при примерно одинаковых объёмных концентрациях обеих. В таких случаях следует применять «генетический» подход и считать дисперсной фазой твёрдый каркас, образовавшийся из первоначально свободных частиц суспензии, пасты или коллоидного раствора.

- По размерам частиц дисперсной фазы и по степени дисперсности.

Системы, частицы ДФ в которых имеют размеры меньше 10^-9 м, являются молекулярно-дисперсными или истинными растворами и в коллоидной химии не рассматриваются. Не изучаются в ней также и гетерогенные системы с крупными частицами, поперечник которых составляет более 10^-4 м. Как было сказано в главе 1, к объектам коллоидной химии относятся 2 класса дисперсных систем:

Размеры частиц ДФ, м	Степень дисперсности, м^-^1	Название систем
10^-^9 - 10^-^7	10^9 - 10^7	Ультрамикрогетерогенные (собственно коллоидные)
10^-^7 - 10^-^4	10^7 - 10^4	Микрогетерогенные (грубодисперсные)

Системы с частицами приблизительно одинаковых размеров называются монодисперсными;с частицами различных размеров - полидисперсными.

- По агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды все дисперсные системы можно разделить на 8 типов (газы обычно хорошо смешиваются друг с другом и поэтому дисперсные системы, состоящие из газовых частиц в газовой же среде, не существуют). Сокращённо обозначение типа записывают в виде дроби, причём в числителе пишется индекс дисперсной фазы, а в знаменателе - дисперсионной среды, например, Т/Ж (твёрдые частицы в жидкой среде) или Ж/Г (жидкие частицы в газовой среде). Ультрамикрогетерогенные системы с жидкой средой первоначально были названы золями(от solution – раствор). Затем это название было распространено и на системы с другими средами, с соответствующими определениями: солидозоли (золи с твёрдой средой), аэрозоли(золи с воздушной или любой газовой средой). Золи с жидкой дисперсионной средой при этом называют лиозолями. Если же требуется уточнение природы среды, применяются такие термины, как гидрозоли(среда водная) и органозоли(среда – органическая жидкость), а также и более детализированные – этерозоли (эфирная среда), алкозоли (спиртовая среда), бензозоли (бензольная или бензиновая среда) и т. д. Аналогичные обозначения приняты и для суспензий(гидросуспензии, органосуспензии ит. д.).

Агрегатное состояние	Обозначение	Классы	Примеры
ДФ	ДС
Т	Т	Т/Т	1. Твёрдые золи (солидозоли)	Некоторые минералы, цветные стёкла и пластмассы, сплавы
Ж	Т	Ж/Т	Твёрдые эмульсии*	Сливочное масло, маргарин, консистентные смазки
Г	Т	Г/Т	1. Твёрдые пены*	Пенопласты, поролон, пенорезина, хлеб, пористый шоколад
2. Аэрогели (ксерогели)*	Силикагель, активированный уголь, строительные материалы (кирпич, черепица), керамика, фарфор, фаянс
Т	Ж	Т/Ж	1. Коллоидные растворы (лиозоли)	Некоторые минеральные воды, содержащие сероводород; лекарственные золи (напр., «Протаргол») и др.
2. Суспензии(взвеси)*	Взвесь глины в воде, некоторые жид­кие лекарственные формы, суспензия BaSO4 для рентгено­ско­пии, жидкие краски, тушь
3. Пасты*	Глинистый раствор, глиняное и фарфоровое «тесто», мучное тесто
4. Лиогели*	Почвы; лекарственные гели (напр., “Альмагель”)
Ж	Ж	Ж/Ж	Эмульсии*	Молоко, сливки, сметана, растительные масла, сырая нефть, лекарственные эмульсии
Г	Ж	Г/Ж	1. Газовые эмульсии*	Минеральные воды, газированные напитки
2. Пены*	Мыльная и пожаротушащая пены, пенные ранозаживляющие лекарства (напр., «Пантенол»), «кислородный коктейль», кондитерские кремы
Т	Г	Т/Г	1) Аэрозолис твёрдыми частицами (дымыи пыли)	Дым, дымовые завесы, окуривающие составы, пыль, аэрозольные лекарственные и парфюмерные средства, дезодоранты, ядохимикаты, инсектициды и др.
2) Порошки*	Удобрения, сухие пигменты для изготовления красок, строительные материалы (цемент, гипс), сажа, пищевые продукты (мука, молотый и растворимый кофе, какао, крахмал, сахарная пудра и др.), косметическая пудра, лекарственные порошки и др.
Ж	Г	Ж/Г	Аэрозолис жидкими частицами (туманы)	Облака, туман, ингаляционные смеси, аэрозольные краски, косметические и парфюмерные средства (напр., лаки для волос) и др.

* грубодисперсные системы

- По подвижности частиц дисперсной фазы (по структуре) дисперсные системы делят на две группы: свободнодисперсные, частицы которых могут перемещаться в среде независимо друг от друга (золи, суспензии, эмульсии, мицеллярные растворы ПАВ, аэрозоли) и связнодисперсные, подвижность частиц в которых сильно затруднена или вообще невозможна. Связнодисперсные системы, в свою очередь, подразделяются на системы с твёрдой дисперсионной средой (твёрдые золи, твёрдые эмульсии) и системы с гелеобразной структурой - гели, а также студни.

Если частицы дисперсной фазы в свободнодисперсных системах достаточно малы, они могут участвовать в броуновском движении.

- По межфазному взаимодействию дисперсные системы с жидкой средой делят на лиофильные и лиофобные. Для лиофильных характерно сильное межфазное взаимодействие вещества дисперсной фазы со средой. Они термодинамически устойчивы и могут образоваться самопроизвольным диспергированием (например, мицеллярные растворы ПАВ, глинистые взвеси, микроэмульсии). Ранее к ним относили и растворы высокомолекулярных веществ, но в настоящее время считается, что они, будучи истинными растворами, не являются дисперсными системами.

Лиофобные системы характеризуются низкой смачиваемостью вещества частиц дисперсной средой, слабым взаимодействием их друг с другом и невозможностью самопроизвольного диспергирования. К этой группе относится подавляющее большинство дисперсных и коллоидных систем.

Разнообразие типов и форм дисперсных систем служит причиной многочисленности методов их получения, общих и специальных, порой граничащих с искусством.

Поверхность реальной твёрдой частицы дисперсной фазы состоит из выступов, впадин, участков различной кривизны. Силовое поле, и, следовательно, локальные значения поверхностной энергии различны на этих участках; поэтому две системы одного и того же состава с одинаковой удельной поверхностью могут оказаться энергетически неравноценными. Таким образом, дисперсным, и в том числе, коллоидным системам в значительной мере присущи невоспроизводимость и индивидуальность. Например, даже в хорошо опробованном и совершенно стандартном технологическом процессе, не всегда удается получить равноценные, одинаковые образцы активированного угля, масляных красок, косметических и фармацевтических мазей и т. п.

При любых методах согласно теории, разработанной П. Веймарном, следует соблюдать такие условия получения дисперсных систем:

1. Вещество дисперсной фазы должно быть нерастворимо в веществе дисперсионной среды. При полной взаимной растворимости невозможно образование межфазной поверхности раздела, а при частичной (ограниченной) будет наблюдаться изменение во времени размеров частиц, а также состава дисперсионной среды, причём эти изменения будут различными в зависимости от температуры.

2. В системе должен присутствовать стабилизатор. В принципе дисперсные системы агрегативно неустойчивы, т. е. их частицы стремятся к объединению (агрегации). Роль стабилизатора заключается в придании системам агрегативной устойчивости, т. е. в затруднении или невозможности агрегации при случайных столкновениях частиц в результате броуновского движения или перемешивания. Следует отметить, что некоторые системы, в особенности с очень малой концентрацией частиц, могут довольно долго существовать и без присутствия стабилизатора. Однако следует помнить, что агрегация в них идёт всё время, хотя и очень медленно из-за больших относительных расстояний между частицами.

3. При получении коллоидных систем с газовой и, в особенности, с жидкой средой важным условием является малая концентрация частиц дисперсной фазы. При больших концентрациях из-за высокой частоты столкновений возможно нарушение агрегативной устойчивостидаже в присутствии стабилизатора. Для грубодисперсных систем с жидкой средой это условие не является обязательным по причине невысокого значения свободной поверхностной энергии, пропорциональной межфазной поверхности раздела (см. п. 1.1), и малой интенсивности броуновского движения. Роль стабилизатора при этом могут играть гидратные (сольватные) оболочки частиц.

Коллоидные и микрогетерогенные системыпо размерам частиц занимают промежуточное положение между обычными гетерогенными и молекулярными системами. Поэтому к получению их ведут два пути: либо дробление крупных кусков вещества до требуемой степени дисперсности (диспергирование), либо объединение молекул или ионов в агрегаты коллоидных размеров (конденсация). В соответствии с этим существуют диспергационные и конденсационные методы получения лиофобных дисперсных систем.

Дата добавления: 2014-01-04