Свойства дисперсных систем разных типов

Основные свойства ДС

1. Наличие большой удельной поверхности приводит к тому, что для ДС определяющими являются свойства поверхности, а не самой частицы, а характерными являются процессы, протекающие на поверхности, а не внутри фазы. Отсюда следует, что прежде чем изучать свойства ДС необходимо изучить закономерности поверхностных являений, поэтому первый раздел коллоидной химии - “Поверхностные явления”. Но уже из физики мы знаем, что всякая межфазная поверхность характеризуется поверхностным натяжением (s), т.е. энергией, которую надо затратить, чтобы образовать единицу поверхности. Эту энергию получают молекулы (или другие частицы), которые оказываются на вновь образованной поверхности, т.е. они обладают избытком свободной энергии. А это обусловливает следующие свойства ДС:

2. ДС являются термодинамически неустойчивыми системами и не могут образоваться самопроизвольно: при Р, Т = const образование ДС сопровождается увеличением свободной энергии Гиббса (DG)

DG_{Р, Т} = DН - ТDS + s_1,2 × DS_1,2 > 0!

где DН - тепловой эффект образования ДС;

DS - изменение энтропии системы при образовании ДС;

какими бы не были по знаку DН и DS, DG_{Р, Т} оказывается величиной положительной, т.к. | DН - ТDS | < s_1,2 × DS_1,2.

3. ДС как минимум 3-х компонентны: компонент, из которого состоит дисперсная фаза; компонент, из которого состоит дисперсионная среда, и компонент который обеспечивает относительную устойчивость ДС (его обычно называют стабилизатором).

4. Отсутствие строгой воспроизводимости ДС, которое обусловлено большой межфазной поверхностью и уникальностью твердых поверхностей (в подтверждение последнего достаточно вспомнить об отпечатках пальцев, которые неповторимы).

Грубодисперсные и микрогетерогенные системы	Ультрамикрогетерогенные (коллоидные) системы
- Непрозрачные – отражают свет	- Прозрачные опалесцирующие – рассеивают свет, дают конус Тиндаля
- Частицы седиментируют в гравитационном поле	- Частицы седиментируют в центробежном поле
- Частицы задерживаются бумажными фильтрами	- Частицы проходят через бумажные фильтры, задерживаются только ультрафильтрами (мембранами)
- Частицы видны в оптический микроскоп	- Частицы видны в электронный микроскоп

Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию

Классификация по агрегатному состоянию фаз предложена Вольфгангом Оствальдом. В принципе возможно 9 комбинаций. Представим их в виде таблицы.

Агрегатное состояние дисперсной фазы	Агрегатное состояние дисперсионной среды	Условное обозначение ф/с	Название системы	Примеры
газ	газ	г / г		Атмосфера Земли
жид	газ	ж / г	Аэрозоли	туман, слоистые облака
тв	газ	тв / г		дымы, пыли, перистые облака
газ	жид	г / ж	газовые эмульсии, пены	газированная вода, мыльная пена, лечебный кисло-родный коктейль, пивная пена
жид	жид	ж / ж	эмульсии	молоко, масло сливочное, маргарин, кремы и т.д.
тв	жид	тв / ж	лиозоли суспензии	Лиофобные коллоидные растворы, суспензии, пасты, краски и т.д.
газ	тв	г / тв	твердые пены	пемза, твердые пены, пе-нопласт, активированный уголь, пенобетон, хлеб, пористые тела в газе и т.д.
жид	тв	ж / тв	твердые эмульсии	вода в парафине, природные минералы с жидкими включениями, пористые тела в жидкости
тв	тв	тв / тв	твердые золи	сталь, чугун, цветные стекла, драгоценные камни: золь Au в стекле–рубиновое стекло (0,0001%)

. По интенсивности межмолекулярных взаимодействий между дисперсной фазой и дисперсионной средой (пригодно только для систем с жидкой дисперсионной средой

Коллоидные системы, в свою очередь, подразделяются на две группы, резко отличные по характеру взаимодействий между частицами дисперсной фазы и дисперсионной среды – лиофобные коллоидные растворы (золи) и растворы высокомолекулярных соединений (ВМС), которые ранее называли лиофильными коллоидами. К лиофобным коллоидам относятся системы, в которых частицы дисперсной фазы слабо взаимодействуют с дисперсионной средой; эти системы могут быть получены только с затратой энергии и устойчивы лишь в присутствии стабилизаторов.

- лиофильные системы (гидрофильные, если дисперсионная среда – вода)

Такие системы характеризуются сильным взаимодействием частиц ДФ с ДС (вплоть до растворения). Они образуются самопроизвольно, термодинамически агрегативно устойчивы, имеют низкие значения поверхностной энергии, вследствие наличия сольватных (гидратных) оболочек из молекул ДС вокруг частиц ДФ. Это мицеллярные растворы ПАВ, критические эмульсии, растворы некоторых природных ВМС, например, белков, крахмала, целлюлозы.

- лиофобные (гидрофобные) системы

Это системы, частицы дисперсной фазы которых слабо взаимодействуют с дисперсионной средой. Они могут образовываться как из органических, так и неорганических веществ, нерастворимых в данной дисперсионной среде. Они образуются не самопроизвольно, а путем принудительного диспергирования и конденсации. Термодинамически агрегативно неустойчивы вследствие избытка энергии на МФП. К ним относятся золи, суспензии, эмульсии.

Растворы ВМС образуются самопроизвольно благодаря сильному взаимодействию частиц дисперсной фазы с дисперсионной средой и способны сохранять устойчивость без стабилизаторов. Лиофобные коллоиды и растворы ВМС различаются также и структурой частиц, составляющих дисперсную фазу. Для лиофобных коллоидов единицей структуры является сложный многокомпонентный агрегат переменного состава – мицелла, для растворов ВМС – макромолекула.

. По наличию или отсутствию взаимодействия между частицами дисперсной фазы

- свободнодисперсные системы

К таким системам относятся бесструктурные системы, в которых частицы дисперсной фазы не связаны друг с другом в одну сплошную сетку или каркас и способны независимо перемещаться в дисперсионной среде под влиянием броуновского движения или силы тяжести. К подобным системам относят достаточно разбавленные суспензии и эмульсии, аэрозоли, лиозоли.

- связнодисперсные системы

В таких системах частицы связаны друг с другом за счет межмолекулярных сил, образуя в дисперсионной среде своеобразные пространственные сетки или каркасы (структуры). Примерами этих систем являются гели, концентрированные суспензии (пасты) и эмульсии, пены, порошки. До сих пор дисперсную систему мы рассматривали как совокупность частиц дисперсной фазы и окружающей их сплошной дисперсионной среды. Вместе с тем в связнодисперсных системах обе фазы могут быть непрерывными, пронизывая друг друга; такие системы называются биконтинуальными. Таковы пористые твердые тела с открытой пористостью (сорбенты, катализаторы), грунты, многие породы, в том числе нефтеносные.

Дата добавления: 2014-01-05