Роль поверхностных сил в дисперсных системах

Классификация дисперсных систем.

Предмет коллоидной химии

Дисперсными системами называются гетерогенные системы с большой поверхностью раздела фаз. Сплошная фаза называется дисперсионной средой, другая раздроблена и называется дисперсной фазой. Если дисперсная фаза раздроблена на частицы диаметром от десятков до тысяч ангстрем, либо твёрдое вещество пронизано порами такого диаметра, система называется коллоидной.

Установлено, что любое вещество может быть получено в виде коллоида, следовательно, надо говорить о коллоидном состоянии вещества. Коллоидная химия - наука, изучающая особое, коллоидное состояние вещества. Особую роль в свойствах таких систем играют поверхностные силы. Если раздробить 1 см³ на частицы коллоидных размеров, общая площадь поверхности составит сотни м². Работа, затраченная при дроблении вещества на разрыв связей, накапливается в виде энергии ненасыщенных связей на поверхности. Поэтому вещество в поверхностных слоях находится в особом состоянии, отличающимся по свойствам от обычного состояния: температурами кипения, плавления, повышенной реакционной способностью. Возможно, поэтому большинство природных веществ и промышленных продуктов является дисперсными системами: биологические ткани человека, животных и растений, пищевые продукты, текстиль, почва, стройматериалы, бумага, кожа. Мы и мир вокруг - коллоидные системы.

Другим следствием энергетического состояния поверхности является адсорбция на поверхности молекул и ионов, играющая огромную роль в свойствах коллоидных систем.

а) классификация по подвижности дисперсной фазы:

1) свободнодисперсные, где дисперсная фаза подвижна.

2) связнодисперсные (структурированные) с твердой дисперсионной средой (гели, твердые растворы).

б) классификация свободнодисперсных систем по размерам частиц.

Дисперсностью называют величину, обратную среднему размеру частиц дисперсной фазы. В таблице представлены три типа дисперсных систем и некоторые их свойства.

Грубодисперсные системы	Коллоидные системы (золи)	Истинные растворы
Диаметр больше 10^-7 м	от 10^-7 до 10^-9 м	меньше 10^-9 м
Фильтруются через бумажные фильтры	фильтруются через полупроницаемые мембраны	нельзя отфильтровать
Неустойчивы	Относительно устойчивы	Устойчивы
Мутные	образуют “конус Тиндаля”	Прозрачны

Высокомолекулярные вещества (полимеры) имеют молекулы, по размеру подобные коллоидным частицам, их растворы являются истинными, то-есть не гетерогенными, но обладают свойствами, подобными свойствам коллоидных растворов (оптическими, молекулярно-кинетическими, структурными).

в) классификация по взаимодействию со средой.

Коллоидные системы разделяются на лиофобные и лиофильные. Первые характеризуются взаимодействием частиц со средой (дисперсии глин и ПАВ), вторые не взаимодействуют и поэтому неустойчивы. Введение стабилизаторов.

г) классификация по агрегатным состояниям фаз.

Г в Г нет	Ж в Г (туман, облака, аэрозоли)	Т в Г (дым, пыль, порошки)
Г в Ж (пены)	Ж в Ж (эмульсии, молоко, нефть)	Т в Ж (суспензии, золи, илы)
Г в Т (адсорбенты, пемза, пенопласт)	Ж в Т (капиллярные системы, почвы)	Т в Т (минералы, сплавы, бетон)

д) классификация связнодисперсных систем.

Их подразделяют по размерам пор:

1) микропористые (диаметр пор до 2 нм)

2) переходнопористые (2 - 200 нм)

3) макропористые (выше 200 нм).

е) классификация по виду дисперсной фазы:

1) трёхмерная - твёрдые частицы, капли, пузырьки;

2) двухмерная - нити, волокна, капилляры, поры;

3) одномерная - плёнки, мембраны.

Дисперсность двухмерной системы определяется только диаметром, длина не влияет, а одномерной системы - только толщиной мембраны или плёнки.

Как было сказано ранее, поверхность раздела фаз находится в особом энергетическом состоянии, благодаря чему происходит адсорбция частиц на поверхности. Это особенно заметно проявляется на границе раздела газ-жидкость, где поверхностная энергия (избыток энергии в поверхностном слое жидкости по сравнению с объемным) приводит к поверхностному натяжению. Поверхностное натяжение s измеряется работой образования новой поверхности раздела фаз с единичной площадью. Работа приводит к увеличению внутренней энергии и энергии Гиббса. Самопроизвольные процессы протекают с уменьшением энергии Гиббса, что объясняет стремление жидкости уменьшить поверхность и принять форму с наименьшей площадью, то-есть сферу. Пример - вода в невесомости. Большое количество жидкости может образовать сферу только в невесомости, на земле она растекается из-за силы тяжести, но малое количество может образовать почти сферические шарики на масляной поверхности. Другое проявление поверхностной энергии - стремление мелких капелек объединиться в большую, а также слипание частиц твёрдой дисперсной фазы с образованием более крупных (коагуляция). Слияние частиц эмульсии называется коалесценцией.

Сцепление разнородных твердых или жидких тел за счет сил межмолекулярного взаимодействия либо химических связей называется адгезией,. При этом снижается поверхностная энергия. Адгезии противодействует когезия - сцепление молекул жидкой фазы между собой за счёт межмолекулярных сил.

Снижение поверхностной энергии происходит также при адсорбции, поэтому это также самопроизвольный процесс.

Дата добавления: 2014-01-07