Классификация дисперсных систем. Графическое и аналитическое представление распределение массы или числа частиц по размерам

Дисперсные системы Дисперсными называют системы, состоящие из раздробленной прерывной дисперсной фазы: множества мелких твёрдых частиц, капелек или пузырьков, которые распределены в сплошной непрерывной жидкой, газообразной или твердой дисперсионной среде. Важнейшие признаки дисперсной системы: 1. гетерогенность (дисперсная фаза нерастворима в дисперсионной среде); 2. дисперсность (частицы фазы имеют определённый размер: 10-9–10-5 м); 3. равномерное распределение частиц фазы в дисперсионной среде. Количественные характеристики дисперсной системы: · размер частиц а дисперсной фазы; · дисперсность D = 1/а; · удельная поверхность Sуд = S/ V частиц дисперсной фазы; · межфазное поверхностное натяжение σ; · свободная поверхностная энергия Gs. Все дисперсные системы классифицируют по размеру частиц дисперсной фазы, по взаимодействию частиц дисперсной фазы и дисперсионной среды, по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды (табл. 1-3). Таблица 1. Классификация дисперсных систем по размеру частиц (дисперсности)

Особое место в ряду дисперсных систем занимают коллоидные системы. Коллоидное состояние характерно для многих веществ, если частицы дисперсной фазы из них имеют размер 10-9–10-7 м (1–100 нм). Такие частицы различных типов и строения в коллоидных системах называют мицеллами. Кроме лиофобных коллоидных растворов к коллоидным системам относят растворы высокомолекулярных веществ (ВМВ) и мицеллярные растворы поверхностно-активных веществ (ПАВ), так как их объединяет общность многих свойств. Мицеллы лиофобных золей имеют сложное строение. Характерной особенностью коллоидных частиц в таких мицеллах является наличие на их поверхности заряда, обусловленного избирательной адсорбцией ионов. Например, если гидрозоль AgI получать методом химической конденсации по реакции: AgNO3 + KI = AgI↓ + KNO3, то строение мицеллы будет зависеть от условий проведения этой реакции, а именно от того, какой реагент взят в избытке. 1) Если в избытке взят реагент AgNO3, строение мицеллы золя AgI будет иметь вид: агрегат ПОИ противоионы {m[AgI]nAg+(n-x)NOclip_image002}x+ xNO3- ____ядро ______ ________________ ______ _ адсорбционный слой диффузный __________________________ слой коллоидная частица (гранула) __________________________________________ мицелла 2) Если в избытке взят реагент KI, строение мицеллы золя AgI будет иметь вид: {m[AgI]nI-(n-x)clip_image004K+}x- xK+. Основу мицеллы составляет ядро, которое состоит из агрегата: множества m малорастворимых в среде частиц (в данном примере молекул AgI в воде) с n адсорбированными потенциалопределяющими ионами (ПОИ). ПОИ – это ионы элементов, входящих в состав агрегата (в данном примере находящиеся в избытке 1) ионы Ag+ или 2) ионы I-). ПОИ и противоионы (NO3- или K+) составляют адсорбционный слой. Ядро и адсорбционный слой образуют коллоидную частицу (гранулу), знак заряд которой (+ или –) определяют ПОИ, а величину заряда х – разность зарядов ПОИ и противоионов адсорбционного слоя. Вокруг коллоидных частиц находится диффузный слой противоионов, заряд которых равен заряду коллоидной частицы. Коллоидная частица и диффузный слой образуют электронейтральную мицеллу. Методы получения дисперсных систем весьма разнообразны, многие из них являются естественными природными процессами. В зависимости от способа достижения определённого размера частиц дисперсной фазы методы делят на диспергационные (измельчение крупных частиц различными приёмами) и конденсационные (объединение атомов, молекул или ионов путём химических или физических процессов). Необходимыми условиями их получения являются достижение важнейших признаков дисперсных систем: гетерогенности (малая растворимость фазы в среде), дисперсности (достижение необходимого размера частиц фазы), равномерного распределения частиц фазы в среде, что невозможно без стабилизатора. Стабилизаторами являются ионы электролитов, ПАВ или ВМВ. Стабилизаторы обеспечивают устойчивость дисперсных систем против слипания (объединения) частиц дисперсной фазы (агрегативную) и против их оседания или седиментации (кинетическую) чаще всего за счёт образования двойного электрического слоя с одноимённым зарядом или образования адсорбционно-сольватных слоёв на поверхности частиц. При определённых условиях (особой форме и высокой концентрации частиц дисперсной фазы, низкой температуре, длительном хранении и др.) гидрофильные и некоторые гидрофобные золи переходят в особое структурированное состояние: мицеллы не разрушаются, а просто связываются друг с другом, образуя своеобразные ячейки, внутри которых сохраняется среда (чаще всего вода). В таком виде их называют студни или гели. Их можно высушить, превратив в твёрдый коллоид, например, твёрдый желатин силикагель, алюмогель и др. В структурированном состоянии коллоидные системы приобретают так называемую фазовую устойчивость. Дисперсные системы характеризуются разнообразными молекулярно-кинетическими, оптическими и электрокинетическими свойствами, зависящими от размера, формы и строения частиц дисперсной фазы. К молекулярно-кинетическим свойствам относят: броуновское движение, диффузию, осмос и седиментацию. Броуновским называют хаотичное движение частиц дисперсной фазы, вызываемое беспорядочными ударами со стороны молекул среды, находящихся в непрерывном тепловом движении. Интенсивность броуновского движения усиливается с уменьшением массы (размера) частиц, уменьшением вязкости среды и повышением температуры. К оптическим свойствам дисперсных систем относят: рассеяние, поглощение (для окрашенных систем), а также отражение и преломление (для грубодисперсных систем) света. Наиболее интересным оптическим свойством является рассеяние (дифракция) света, которое проявляется в конусе Тиндаля: если рассматривать путь светового луча, проходящего через прозрачный коллоидный раствор, аэрозоль или другую дисперсную систему, сбоку на тёмном фоне, то он становится видимым. Для бесцветных коллоидных систем светорассеяние проявляется в опалесценции (голубоватом матовом свечении). Такое явление характерно, например, для минералов жемчуга, опала и др. Наиболее важными электрокинетическими свойствами являются: электрофорез (движение заряженных частиц дисперсной фазы к электроду с противоположным знаком) и электроосмос (движение частиц дисперсионной среды) при пропускании через дисперсную систему постоянного электрического тока. Электрофорез и электроосмос обусловлены наличием разноимённого заряда у частиц дисперсной фазы и дисперсионной среды. На границе раздела фаз возникает двойной электрический слой и соответствующий ему скачок потенциала (полный термодинамический потенциал). Часть скачка потенциала, обусловленного диффузным слоем, называется электрокинетическим или ζ (дзета)-потенциалом. Он играет большую роль в обеспечении устойчивости коллоидных растворов и обусловливает их электрокинетические свойства. Несмотря на то, что практически все лиофобные дисперсные системы обладают избыточной свободной энергией Gs, так как она сосредоточена в больших межфазных поверхностных слоях S, и являются термодинамически неравновесными и неустойчивыми, многие из них существуют весьма длительное время. Это подтверждает их агрегативную, кинетическую и фазовую устойчивости, которые обусловлены самыми разнообразными факторами. Нарушение факторов устойчивости приводит к разрушению (чаще всего к коагуляции) дисперсных систем. Важнейшим и наиболее изученным фактором, вызывающим коагуляцию дисперсных систем, является действие электролитов. Введение ионов электролита уменьшает или полностью нейтрализует заряд коллоидной частицы, при этом ζ -потенциал уменьшается или становится равен нулю. Коллоидные частицы не защищены и при столкновениях слипаются, укрупняются и начинают оседать под действием сил тяжести. Золь теряет агрегативную и кинетическую устойчивости и разрушается (коагулирует). Согласно правилу Щульце-Гарди коагуляцию вызывают противоионы: ионы, имеющие заряд, противоположный заряду коллоидной частицы; коагулирующая способность иона тем больше, чем больше заряд и радиус иона-коагулятора. Например, из предложенных электролитов: KCl, FeSO4, K3PO4, AlCl3 наибольшее коагулирующее действие на золь с отрицательно заряженными частицами оказывает AlCl3 (Al3+), а на золь с положительно заряженными частицами оказывает K3PO4 (PO43–). Дисперсные системы и процессы, протекающие в них, имеют огромное практическое значение. Например, в медицине диализ, как метод очистки коллоидных растворов от и ионных примесей чистым растворителем с помощью полупроницаемой мембраны, через которую не проходят коллоидные частицы, лежит в основе работы аппарата «искусственная почка». В энергетике применяют распыление твердого и жидкого топлива в виде аэрозолей при подаче в топки. В строительстве используют исходное сырьё и строительные материалы в виде порошков (цемент), твердых пен (пенобетон, пенопласт), эмульсий (лаков, красок), суспен­зий (известь, цементный раствор) и др. В металлургии получают дисперсные системы Т/Т (сплавы): чугун, сталь. Состав стали: мартенсит – коллоидный рас­твор, перлит – микрогетерогенная система. И таких примеров можно привести множество. Все объекты окружающей среды: атмосфера, природные воды, почвы, горные породы и др. являются дисперсными системами. Нарушение равновесий в окружающей среде связано как с естественными природными процессами, так и с деятельностью человека. Глубокое знание природы дисперсных систем и сущности процессов, протекающих в них, позволит успешно решать проблему защиты окружающей нас среды.

Графическое и аналитическое представление распределение массы или числа частиц по размерам. http://www.muctr.ru/univsubs/infacol/fen/faculties/f5/content/metodi_opr.pdf