Получение и очистка дисперсных систем

Дисперсные системы

Дисперсные системы – это гетерогенные системы, состоящие из двух или

большего числа фаз с сильно развитой поверхностью раздела между ними.   

Особые свойства дисперсных систем обусловлены именно малым размером частиц и наличием большой межфазной поверхности. В связи с этим определяющими являются свойства поверхности, а не частиц в целом.    

Характерными являются процессы, происходящие на поверхности, а не внутри фазы. Отсюда становится понятным, почему коллоидную

химию называют физико-химией поверхностных явлений и дисперсных систем.

Особенность дисперсных систем состоит в их дисперсности – одна из фаз

обязательно должна быть раздробленной, ее называют дисперсной фазой.   

Сплошная среда, в которой распределены частицы дисперсной фазы, называется дисперсионной средой. Фаза считается дисперсной, если вещество раздроблено хотя бы в одном направлении. Если вещество раздроблено только по высоте, образуются пленки, ткани, пластины и т. д. Если вещество раздроблено и по высоте и по ширине, образуются волокна, нити, капилляры. Наконец, если вещество раздроблено по всем трем направлениям, дисперсная фаза состоит из дискретных (отдельных) частиц, форма которых может быть самой разнообразной.

   Дисперсные системы можно классифицировать по многим признакам, что

связано с огромным множеством объектов, которые изучает коллоидная химия.

В качестве основного классификационного признака можно выделить размер частиц дисперсной фазы:

- Грубодисперсные (> 10 мкм): сахар-песок, грунты, туман, капли дождя,

вулканический пепел, магма и т. п.

- Среднедисперсные (0,1-10 мкм): эритроциты крови человека, кишечная палочка и т. п.

- Высокодисперсные (1-100 нм): вирус гриппа, дым, муть в природных водах, искусственно полученные золи различных веществ, водные растворы природных полимеров (альбумин, желатин и др.) и т. п.

- Наноразмерные (1-10 нм): молекула гликогена, тонкие поры угля, золи металлов, полученные в присутствии молекул органических веществ, ограничивающих рост частиц, углеродные нанотрубки, магнитные нанонити из железа, никеля и т. п.

По интенсивности взаимодействия между веществами дисперсной фазы и дисперсионной среды (только для систем с жидкой дисперсионной средой), различают следующие дисперсные системы:

- Лиофильные (гидрофильные, если ДС – вода): 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.

По агрегатному состоянию дисперсионной фазы и дисперсной среды их делят на следующие типы, которые представлены в таблице.

 

В соответствии с кинетическими свойствами дисперсной фазы различают

свободнодисперсные и связнодисперсные 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.

Выделяют также разбавленные и концентрированные системы. 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.

 

Получение и очистка дисперсных систем

Огромное разнообразие типов и форм дисперсных систем, которое встречается во всех областях жизнедеятельности человека, предполагает и многочисленность методов их получения – как общих, так и специальных.

В основе получения лежит один из подходов – конденсационный или

диспергационный.

Механическое диспергирование является основным способом

измельчения материалов, который применяется в промышленности и повсеместно встречается в природе. Механическое диспергирование осуществляют различными способами: истиранием, раздавливанием, раскалыванием, распылением, барботажем (пропусканием струи воздуха через жидкость), встряхиванием, взрывом, действием звуковых и

ультразвуковых волн и т. п.

В промышленности так получают стройматериалы (цемент,

бетонную крошку, сухие краски, шпатлевки и другие строительные смеси в виде сухих порошков и суспензий), лекарственные средства (порошки, мази, пасты, эмульсии), пищевые продукты (пряности, молотый кофе) и др. Механическим диспергированием обычно удается получить дисперсные системы только с довольно большим размером частиц (не менее 100 нм).

Пептизацией называют переход осадков в коллоидный раствор под действием специальных стабилизирующих добавок (пептизаторов), либо за счет удаления из системы ионов, способствующих агрегации частиц. В роли пептизаторов могут выступать раствор электролита, поверхностно-активного вещества или растворитель.

Пептизировать можно только свежеприготовленные осадки, в которых частицы коллоидного размера соединены в более крупные агрегаты через прослойки ДС. По мере хранения осадков происходят явления рекристаллизации и старения, приводящие к сращиванию частиц друг с другом, что препятствует пептизации. Пептизацию относят к методам диспергирования условно, т. к. в ее основе лежит и метод конденсации, т. е. предварительное получение агрегатов из истинных растворов. Метод

пептизации, в отличие от других диспергационных методов, позволяет также добиться получения коллоидных систем с малым размером частиц (до 1 нм), что характерно в основном для методов конденсации.

К конденсационным способам получения дисперсных систем относятся

конденсация, кристаллизация и десублимация. Они основаны на образовании новой фазы в условиях пересыщенного состояния веществ в газовой или жидкой среде.

Необходимым условием конденсации является пересыщение и неравномерное распределение веществ в дисперсионной среде, а также образование центров конденсации или зародышей. При этом система из гомогенной переходит в гетерогенную. Конденсация и десублимация характерны для газовой, а кристаллизация для жидкой среды.

Методы конденсации не требуют специальных машин и дают возможность получать дисперсные системы с меньшим размером частиц по сравнению с диспергационными методами. При этом в зависимости от условий синтеза формируются частицы дисперсной фазы любых размеров.   

 Еще одно преимущество конденсационного подхода

заключается в том, что он в большинстве случаев не требуют существенной затраты внешней работы.

Для удаления низкомолекулярных примесей золи после получения часто подвергают очистке. Методами очистки золей являются диализ и ультрафильтрация.

Диализ основан на разнице в скорости диффузии небольших молекул или ионов и частиц коллоидных размеров через полупроницаемую перегородку – мембрану. Для этих целей применяют мембраны, изготовленные из животных и растительных перепонок, задубленного желатина, мембраны из коллодия, ацетата целлюлозы и целлофана, пергаментной бумаги, керамических пористых материалов и др.

Небольшие молекулы и ионы из золя проникают через мембрану и диффундируют в воду, контактирующую с мембраной, а молекулы воды при этом проникают через мембрану в обратном направлении. В результате после очистки коллоидная система оказывается разбавленной.

Очистка коллоидных растворов таким способом требует значительного времени (дни, недели и даже месяцы). Для ускорения диализа можно применять разные приемы, например, увеличивать площадь мембраны, уменьшать слой очищаемой жидкости или часто менять внешнюю жидкость (воду), повышать температуру, прикладывать электрическое поле (электродиализ). В частности, электродиализ позволяет закончить процесс диализа в течение нескольких часов.

В производственных условиях диализом очищают от солей белки (желатин, агар-агар, гуммиарабик), красители, силикагель, дубильные вещества и др

В процессе ультрафильтрации мембраной задерживаются частицы дисперсной фазы или макромолекулы, а дисперсионная среда с нежелательными низкомолекулярными примесями проходит через мембрану. Ультрафильтрация относится к баромембранным процессам, в отличие от диализа ее проводят под давлением. При ультрафильтрации достигают высокой степени очистки золей при одновременном их концентрировании. Иногда говорят, что ультрафильтрация – это диализ, проводимый под давлением.

 

Информация: Экзамен будете сдавать тоже дистанционно (это вероятнее). У кого не сданы конспекты за дистанционный этап и лабораторные, пишите, делаете, но в электронном виде не присылаете. Потом все свои задолженности принесете на проверку в колледж. Я вам напишу, когда буду там. На следующей неделе составлю вам экзаменационные задания.