Дисперсные системы. Дисперсная фаза и среда.
Диспе ́ рсная систе ́ ма — образования из двух или большего числа фаз (тел), которые практически не смешиваются и не реагируют друг с другом химически. В типичном случае двухфазной системы первое из веществ (дисперсная фаза) мелко распределено во втором (дисперсионная среда). Если фаз несколько, их можно отделить друг от друга физическим способом (центрифугировать, сепарировать и т.д.).
Обычно дисперсные системы — это коллоидные растворы, золи. К дисперсным системам относят также случай твёрдой дисперсной среды, в которой находится дисперсная фаза. Растворы высокомолекулярных соединений вами
Классификация дисперсных систем
Наиболее общая классификация дисперсных систем основана на различии в агрегатном состоянии дисперсионной среды и дисперсной фазы (фаз). Сочетания трёх видов агрегатного состояния позволяют выделить девять видов двухфазных дисперсных систем. Для краткости записи их принято обозначать дробью, числитель которой указывает на дисперсную фазу, а знаменатель на дисперсионную среду; например, для системы «газ в жидкости» принято обозначение Г/Ж.
| Обозначение | Дисперсная фаза | Дисперсионная среда | Название и пример |
| Г/Г | Газообразная | Газообразная | Всегда гомогенная смесь (воздух, природный газ) |
| Ж/Г | Жидкая | Газообразная | Аэрозоли: туманы, облака |
| Т/Г | Твёрдая | Газообразная | Аэрозоли (пыли, дымы), порошкообразные вещества |
| Г/Ж | Газообразная | Жидкая | Газовые эмульсии и пены |
| Ж/Ж | Жидкая | Жидкая | Эмульсии: нефть, крем, молоко |
| Т/Ж | Твёрдая | Жидкая | Суспензии и золи: пульпа, ил, взвесь, паста |
| Г/Т | Газообразная | Твёрдая | Пористые тела: пенополимеры, пемза |
| Ж/Т | Жидкая | Твёрдая | Капиллярные системы (заполненные жидкостью пористые тела): грунт, почва |
| Т/Т | Твёрдая | Твёрдая | Твёрдые гетерогенные системы: сплавы, бетон, ситаллы, композиционные материалы |
По кинетическим свойствам дисперсной фазы двухфазные дисперсные системы можно разделить на два класса:
|
|
|
· Свободнодисперсные системы, у которых дисперсная фаза подвижна;
· Связнодисперсные системы, у которых дисперсионная среда твёрдая, а частицы их дисперсной фазы связаны между собой и не могут свободно перемещаться.
В свою очередь, эти системы классифицируются по степени дисперсности.
Системы с одинаковыми по размерам частицами дисперсной фазы называются монодисперсными, а с неодинаковыми по размеру частицами — полидисперсными. Как правило, окружающие нас реальные системы полидисперсны.
Встречаются и дисперсные системы с бо́льшим числом фаз — сложные дисперсные системы. Например, при вскипании жидкой дисперсионной среды с твёрдой дисперсной фазой получается трёхфазная система «пар — капли — твёрдые частицы»[1].
|
|
|
Другим примером сложной дисперсной системы может служить молоко, основными составными частями которого (не считая воды) являются жир, казеин и молочный сахар. Жир находится в виде эмульсии и при стоянии молока постепенно поднимается кверху (сливки). Казеин содержится в виде коллоидного раствора и самопроизвольно не выделяется, но легко может быть осаждён (в виде творога) при подкислении молока, например, уксусом. В естественных условиях выделение казеина происходит при скисании молока. Наконец, молочный сахар находится в виде молекулярного раствора и выделяется лишь при испарении воды.
Свободнодисперсные системы
Свободнодисперсные системы по размерам частиц подразделяют на:
| Название | Размер частиц, м | Основные признаки гетерогенных систем |
| Ультрамикрогетерогенные | 10−9…10−7 | — гетерогенные; — частицы проходят через бумажный фильтр и не проходят через ультрафильтр — частицы не видны в оптический микроскоп, а видны в электронный микроскоп и обнаруживаются в ультрамикроскоп — относительно устойчивы кинетически — прозрачные, рассеивают свет (дают конус Фарадея — Тиндаля) |
| Микрогетерогенные | 10−7…10−5 | |
| Грубодисперсные | более 10−5 |
Ультрамикрогетерогенные системы также называют коллоидными или золями. В зависимости от природы дисперсионной среды, золи подразделяют на твёрдые золи, аэрозоли (золи с газообразной дисперсионной средой) и лиозоли (золи с жидкой дисперсионной средой). К микрогетерогенным системам относят суспензии, эмульсии, пены и порошки. Наиболее распространёнными грубодисперсными системами являются системы «твёрдое тело — газ» (например, песок).
|
|
|
Коллоидные системы играют огромную роль в биологии и человеческой жизни. В биологических жидкостях организма ряд веществ находится в коллоидном состоянии. Биологические объекты (мышечные и нервные клетки, кровь и другие биологические жидкости) можно рассматривать как коллоидные растворы. Дисперсионной средой крови является плазма — водный раствор неорганических солей и белков.
Связнодисперсные системы
Пористые материалы
Основная статья: Пористый материал
Пористые материалы по размерам пор подразделяют, согласно классификации М. М. Дубинина, на:
|
|
|
| Название | Размер частиц, мкм |
| Микропористые | менее 2 |
| Мезопористые | 2-200 |
| Макропористые | более 200 |
По рекомендации ИЮПАК, микропористыми называют пористые материалы с размерами пор до 2 нм, мезопористыми — от 2 до 50 нм, макропористыми — свыше 50 нм.
По своей структуре пористые материалы подразделяют на корпускулярные и губчатые. Корпускулярные тела образуются срастанием отдельных структурных элементов (обычно разной формы и размера) — как не пористых, так и обладающих первичной пористостью (пористая керамика, бумага, ткань и др.); порами здесь служат промежутки между структурными элементами. Губчатые тела являются промежутки между этими частицами и их ансамблями. Губчатые тела может сформироваться в результате топохимических реакций, выщелачивание некоторых компонентов твёрдых гетерогенных систем, пиролитического разложения твёрдых веществ, поверхностной и объёмной эрозии; в них поры обычно представляют собой сеть каналов и полостей различной формы и переменного сечения[2].
По геометрическим признакам пористые структуры подразделяются на регулярные (у которых в объёме тела наблюдается правильное чередование отдельных пор или полостей и соединяющих их каналов) и стохастические (в которых ориентация, форма, размеры, взаимное расположение и взаимосвязи пор носят случайный характер). Для большинства пористых материалов характерна стохастическая структура. Имеет значение и характер пор: открытые поры сообщаются с поверхностью тела так, что через них возможна фильтрация жидкости или газа; тупиковые поры также сообщаются с поверхностью тела, но их наличие на проницаемости материала не сказывается; закрытые поры[2].
Твёрдые гетерогенные системы
Основная статья: Композиционный материал
Характерным примером твёрдых гетерогенных систем являются получившие в последнее время широкое распространение композиционные материалы (композиты) — искусственно созданные сплошные, но неоднородные, материалы, которые состоят из двух или более компонентов с чёткими границами раздела между ними. В большинстве таких материалов (за исключением слоистых) компоненты можно разделить на матрицу и включённые в неё армирующие элементы; при этом армирующие элементы обычно отвечают за механические характеристики материала, а матрица обеспечивает совместную работу армирующих элементов. К числу старейших композиционных материалов относятся саман, железобетон, булат, папье-маше. Ныне широко распространены фиброармированные пластики, стеклопластик, металлокерамика, нашедшие применение в самых различных областях техники.
Движение дисперсных систем
Изучением движения дисперсных систем занимается механика многофазных сред. В частности, задачи оптимизации различных теплоэнергетических устройств (паротурбинных установок, теплообменников и др.), а также разработки технологий нанесения различных покрытий делают актуальной проблему математического моделирования пристеночных течений смеси «газ — жидкие капли». В свою очередь, значительное разнообразие структуры пристеночных течений многофазных сред, необходимость учёта различных факторов (инерционность капель, образование жидкой плёнки, фазовые переходы и др.) требуют построения специальных математических моделей многофазных сред, активно разрабатываемых в настоящее время[3].
Возможности аналитического исследования нестационарных газодинамических течений многофазных дисперсных сред, в которых несущая газообразная фаза включает мелкие твёрдые или жидкие включения («частицы»), сильно ограничены, и на первый план выходят методы вычислительной механики[4]. Значительную актуальность при этом приобретает изучение таких течений при наличии интенсивных фазовых переходов — например, при анализе аварийных ситуаций в системах охлаждения атомных электростанций, исследовании вулканических извержений и в ряде технологических приложений, включая оптимизацию устройств, которые позволяют создавать высокоскоростные многофазные струи
см. в папке ФКХ Коллоидная химия - дисперсная система
Дисперсные системы
Основные понятия
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.
Здесь отметим, что классификацию дисперсных систем по размеру частиц мы рассматриваем первой не случайно. Именно размер частиц (линейный размер, а не вес и не число частиц атомов в частице!) является важнейшим количественным показателем дисперсных систем, определяющим их качественные особенности. По мере изменения размеров частиц изменяются все основные свойства дисперсных систем: реакционная, адсорбционная способность; оптические, каталитические свойства и т. д. Современная коллоидная химия изучает дисперсные системы с широким диапазоном размеров частиц: от грубодисперсных (10-6-10-4 м) до высокодисперсных или собственно коллоидных (10-9-10-7 м).
Под взаимодействием фаз дисперсных систем подразумевают процессы сольватации (гидратации в случае водных систем), т. е. образование сольватных (гидратных) оболочек из молекул дисперсионной среды вокруг частиц дисперсной фазы. Соответственно, по интенсивности взаимодействия между веществами дисперсной фазы и дисперсионной среды (только для систем с жидкой дисперсионной средой), по предложению Г. Фрейндлиха различают следующие дисперсные системы:
-Лиофильные (гидрофильные, если ДС – вода): мицеллярные растворы ПАВ, критические эмульсии, 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), их относительная устойчивость (так называемая метастабильность) обусловлена кинетическими факторами (т. е. низкой скоростью агрегации).
По агрегатному состоянию фаз В. Оствальд предложил ставшую весьма распространенной классификацию:
Таблица 1. Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию фаз
| ДС ДФ | Жидкая | Газообразная | Твердая |
| Твердая | Т/Ж – суспензии, золи: суспензии металлов и других твердых частиц, золи металлов и их оксидов | Т/Г – пыли, дымы, порошки: промышленные выбросы твердых частиц в атмосферу, дым от костра, песчаные бури, мучная и дорожная пыль в воздухе, аэрозоли твердых лекарственных веществ | Т/Т – сплавы, твердые коллоидные растворы: сплавы металлов, оксидные и металлоксидные композиционные материалы, минералы |
| Жидкая | Ж/Ж – эмульсии, кремы: молоко, сметана, нефть, косметические кремы | Ж/Г – аэрозоли с жидкой ДФ: туман, капли дождя, распыленная струя охлаждающей жидкости, распыленные в воздухе духи, жидкое топливо в камере сгорания) туманы | Ж/Т – пористые тела, заполненные жидкостью, капиллярные тела, гели: клетки живых организмов, жемчуг, глины, яблоко |
| Газооб-разная | Г/Ж – пены: мыльная пена, пивная пена, пена для тушения пожаров | – | Г/Т – пористые и капиллярные системы, ксерогели: пемза, активированный уголь, силикагель, пенопласт, древесина, бумага, картон, текстильные ткани |
В соответствии с кинетическими свойствами дисперсной фазы различают свободнодисперсные и связнодисперсные системы. Выделяют также разбавленные и концентрированные 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. 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.
Дата добавления: 2019-11-25; просмотров: 2390; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!