Классификация дисперсных систем
Многочисленные дисперсные системы можно классифицировать по различным признакам. Существуют общие признаки, которые характерны для всех дисперсных систем, и частные, распространяющиеся лишь на отдельные виды этих систем.
Классифицировать дисперсные системы можно на основе следующих общих признаков: агрегатное состояние дисперсной фазы и дисперсионной среды; размер и распределение частиц дисперсной фазы по размерам; вид дисперсной фазы.
Классификация дисперсных систем в зависимости от агрегатного состояния дисперсной фазы и дисперсионной среды приведена в табл. 1.1.
Дисперсионной средой может быть жидкость (Ж), твердое тело (Т) или газ (Г). В сочетании с тремя агрегатными состояниями дисперсной фазы в принципе возможны девять видов дисперсных систем.
Каждая система имеет свое обозначение и название (см. табл. 1.1): в числителе указывается агрегатное состояние дисперсной фазы, а в знаменателе — дисперсионной среды. Систему Ж/Ж, например, называют эмульсией, а системы с газовой дисперсионной средой — аэрозолями.
Т а б л и ц а 1.1
Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию
| Дисперсионная среда | Дисперсионные системы для дисперсных фаз | ||
| твердых | жидких | газообразных | |
| Жидкая | Т/Ж (золи, суспензии, гели, пасты) | Ж/Ж (эмульсии, кремы) | Г/Ж (газовые эмульсии, пены) |
| Твердая | Т/Т (твердые золи, сплавы) | Ж/Т (твердые эмульсии, пористые тела) | Г/Т (твердые пены, пористые тела) |
| Газовая | Т/Г (дым, пыль, порошки) | Ж/Г (туман, капли) | Г/Г (маловероятны, образуются за счет флуктуации плотности) |
Вследствие растворимости газов системы типа Г/Г обычно не рассматриваются. В газовой среде, однако, возможны гетерогенные образования из-за отклонения плотности.
|
|
|
Такие отклонения, например, возникают в газовой среде, состоящей из водорода Н2и аммиака NH3, при низких температурах и высоких давлениях.
В процессе образования клатратов, или соединений включения одних молекул в полость других, флуктуация плотности возникает за счет газовых ассоциатов М∙nH2O [где М — молекула газов или легкокипящих жидкостей (О2, N2, Ar, Xe, CH4, C3H8, H2S, Br, CHCl3и др.), n — число молекул паров воды]. Образующиеся ассоциаты нестабильны и вследствие кристаллизации переходят в систему типа Т/Г.
Поверхностные явления возникают на границе раздела фаз, т.е. на границе между дисперсной фазой и дисперсионной средой. Для восьми наиболее вероятных видов дисперсных систем граница раздела проходит между следующими фазами: жидкость — твердое тело (Ж—Т); двумя разнородными взаимно нерастворимыми жидкостями, т.е. жидкость — жидкость (Ж—Ж); двумя разнородными твердыми телами, т.е. твердое тело — твердое тело (Т—Т); газ — жидкость (Г—Ж); газ — твердое тело (Г—Т).
|
|
|
Классификация, приведенная в табл. 1.1, является общей и характеризует возможные виды дисперсных систем. На основе этой классификации в табл. 1.2 представлена характеристика некоторых дисперсных систем. Сведения, приведенные в табл. 1.2, свидетельствуют о широком распространении дисперсных систем. Технология некоторых отраслей промышленности (пищевой, текстильной, нефтеперерабатывающей, лесотехнической и других) связана с переработкой дисперсных систем и с учетом свойств этих систем.
Помимо простых дисперсных систем, раздробленная и непрерывная части системы которых состоят из одной фазы, часто встречаются сложные дисперсные системы, которые состоят из трех и более фаз. (см. параграф 1.3). Само раздробленное вещество также может быть многофазным.
Т а б л и ц а 1.2
Характеристика некоторых дисперсных систем различного назначения
| Система | Представители | Отрасли и сферы |
| Т/Ж | Естественные водоемы, краски, красители для ткани, золи металлов | Акватории земли, лако-красочная, текстильная промышленность |
| Ж/Ж | Нефть, молоко, майонез, краски, лаки, латекс, средства защиты растений | Нефтеперерабатывающая, пищевая, резиновая, лакокрасочная |
| Г/Ж | Пена для флотации, мыльная пена, игристые вина, газированная вода | Обогащения минералов, пищевая, применение моющих средств |
| Т/Т | Уголь, чугун, сталь, драгоценные камни, минералы, асфальт, бетон, цемент, композиционные материалы | Угольная, металлургическая, строительно-дорожная |
| Ж/Т | Древесина, растительный мир | Деревообрабатывающая |
| Г/Т | Хлеб, сыр, пенопласты, пемза | Пищевая, производство полимерных материалов |
| Т/Г | Ткани и одежда, мука и сыпучиепищевые массы, порошкообразныецемент, бетон, алебастр, грунт ипочва, пыль и дым в атмосфере | Текстильная и легкая, пищевая, сельское хозяйство, строительство, земля и ее атмосфера |
| Ж/Г | Моторное топливо в камере сгорания, туман, облака, бытовыесредства в аэрозольном состоянии | Автомобильная, атмосферные процессы, аэрозольные баллончики различного применения |
Так, дисперсионной средой жидкой шоколадной массы является какао-масло, а дисперсная фаза состоит из частиц сахарной пудры и какао тертого, т.е. шоколадная масса представляет собой сложную дисперсную систему Т, Т/Ж. Древесина образует систему Ж,Г/Т и состоит из твердой дисперсионной среды, в поровом пространстве которой находится влага и воздух. В воздухе может образоваться сложная дисперсная система типа Т, Ж/Г, дисперсная фаза которой формируется из жидких и твердых частиц.
|
|
|
|
|
|
Кроме того как дисперсная фаза так и дисперсионная среда могут быть многокомпонентными. Вспомним состав воздуха, образующего дисперсионную среду аэрозолей. Капли воды, взвешенные в воздухе, содержат порой десятки различных растворенных веществ.
Второй отличительный признак, по которому возможно осуществить классификацию всех дисперсных систем, является размер частиц дисперсной фазы.
Классификация дисперсных систем по этому признаку приведена в табл. 1.3, там же указаны в качестве примеров некоторые дисперсные системы. В зависимости от размеров частиц различают высокодисперсные и грубодисперсные системы. Промежуточными среди них являются среднедисперсные системы. Высокодисперсные системы характеризуются сравнительно небольшими размерами частиц, от 10—3до 10—1мкм (или от 1 до 100 нм) и значительной дисперсностью D.
Высокодисперсные системы типа Т/Ж образуют золи, которые часто называют коллоидными растворами. Именно с изучением коллоидных растворов и растворов высокомолекулярных соединений (ВМС, см. гл. 19) берет начало коллоидная химия, как самостоятельная наука. «Коллоид» — от греческого слова «колла» — клея, одного из представителей ВМС.
Т а б л и ц а 1.3
Классификация дисперсных систем в зависимости от размера частиц дисперсной
фазы
| Класс | Размеры частиц | Дисперсность | Представители | |
| мкм | м | м—1 | ||
| Высоко-дисперсные | 10—3— 10—1 | 10—9— 10—7 | 109— 107 | Рубиновое стекло*, золь кремневой кислоты |
| Средне-дисперсные | 0,1 — 10 | 10—7— 10—5 | 107— 105 | Растворимый кофе, сахарнаяпудра, сажа |
| Грубодисперс- ные | >10 | >10—5 | <105 | Крупа, капли дождя |
Нередко среднедисперсные системы называют микрогетерогенными, а высокодисперсные — ультрамикрогетерогенными, при сохранении терминологии о грубодисперсных системах. Подобная классификация грешит непоследовательностью: во-первых, коллоидная химия — наука о дисперсных системах и при условии, что один класс систем назван грубодисперсным, логично определить уровни дисперсности других классов дисперсных систем; во-вторых, «микро», а тем более «ультрамикро» не определяют дисперсность, т.е. основного признака дисперсных систем — объектов коллоидной химии.
Нижний предел размеров высокодисперсных систем — 1 нм — обусловлен следующими обстоятельствами**. Радиус молекул воды составляет 0,138 нм. Одна молекула воды не может образовывать ни газа, ни жидкости, ни твердого тела. Необходимо по крайней мере 20—30 молекул для того, чтобы из них возник агрегат и образовалась фаза. Поэтому самая маленькая частичка, из которой формируется дисперсная фаза, не может быть меньше 1 нм.
Верхний предел размеров частиц высокодисперсных систем обусловлен рядом явлений, которые характерны только для высокодисперсных систем Примером высокодисперсных систем могут служить коллоидные растворы (золи).
Грубодисперсные системы характеризуются сравнительно большими размерами частиц и незначительной дисперсностью (см. табл. 1.3).
|
Свойства грубодисперсных и высокодисперсных систем во многом отличаются, но наличие границы раздела фаз и раздробленность одной из них, т.е. дисперсность и гетерогенность, суть то общее, что объединяет эти системы. Изменение свойств при переходе высокодисперсных систем в грубодисперсные происходит постепенно, через среднедисперсные системы. На рис. 1.2 показано влияние размера частиц на некоторые процессы, качественно характеризующие дисперсные системы.
Высокодисперсные системы, к которым относятся коллоидные растворы, характеризуются значительной дисперсностью (III) — они способны рассеивать свет (см. параграф 8.1) и опалесциируют. Если коллоидный раствор пронизан проходящим через линзу светом, то сбоку виден светящийся конус. Мельчайшие частички высокодисперсных систем способны самопроизвольно совершать хаотическое броуновское движение и перемещаться (диффундировать) из области большей в область меньшей концентрации. Они проявляют ряд молекулярно-кинетических свойств (см. гл. 9), присущих только этому классу систем (кривая 1, рис. 1.2).
Частички высокодисперсных систем под действием гравитации оседают (седиментируют) очень медленно и в отличие от средне-, а тем более грубодисперсных систем, длительное время могут находиться во взвешенном состоянии (кривая 4).
Значительная удельная поверхность частичек высокодисперсных систем (кривая 2) способствует интенсификации физико-химических процессов на границе раздела фах (кривая 3). Особенности этих процессов будут подробно рассмотрены в главе 2 и в последующих главах.
Таким образом, размер частиц (или дисперсность) является одним из важнейшим количественным показателем дисперсных систем, определяющих их качественные особенности.
Для дисперсных систем характерен весь спектр размеров частиц, указанных в табл. 1.3. Значительная часть их является среднедисперсными и грубодисперсными системами. Причем один и тот же продукт может одновременно относиться к различным системам. Так, например, частицы пшеничной муки высшего сорта имеют размер от 1 до 30 мкм, т.е. мука данного сорта одновременно принадлежит к среднедисперсной и грубодисперсной системам.
Порошкообразный цемент, бетон и другие строительные материалы включают частицы, размер которых соответствует двум классам дисперсных систем — средне- и грубодисперсным. Крупа, зерно, сахар-песок относятся к грубодисперсным системам. Размеры частиц растворимого кофе не превышают обычно 10 мкм, т.е. кофе является среднедисперсной системой.
Размер частиц дисперсной фазы определяет в известной степени потребительские свойства пищевых масс. Так, диаметр частиц какао-порошка колеблется в пределах 0,5—20 мкм, некоторых сухих молочных продуктов — 45—180 мкм, а сахара-песка — 400—2500 мкм (0,4—2,5 мм).
Существует еще и третий признак, по которому классифицируют все дисперсные системы. Этот признак обусловлен видом дисперсной фазы. Нельзя представлять дисперсную фазу, т.е. раздробленное вещество, только в качестве частиц определенного размера. Дисперсную фазу могут составлять пленки, мембраны, нити или капилляры. В основу классификации дисперсных систем по виду дисперсной фазы положено число измерений характерных размеров (табл. 1.4). Характерными следует считать такие размеры, которые определяют дисперсность.
Различают трехмерные (частицы, капли, пузырьки), двухмерные (нити, волокна, капилляры, поры) и одномерные (мембраны, пленки) дисперсные фазы (рис. 1.3). Характерные размеры и дисперсность трехмерных частиц определяют в трех взаимно перпендикулярных направлениях (рис 1.3, а). Дисперсность двухмерных тел (рис. 1.3, б) характеризуют двумя размерами, которые определяют в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Третий размер L (длина нити, волокна или капилляра) не влияет на дисперсность. В случае одномерных тел только один размер а определяет дисперсность — это толщина мембраны или пленки (рис. 1.3, в), a два других размера (L, l) характеризуют габаритные размеры самого тела.
Т а б л и ц а 1.4
Характеристика дисперсных систем по виду дисперсной фазы
| Дисперсная фаза | Схема измерений | Представители | |
| вид | характеристика | ||
| Трех-мерная | Твердые частицы, капли, пузырьки | Рис.1.3, а | Почва, аэрозольные части- цы, порошок цемента и бе-тона, мука, молоко, майонез, растворимый кофе |
| Двух-мерная | Нити, волокна, капилляры, поры | Рис.1.3, б | Древесина, ткани, пористые вещества, хлеб, сухари, волосы, кожа |
| Одно-мерная | Пленки, мембраны | Рис.1.3, в | Жидкие пленки, в том числе и нефти на жидких и твердых поверхностях, тонкие пленки (мембраны) |
Рис. 1.3 Трехмерная (а), двухмерная (б) и одномерная (в) дисперсные фазы
В табл. 1.4 приведены в качестве примеров представители трех видов дисперсной фазы, но наиболее распространенной все же является трехмерная дисперсная фаза, которая формируется из твердых частиц, капель или пузырьков. Напомним, что их удельная поверхность определяется при помощи формул (1.4)—(1.7).
В соответствии с формулой (1.1) удельную поверхность двухмерной дисперсной фазы в виде цилиндров равного диаметра можно выразить следующим образом:
кг/м2, (1.7, а)
где В, М — соответственно площадь поверхности и масса дисперсной фазы; а, L — диаметр и высота цилиндра (рис. 1.3, б); ρ — плотность вещества дисперсной фазы.
Особенности удельной поверхности двухмерных систем в виде пор рассмотрены в параграфе 6.1.
Удельная поверхность трехмерной дисперсной фазы в виде пленки одинаковой толщины равна:
кг/м2, (1.7, б)
где L, l, a — размеры пленки, рис. 1.3, в.
Согласно формулам (1.7, а) и (1.7, б) удельная поверхность двухмерных и трехмерных дисперсных систем, как и одномерных определяется лишь размером, характеризующим дисперсность.
Кроме общих признаков, которые охватывают все дисперсные системы, существует ряд частных признаков. Эти признаки характерны только для некоторых дисперсных систем. В связи с этим классификацию по частным признакам можно назвать, в свою очередь, также частной. В основе частной классификации могут быть способы получения дисперсных систем, структурно-механические свойства, взаимодействие между дисперсной фазой и дисперсионной средой, устойчивость дисперсных систем. По мере изложения курса мы познакомимся с этими и другими частными классификациями дисперсных систем.
Дисперсные системы, перечисленные в табл. 1.1, составляют только часть объектов коллоидной химии. Особое место среди дисперсных систем занимают высокомолекулярные соединения (ВМС) и коллоидные поверхностно-активные вещества (ПАВ). Их растворы содержат частицы, размеры которых соответствуют размерам частиц коллоидных растворов. Так, например, клубки макромолекул ВМС могут иметь размеры, достигающие 100 нм, а молекулы коллоидных ПАВ — группироваться в ассоциаты (мицеллы). Из двух признаков дисперсных систем, гетерогенность и дисперсность, растворы ВМС обладают только одним — дисперсностью. Некоторые свойства растворов ВМС (оптические, молекулярно-кинетические, электрокинетические, структурные) аналогичны или близки к свойствам коллоидных растворов. На основании этих признаков, а также с учетом других свойств растворы ВМС и коллоидные ПАВ рассматривают в качестве объектов коллоидной химии (см. гл. 19—21).
Дата добавления: 2015-12-18; просмотров: 21; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!