Классификация дисперсных систем

Дисперсной называется система, состоящая из мелких частиц вещества (дисперсная фаза), распределённого в другом веществе (дисперсионная среда).

Процесс измельчения и равномерного распределения ве­щества в газообразной, жидкой или твёрдой среде называется диспергированием.

Свойства дисперсных систем в значительной мере определяются размерами частиц дисперсной фазы. Различают макродисперсные, микродисперсные и ультрамикродисперсные системы (табл. 1.1).

Таблица 1.1

Классификация дисперсных систем

по размерам частиц дисперсной фазы

Тип дисперсной системы	Размер частиц дисперсной фазы, мкм
Макродисперсная система		> 10
Микродисперсная система	0,1	… 10
Ультрамикродисперсная система	0,001	… 0,1

Частицы макродисперсных систем легко наблюдаются невооружённым глазом.

Частицы микродисперсных систем можно рассмотреть в микроскоп.

Частицы ультрамикродисперсных систем обнаруживаются с помощью ультрамикроскопа.

Дисперсные системы со средним диаметром частиц в жидкости 1 … 100 нм часто называют коллоидными растворами.

В зависимости от агрегатного состояния диспергируемого вещества и дисперсионной среды различают следующие типы дисперсных систем: газ в газе, жидкость в газе, твёрдое в газе, газ в жидкости, жидкость в жидкости, твёрдое в жидкости, газ в твёрдом, жидкость в твёрдом и твёрдое в твёрдом.

Дисперсные системы классифицируют по агрегатному состоянию дисперсионной среды и дисперсной фазы и по размеру частиц диспергированного вещества. В промышленности применяются различные дисперсные системы: суспензии, аэрозоли, пены, эмульсии, золи, гели.

Суспензия — это дисперсная система, образованная твёрдыми частицами с диаметром более 10 мкм и жидкостью.

Аэрозоль — это дисперсная система, состоящая из частиц жидкости или твёрдого вещества, распределённых в газе (например, пыль, дым, туман). Пыль состоит из твёрдых частиц размером 10 … 100 мкм, диспергированных в газовой среде. Пыль образуется в результате измельчения твёрдых тел, взрывных работ, дробления горных пород, бурения и действия газовых струй и ветра. Частицы пыли быстро оседают. Они часто несут электрический заряд. Дым возникает при горении, деструктивной перегонке и возгонке твёрдых веществ и последующей конденсации их паров, а также в результате химических реакций газообразных веществ с образованием новой фазы. Он, как правило, состоит из частиц размером 0,1 … 5 мкм. Дым более устойчивая дисперсная система по сравнению с пылью. Туман образуется при конденсации пара или при распылении жидкостей. Диаметр капель в тумане ³ 10 мкм.

Дисперсная система, образующаяся из природного тумана и газовых выбросов промышленных предприятий, котельных или двигателей внутреннего сгорания, называется смогом.

Устойчивость аэрозолей может достигать нескольких лет.
В природных условиях аэрозоли образуются и при извержениях вулканов. Так, в 1883 году при извержении вулкана Кракатау в атмосферу было выброшено около 16 км³ расплавленной лавы, камней, грязи и пыли. Образовалось огромное количество кол­лоидных частиц, которые в течение многих лет по всему свету придавали причудливую окраску солнечным закатам.

Пена — дисперсная система, содержащая диспергированный газ в жидкости (например, взбитые сливки, яйца).

Эмульсия — дисперсная система двух обладающих очень низкой взаимной растворимостью жидкостей, состоящая из капелек одной жидкости, распределённых в другой.

Различают эмульсии низкой концентрации (неструктурированные) и высокой концентрации (структурированные).

Встречаются прямые и инвертные (обратные) эмульсии.

Прямые эмульсии — капли неполярной жидкости в полярной (тип “масло в воде”).

Инвертные эмульсии — капли полярной жидкости в неполярной (тип “вода в масле”).

Изменение состава эмульсии или внешнее воздействие могут привести к обращению типа эмульсии:

масло в воде «вода в масле.

По устойчивости различают лиофильные и лиофобные эмульсии.

Лиофильность и лиофобность характеризуют способность веществ взаимодействовать с жидкой средой. Лиофильные вещества растворимы в данной жидкости. Молекулы лиофильных веществ сильно сольватированы. Энергия их взаимодействия с молекулами растворителя значительна. Лиофильность по отношению к воде называют гидрофильностью, к маслам — олеофильностью или липофильностью. Гидрофильны: желатин, крахмал и глины. Олеофильны: парафин, натуральный каучук, сажа.

Лиофобные вещества не набухают, их поверхность не смачивается данной жидкостью (водой или маслом), а лиофобные атомные группы слабо взаимодействуют с молекулами жидкости. Количественной мерой лиофильности или лиофобности могут служить теплоты растворения, набухания или смачивания, а при контакте с твёрдой поверхностью — краевой угол смачивания.

Золь — дисперсная система, состоящая из твёрдого вещества, диспергированного в жидкости (например, мельчайшие частицы золота, диспергированные в воде).

Если твёрдое вещество диспергировано в воде, то систему называют гидрозолем, а если в органическом растворителе — органозолем.

Частица твёрдой фазы золя (мицелла) свободно участвует в броуновском движении.

При коагуляции лиофобные золи превращаются в гели.

Твёрдыми золями называют дисперсные системы с распределёнными в твёрдой фазе мельчайшими частицами другой твёрдой фазы (например, рубиновые стёкла).

Ультрамикродисперсная система “кассиев пурпур” настолько устойчива, что может не оседать очень долго. Одна из таких дисперсных систем, приготовленная более ста лет назад М. Фа­радеем, до сих пор находится в прекрасном состоянии.

Гель — это дисперсная система, состоящая из газа, диспергированного в твёрдом веществе (например, газ в пористом адсорбенте), или из жидкости, диспергированной в твёрдом веществе (например, желе, жемчуг), или из твёрдого вещества, диспергированного в твёрдом веществе (например, некоторые сплавы и минералы).

Помимо указанных двух фаз в состав дисперсной системы всегда входит третий компонент — ионные или молекулярные частицы, адсорбированные на поверхности раздела фаз.

Гели представляют собой студенистые тела, механические свойства которых подобны свойствам твёрдых тел. Гели, образованные в воде, называют гидрогелями, а образованные в углеводородной среде — органогелями. При сушке гелей можно получить аэрогели (ксерогели), которые используются как сорбенты и носители (например, в катализе).

Нередко дисперсные системы содержат несколько различных по физическим и химическим свойствам компонентов. Такие системы называют сложными. Например, молоко состоит в основном из жира, казеина и молочного сахара, распределённых в воде. Жир находится в виде эмульсии и при стоянии молока поднимается кверху за счёт разницы плотностей жира и воды. Казеин содержится в виде коллоидного раствора и осаждается при скисании молока или подкислении его искусственным путём. Молочный сахар находится в виде молекулярного раствора.

Итак, вы познакомились с классификацией

поверхностных явлений и дисперсных систем.

Прежде чем переходить к дальнейшему чтению пособия, выучите наизусть все понятия

и определения, приведённые в этой главе.