Класифікація дисперсних систем за агрегатним станом дисперсної фази та дисперсійного середовища

Дисперсійне середовище	Дисперсна фаза
газоподібна	рідина	тверда
газоподібне	—	аерозоль (туман)	аерозоль (дим, пил)
рідке	піна	емульсія (молоко, нафта)	суспензії (глина у воді),колоїдні розчини
тверде	пористі матеріали (пінобетон, цегла)	вологі ґрунти	гірські породи (граніт)

Колоїдні системи (золі). Утворення колоїдної системи може відбуватися двома методами:1) сполученням (агрегацією) окремих молекул, атомів або іонів (конденсаційний метод); 2) диспергуванням часточок речовини дисперсної фази до досягнення ними розміру колоїдних (дисперсійний метод). За першим методом одержують колоїдні системи з гомогенних середовищ за допомогою різних хімічних реакцій. Необхідними умовами повинні бути мала розчинність речовин дисперсної фази в даному дисперсійному середовищі, проведення реакцій за таких умов щоб конденсація зупинялася на потрібному ступені дисперсності та наявність між часточками і середовищем взаємодії, яка б перешкоджала злипанню часточок, тобто стабілізація часточок дисперсної фа-зи.

Диспергування часточок дисперсної фази може відбуватися за допомогою спеціальних колоїдних млинів (для подрібнення твердих тіл) або диспергуючих ультразвукових приладів (для подрібнення металів).

У залежності від характеру взаємодії між часточками дисперсної фази та дисперсійного середовища колоїдні системи поділяють на два класи: ліофобні та ліофільні.

Ліофобні колоїдні системи. В ліофобних колоїдах часточки дисперсної фази лише в незначній мірі взаємодіють з дисперсійним середовищем, а тому майже не мають сольватної оболонки. До ліофобних колоїдних систем належать золі металів, гідроксидів металів, сульфідів та інших солей.

Будову колоїдної часточки (міцели) розглянемо на прикладі золю йодиду срібла AgJ.

При змішуванні розчинів йодиду калію KJ та нітрату срібла AgNO₃ утворюється білий осад йодиду срібла AgJ:

AgNO₃ + KJ → AgJ↓ + KNO₃ .

Якщо реакцію проводити за певних умов (оптимальна концентрація вихідних реагентів, швидкість змішування і т.ін.), AgJ не випадає в осад, а утворюється золь.

У залежності від того, який реагент береться в надлишку (AgNO₃ або KJ) колоїдна часточка буде мати різну будову. Молекули нерозчинної речовини AgJ, що утворюються внаслідок реакції, злипаються, утворюючи мік-рокристалики (агрегати), доки не з’явиться мікроповерхня поділу фаз. Поз-начимо кількість молекул що злиплися через m. На поверхні мікрокристалика адсорбуються іони, які входять до складу молекул, що утворюють агрегат і знаходяться в надлишку. Якщо AgNO₃ взяли в надлишку, на поверхні агрегату адсорбуються іони Ag⁺ (потенціал-визначальні іони). Агрегат разом з потенціал-визначальними іонами називають ядром. До ядра притягуються іони протилежного знака, що знаходяться в надлишку (NO₃^-) і електростатичними силами утримуються на поверхні ядра. Ці іони називають протиіонами і їхня кількість завжди менша ніж кількість потенціал-визначальних іонів. Потенціал-визначальні іони разом з протиіонами утворюють адсорбційний шар. Агрегат разом з адсорбційним шаром утворює гранулу, яка має заряд, що дорівнює алгебраїчній сумі зарядів іонів, що входять до складу адсорбційного шару. Навколо гранули в дисперсійному середовищі знаходиться дифузний шар, у якому розміщується решта гідратованих протиіонів. Гранулу, оточену дифузним шаром, називають міцелою: міцела є електронейтральною часточкою (рис.11а,б).

Рис.11а. Будова міцели золю AgJ (у надлишку AgNO­₃)

Рис.11б. Будова міцели золю AgJ (у надлишку KJ)

Ліофільні колоїдні системи. До ліофільних належать такі колоїдні системи, в яких часточки дисперсної фази в значній мірі взаємодіють з молекулами дисперсійного середовища. Ліофільні колоїдні системи утворюють молекули речовин з різко вираженою дифільністю. Дифільність — це властивість однієї частини молекули бути ліофільною, а другої — ліофобною відносно до дисперсійного середовища. До дифільних речовин належать поверхнево-активні речовини (ПАР), наприклад, мила, які є натрієвими або калієвими солями жирних кислот з довжиною вуглеводневого ланцюга С₁₂-С₂₀. Прикладом таких речовин може бути стеарат натрію С₁₇Н₃₅СООNa. Молекула цієї речовини має гідрофільну групу СОONa і гідрофобну — вуглеводневий радикал С₁₇Н₃₅.

При взаємодії мила з водою в межах концентрацій 10^-2—10^-3моль/л утворюється істинний розчин мила у воді. Подальше підвищення концентрації веде до утворення міцел-асоціатів з 20-100 і більшою кількістю молекул мила. Утворюється ліофільна (якщо дисперсійне середовище вода — гідрофільна) колоїдна система. Схематично будова такої міцели дається на рис.12, де кулькою позначена гідрофільна група молекули, а ламаною лінією — вуглеводневий гідрофобний ланцюг.

Рис.12. Будова міцели ліофільного золю (стеарату натрію)

Завдяки гідрофільності зовнішньої оболонки міцели поверхнева енергія, що зумовлює зростання ентальпії при утворенні поверхні, знижується за ра-хунок енергії гідратації, а тому ∆Н<T∆S і ∆G<0, тобто стає можливим само-чинний процес утворення колоїдної системи.

Кінетична та агрегативна стійкість колоїдних систем. Кінетична стійкість— це стійкість дисперсної фази по відношенню до дії сил тяжіння. Агрегативна стійкість — це здатність дисперсної системи зберігати незмінним ступінь дисперсності, тобто здатність часточок дисперсної фази зберігати свої розміри, не злипатися.

Кінетична стійкість зумовлюється наявністю броунівського руху, завдяки чому дисперговані часточки здатні протистояти дії сил земного тяжіння. Його інтенсивність тим більша, чим менші розміри часточок дисперсної фази, тому колоїдні розчини, які характеризуються високим ступенем дисперсності, мають велику кінетичну стійкість.

Агрегативна стійкість золей зумовлюється двома факторами: 1) наяв-ністю у гранул колоїдних часточок однойменних зарядів, які перешкоджають злипанню часточок при зіткненнях; 2) утворенням навколо колоїдних часточок сольватних оболонок з молекул дисперсійного середовища. Ці оболонки завдяки своїй пружності і підвищеній в’язкості перешкоджають злипанню часточок. Для ліофобних золей переважним е перший фактор, а для ліофільних — другий.

Електрокінетичний або дзета (ξ) - потенціал. Електрокінетичними називають явища, які виникають на межі переміщення двох фаз. При переміщенні рідини крізь пористі матеріали виникає різниця потенціалів — потенціал протікання; при осіданні часточок — потенціал осідання; при рухові колоїдних часточок— електрокінетичний або дзета – потенціал (ξ).

У процесі руху електронейтральної міцели дифузний шар частково відривається від поверхні гранули.

Стрибок потенціалу, що виникає на межі ковзання фаз гранула — дифузний шар, називається електро-кінетичним або дзета-потенціалом (ξ). Його величина лежить в межах 0,001 — 0,1В. Дзета-потенціалу приписують знак заряду гранули. Величина дзета-потенціалу залежить від температури, концентрації протиіонів в розчині та їхнього заряду. З підвищенням температури ξ - потенціал зменшується, тому що зменшується заряд гранули (адсорбційна рівновага зміщується в бік десорбції). Підвищення концентрації протиіонів і збільшення їхнього заряду також зменшують заряд гранули, товщину дифузного шару, а відповідно й величину ξ- потенціалу.

При пропусканні через колоїдний розчин постійного електричного струму відбувається напрямлений рух гранул і дифузного шару до електродів з протилежними знаками. Це явище називається електрофорезом і використову-ється для встановлення будови колоїдних часточок.

Коагуляція золей. Коагуляція — це процес укрупнення колоїдних часточок. Вона зумовлює поступове осідання дисперсної фази та виділення її з розчину у вигляді осаду. Цей процес називається седиментацією.

Звичайно коагуляція відбувається при додаванні до золю: 1) електроліту; 2) іншого золю, гранули якого мають протилежний заряд, а також 3) при нагріванні.

Найчастіше золі коагулюють додаванням електролітів. Для коагуляції по-трібна певна кількість електроліту, яка називається “порогом коагуляції”. Коа-гулюючим є іон, що має протилежний знак відносно знака заряду гранули, при-чому коагулююча дія іонів зростає зі зростанням їхніх зарядів. Проникнення цих іонів в адсорбційний шар зменшує заряд гранули і агрегативна стійкість системи зменшується.

При змішуванні у визначених співвідношеннях двох золей, гранули яких мають протилежні заряди, ці заряди нейтралізуються, відбувається “вза-ємна коагуляція”.

Підвищення температури зміщує адсорбційну рівновагу в бік десорбції, концентрація іонів в адсорбційному шарі зменшується, відповідно зменшується і заряд гранул, що призводить до зменшення агрегативної стійкості.

Явище коагуляції колоїдних розчинів поширене в природі і часто вико-ристовується в промисловості. Наприклад, процес коагуляції застосовується в техніці водоочищення: часточки осаду гідроксиду алюмінію, що коагулює (до води додають суміш солі алюмінію та лугу), захоплюють часточки домішок і вода освітлюється.

Гелі. Деякі ліофільні золі в певних умовах (наприклад у стані спокою) можуть перетворюватися в драглеподібну масу, яка називається гелем. У цьому випадку часточки дисперсної фази взаємодіють між собою, що призводить до утворення певних структур у вигляді каркасу або сітки, які обмежують текучість дисперсної системи і надають їй здатності зберігати форму й об’єм.

Твердіння в’яжучих будівельних матеріалів відбувається через стадію ут-ворення гелей. При твердінні в’яжучого відбувається обезводнення гелю за ра-хунок випаровування води, хімічного зв’язування її іншими речовинами або від-смоктування пористими матеріалами. При цьому гель поступово перетворю-ється в тверде камнеподібне тіло (Табл.4).

Таблиця 4