Классификация дисперсных систем. Получение. Свойства и структура коллоидных систем

Дисперсные системы представляют собой равномерное распределение в виде очень малых частиц (дисперсию) одного тела (дисперсной фазы) в другом (дисперсионной среде). Свойства подобных систем определяются их степенью дисперсности размерами частиц дисперсной фазы, и наличием весьма развитой межфазной поверхности. Частицы дисперсной фазы представляют собой агрегаты, состоящие из множества молекул или ионов.

Огромное разнообразие объектов дисперсных систем классифицируется по степени дисперсности, агрегатному состоянию, межфазному взаимодействию между частицами.

По степени дисперсности дисперсные системы разделяют на три группы:

а) истинные растворы, содержащие частицы в ионном или молекулярном состоянии. Радиус частиц r<1 нанометра(нм). 1нм=10^-9м. Степень дисперсности Д=1/2>10⁹м^-1

б) высокодисперсные системы – коллоидные растворы r=1-100нм; Д=5·10⁶ - 5·10⁸ м^-1

Верхний предел дисперсности коллоидных систем обусловлен тем, что при дальнейшем дроблении вещества в растворе уже будут находиться не агрегаты молекул, а отдельные молекулы, имеющие размер меньше 1 нм. Нижний предел дисперсности коллоидных систем определяется резким снижением интенсивности теплового движения частиц с поперечным размером больше 100 нм. Коллоидные системы характеризуются максимально возможным развитием поверхности раздела фаз.

в) грубодисперсные системы – суспензии или эмульсии имеют r>100 нм; Д<5·10⁸м^-1. Выделяют еще микрогетерогенные системы, частицы которых видны только в микроскоп, в то время как частицы грубодисперсных систем можно наблюдать визуально. Удельная поверхность грубодисперсных систем очень невелика. Микрогетерогенные системы по величине удельной поверхности занимают промежуточное положение между коллоидными и грубодисперсными системами.

Оствальдом предложена классификация по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды. Дисперсные системы делятся на девять типов

Дисперсная фаза	Дисперсионная среда	Обозначение	Название системы
Газ Жидкость Твердое тело Газ Жидкость Твердое тело Газ Жидкость Твердое тело	Газ Газ Газ Жидкость Жидкость Жидкость Твердое тело Твердое тело Твердое тело	г/г ж/г т/г г/ж ж/ж т/ж т/ж г/т ж/т т/т	Коллоидная система невозможна Туман Дым, пыль Пены, газовые эмульсии Эмульсии Суспензии Твердые пены Твердые эмульсии Твердые золи

Все системы, отвечающие коллоидной степени дисперсности, принято называть золями. Поэтому системы ж/ж, т/т имеют общее название аэрозолей, системы с жидкой дисперсионной средой г/ж, ж/ж, т/ж называют лиозолями (от греческого слова лиос – жидкость). Микрогетерогенные системы с твердой дисперсной фазой и жидкой дисперсионной средой т/ж, обычно называют суспензиями, системы типа ж/ж – эмульсиями.

Дисперсные системы классифицируются по взаимодействию дисперсной фазы и дисперсионной среды, поскольку весьма значительную роль в этих системах играют явления, происходящие на поверхности раздела фаз. За счет межмолекулярных сил на границе раздела фаз осуществляется взаимодействие между веществами дисперсной фазы и дисперсионной среды. Степень этого взаимодействия в различных дисперсных системах различна. В зависимости от этого дисперсные системы могут быть лиофильными (любящие растворения – с греч.) и лиофобными (боящиеся растворения). Для первых характерно сильное межмолекулярное взаимодействие вещества дисперсной фазы со средой, для вторых – слабое. В лиофильных дисперсных системах частицы дисперсной фазы окружены сольватной (гидратной) оболочкой, состоящей из молекул среды (воды). Типичные лиофильные системы термодинамически устойчивы и характеризуются самопроизвольным диспергированием.

Лиофильные системы являются обратимыми системами: сухой остаток, полученный в результате осторожного выпаривания жидкости при соприкосновении со средой в таких системах обычно сначала набухает, а затем самопроизвольно растворяется и снова образует дисперсную систему.

В лиофобных системах самопроизвольного диспергирования не происходит. Эти системы необратимы.

Согласно крассификации по взаимодействию между частицами дисперсные системы разделяются на свободнодисперсные и связнодисперсные. К свободнодисперсным системам относятся бесструктурные системы, в которых частицы дисперсной фазы не связаны друг с другом и способны независимо перемещаться в дисперсионной среде под влиянием броуновского движения или силы тяжести. Такие системы не оказывают сопротивления сдвиговому усилию, обладают текучестью и всеми остальными свойствами, характерными для обычных жидкостей. К подобным системам относятся лиозоли, достаточно разбавленные суспензии и эмульсии, а также аэрозоли.

В связнодисперсных системах частицы связаны друг с другом за счет межмолекулярных сил, образуя в дисперсионной среде своеобразные пространственные сетки или каркасы (структуры). Частицы, образующие структуры, очевидно, не способны к взаимному перемещению и могут совершать лишь колебательные движения. К таким системам относятся гели, концентрированные суспензии (пасты) и концентрированные эмульсии и пены, также порошки.

Гели могут образовываться как в результате укрупнения частиц коллоидных размеров (коагуляция коллоидных систем) и объединения в одно целое выпавшего осадка (коагели), так и вследствии молекулярного сцепления в отдельных местах частиц золя, образующих сравнительно рыхлые сетки или каркасы (лиогели). В последнем случае в гелях сохраняется внешняя однородность системы.

Образованию геля всегда способствует повышение концентрации дисперсной фазы в системе. Переход золя в состояние геля называется гелеобразованием.

Многие гели под влиянием механических воздействий, например, перемешивания, встряхивания и т.п. переходят в золи. Обычно после прекращения механического воздействия золь с большей или меньшей скоростью снова переходит в гель. Повторное превращение геля в золь и обратно называется тиксотропией. Следовательно, тиксотропия – обратимый процесс: гель « золь.

С течением времени гели подвергаются изменениям – их структура постепенно уплотняется, выделяя часть поглощенной жидкости. Это явление называется синерезисом. Для лиофобных (систем) гелей этот процесс является необратимым, а для лиофильных – обратимым. Обратный процесс – набухание дисперсной фазы в растворителе приводит к образованию лиофильного геля, называемого студнем.

Наиболее важными из дисперсных систем являются коллоидные системы ввиду громадного числа, практической важности и наличия своеобразных свойств.

Коллоидные растворы могут быть получены либо путем соединения отдельных молекул или ионов растворенного вещества в агрегаты, либо в результате диспергирования сравнительно больших частиц. В соответствии с этим методом синтеза коллоидные системы делятся на конденсационные и диспергационные. Особо от этих методов стоит метод пептизации, который заключается в переводе в коллоидный раствор осадков, первичные частицы которых уже имеют коллоидные размеры. В некоторых случаях коллоидные системы могут образоваться путем самопроизвольного диспергирования фазы в дисперсионной среде (образование некоторых лиофильных систем).

Основными двумя условиями получения коллоидных систем независимо от применяемых методов синтеза, являются нерастворимость или достаточно малая растворимость дисперсной фазы в дисперсионной среде и наличие в системе, в которой образуются частицы веществ, способных стабилизировать эти частицы, а в случае конденсационных методов и замедлять (приостанавливать) их рост. Такими веществами могут быть как вещества, специально вводимые в систему, так и соединения, образующиеся при взаимодействии дисперсной фазы с дисперсионной средой.

Характерными чертами коллоидных систем являются: гетерогенность, большая поверхность дисперсной фазы, относительная устойчивость.

Вследствие того, что размеры коллоидных частиц меньше длины волны видимого света, их нельзя увидеть в обычный микроскоп поскольку световые волны огибают коллоидные частицы и не дают тени. Обнаружить коллоидные частицы можно с помощью ультрамикроскопа – прибора, позволяющего наблюдать частицы на темном фоне при сильном боковом освещении. При этом обнаруживают не сами коллоидные частицы, а только светящиеся точки, центрами которых они являются. Коллоидные растворы прозрачны только в проходящем свете. В отличии от истинных растворов в отраженном свете они, как правило, имеют мутноватый вид (опалесцируют), что обусловлено светорассеянием. При опалесценции под действием белого света при боковом освещении бесцветные коллоидные системы обнаруживают синеватую окраску, т.к. рассеивают главным образом синеватые (короткие) волны. Наоборот, в проходящем свете эти коллоидные системы окрашены в красноватый цвет, т.к. при прохождении через коллоидный раствор из спектра в результате рассеивания выбывают лучи синего света.

Частицы коллоидных систем обладают броуновским движением, которые имеют молекулярно-кинетическую природу, т.е. являются следствием теплового движения. Коллоидные системы занимают промежуточное положение между истинными растворами и грубодисперсными системами по устойчивости к седиментации (определение распределения частиц по высоте под действием гравитационного поля и осаждению наиболее тяжелых частиц в осадок).

Частицы дисперсных систем обнаруживают наличие у них электрического заряда. При положении разности электрических потенциалов на электроды, опущенных в коллоидную систему, наблюдается направленное движение частиц в электрическом поле – явление электрофореза, или катафореза – определенное направленное движение при этом дисперсионной среды – электроосмос. Эти явления получили общее название электрокинетических явлений. Эти явления обусловлены наличием межфазной поверхности в дисперсных системах. Причина же их заключена в противоположности знаков заряда твердой фазы и жидкости.

С современной точки зрения заряд на коллоидных частицах лиозолей, проявляющийся при электрофорезе, обусловлен избирательной адсорбцией одного из ионов электролита, находящегося в растворе, либо ионизацией поверхностных молекул веществ. Наличием зарядов у коллоидных частиц объясняется их агрегативная устойчивость, выражаемая в том, что частицы не укрупняются (не слипаются) при столкновении друг с другом.

Частицы коллоидных систем носят название мицелл. Мицелла представляет собой комплексное соединение сложного состава, состоящее из нейтральных молекул и заряженных ионов.

Обратимся для примера к мицелле золя AgJ, находящейся в межмолекулярной жидкости, представляющей собой слабый раствор KJ. Такой золь может быть получен в результате реакции KJ, взятого в избытке с AgNO₃:

AgNO₃ + KJ ® AgJ + KNO₃

Образующийся в результате реакции иодид серебра обладает плохой растворимостью в воде, вследствие этого в растворе возникают микрокристаллики AgJ (ядро мицеллы), испытывающие тенденцию к росту путем адсорбции ионов J^- и Ag⁺ . Это приводит к образованию заряженной коллоидной частицы (гранулы), которая настолько прочна, что не разрушаясь движется в электрическом поле к аноду.

Остальные противоионы, находящиеся ближе к периферической части мицеллы, образуют диффузный слой мицеллы. Благодаря ослаблению с расстоянием кулоновских и адсорбционных сил эти ионы относительно свободны и в электрическом поле движутся уже к катоду. Граница между диффузным слоем и собственно коллоидной частицей, по которой мицелла «разрывается» при электрофорезе, называется плоскостью или границей скольжения.

Строение мицеллы можно представить также удобной для написания формулой. Например, для золя AgJ, межмицеллярной жидкостью которого является слабый раствор KJ, можно написать следующую формулу мицеллы:

m AgJ + n KJ = {m [AgJ] nJ^- (n-x) K⁺ }^- x K⁺

ядро ионы противоионы противоионы

коллодной адсорб. адсорбц. диффузн.

частицы слоя слоя слоя

коллоидная частица

мицелла

Грубодисперсные системы - суспензии и эмульсии по свойствам отличаются от коллоидных растворов.

Суспензия - это системы, состоящие из твердых частиц, взвешенных в жидкости. Вследствие того, что частицы суспензий обладают сравнительно большими размерами, суспензии одновременно поглощают и рассеивают свет. При этом, в отличие от опалесцирующих золей они проявляют мутность не только при боковом освещении, но и в проходящем свете. По этой же причине суспензии седиментационно неустойчивы, если плотность среды и вязкость среды не очень велики.

Ссупензии получают чаще всего механическим диспергированием. Для приготовления больших количеств устойчивых суспензий используют коллоидные мельницы. В них частицы предварительно грубо измельченного материала диспергируются в жидкости, куда внесены добавки стабилизатора.

Суспензии очень распространены в природе и находят широкое применение в технике. К суспензиям при достаточном содержании влаги относятся почвы и грунты, глиняное тесто, используемое в керамическом производстве, цементные и известковые растворы, применяемые в строительном деле. Суспензиями являются взвеси пигментов в органических средах, применяющиеся в качестве масляных красок и цветных лаков.

Эмульсией называется дисперсная система, состоящая из двух практически взаимно нерастворимых жидких фаз, одна из которых распределена в другой в виде мельчайших капелек. Получаемые эмульсии устойчивее, чем ближе плотности обеих фаз. Примерами эмульсий являются молоко, млечный сок растений, маргарин, косметические крема, эмульсола, применяемые для смазки и охлаждения режущего инструмента и обрабатываемого изделия.

Эмульсии получают диспергированием (дроблением) одной жидкости в другой. Для того, чтобы капельки не слипались друг с другом при столкновениях (коалесцировали), добавляются специальные вещества, которые адсорбируясь на поверхности капелек, придают им агрегативную устойчивость. Эти вещества называются эмульгаторами. Например, при получении водных эмульсий углеводородов в качестве стабилизаторов используются обычные мыла. При этом также образуется (как и в золях) двойной электрический слой на поверхности капелек. Потенциалопределяющими ионами в данном случае служат анионы жирной кислоты со сравнительно длинным углеводородным радикалом, в противоионами – катионы щелочного металла.

Концентрированные эмульсии имеют ячеистую структуру, напоминающую пчелиные соты. Пленки, образующие каркас концентрированных эмульсий, состоят из двух сольватированных адсорбционных слоев, между которыми находится тонкая прослойка жидкости.

Эмульсии, как правило, неустойчивы и разрушаются при хранении. Чтобы ускорить разрушение эмульсии, применяются разнообразные приемы: центрифугирование, действие электрического поля, коагуляция при добавлении электролитов и неэлектролитов и др.