Образование дисперсных систем и их свойства

 

Получают ДС двумя противоположными путями – диспергированием грубых частиц на более мелкие и агрегацией молекул или ионов в более крупные частицы. Диспергирование осуществляется при механическом измельчении, распылении или перехода во взвешенное состояние уже существующей, но осажденной дисперсной фазы (пептизация). Агрегация может быть осуществлена физическим методом (конденсация пара с образованием тумана) или – химическим (при протекании реакции осаждения, приводящей к образованию золя или геля).

4.2.1. Удельная поверхность дисперсных систем

Дисперсные системы обладают колоссальной удельной площадью поверхности раздела фаз. Это обусловлено увеличением площади удельной поверхности частиц при измельчении. Так, если частицу в 1 см³ раздробить до частиц с длиной ребра 10^–7 м, то поверхность раздела фаз увеличится от 6 см² до 600 м². Известно, что 1 г активированного угля обладает суммарной поверхностью (внешней и внутренних пор) до 1000 м².

На поверхности частицы дисперсной фазы и внутри нее молекулы неравноценны по запасу сил межмолекулярного взаимодействия. Молекулы внутри частицы испытывают взаимодействие соседних молекул по всем направлениям, для них силы межмолекулярного притяжения (Р) компенсированы и их сумма равна нулю (рис 1 а).

Рис. 4.1. Силы межмолекулярного взаимодействия молекулы внутри

дисперсной частицы (а) и на поверхности раздела фаз (б)

Молекулы на границе раздела фаз (например, масло-вода, вода-воздух, бензол-воздух) обладают некомпенсированными силами межмолекулярного взаимодействия, для них Σ Р > 0. Эти силы в совокупности создают свободную поверхностную энергию (F), прямо пропорциональную удельной площади поверхности раздела фаз S _уд.

F = σ S _уд (4.1)

σ, Дж/м², – удельная поверхностная энергия, называемая поверхностным натяжением. Величину σ можно интерпретировать как работу по созданию единицы площади поверхности раздела фаз.

Удельная площадь поверхности раздела фаз S _уд определяется отношением площади поверхности к объему частиц дисперсной фазы:

S _уд = S / V (4.2)

Согласно второму закону термодинамики, система самопроизвольно стремится перейти в состояние с меньшим запасом свободной поверхностной энергии (F → F _min). Следовательно, ДС являются термодинамически неустойчивыми. Это проявляется в стремлении системы к снижению запаса поверхностной энергии F, котороеделает дисперсную систему агрегативно неустойчивой.

4.2.2. Факторы, влияющие на устойчивость дисперсных систем

Стремление F → F_min может быть реализовано путем уменьшения площади удельной поверхности S_уд → S_{уд min} или путем снижения величины поверхностного натяжения σ.

Укрупнение – коагуляция частиц суспензии и коалесценция – слияние капель эмульсии приводят к уменьшению величины S _уд, а значит и F. Слипание частиц обусловлено силами межмолекулярного притяжения. Коагуляция и коалесценция могут завершаться разрушением дисперсной системы, когда под действием сил гравитации крупные тяжелые частицы самопроизвольно оседают на дно. Это явление называется седиментацией. Укрупненные капли легкой фазы в эмульсиях всплывают на поверхность, образуя два слоя с четкой или размытой поверхностью раздела фаз. Система из микрогетерогенной превращается в гетерогенную. Таким образом, ДС являются агрегативно неустойчивыми системами.

Удельная площадь поверхности дисперсной фазы S _уд может не уменьшаться, если будут компенсированы силы свободной поверхностной энергии. Это явление имеет место тогда, когда на поверхности частиц дисперсной фазы адсорбируются молекулы другого вещества (адсорбтива), имеющего физико-химическое сродство к веществу дисперсной фазы.

Адсорбцией называют самопроизвольное концентрирование вещества на границе раздела фаз. Она происходит на любых межфазных поверхностях, и адсорбироваться могут любые вещества. Часто взаимодействие, приводящее к адсорбции, имеет физическую природу. Возможно также образование химических связей между молекулами адсорбированного соединения и вещества на границе раздела фаз. Этот вариант адсорбции называется хемосорбцией. В ряде случаев поглощение одного вещества другим не ограничивается поверхностным слоем, а происходит во всем объеме сорбента. Такое поглощение называют абсорбцией.

Адсорбция газов и паров на поверхности твердых тел сопровождается уменьшением свободной поверхностной энергии системы F, что приводит к ее стабилизации. В результате адсорбции происходит перераспределение компонентов между объемными фазами и поверхностными слоями.

Важнейшей адсорбционной характеристикой вещества является поверхностная активность, выражаемая в Дж∙ м²/моль или Н∙ м/моль. Если с увеличением концентрации некоторого вещества на границе раздела фаз величина σ понижается, то его называют поверхностно-активным веществом(ПАВ). Например, для масляной кислоты σ = 26, 5∙ 10^–3 Дж/м², следовательно это ПАВ.

Большинство органических веществ имеют значение σ меньшее, чем вода (для воды σ = 72∙ 10^–3 Дж/м²), поэтому по отношению к воде они поверхностно активны.

Молекулы ПАВ имеют особое строение: неполярную углеводородную цепь и полярную часть, представленную функциональными группами –COOH, –NH₂, –OH, –O–, –SO₂OH и др. Углеводородные неполярные части молекул ПАВ выталкиваются из воды и концентрируются на поверхности раздела фаз – адсорбируются. ПАВ типа обычного мыла (олеат натрия) при концентрации 10^–6 моль/см³ снижают σ воды при 298 К с 72∙ 10^–3 до 32∙ 10^–3 Дж/м². В результате вода с добавкой ПАВ стекает, не оставляя “жирных” капель, бензин смывается с рук.

Рис. 4.2. Схематическое строение молекулы ПАВ

Молекулы ПАВ неполярной частью обращаются к неполярному веществу дисперсных частиц (бензол, частицы загрязняющих веществ), а полярной группой связываются с полярными молекулами вещества дисперсионной среды (например, воды). Так, на частичке загрязняющего вещества молекулы ПАВ ориентируются как частокол, образуя моно- или полимолекулярные слои. Схема распределения молекул ПАВ на границе раздела фаз изображена на рис. 4.3.

Рис. 4.3. Схема распределения молекул ПАВ на границе раздела фаз

Частицы дисперсной фазы, окруженные ПАВ, увлекаются в объем дисперсионной среды (моющего раствора), отрываясь от загрязненной поверхности.

4.3. Высокодисперсные системы – золи (коллоидные растворы)

Золи обладают повышенной агрегативной устойчивостью и могут существовать долгое время без изменения степени дисперсности. Это объясняется особым строением коллоидных частиц. В качестве примера рассмотрим строение золя иодида серебра, образующегося в результате реакции ионного обмена нитрата серебра с иодидом калия при избытке последнего:

AgNO₃ + KI = AgI↓ + KNO₃.

В начале осаждения образуются мельчайшие кристаллы AgI – зародыши микрокристаллического ядра, на поверхности которых адсорбируются ионы Ag⁺, входящие в состав кристаллов и в избытке присутствующие в растворе. Эти ионы (Ag⁺) называют потенциалопределяющими. Они притягивают к себе ионы противоположного знака (NO₃^–). Так, на поверхности ядра AgI формируется двойной электрический слой из адсорбированных потенциалопределяющих ионов (Ag⁺) и противоионо в (NO^3–). Адсорбированные ионы достаточно прочно связаны с ядром силами межмолекулярного притяжения. Ядро с адсорбционным слоем образует гранулу. Каждая гранула несет заряд. В рассматриваемом примере – положительный. Одноименно заряженные гранулы взаимно отталкиваются. Это препятствует коагуляции ДС и обеспечивает кинетическую устойчивость коллоидных растворов. Часть ионов NO^3–, компенсирующих заряд гранулы, не адсорбированы, а удалены от ядра и образуют диффузионный слой коллоидной частицы, которая в целом называется мицеллой. Таким образом, мицеллы нейтральны.

Образование золя иодида серебра при избытке нитрата серебра приводит к такому строению коллоидных мицелл, при котором гранулы имеют положительный заряд (рис. 4.4):

{[AgI]_m · nAg⁺ · (n-x)NO₃^–}^x+ · x NO₃^–. (4.3)

Строение мицеллы золя иодида серебра, образовавшегося при избытеа иодида калия может быть выражено формулой:

{[AgI]_m · nI^– · (n-x)K⁺}^x– · x K⁺. (4.3)

Наличие заряженных гранул в составе коллоидных мицелл подтверждает явление электрофореза, заключающееся в том, что при пропускании постоянного электрического тока происходит перемещение гранул к электроду противоположного знака и перемещение противоионов диффузионного слоя, соответственно, к противоположному электроду.

 

Рис. 4.4. Строение коллоидной мицеллы золя иодида серебра

при избытке азотнокислого серебра

4.4. Связнодисперсные системы – гели

Дисперсные системы с жидкой или газообразной дисперсионной средой, обладающие некоторыми свойствами твёрдых тел: способностью сохранять форму, прочностью, упругостью, пластичностью. Эти свойства гелей обусловлены существованием у них структурной сетки (каркаса), образованной частицами дисперсной фазы, которые связаны между собой силами межмолекулярного взаимодействия различной природы.

Гели в виде студенистых осадков (коагелей) образуются из золей при их коагуляции или в процессах выделения новой фазы из пересыщенных растворов как низко-, так и высокомолекулярных веществ. Гели с водной дисперсионной средой называют гидрогелями, с жидкой углеводородной средой – органогелями. Отверждение золей во всём объёме без выделения осадка и нарушения их однородности даёт т. н. лиогели. Вся дисперсионная среда в таких гелях лишена подвижности (иммобилизована) вследствие изолирования в ячейках структурной сетки. Чем больше асимметрия частиц, тем при более низком содержании дисперсной фазы образуется гель. Например, при образовании гидрогеля из гидрозоля пентоксида ванадия для отверждения системы достаточно 0, 05%, в других случаях – нескольких объёмных процентов дисперсной фазы. Лиогели обладают малой прочностью, пластичностью, некоторой эластичностью и тиксотропией, т. е. способностью обратимо восстанавливать структуру, разрушенную механическим воздействием. Таковы, например, гели мыл и мылоподобных поверхностно-активных веществ, гели гидроксидов многих поливалентных металлов. Высушиванием лиогелей можно получить аэрогели, или ксерогели, – микропористые системы, лишённые пластичности, имеющие хрупкую, необратимо разрушаемую структуру. Так получают распространённые сорбенты: алюмогель из геля гидроксида алюминия и силикагель из студней кремнёвой кислоты.