Дисперсионная среда - это фаза, в которой распределено раздробленное вещество

Туман: капли воды - дисперсная фаза,

воздух - дисперсионная среда, дисперсная система

 

 

Для объектов коллоидной химии характерны 2 общих признака:

- гетерогенность;

- дисперсность.

Гетерогенность – выступает как признак, указывающий на наличие межфазной поверхности, поверхностного слоя.

Дисперсность – определяется размерами тела по трем его измерениям.

В зависимости от размеров частиц дисперсной фазы, системы бывают:

- монодисперсные - системы состоят из частиц одного размера;

- полидисперсные – из частиц различных размеров, изменяющихся в некотором интервале.

Дисперсный состав в полидисперсных системах выражается в виде функций распределения:

- интегральных F (r) и дифференциальных f(r)= d F(r)/dr

Интегральная (накопительная) функция распределения – это доля параметра системы, приходящаяся на частицы r r_{i (}или r r_i), параметрами могут быть: n- число частиц, s- поверхность, v-объем,Q-масса.

Дифференциальная функция распределения - это доля параметра системы в заданных интервалах радиусов от их общего количества.

Представляют функции распределения в виде аналитических и графических зависимостей.

F(r), f(r) Интегральная кривая распределения частиц

F(r) по размерам.

 

f(r) Дифференциальная кривая.

r

Дифференциальная кривая - более наглядно характеризует полидисперсность системы.

2) Количественные характеристики Д.С.

Для характеристики Д.С. используют следующие величины:

1) Поперечный размер частиц – a(d) [cм; м]

- для сферических частиц это диаметр (d) сферы, для кубических – ребро куба (l).

2) Дисперсность (раздробленность) – D – величина обратная поперечному

линейному размеру:

[см^-1;м^-1]

3) Удельная поверхность S_уд. – это межфазная поверхность (S _1,2) приходящаяся на единицу объема дисперсной фазы (V) или ее массы (m).

[м²/м³]; [м²/кг] (1).

или суммарная поверхность всех частиц в единице объема или единице

массы вещества: ,

где S – площадь поверхности всех частиц

V (m) – объем (масса) всех частиц

Чем меньше частицы, тем больше удельная поверхность.

Пусть имеем в системе N частиц кубической формы и одинакового размера (т.е. система монодисперсная). Тогда

(2)

где l – длина ребра куба.

Для сферических частиц:

(3)

где r и l – радиус и диаметр частицы.

Чаще S_уд. рассчитывается на единицу массы раздробленного вещества.

Тогда в формулу (1) необходимо ввести плотность дисперсной фазы. Поскольку , то , тогда (4)

где ρ – плотность дисперсной фазы.

Таким образом, удельная поверхность обратно пропорциональна линейному размеру частиц, и прямо пропорциональна дисперсности D:

, (5)

где К – коэффициент пропорциональности (или коэффициент формы частиц) равный 6,4,2.

Так в трехмерных системах (частицы, камни, пузырьки) (6)

в двухмерных (нити, волокна, капилляры, поры):

; ;

где r, l, L – радиус, диаметр и длина капилляра, тогда:

(7)

В одномерных (мембраны, пленки)

(8)

4. Кривизна поверхности – H – в данной точке определяется производной площади поверхности по ее объему:

или с помощью соотношения ,

где r ₁ и r ₂ – радиусы окружностей, получаемые при пересечении поверхностей

Пример 1: посмотрим как изменится удельная поверхность 1кг сахара в зависимости от того в каком виде находится этот продукт.

В одном пакете сахарного песка массой 1кг содержится примерно 1,6^.10⁶ сахаринок диаметром 1мм и их уд. поверхность = 5м²/кг. Кусок сахара m=1кг имеет поверхность всего 0,05м², в 100раз меньше. Если раздробить сахар в сахарную пудру с размером частиц 10мкм, то уд. поверхность сахарной пудры составит 500м²/кг. Таким образом, поверхность 1кг сахара в зависимости от состояния его измельчения будет составлять от 0,05 до 500м². Т.е. с повышением дисперсности удельная поверхность возрастает.

Представим зависимость S_уд= f (d)(a)

I – молекулярнодисперсная система

II – ультрамикрогетерогенная (коллоидная или наносистема)

III – микрогетерогенная сиситема

IV – грубодисперсная система

 

Наибольшее значение S_уд приходится на высокодисперсные системы (коллоидные) или ультрамикрогетерогенные (наносистемы) – заштрихованная область. По мере приближения к области молекулярно дисперсных систем кривая обрывается, т.к. система из гетерогенной переходит в гомогенную.

3. 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 определенные виды этих систем.

Классифицировать дисперсные системы можно на основе следующих общих признаков:

1) По агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды;

2) По размеру и распределению частиц дисперсной фазы;

3) По виду дисперсной фазы.

 

1). Данная классификация была предложена Оствальдом. Дисперсионной средой может быть жидкость (Ж), твердое тело (Т) или газ (Г). В сочетании с тремя агрегатными состояниями дисперсной фазы возможны 9 комбинаций, но г/г – гомогенная система, поэтому – 8; и можно представить в виде таблицы.

 

Дисперсная фаза	Дисперсионная среда
Т	Ж	Г
Т	Т/Т – твердые коллоидные растворы (горные породы, стройматериалы, сплавы, пластмассы).	Т/Ж – золи, гели (высокодисперсные суспензии, пасты).	Т/Г – пыль, дым, мука, порошки(аэрозоли).
Ж	Ж/Т – капиллярные системы (почва, живые клетки, сыр, фрукты, овощи)	Ж/Ж – эмульсии (сырая нефть, латекс, молоко, масло, майонез, крема).	Ж/Г – туман, облака, выхлопные газы (аэрозоли).
Г	Г/Т – пористые тела (адсорбенты, уголь, пемза, пенопласты, хлеб)	Г/Ж – пены, газовые эмульсии	Г/Г – гомогенная система (нет поверхности раздела фаз) дисперсная система отсутствует

 

Золь – в коллоидной химии все системы, отвечающие коллоидной степени дисперсности, принято называть золями.

 

Отсюда: к коллоидным системам относятся системы у которых значение

 

d (поп. размер) лежит в пределах 1-100нм (10^-7 – 10^-5 см),

 

а D (дисперсность) 1-100нм^-1 (10⁷ – 10⁵ см^-1)

 

2). Классификацию по этому признаку можно представить в следующей таблице. В зависимости от размеров частиц различают – высокодисперсные, средне дисперсные и грубодисперсные системы.

 

Класс	Размеры частиц	Дисперсность	Примеры
мкм	м	м-1
Высокодисперсные	10-3 – 10-1	10-9 – 10-7	10-9 – 107	Рубиновое стекло, золь кремниевой кислоты
Среднедисперсные	0,1-10	10-7 – 10-5	107- 105	Растворимая сода, сахарная пудра, сажа
Грубодисперсные	>10	>10-5	<105	Крупа, капли дождя

 

Таким образом, размер частиц (дисперсность) является одним из важнейших качественных показателей дисперсных систем, определяющих их качественные особенности.

 

3). Третий признак, по которому классифицируют все Д.С., обусловлен видом дисперсной фазы. Дисперсную фазу могут составлять не только частицы, но и пленки, мембраны, нити или капилляры.

 

 

Различают:

- трехмерные дисперсные фазы (частицы, капли, пузырьки) (рис.а) – характерные размеры и дисперсность трехмерных частиц определяют в трех взаимно перпендикулярных направлениях.

Дисперсная фаза	Пример
Вид	Характеристика
Трехмерная	Твердые частицы, капли, пузырьки	Почва,аэрозольные частицы, порошок цемента или бетона, мука, молоко, майонез

 

- двухмерные (нити, волокна, капилляры, поры). Дисперсность двухмерных тел (рис. б) характеризуют двумя размерами, которые определяют в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

Дисперсная фаза	Пример
Вид	Характеристика
Двухмерная	Нити, волокна, капилляры	Древесные ткани, пористые вещества, хлеб, сухари, волосы, кожа

 

- одномерные дисперсные фазы (мембраны, пленки). В данном случае только один размер, а определяет дисперсность – это толщина мембраны или пленки (рис.в).

Дисперсная фаза	Пример
Вид	Характеристика
Одномерная	Пленки, мембраны	Жидкие пленки, в том числе и нефти на жидких и твердых поверхностях, тонкие пленки.

 

 

Кроме общих признаков, которые охватывают все дисперсные системы, существует ряд частных признаков. Эти признаки характерны только для некоторых дисперсных систем. В основу частной классификации положены следующие признаки:

1)способы получения дисперсных систем;

2)структурно-механические свойства;

3)взаимодействие между дисперсной фазой и дисперсионной средой;

4)устойчивость Д.С.

 

1) Классификация по структуре (или по взаимодействию между частицами).

Все Д.С. можно разделить на 2 класса:

а) свободнодисперсные (бесструктурные) – суспензии, эмульсии, золи.

б) связнодисперсные (структурированные) – гели, студни, пены, пленки.