Коллоидная химия - [3]

Надеемся, что предлагаемый учебник окажется вам полезным при изучении специальных технологических дисциплин и в будущей профессиональной деятельности.

2.

ЧАСТЬ ПЕРВАЯ. ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ

2.1.

Глава 1. Дисперсные системы

2.1.1.

ПРЕДМЕТ КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

Коллоидная химия занимается изучением дисперсных систем.

Дисперсная система (ДС) - это система, в которой хотя бы одно вещество находится в раздробленном состоянии.

ДС имеет два характерных признака: гетерогенность и дисперсность. Гетерогенность означает, что система состоит как минимум из двух фаз. Казалось бы, в этом нет ничего особенного, ведь с такими системами мы уже встречались при изучении фазовых равновесий или электродных процессов.

Особенность ДС состоит в их дисперсности - одна из фаз обязательно должна быть раздробленной, ее называют дисперсной фазой. Сплошная среда, в которой раздроблена дисперсная фаза, называется дисперсионной средой.

Фаза считается дисперсной, если вещество раздроблено хотя бы в одном направлении. Если вещество раздроблено только по высоте, образуются пленки (ткани, пластины и т.д.). Если вещество раздроблено и по высоте и по ширине, образуются волокна, нити, капилляры. Наконец, если вещество раздроблено по всем трем направлениям, дисперсная фаза состоит из дискретных частиц.

Характерным свойством ДС является наличие большой межфазной поверхности. В связи с этим определяющими являются свойства поверхности, а не частиц в целом. Характерными являются процессы, протекающие на поверхности, а не внутри фазы.

Коллоидная химия - это наука о поверхностных явлениях и физико-химических свойствах дисперсных систем (рис. 1.1

).

2.1.2.

КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДС

Для характеристики ДС используются три величины:

1. Поперечный размер частиц - d. [d] = см; м. Для сферических частиц это диаметр сферы, для кубических частиц - ребро куба.

2. Дисперсность (раздробленность) - Д - величина, обратная поперечному размеру частиц:

3. Удельная поверхность

- это межфазная поверхность (

), приходящаяся на единицу объема дисперсной фазы (V) или ее массы (m).

Для сферической частицы с радиусом r:

Для кубической частицы с ребром куба d:

В общем случае

где - коэффициент формы частиц (для сферических и кубических частиц = 6).

2.1.3.

КЛАССИФИКАЦИЯ ДС

Классификация ДС может быть проведена на основе различных свойств.

КЛАССИФИКАЦИЯ ПО ДИСПЕРСНОСТИ

Зависимость величины удельной поверхности от дисперсности (см. уравнение 1.1) графически выражается равносторонней гиперболой (рис. 1.2 ).

Из графика видно, что с уменьшением поперечных размеров частиц величина удельной поверхности существенно возрастает. Если кубик с размером ребра 1 см измельчить до кубических частиц с размерами cм, величина общей межфазной поверхности возрастет с 6 до 600 .

При см гипербола обрывается, так как частицы уменьшаются до размеров отдельных молекул, и гетерогенная система становится гомогенной, в которой межфазная поверхность отсутствует. По степени дисперсности ДС делятся на:

• грубодисперсные системы,

см;

• микрогетерогенные системы,

см;

• коллоидно-дисперсные системы или коллоидные растворы,

см;

• истинные растворы, см.

Необходимо подчеркнуть, что самую большую удельную поверхность имеют частицы дисперсной фазы в коллоидных растворах.

КЛАССИФИКАЦИЯ ПО АГРЕГАТНОМУ СОСТОЯНИЮ ФАЗ

Классификация по агрегатному состоянию фаз была предложена Вольфгангом Оствальдом. В принципе возможно 9 комбинаций. Представим их в виде таблицы.

Таблица 1.1. Классификация по агрегатному состоянию фаз

Агрегатное состояние дисперсной фазы

Агрегатное состояние дисперсной среды

Условное обозначение ф/с

Название системы

Примеры

г

г

г/г

аэрозоли

атмосфера Земли

ж

г

ж/г

туман, слоистые облака

тв

г

тв/г

дымы, пыли, перистые облака

г

ж

г/ж

газовые эмульсии, пены

газированная вода, мыльная пена, лечебный кислородный коктель, пивная пена

ж

ж

ж/ж

эмульсии

молока, масло сливочное, маргарин, кремы и т.д.

тв

ж

тв/ж

лиозоли, суспензии

лиофобные коллоидные растворы, суспензии, пасты, краски и т.д.

г

тв

г/тв

твердые пены

пемза, твердые пены, пенопласт, активированный уголь, пенобетон, хлеб, порисные тела в газе и т.д.

ж

тв

ж/тв

твердые эмульсии

вода в парафине, природные минералы с жидкими включениями, пористые тела в жидкости

тв

тв

тв/тв

твердые золи

сталь, чугун, цветные стекла, драгоценные камни: золь Au в стекле - рубиновое стекло (0,0001%) (1 т стекла - 1 г Au)

КЛАССИФИКАЦИЯ ПО ВЗАИМОДЕЙСТВИЮ ДИСПЕРСНОЙ ФАЗЫ И ДИСПЕРСИОННОЙ СРЕДЫ (ПО МЕЖФАЗНОМУ ВЗАИМОДЕЙСТВИЮ)

Эта классификация пригодна только для систем с жидкой дисперсионной средой. Г. Фрейндлих предложил подразделить ДС на два вида:

1) лиофобные, в них дисперсная фаза не способна взаимодействовать с дисперсионной средой, а следовательно, и растворяться в ней, к ним относятся коллоидные растворы, микрогетерогенные системы;

2) лиофильные, в них дисперсная фаза взаимодействует с дисперсионной средой и при определенных условиях способна в ней растворяться, к ним относятся растворы коллоидных ПАВ и растворы ВМС.

КЛАССИФИКАЦИЯ ПО МЕЖЧАСТИЧНОМУ ВЗАИМОДЕЙСТВИЮ

Согласно этой классификации ДС подразделяют на:

1) свободнодисперсные (бесструктурные);