Системы с твердой дисперсионной средой

Системы с твердой дисперсионной средой обладают твердостью и другими свойствами, о которых пойдет речь ниже. К ним неприменимо понятие агрегативной устойчивости.

Дисперсные системы (Г/Т) – твердые пены широко применяются в строительстве (пенобетон, керамзит, пеностекло, пенопласты, пористая резина и др.).

Дисперсные системы (Ж/Т) – твердые эмульсии встречаются довольно редко.

Наиболее широко используются дисперсные системы (Т/Т). К ним относятся металлы и сплавы, керамические и бетонные изделия, пластмассы, композиционные материалы (железобетон, эбонит, резина, ситаллы и др.).

Металлы и сплавы имеют кристаллическое строение (рис. 44).

Рис. 44. Строение затвердевшего стального слитка: 1) мелкие кристаллы; 2) столбчатые кристаллы; 3) крупные кристаллы

 

Расплав при охлаждении переходит из жидкого в твердое состояние. Кристаллизация металла происходит на зародышах – отдельных участках поверхности, которая охлаждается быстрее внутренней части. Процесс твердения продвигается внутрь и завершается в центре металлического слитка. Образуется дисперсная система разнообразных по форме и ориентации кристаллов.

В сплавах формируется микрогетерогенная система, кристаллы которой отличаются физическими и химическими свойствами.

Бетон получают твердением цементного теста, смешанного с различными минеральными наполнителями (крупный речной песок, гравий, щебень). В результате твердения образуется монолитная дисперсная система в виде блоков, плит и других конструкционных материалов.

Керамические материалы получают спеканием глин или смеси порошков неорганических веществ, содержащих разнообразные оксиды металлов и неметаллов (Al₂O₃, MgO, SiO₂, CaO). При изготовлении керамики к глине добавляют воды, размалывают до состояния теста, формуют изделие, сушат, а затем подвергают обжигу. После обжига изделие готово к использованию.

Композиционные материалы – многокомпонентные материалы, состоящие из полимерной, металлической, углеродной основы (матрицы), армированной (содержащей внутренний каркас) наполнителями из волокон, нитевидных кристаллов, тонкодисперсных частиц.

Среди композиционных материалов наибольшее применение нашли полимерные материалы (феноло-формальдегидные смолы, эпоксидные, полиамидные и полиэфирные высокомолекулярные соединения), армированные стеклянными, углеродными, борными волокнами, а также стальной, молибденовой и вольфрамовой проволокой. Например, углепластики используются в качестве конструкционных материалов в авиакосмической технике, автомобилестроении, судостроении, изготовлении спортивных товаров. Углерод-углеродные композиты используются в качестве теплозащитных материалов. В инертной среде они работают при температуре до 2500 ⁰С.

Введение высокодисперсного углерода (дисперсная фаза) в натуральный или синтетический каучук (дисперсионная среда) придает резине (полученной при вулканизации каучука) сочетание свойств твердого тела (упругость, стабильность формы), жидкости (высокая деформируемость при малом объемном сжатии) и газа (повышение упругости вулканизационных сеток с ростом температуры). Благодаря этим качествам автомобильные покрышки выдерживают высокие нагрузки в течение нескольких лет эксплуатации.

 

Краткий итог темы

1. Природные дисперсные системы, такие, как пыль, дым, туман, донный ил, мутная вода, снег, кварцевый песок, образуются в результате испарения, трения, конденсации и других физико-химических процессов, происходящих на планете.

2. Искусственные дисперсные системы получают двумя путями: диспергационным методом – измельчением твердых и жидких тел в дисперсионной среде и конденсационным методом – образованием в гомогенной среде новой фазы – физической и химической конденсацией.

3. Аэрозоли имеют несомненные преимущества перед другими видами дисперсных систем своей способностью занимать большой объем незначительным количеством вещества. По этой причине они широко используются (в аэрозольной упаковке) как полирующие и чистящие составы, лаки и краски, дезодоранты, медицинские препараты, средства тушения пожаров, в военной и космической технике.

4. Порошки, суспензии, эмульсии, пены, сплавы и композиционные материалы находят широчайшее применение в пищевой, химической промышленности, строительной индустрии, медицине, в качестве средств, используемых в быту.

 

Термины для запоминания

Аэрозоль – средне- или грубодисперсная система с газовой дисперсионной средой, содержащей твердые частицы (Т/Г) или капли жидкости (Ж/Г).

Гель – структурированная твердообразная дисперсная система, каркас которой заполнен жидкостью.

Композиционные материалы – многокомпонентные материалы, состоящие из полимерной, металлической, углеродной основы (матрицы), армированной наполнителями из волокон, нитевидных кристаллов, тонкодисперсных частиц.

Ксерогель – высушенный (сухой) гель.

Пасты – высококонцентрированные структурированные суспензии, в которых пространственная сетка из частиц дисперсной фазы заполнена дисперсионной средой. Они обладают вязкостью, упругостью и пластичностью.

Пены – грубодисперсные высококонцентрированные системы с газовой дисперсной фазой и жидкой дисперсионной средой (Г/Ж).

Порошки –средне- и грубодисперсные системы с высокой концентрацией твердой дисперсной фазы в газе (Т/Г).

Стабилизаторы – вещества, добавление которых в дисперсную систему препятствует слипанию частиц. В качестве стабилизаторов широко используются коллоидные растворы ПАВ и растворы ВМС.

Студни – концентрированные растворы высокомолекулярных соединений с плотным структурированным каркасом, упругие свойства которого вызваны образованием прочных химических и водородных связей между макромолекулами.

Суспензии – средне- и грубодисперсные системы с твердой дисперсной фазой и жидкой дисперсионной средой (Т/Ж),

Эмульсии – средне и грубодисперсные системы с жидкой дисперсной фазой и жидкой дисперсионной средой (Ж/Ж), одна из жидкостей распределена в другой в виде капель.

 

Вопросы для проверки знаний

1. Какие дисперсные системы называются суспензиями?

2. Чем пасты отличаются от суспензий?

3. Какие классы веществ используются в качестве стабилизаторов суспензий?

4. В чем сходство и различие между суспензиями и золями?

5. В чем сходство и различие между суспензиями и эмульсиями?

6. Какое существует различие между прямыми и обратными эмульсиями?

7. Какие дисперсные системы относят к пенам?

8. Являются ли эмульсии, пены, суспензии, аэрозоли термодинамически устойчивыми системами?

9. Чем порошки отличаются от аэрозолей?

 

Упражнения

1. В качестве эмульгаторов используются коллоидные растворы поверхностно-активных веществ и высокомолекулярных соединений. Объясните механизм их стабилизирующего действия.

2. Известно, что некоторые лекарственные препараты готовят в виде эмульсий. Выскажите версию, почему для приема внутрь применяют прямые эмульсии, а для наружного использования – обратные эмульсии.

3. Объясните различие между седиментационной и агрегативной устойчивостью дисперсных систем.

4. Назовите вещества, которые используются в качестве пенообразователей. Напишите химические формулы твердого и жидкого мыла.

5. При действии углекислотного огнетушителя из раструба выбрасывается углекислый газ в виде твердых частиц СО₂. Какой метод диспергирования реализуется в этом случае?

6. Каков принцип действия баллончика с аэрозолем?

7. При действии порошкового огнетушителя из раструба выбрасывается частицы порошка. Какой метод диспергирования реализуется в этом случае?

 

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Основная

1. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы. Учебник для вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. /Ю.Г. Фролов. – М.: Химия, 1988. – 464 с.
2. Гельфман М.И. Коллоидная химия. 3-е изд., стер. /М.И. Гельфман, О.В. Ковалевич, В.П.Юстратов – СПб.: Издательство «Лань», 2005. – 336 с.

 

Дополнительная

1. Зимон А.Д. Коллоидная химия: Учебник для вузов. 3-е изд., доп. и исправл. / А.Д. Зимон, Н.Ф. Лещенко – М.: АГАР, 2001. – 320 с.
2. Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. Изд. 2-е, перераб. и доп. / С.С. Воюцкий – М.: Химия, 1976. – 512 с.
3. Фридрихсберг Д.А. Курс коллоидной химии. Учеб. для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. / Д.А. Фридрихсберг – Л.: Химия. 1984. – 368 с.

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 3

Тема 1. Классификация дисперсных систем 4

Классификация дисперсных систем по размеру частиц дисперсной фазы 7

Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию 9

Краткий итог темы 12

Термины для запоминания 13

Вопросы для проверки знаний 14

Упражнения 14

Тема 2. Физико-химические характеристики поверхностного слоя 15

Поверхностное натяжение 15

Смачивание 18

Адгезия 21

Практическое использование явлений адгезии и смачивания 23

Адсорбция 24

Адсорбция на границе жидкость – газ. Уравнение адсорбции Гиббса 26

Адсорбция на границе твердое тело – газ. Уравнение адсорбции Ленгмюра 32

Адсорбция на границе твердое тело – раствор. Ионообменная адсорбция 35

Практическое использование адсорбции 36

Краткий итог темы 38

Термины для запоминания 39

Вопросы для проверки знаний 40

Упражнения 41

Тема 3. Электрические свойства дисперсных систем 42

Механизм образование двойного электрического слоя на границе раздела фаз 42

Электрокинетические явления 48

Электроосмос 48

Электрофорез 52

Потенциал течения и седиментация 53

Краткий итог темы 55

Термины для запоминания 56

Вопросы для проверки знаний 57

Упражнения 57

 

 

Тема 4. Устойчивость дисперсных систем 58

Лиофобные дисперсные системы 58

Седиментационная устойчивость 59

Агрегативная устойчивость 61

Лиофильные дисперсные системы 63

Поверхностно-активные вещества 64

Высокомолекулярные соединения 69

Краткий итог темы 73

Термины для запоминания 75

Вопросы для проверки знаний 76

Упражнения 76

Тема 5. Практическое применение поверхностных явлений и дисперсных систем 77

Получение дисперсных систем 78

Диспергационные методы 78

Конденсационные методы 79

Аэрозоли 80

Порошки 82

Суспензии 83

Эмульсии 85

Пены 87

Системы с твердой дисперсионной средой 90

Краткий итог темы 92

Термины для запоминания 93

Вопросы для проверки знаний 94

Упражнения 94

Список рекомендуемой литературы 96