Дисперсные системы и их классификация

Дисперсные системы относятся к многофазным системам (гетерогенным). Они состоят из дисперсной среды (ДС) – непрерывной фазы и находящихся в ней частиц раздробленного вещества – дисперсной фазы (ДФ).

Степень раздробленности, или дисперсность, частиц ДФ в значительной мере определяет свойства дисперсных систем. Количественно дисперсность характеризуется линейными размерами частиц ДФ: чем меньше размеры частиц, тем больше дисперсность и наоборот. Таким образом, дисперсность – величина обратная размерам частиц.

δ = 1/d

δ – степень дисперсности (это понятие ввел А.В. Думанский),

d – средний диаметр частиц (м).

По степени дисперсности различают:

· грубодисперсные (микрогетерогенные) системы

d > 10^-7 (м), δ < 10^-7 (м^-1),

· коллоидно-дисперсные системы (ультрамикрогетерогенные)

d ~ 10^-7 (м), δ ~ 10^-7 (м^-1),

· состояние истинного раствора (гомогенные системы)

d < 10^-9 (м), δ > 10^-9 (м^-1).

Грубодисперсные системы, имея низкую дисперсность, кинетически неустойчивы, частицы ДФ не остаются во взвешенном состоянии и оседают на дно под действием сил тяжести, поэтому они не способны к самопроизвольному тепловому движению, диффузии, а следовательно не создают осмотического давления.

Повышение дисперсности в ультрамикрогетерогенных системах приводит к появлению новых свойств таких систем: при размерах частиц 10^-7 ÷ 10^{-9 м они находятся в непрерывном хаотичном движении, благодаря чему возникает способность к диффузии и осмосу. Такие системы называют коллоидными.}

Коллоидное состояние систем является промежуточным (или пограничным) между грубодисперсной системой и истинным раствором:

грубодисперсная система d > 10^-7 м

коллоидно-дисперсная система 10^-7 < d < 10^-9

истинный расвор d < 10^-9 м

увеличение степени измельчения

увеличение размера частиц ДФ

Коллоидные системы, являясь высокодисперсными, имеют очень большую поверхность раздела между ДФ и ДС, т.е. обладают повышенным запасом свободной поверхностной энергии. Из термодинамики известно, что система стремится к самопроизвольному уменьшению своей свободной энергии. Это происходит либо за счет слипания частиц в более крупные агрегаты, либо в результате адсорбции коллоидными частицами веществ, понижающих поверхностное натяжение. Таким образом, большим запасом свободной поверхностной энергии объясняются такие важные свойства коллоидных систем, как их высокая адсорбционная способность, стремление к агрегации частиц, сильно выраженное каталитическое действие и т.д.

Песков назвал коллоидные системы агрегативно неустойчивыми.

Однако, будучи термодинамически неравновесными, т.е. неустойчивыми, коллоидные системы в то же время являются кинетически устойчивыми. Эту устойчивость колодным частицам придают защитные вещества, которые избирательно адсорбируясь на поверхности частиц, предохраняют их от слипания. Коллоидные частицы всегда имеют одноименный заряд, обусловливающий взаимное отталкивание и кинетическую устойчивость.

Коллоидные системы из-за кажущейся однородности вследствие кинетической устойчивости называют растворами или золями.

 

Классификация коллоидных систем по агрегатному состоянию фаз:

Дисперсная фаза ДФ	Дисперсионная среда ДС	Обозначения	Название
твердая	газ	т/г	дымы, пыли
жидкая	газ	ж/г	туманы
твердая	жидкая	т/г	суспензии, коллоидные растворы
жидкая	жидкая	ж/ж	эмульсии
газ	жидкая	г/ж	пены

По характеру взаимодействия дисперсной фазы с дисперсионной средой дисперсные системы подразделяются:

Лиофобные: коллоидные растворы со стабилизаторами (золи), суспензии, эмульсии, пены, аэрозоли.	Лиофильные: коллоидные растворы ПАВ (поверхностноактивных веществ) и ВМС (высокомолекулярных соединений).
слабое взаимодействие между ДФ и ДС	сильное взаимодействие между ДФ и ДС
образуются за счет затраты энергии извне	образуются самопроизвольно
эндергонический процесс	экзергонический процесс
термодинамически неустойчивы	термодинамически устойчивы
необходим стабилизатор	стабилизатор не требуется

 

Коллоидные растворы, как и другие дисперсные системы, могут быть лиофобными и лиофильными. И в тех и в других структурными единицами являются мицеллы – микроструктуры, образующиеся при взаимодействии компонентов ДФ и ДС. Различный характер этого взаимодействия обусловливает различное строение мицелл в лиофобных и лиофильных коллоидных растворах, а также условия их существования и стабильность.

Для наглядности различий сопоставим свойства коллоидных и истинных растворов и грубодисперсных микрогетерогенных систем.

Свойства частиц	Грубодисперсные системы: суспензии, эмульсии, пены, аэрозоли	Коллоидные растворы: лиозоли	Истинные растворы
размеры	> 10^-7 (м)	10^-7 – 10^-9 (м)	< 10^-9 (м)
Фильтрация	Частицы задерживаются бумажным фильтром	Частицы проходят через бумажный фильтр	Частицы (молекулы, ионы) проходят через бумажный фильтр
Ультрафитрация, проходимость через мембраны (диализ)	не проходят	не проходят	проходят
Видимость в обычном микроскопе	видимы	невидимы	невидимы
Видимость в ультрамикроскопе	видимы	обнаруживаются	не видимы
Видимость в электронном микроскопе	видимы	видимы	видимы только наиболее крупные молекулы
Поверхностная энергия	проявляется слабо, система гетерогенна	проявляется максимально, система ультрамикрогетерогенна	отсутствует, система гомогенна
Устойчивость или способность ДФ сохранять состояние равномерного распределения частиц во всем объеме ДС	седиментационно и агрегативно неустойчивы (происходит самопроизвольное разделение на фазы)	седиментационно (или кинетически) устойчивы, но со временем становятся агрегативно неустойчивыми, происходит коагуляции или разрушение золя	неограниченно устойчивы во времени (самопроизвольного выделение растворенного вещества из системы не происходит)
Молекулярно-кинетические свойства, связанные с тепловым движением (броуновское движение, диффузия, осмос)	отсутствует	очень слабо выражены	хорошо выражены
Оптические свойства	непрозрачны (крупные частицы ДФ отражают световые волны) r ≥ ½λ	опалесцируют: в проходящем свете – прозрачны, при боковом освещении дают светящийся конус Тиндаля (происходит рассеяние видимого света во все стороны – дифракция). Причина: размер коллоидных частиц соизмерим с длиной световых полуволн. r = ½λ	прозрачны, т.е. оптически пусты, т.к. молекулы и ионы очень мелкие частицы и пропускают свет не преломляя. r ≤ ½λ