Наука о поверхностных явлениях и

Дисперсных системах

Своим названием коллоидная химия обязана коллоидам, или коллоидным растворам. В истинных растворах вещество раздроблено до молекул, а между растворенными веществами и растворителем отсутствует граница раздела фаз. Мельчай­шие частицы коллоидных растворов, которые нельзя увидеть в обычный микроскоп, составляют одну фазу, а среда, в кото­рой они находятся, — другую.

Современная коллоидная химия существенно расширила свои границы. Ее объектами являются дисперсные системы, размеры частиц которых могут быть значительно больше размеров час­тиц коллоидных растворов, а сами коллоидные растворы состав­ляют лишь один из видов дисперсных систем.

Дисперсные системы, как правило, многофазны; они состоят из двух и более фаз, т.е. гетерогенны. Раздробленную (прерывную) часть дисперсной системы принято называть дисперсной фазой, а нераздробленную (непрерывную) — дисперсионной средой. Между дисперсной фазой и дисперсионной средой образуется граница раздела. Необходимым условием образования дисперсных систем является нерастворимость или ограниченная взаимная раствори­мость дисперсной фазы и дисперсионной среды.

Итак, дисперсные системы — это такие гетерогенные системы, которые состоят по крайней мере из двух фаз, одна из них — дис­персная фаза — является раздробленной (прерывной), а другая — дисперсионная среда — представляет собой нераздробленную (не­прерывную) часть системы (рис. 1.1).

Раздробленность приводит к резкому увеличению поверхно­сти раздела между дисперсной фазой и дисперсионной средой. Для оценки межфазовой границы поверхность раздела фаз В от­носят к единице массы дисперсной фазы М:

В_уа = В/М, м²/кг. (1.1)

Рис. 1.1 Дисперсная система: — дисперсионная среда; 2 — дисперсная фаза

Величина В характеризует удельную по­верхность раздела фаз и позволяет количе­ственно определять фактическую границу между дисперсной фазой и дисперсионной средой. Для частиц одного и того же разме­ра удельная поверхность равна поверхности одной частицы В_х, умноженной на число ча­стиц в 1 кг дисперсной фазы п, т.е.

Д._я = В,п. (1.2)

 

Число сферических частиц в 1 кг дисперсной фазы

п = (4я/³р/3)"¹, (1.3)

где р — плотность вещества дисперсной фазы, кг/м³; г — радиус частиц, м.

Учитывая, что поверхность сферических частиц равна 4кг¹, из формул (1.2) и (1.3) получим

(1.4)

= 3/(гр),

где а — диаметр частиц, м.

Аналогичным образом можно выразить удельную поверхность для других частиц правильной формы (кубических, цилиндри­ческих и др.).

Удельная поверхность, определяемая уравнениями (1.1) и (1.4), равна поверхности всех частиц, содержащихся в 1 кг дис­персной фазы и имеет размерность м²/кг.

Иногда удельную поверхность выражают путем отношения поверхности частиц к суммарному объему этих частиц, т.е.

B_ya = B/V. (1.5)

Удельная поверхность в соответствии с формулой (1.5) равна поверхности всех частиц (м²), содержащихся в 1 м³ дисперсной фазы и измеряется в м"¹. Определение удельной поверхности в обратных единицах длины связано с таким понятием, как дис­персность Д т.е. с величиной, обратной размеру частиц а:

D= I/a. (1.6)

Для сферических частиц величина а равна диаметру этих частиц. Дисперсность, как и удельная поверхность [(см. форму­лу 1.4)], обратно пропорциональна размеру частиц. Удельную поверхность в м²/кг можно выразить через дисперсность следу­ющим образом:

(1.7)

= 6D/p.

Удельная поверхность определяет влияние размеров частиц на поверхностные явления.

Посмотрим, как изменится удельная поверхность 1 кг сахара в зависимо­сти от того, в каком виде находится этот продукт. В одном пакете сахарного песка массой 1 кг содержится примерно 1,610⁶ сахаринок диаметром 1 мм, и их удельная поверхность равна 5м²/кг. Кусок сахара массой 1 кг имеет по­верхность всего 0,05 м², т.е. в 100 раз меньшую. Если раздробить сахар и пре­вратить его в сахарную пудру с размером частиц 10 мкм, то удельная повер­хность сахарной пудры уже составит 500 м²/кг. Таким образом, поверхность 1 кг сахара в зависимости от степени его измельчения будет составлять от 0,05 до 500 м².

ТАМБОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ НАУЧНАЯ БИБЛИОТЕКА

Помимо частиц дисперсная фаза может формироваться из нитей, волокон, пор, а также пленок (см. табл. 1.4), особенности удельной поверхности которых отражены в формулах (1.7, а) и (1.7,6).

Дисперсные системы с течением времени могут изменяться. Частицы, которые образуют дисперсную фазу в жидкой или га­зовой среде, могут исчезать, возникать вновь, укрупняться, дро­биться и перемещаться. Но все эти превращения дисперсных систем проходят при одном неизменном условии — сохранении раздробленности вещества или веществ, составляющих диспер­сную фазу.

Раздробленность сообщает дисперсным системам следующие новые качества, которые связаны с резким увеличением повер­хности раздела фаз:

Качественные

особенности дисперсных систем

.ITO

Большая удельная поверхность раздела фаз

Избыточная Интенсификация

поверхностная процессов за счет

энергия на кривизны

межфазовой поверхности частиц

поверхности дисперсной фазы

Раздробленность и большая удельная поверхность раздела фаз обусловливают значительный избыток поверхностной энергии на межфазовой поверхности. Это в свою очередь приводит к воз­никновению поверхностных явлений, о которых пойдет речь в последующих главах. Поверхностные явления наблюдаются на любой поверхности, разграничивающей фазы. Резкое увеличе­ние удельной поверхности (в случае измельчения куска сахара до сахарной пудры она возрастет в 10000 раз) приводит к интен­сификации поверхностных явлений, вызванных избытком по­верхностной энергии.

Раздробленность предполагает образование частиц различной формы, поверхность которых характеризуется определенной кривизной. Кривизна поверхности частиц также определяет каче­ственные особенности дисперсных систем. Ряд процессов, о которых речь пойдет ниже, на плоской и на искривленных по­верхностях протекают по-разному. Кривизна поверхности в не­которых случаях является дополнительным фактором интенси­фикации процессов, которые происходят на границе раздела фаз.

Поверхностные явления, которые вызваны избытком повер­хностной энергии и кривизной поверхности раздела фаз, стано­вятся характерным признаком дисперсных систем. Таким обра­зом, коллоидная химия — наука о поверхностных явлениях и дис-

персных системах. Подобное определение означает единство важ­нейших качественных признаков дисперсных систем, вызванных раздроблением на частицы дисперсной фазы и значительной удельной поверхностью.