Классификация дисперсных систем в зависимости от размера частиц дисперсной фазы

 

 

 

Класс	Размеры частиц	Дисперс­ность	Представители
мкм	м	м-^1
Высоко-дисперс­ные	ю-^3— ю-^1	ю-^9— ю-^7	10^9 — 10^7	Рубиновое стекло*, золь кремневой кислоты
Средне-дисперс­ные	0,1 — 10.	ю-^7 — ю-^5	10^7— 10^5	Растворимый кофе, сахарная пудра, сажа
Грубо-дисперс­ные	>10	>10~^5	<10^5	Крупа, капли дождя

Нередко среднедисперсные системы называют микрогетерогенными, а высокодисперсные — ультрамикрогетерогенными, при сохранении термино­логии о грубодисперсных системах. Подобная классификация грешит непос­ледовательностью: во-первых, коллоидная химия — наука о дисперсных систе­мах и при условии, что один класс систем назван грубодисперсным, логично определить уровни дисперсности других классов дисперсных систем; во-вто­рых, «микро», а тем более «ультрамикро» не определяют дисперсность, т.е. ос­новного признака дисперсных систем — объектов коллоидной химии.

Нижний предел размеров высокодисперсных систем — 1 нм — обусловлен следующими обстоятельствами**. Радиус молекул воды составляет 0,138 нм. Одна молекула воды не может образовывать ни газа, ни жидкости, ни твердого тела. Необходимо по крайней мере 20—30 молекул для того, чтобы из них воз­ник агрегат и образовалась фаза. Поэтому самая маленькая частичка, из кото­рой формируется дисперсная фаза, не может быть меньше 1 нм.

Верхний предел размеров частиц высокодисперсных систем обусловлен рядом явлений, которые характерны только для высокодисперсных систем Примером высокодисперсных систем могут служить коллоидные растворы (золи).

Грубодисперсные системы характеризуются сравнительно большими размерами частиц и незначительной дисперсностью (см. табл. 1.3).

Свойства грубодисперсных и высокодисперсных систем во многом отличаются, но наличие границы раздела фаз и раздроб-

* Подробнее см. гл. 18.

** На это обстоятельство обратил внимание известный ученый в области коллоидной химии Г.И.Фукс.

I

ленность одной из них, т.е. дисперсность и гетерогенность, суть то общее, что объединяет эти системы. Изменение свойств при переходе высокодисперсных систем в грубодисперсные проис­ходит постепенно, через среднедисперсные системы. На рис. 1.2 показано влияние размера частиц на некоторые процессы, каче­ственно характеризующие дисперсные системы.

Высокодисперсные системы, к которым относятся коллоид­ные растворы, характеризуются значительной дисперсностью (III) — они способны рассеивать свет (см. параграф 8.1) и опалесцииру-ют. Если коллоидный раствор пронизан проходящим через лин­зу светом, то сбоку виден светящийся конус. Мельчайшие частич­ки высокодисперсных систем способны самопроизвольно совер­шать хаотическое броуновское движение и перемещаться (диф­фундировать) из области большей в область меньшей концентра­ции. Они проявляют ряд молекулярно-кинетических свойств (см. гл. 9), присущих только этому классу систем (кривая 7, рис. 1.2).

Частички высокодисперсных систем под действием гравита­ции оседают (седиментируют) очень медленно и в отличие от средне-, а тем более грубодисперсных систем, длительное время могут находиться во взвешенном состоянии (кривая 4).

Значительная удельная поверхность частичек высокодиспер­сных систем (кривая 2) способствует интенсификации физико-химических процессов на границе раздела фах (кривая 3). Осо­бенности этих процессов будут подробно рассмотрены в главе 2 и в последующих главах.

Таким образом, размер частиц (или дисперсность) является одним из важнейшим количественным показателем дисперсных систем, определяющих их качественные особенности.

Для дисперсных систем характерен весь спектр размеров частиц, указан­ных в табл. 1.3. Значительная часть их является среднедисперсными и грубо-дисперсными системами. Причем один и тот же продукт может одновременно относиться к различным системам. Так, например, частицы пшеничной муки высшего сорта имеют размер от 1 до 30 мкм, т.е. мука данного сорта одновре­менно принадлежит к среднедисперсной и грубодисперсной системам.

Порошкообразный цемент, бе­тон и другие строительные материа­лы включают частицы, размер кото- Рис. 1.2. Свойства дисперсных систем (L) в зависимости от дисперсности (D):

7 — рассеяние света и молекулярно-кинетические; 2 — удельная поверхность;

3 — скорость оседания;

4 — физико-химические.
/, //, ///— грубо-, средне- и

высокодисперсные системы

рых соответствует двум классам дисперсных систем — средне- и грубодиспер-сным. Крупа, зерно, сахар-песок относятся к грубодисперсным системам. Раз­меры частиц растворимого кофе не превышают обычно 10 мкм, т.е. кофе явля­ется среднедисперсной системой.

Размер частиц дисперсной фазы определяет в известной степени потреби­тельские свойства пищевых масс. Так, диаметр частиц какао-порошка колеб­лется в пределах 0,5—20 мкм, некоторых сухих молочных продуктов — 45—180 мкм, а сахара-песка — 400—2500 мкм (0,4—2,5 мм).

Существует еще и третий признак, по которому классифи­цируют все дисперсные системы. Этот признак обусловлен ви­дом дисперсной фазы. Нельзя представлять дисперсную фазу, т.е. раздробленное вещество, только в качестве частиц определен­ного размера. Дисперсную фазу могут составлять пленки, мемб­раны, нити или капилляры. В основу классификации дисперс­ных систем по виду дисперсной фазы положено число измере­ний характерных размеров (табл. 1.4). Характерными следует счи­тать такие размеры, которые определяют дисперсность.

Различают трехмерные (частицы, капли, пузырьки), двухмер­ные (нити, волокна, капилляры, поры) и одномерные (мембраны, пленки) дисперсные фазы (рис. 1.3). Характерные размеры и дис­персность трехмерных частиц определяют в трех взаимно пер­пендикулярных направлениях (рис 1.3, а). Дисперсность двух­мерных тел (рис. 1.3, б) характеризуют двумя размерами, кото­рые определяют в двух взаимно перпендикулярных направлени­ях. Третий размер L (длина нити, волокна или капилляра) не влияет на дисперсность. В случае одномерных тел только один размер а определяет дисперсность — это толщина мембраны или пленки (рис. 1.3, <?), а два других размера (L, Г) характеризуют габаритные размеры самого тела.

Таблица 1.4 Характеристика дисперсных систем по виду дисперсной фазы

 

 

 

Дисперсная фаза	Схема измерений	Представители
вид	характеристика
Трех­мерная	Твердые частицы, капли, пузырьки	Рис.1.3,а	Почва, аэрозольные части­цы, порошок цемента и бе­тона, мука, молоко, майонез, растворимый кофе.
Двух­мерная	Нити, волокна, капилляры, поры	Рис.1.3, б	Древесина, ткани, пористые вещества, хлеб, сухари, волосы, кожа
Одно­мерная	Пленки, мембраны	Рис.1.3, в	Жидкие пленки, в том числе и нефти на жидких и твер­дых поверхностях, тонкие пленки (мембраны)

А б в

Рис. 1.3. Трехмерная (а), двухмерная (б) и одномерная (в) дисперсные фазы

В табл. 1.4 приведены в качестве примеров представители трех видов дисперсной фазы, но наиболее распространенной все же является трехмерная дисперсная фаза, которая формируется из твердых частиц, капель или пузырьков. Напомним, что их удель­ная поверхность определяется при помощи формул (1.4)—(1.7).

В соответствии с формулой (1.1) удельную поверхность двух­мерной дисперсной фазы в виде цилиндров равного диаметра можно выразить следующим образом:

в =— ^уд м

(1.7, а)

=— кг/м²,

n(a/2f'Lf> aP

где В, М^х— соответственно площадь поверхности и масса дисперсной фазы; я, L — диаметр и высота цилиндра (рис. 1.3, б); р — плотность вещества диспер­сной фазы.

Особенности удельной поверхности двухмерных систем в виде пор рассмотрены в параграфе 6.1.

Удельная поверхность трехмерной дисперсной фазы в виде пленки одинаковой толщины равна:

1. 2 =— кг/м^2, ар

LH

(1.7,6)

В = —=-

^уд л/.

где L, I, а — размеры пленки, рис. 1.3, в.

Согласно формулам (1.7, а) и (1.7, б) удельная поверхность двухмерных и трехмерных дисперсных систем как и одномерных определяется лишь размером, характеризующим дисперсность.

Кроме общих признаков, которые охватывают все дисперсные системы, существует ряд частных признаков. Эти признаки характерны только для не-

 

которых дисперсных систем. В связи с этим классификацию по частным при­знакам можно назвать, в свою очередь, также частной. В основе частной клас­сификации могут быть способы получения дисперсных систем, структурно-механические свойства, взаимодействие между дисперсной фазой и дисперси­онной средой, устойчивость дисперсных систем. По мере изложения курса мы познакомимся с этими и другими частными классификациями дисперсных систем.

Дисперсные системы, перечисленные в табл. 1.1, составляют только часть объектов коллоидной химии. Особое место среди дисперсных систем занимают высокомолекулярные соединения (ВМС) и коллоидные поверхностно-активные вещества (ПАВ). Их растворы содержат частицы, размеры которых соответствуют размерам частиц коллоидных растворов. Так, например, клубки макромолекул ВМС могут иметь размеры, достигающие 100 нм, а молекулы коллоидных ПАВ — группироваться в ассоциаты (ми­целлы). Из двух признаков дисперсных систем, гетерогенность и дисперсность, растворы ВМС обладают только одним — диспер­сностью. Некоторые свойства растворов ВМС (оптические, моле-кулярно-кинетические, электрокинетические, структурные) ана­логичны или близки к свойствам коллоидных растворов. На осно­вании этих признаков, а также с учетом других свойств растворы ВМС и коллоидные ПАВ рассматривают в качестве объектов кол­лоидной химии (см. гл. 19—21).