Общее представление о дисперсных системах

 

Дисперсными называются гетерогенные системы, в которых одно из веществ (дисперсная фаза) находится в измельченном состоянии.

Если частицы дисперсной фазы имеют размер 1÷100 нанометров (10^-9÷10^-7 м), то они называются наночастицами (или коллоидными частицами). Материалы, полученные на основе таких частиц, называются наноматериалами, а методы получения таких материалов – нанотехнологиями.

Дисперсные частицы большего размера обычно называются микрочастицами (это указывает на их размер, примерно соответствующий 1 микрометру, то есть 10^-6 м), а соответствующие системы – микродисперсными.

Существует также способ классификации дисперсных систем, основанный на определении агрегатного состояния дисперсной фазы и среды, в которой она находится (то есть, дисперсионной среды).

Табл. 1. Типы дисперсных систем

Дисперсная фаза	Дисперсионная среда	Система
твердое тело	жидкость	суспензия
жидкость	жидкость	эмульсия
твердое тело	газ	дым
жидкость	газ	туман
газ	жидкость	пена

 

Суспензиями является масляная краска, а также находящаяся в воде почва. Молоко является эмульсией типа «масло в воде» (рис. 11.1 а), а сметана – эмульсией типа «вода в масле» (рис. 11.1 б). В последнее время получили распространение водоэмульсионные краски, в которых красящее вещество представляет собой жидкость. Аэрозоли (общее название для дыма и тумана) также получили в последнее время широкое распространение.

 

 

Нанодисперсные суспензии и эмульсии начали изучать еще с конца XIX века, тогда они получили название коллоидных растворов. В отличие от истинных растворов, состоящих из мельчайших частиц данного вещества – молекул (а также продуктов их электролитической диссоциации), в коллоидных растворах, а также в других типах дисперсных систем, находятся частицы, состоящие из огромного количества молекул. Поэтому размер дисперсных частиц в большинстве случаев значительно превышает размер одиночных молекул, который, как правило, не превышает одного нанометра.

Как уже упоминалось в главе 4, для жидкой среды характерны или процессы растворения (ненасыщенные растворы), или процессы кристаллизации (пересыщенные растворы). Однако коллоидные частицы способны длительное время находиться в стабильном состоянии без увеличения и без уменьшения их размера. В чем причина их устойчивости, почему они не растворяются и не укрупняются? Коллоидные частицы не растворяются, потому что состоят из малорастворимого вещества. Коллоидные частицы не укрупняются, потому что их поверхность покрыта защитным адсорбционным слоем.

Образование на поверхности коллоидных частиц защитного слоя возможно в результате избирательной адсорбции ионов. Поэтому коллоидная частица (мицелла) обычно состоит из ядра, в котором находится малорастворимый электролит, и адсорбционного слоя, состоящего из ионов, которые входят в состав этого малорастворимого электролита, в соответствии с правилом Фаянса (рис. 11.2 а). Ввиду того, что этот адсорбционный слой придает всей мицелле электрический потенциал, он называется потенциалопределяющим слоем. Дисперсные частицы приобретают одноименный заряд и отталкиваются друг от друга – это стабилизирует коллоидный раствор.

Второй пример образования защитного слоя на поверхности коллоидных частиц – адсорбция поверхностно-активных веществ. Как уже упоминалось в главе 10, молекулы ПАВ состоят из двух частей (рис. 10.3). Одна из них является неполярной, а следовательно, гидрофобной (отторжение воды) и олеофильной (сродство к маслу). Вторая часть является полярной, а следовательно, гидрофильной (сродство к воде). Если дифильные молекулы ПАВ попадают в эмульсию, они стремятся занять положение на поверхности дисперсной частицы, при этом олеофильная их часть находится в масле, а гидрофильная часть - в воде (рис. 11.2 б). Так же, как и в случае избирательной адсорбции, при адсорбции ПАВ все дисперсные частицы приобретают одноименный заряд и отталкиваются друг от друга.

Третий случай образования защитного слоя – сорбция высокомолекулярных соединений (рис. 11.2 в).

Золь – это дисперсная система, в которой частицы не связаны друг с другом. Например, золями часто называют коллоидные растворы.

Гель (хрупкий гель) – это система, в которой дисперсные частицы связаны между собой, образуют единую структуру.

Одним из распространенных методов нанотехнологии является золь-гель синтез, при котором сначала получают коллоидный раствор (золь), потом из него выделяют дисперсные частицы. При спекании полученного порошка образуется высокодисперсный материал (рис. 11.3).