химический каталог




ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ

Автор Химическая энциклопедия г.р. И.Л.Кнунянц

ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ, гетерог. системы из двух или большего числа фаз с сильно развитой поверхностъю раздела между ними. Обычно одна из фаз образует непрерывную дисперсионную среду, в объеме которой распределена дисперсная фаза (или несколько дисперсных фаз) в виде мелких кристаллов, твердых аморфных частиц, капель или пузырьков. ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ с. могут иметь и более сложное строение, например, представлять собой двухфазное образование, каждая из фаз которого, будучи непрерывной, проникает в объем др. фазы. К таким системам относятся твердые тела, пронизанные разветвленной системой каналов-пор, заполненных газом или жидкостью, некоторые микрогетерогенные полимерные композиции и др. Нередки случаи, когда дисперсионная среда "вырождается" до тончайших слоев (пленок), разделяющих частицы дисперсной фазы.
Основные типы дисперсных систем. По дисперсности, т. е. размеру частиц дисперсной фазы или отношению общей площади межфазной поверхности к объему (или массе) дисперсной фазы (удельная поверхности), ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ с. условно делят на грубодисперсные и тонко(высоко)дисперсные. Последние, по традиции, называют коллоидно-дисперсными или просто коллоидными системами. В грубодисперсных системах частицы имеют размеры от 1 мкм и выше (удельная поверхность не более 1 м2/г), в коллоидных - от 1 нм до 1 мкм (удельная поверхность достигает сотен м2/г). Дисперсность оценивают по усредненному показателю (среднему размеру частиц, удельная поверхности) или дисперсному составу (см. Дисперсионный анализ). Тонкопористые тела характеризуют пористостью -понятием, аналогичным дисперсности. В свободнодисперсных системах сцепление между частицами дисперсной фазы отсутствует, каждая частица кинетически независима и при достаточно малых размерах участвует в интенсивном броуновском движении. Для структурированных (связнодисперсных) систем характерно наличие неупорядоченной пространств. сетки (каркаса), образованной частицами дисперсной фазы (см. Структурообразование в дисперсных системах). Особую группу составляют высококонцентрированные ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ с., в которых частицы находятся в "стесненных" условиях как, например, в периодической коллоидных структурах. Мех. свойства свободнодисперсных систем определяются главным образом свойствами дисперсионной среды, а связнодисперсных систем - также свойствами и числом контактов между частицами дисперсной фазы (см. Реология). По агрегатному состоянию дисперсионной среды и дисперсной фазы выделяют следующей основные виды ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ с.: 1) аэродисперсные (газодисперсные) системы с газовой дисперсионной средой: аэрозоли (дымы, пыли, туманы), порошки, волокнистые материалы типа войлока. 2) Системы с жидкой дисперсионной средой; дисперсная фаза может быть твердой (грубодисперсные суспензии и пасты, высокодисперсные золи и гели), жидкой (грубодисперсные эмульсии, высокодисперсные микроэмульсии и латексы) или газовой (грубодисперсные газовые эмульсии и пены). 3) Системы с твердой дисперсионной средой: стеклообразные или кристаллич. тела с включениями мелких твердых частиц, капель жидкости или пузырьков газа, например, рубиновые стекла, минералы типа опала, разнообразные микропористые материалы. Отдельные группы ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ с. составляют многие металлич. сплавы, горные породы, сложные композиционные и др. многофазные системы. Лиофильные и лиофобные ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ с. с жидкой дисперсионной средой различаются в зависимости от того, насколько близки или различны по своим свойствам дисперсная фаза и дисперсионная среда (см. Лиофильность и лиофобность). В лиофильных ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ с. межмолекулярные взаимодействие по обе стороны разделяющей фазы поверхности различаются незначительно, поэтому удельная свободный поверхностная энергия (для жидкости - поверхностное натяжение) чрезвычайно мала (обычно сотые доли мДж/м2), межфазная граница (поверхностный слой) может быть размыта и по толщине нередко соизмерима с размером частиц дисперсной фазы. Лиофильные ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ с. термодинамически равновесны, они всегда высокодисперсны, образуются самопроизвольно и при сохранении условий их возникновения могут существовать сколь угодно долго. Типичные лиофильные ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ с. - микроэмульсии, некоторые полимер-полимерные смеси, мицеллярные системы ПАВ, ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ с. с жидкокристаллич. дисперсными фазами. К лиофильным ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ с. часто относят также набухающие и самопроизвольно диспергирующиеся в водной среде минералы группы монтмориллонита, например, бентонитовые глины. Следует отметить, что в прошлом "лиофильными коллоидами" называют растворы полимеров, т. е. принципиально гомог. системы. Однако в современной терминологии понятие "коллоид" относится только к микрогетерогенным системам; по отношению к гомогенным (однофазным) системам его не употребляют. В лиофобных ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ с. межмолекулярное взаимодействие в дисперсионной среде и в дисперсной фазе существенно различно; удельная свободный поверхностная энергия (поверхностное натяжение) велика - от несколько единиц до несколько сотен (и тысяч) мДж/м2; граница фаз выражена достаточно четко. Лиофобные ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ с. термодинамически неравновесны; большой избыток свободный поверхностной энергии обусловливает протекание в них процессов перехода в более энергетически выгодное состояние. В изотермодинамически условиях возможна коагуляция -сближение и объединение частиц, сохраняющих первоначальные форму и размеры, в плотные агрегаты, а также укрупнение первичных частиц вследствие коалесценции -слияния капель или пузырьков газа, собирательной рекристаллизации (в случае кристаллич. дисперсной фазы) или изотермодинамически перегонки (мол. переноса) вещества дисперсной фазы от мелких частиц к крупным (в случае ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ с. с жидкой дисперсионной средой - последний процесс называют переконденсацией). Нестабилизованные и, следовательно, неустойчивые лиофобные ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ с. непрерывно изменяют свой дисперсный состав в сторону укрупнения частиц вплоть до полного расслоения на макрофазы. Однако стабилизованные лиофобные ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ с. могут сохранять дисперсность в течение длительного времени.
Образование дисперсных систем. Возможно двумя путями: диспергационным и конденсационным. Диспергирование макрофаз с образованием лиофильных ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ с. происходит самопроизвольно - для этого достаточно энергии теплового движения. Такой процесс осуществляется при значениях поверхностного натяжения s ниже некоторого критической значения sкр = bkТ/d2, где d - размер частиц дисперсной фазы, Т - абс. температура, k - постоянная Больцмана, b - безразмерный коэффициент, принимающий значения примерно 10-30. Образование лиофобных ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ с. путем диспергирования стабильной макрофазы требует значительных энергетич. затрат, определяемых суммарной площадью поверхности частиц дисперсной фазы. В реальных условиях на образование поверхности при измельчении твердых тел или при распылении и эмульгировании жидкостей приходится лишь небольшая часть (доли процента) подводимой к системе энергии; остальное расходуется на побочные процессы и рассеивается в окружающем пространстве (см. Диспергирование). Конденсационный путь образования ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ с. связан с зарождением новой фазы (или новых фаз) в пересыщенной метастабильной исходной фазе - будущей дисперсионной среде. Для возникновения высокодисперсной системы необходимо, чтобы число зародышей новой фазы было достаточно большим, а скорость их роста не слишком велика. Кроме того, требуется наличие факторов, ограничивающих возможности чрезмерного разрастания и сцепления частиц дисперсной фазы. Переход первоначально стабильной гомог. системы в метастабилъное состояние может произойти в результате изменения термодинамическое параметров состояния (давления, температуры, состава). Так образуются, например, природные и искусственные аэрозоли (туман - из переохлажденных водяных паров, дымы - из парогазовых смесей, выделяемых при неполном сгорании топлива), некоторые полимерные системы - из растворов при ухудшении "термодинамическое качества" растворителя, органозоли металлов путем конденсации паров металла совместно с парами органическое жидкости или при пропускании первых через слой органическое жидкости, коллоидно-дисперсные поликристаллич. тела (металлич. сплавы, некоторые виды горных пород и искусств. неорганическое материалов). Возможно также образование ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ с. в результате химический реакции в гомог. среде, если продукт реакции при данных условиях находится в агрегатном состоянии, отличном от "материнской" фазы, или практически не растворяется в ней. Примерами подобных систем могут служить аэрозоли с твердыми частицами NH4Cl (образуются при взаимодействии газообразных NH3 и НСl), аэрозоли с капелъно-жидкими частицами H2SO4 (при взаимодействии SO3 и водяного пара). В природе и технол. процессах часто образуются гидрозоли разного состава при гидролизе солей и др. соединение, неустойчивых к действию воды. Окислит.-восстановит. реакции используют для получения золей Аu и Ag, разложение Na2S2O3 разбавленый серной или соляной кислотой - для получения гидрозоля элементарной серы. Химическая или термохимический разложения карбонатов, органическое порофоров (порообразователей, вспенивающих агентов) и др. соединение с выделением газообразных веществ в первоначально жидких средах лежит в основе пром. производства многие пеноматериалов.
Устойчивость дисперсных систем характеризуется постоянством дисперсности (распределения частиц по размерам) и концентрации дисперсной фазы (числом частиц в единице объема). Наиб. сложна в теоретич. аспекте и важна в практическое отношении проблема устойчивости аэрозолей и жидких лиофобных ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ с. Различают седиментационную устойчивость и устойчивость к коагуляции (агрегативную устойчивость). Седиментационно устойчивы коллоидные системы с газовой и жидкой дисперсионной средой, в которых броуновское движение частиц препятствует оседанию; грубодисперсные системы с одинаковой плотностью составляющих их фаз; системы, скоростью седиментации в которых можно пренебречь из-за высокой вязкости среды. В агрегативно устойчивых ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ с. непосредств. контакты между частицами не возникают, частицы сохраняют свою индивидуальность. При нарушении агрегативной устойчивости ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ с. частицы, сближаясь в процессе броуновского движения, соединяются необратимо или скорость агрегации становится значительно больше скорости дезагрегации. Между твердыми частицами возникают непосредственные точечные ("атомные") контакты, которые затем могут превратиться в фазовые (когезионные) контакты, а соприкосновение капель и пузырьков сопровождается их коалесценцией и быстрым сокращением суммарной площади межфазной поверхности. Для таких систем потеря агрегативной устойчивости означает также потерю седимeнтационной устойчивости. В агрегативно устойчивых системах дисперсный состав может изменяться вследствие изотермодинамически перегонки - мол. переноса вещества дисперсной фазы от мелких частиц к более крупным. Этот процесс обусловлен зависимостью давления насыщенного пара (или концентрации насыщенного раствора) от кривизны поверхности раздела фаз (см. Капиллярные явления). Агрегативная устойчивость и длительное существование лиофобных ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ с. с сохранением их свойств обеспечивается стабилизацией. Для высокодисперсных систем с жидкой дисперсионной средой используют введение веществ - стабилизаторов (электролитов, ПАВ, полимеров). В теории устойчивости Дерягина-Ландау-Фервея-Овербека (теории ДЛФО) основные роль отводится ионно-электростатич. фактору стабилизации. Стабилизация обеспечивается электростатич. отталкиванием диффузных частей двойного электрического слоя, который образуется при адсорбции ионов электролита на поверхности частиц. При некотором расстоянии между частицами отталкивание диффузных слоев обусловливает наличие минимума на потенц. кривой (дальний, или вторичный, минимум; см. рис.). Хотя этот минимум относительно неглубок, он может препятствовать дальнейшему сближению частиц, притягиваемых силами межмолекулярного взаимодействия. Ближний, или первичный, минимум соответствует прочному сцеплению частиц, при котором энергии теплового движения недостаточно для их разъединения. Сближаясь на расстояние, отвечающее этому минимуму, частицы объединяются в агрегаты, образование которых ведет к потере системой агрегативной устойчивости. При этом устойчивость системы к коагуляции определяется высотой энергетич. барьера.

Зависимость энергии взаимодействия Е между частицами от расстояния R: 1 и 2 - ближний и дальний минимумы соответственно.

При введении в ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ с. в качестве стабилизатора ПАВ фактором стабилизации может быть "термодинамическое упругость" пленок среды, разделяющей частицы. Стабилизация обеспечивается тем, что при сближении частиц, например, капель или газовых пузырей, происходит растяжение и утоньшение разделяющей их прослойки, содержащей ПАВ, и, как следствие, нарушение адсорбционного равновесия. Восстановление этого равновесия и приводит к повышению устойчивости прослойки среды, разделяющей частицы. Гидродинамич. сопротивление вытеснению жидкой дисперсионной среды из прослойки между сближающимися частицами - один из кинетическая факторов стабилизации ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ с. Он особенно эффективен в системах с высоковязкой дисперсионной средой, а при застекловывании последней делает систему неограниченно устойчивой к агрегации частиц и коалесценции. Структурно-механические фактор стабилизации, по П. А. Ребиндеру, возникает при образовании на межфазной границе полимолекулярных защитных слоев из мицеллообразующих ПАВ, высокомолекулярных соединений, а иногда и тонких сплошных или дискретных фазовых пленок. Межфазный защитный слой должен обладать способностью сопротивляться деформациям и разрушению, достаточной подвижностью для "залечивания" возникших в нем дефектов и, что особенно важно, быть лиофилизованным с внешний стороны, обращенной в сторону дисперсионной среды. Если защитный слой недостаточно лиофилен, он, предохраняя частицы от коалесценции, не сможет предотвратить коагуляции. Структурно-механические барьер является, по существу, комплексным фактором стабилизации, который включает термодинамическое, кинетическая и структурные составляющие. Он универсален и способен обеспечить высокую агрегативную устойчивость любых ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫс. с жидкой дисперсионной средой, в том числе высококонцентрированных, наиболее важных в практическое отношении. Осн. свойства ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ с. определяются поверхностными явлениями: адсорбцией, образованием двойного электрического слоя и обусловленных им электрокинетических явлений, контактными взаимодействиями частиц дисперсной фазы. Размер частиц определяет оптический (светорассеяние и др.) и молекулярно-кинетическая свойства (диффузия, термофорез, осмос и др.). Д. с. повсеместно распространены в природе. Это - горные породы, грунты, почвы, атм. и гидросферные осадки, растит. и животные ткани. ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ с. широко используют в технол. процессах; в виде ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ с. выпускается большинство пром. продуктов и предметов бытового потребления. Высокодисперсные техн. материалы (наполненные пластики, дисперсноупрочненные композиц. материалы) отличаются чрезвычайно большой прочностью. На высокоразвитых поверхностях интенсивно протекают гетерог. и гетерог.-каталитических химический процессы. Учение о ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ с. и поверхностных явлениях в них составляет сущность коллоидной химии. Самостоят. раздел коллоидной химии - физико-химическая механика - изучаeт закономерности структурообразования и механические свойства структурированных ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ с. и материалов в их связи с физических-химический явлениями на межфазных границах.

Химическая энциклопедия. Том 2 >> К списку статей


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]    [обратная связь]

 

 

Реклама
стол круглый 70
крышные установки
людовико эйнауди в спб 2017
подставка под цветы напольная

Рекомендуемые книги

Введение в химию окружающей среды.

Книга известных английских ученых раскрывает основные принципы химии окружающей среды и их действие в локальных и глобальных масштабах. Важный аспект книги заключается в раскрытии механизма действия природных геохимических процессов в разных масштабах времени и влияния на них человеческой деятельности. Показываются химический состав, происхождение и эволюция земной коры, океанов и атмосферы. Детально рассматриваются процессы выветривания и их влияние на химический состав осадочных образований, почв и поверхностных вод на континентах. Для студентов и преподавателей факультетов биологии, географии и химии университетов и преподавателей средних школ, а также для широкого круга читателей.

Химия и технология редких и рассеянных элементов.

Книга представляет собой учебное пособие по специальным курсам для студентов химико-технологических вузов. В первой части изложены основы химии и технологии лития, рубидия, цезия, бериллия, галлия, индия, таллия. Во второй части книги изложены основы химии и технологии скандия, натрия, лантана, лантаноидов, германия, титана, циркония, гафния. В третьей части книги изложены основы химии и технологии ванадия, ниобия, тантала, селена, теллура, молибдена, вольфрама, рения. Наибольшее внимание уделено свойствам соединений элементов, имеющих значение в технологии. В технологии каждого элемента описаны важнейшие области применения, характеристика рудного сырья и его обогащение, получение соединений из концентратов и отходов производства, современные методы разделения и очистки элементов. Пособие составлено по материалам, опубликованным из советской и зарубежной печати по 1972 год включительно.

 

 



Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100

Copyright © 2001-2012
(24.07.2017)