Дисперсная среда. Дисперсная фаза - это что такое? Воздух дисперсная система

Классификация по агрегатному состоянию. Наиболее общая классификация дисперсных систем основана на различии в агрегатном состоянии дисперсионной среди и дисперсной фазы. Сочетания трех видов агрегатного состояния позволяют выделить девять видов дисперсных систем. Для краткости записи их принято обозначать дробью, числитель которой указывает на дисперсную фазу, а знаменатель на дисперсионную среду, например для системы "газ в жидкости" принято обозначение Г/Ж.

Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды

Все перечисленные комбинации возможны и реально существуют.

Несколько особняком стоит первый случай - Г 1 /Г 2 . Как правило, смеси газов образуют гомогенную молекулярно-дисперсную систему. И только некоторые газы при высоком давлении способны давать смесь с ограниченной растворимостью - гетерогенные смеси. Следует также отметить своеобразие таких систем, как пены, пенопласты, концентрированные эмульсии, пасты. Своеобразие заключается в том, что в этом случае диспергирована не только дисперсная фаза, но и дисперсионная среда, так как частицы диспергированного материала разделены тончайшей пленкой среды; толщина пленки может достигать коллоидных размеров, т. е. среда также коллоидно-дисперсна, но только в одном измерении - по толщине.

В коллоидно-дисперсном состоянии дисперсная фаза состоит из сравнительно небольшого числа молекул. Отдельные коллоидные частицы представляют собой, по существу, зародыши фазы, агрегатное состояние которой иногда трудно установить с полной уверенностью.

Кроме того, опыт показывает, что различие в агрегатном состоянии диспергированного вещества (при неизменном агрегатном состоянии дисперсионной среды) не влечет за собой существенных изменений в свойствах коллоидной системы. В связи с этим классификация упрощается, и возможные девять типов дисперсных систем можно свести к трем - по агрегатному состоянию среды: системы с газообразной, жидкой и твердой средой. Для краткости их именуют соответственно аэрозоли, лиозоли и солидозоли. В зависимости от природы дисперси­онной среды лиозоли называют гидрозолями, алкозолями, этерозолями и т. д. Дисперсионной средой этих золей является соответственно вода, спирт, эфир. Микрогетерогенные системы с жидкой дисперсионной средой и твердой дисперсной фазой называют суспензиями, с жидкой дисперсной фазой - эмульсиями.

Указанные три группы золей существенно отличаются друг от друга свойствами, в частности устойчивостью. Вопрос об устойчивости коллоидных систем - это очень важный вопрос, касающийся непосредственно самого их существования. Поэтому он заслуживает более внимательного рассмотрения. Ранее уже отмечалось, что коллоидно-дисперсные системы термодинамически неустойчивы. Но это положение следует уточнить, тем более, что для различных золей (аэрозолей, лиозолей, солидозолей) окончательная обстановка складывается неодинаковой.

Суспензии - дисперсные системы, в которых дисперсной фазой является твердое вещество, а дисперсионной средой - жидкость, - причем твердое вещество практически нерастворимо в жидкости. Чтобы приготовить суспензию, надо вещество измельчить до тонкого порошка, высыпать в жидкость, в которой вещество не растворяется, и хорошо взболтать (например, взбалтывание глины в воде). Со временем частички выпадут на дно сосуда. Этот процесс называется седиментацией . Очевидно, чем меньше частички, тем дольше будет сохраняться суспензия. Поэтому седиментационная неустойчивость тем выше, чем крупнее частицы.

Эмульсии - дисперсные системы, в которых и дисперсная фаза и дисперсионная среда являются жидкостями, взаимно не смешивающихся. Из воды и масла можно приготовить эмульсию длительным встряхиванием смеси. Примером эмульсии является молоко, в котором мелкие шарики жира плавают в жидкости. Суспензии и эмульсии - двухфазные системы.

Пены . Как и эмульсии, пены - грубодисперсные системы, Поэтому во многих технологических процессах пены получают теми же диспергационными методами, которые применяют для получения газовых пузырьков.

Аэрозоль – дисперсная система, состоящая из мелких, твёрдых или жидких частиц, взвешенных в газовой среде. Аэрозоли, дисперсная фаза которых состоит из капелек жидкости, называются туманами, а в случае твёрдой дисперсной фазы – дымами. Пыль относят к грубодисперсным аэрозолям.

По размерам частиц свободнодисперсные системы подразделяются

Ультрамикрогетерогенные системы также называют коллоидными растворами или золями . В зависимости от природы дисперсионной среды, золи подразделяют на твердые золи, аэрозоли (золи с газообразной дисперсионной средой) и лиозоли (золи с жидкой дисперсионной средой). К микрогетерогенным системам относят суспензии, эмульсии, пены и порошки. Наиболее распространёнными грубодисперсными системами являются системы твёрдое вещество-газ, например, песок. Связнодисперсные системы (пористые тела) по классификации М.М. Дубинина подразделяют на группы

Диспе́рсная систе́ма - образования из двух или большего числа фаз (тел) , которые практически не смешиваются и не реагируют друг с другом химически. В типичном случае двухфазной системы первое из веществ (дисперсная фаза ) мелко распределено во втором (дисперсионная среда ). Если фаз несколько, их можно отделить друг от друга физическим способом (центрифугировать, сепарировать и т.д.).

Обычно дисперсные системы - это коллоидные растворы , золи . К дисперсным системам относят также случай твёрдой дисперсной среды, в которой находится дисперсная фаза. Растворы высокомолекулярных соединений вами

Классификация дисперсных систем

Наиболее общая классификация дисперсных систем основана на различии в агрегатном состоянии дисперсионной среды и дисперсной фазы (фаз). Сочетания трёх видов агрегатного состояния позволяют выделить девять видов двухфазных дисперсных систем. Для краткости записи их принято обозначать дробью, числитель которой указывает на дисперсную фазу, а знаменатель на дисперсионную среду; например, для системы «газ в жидкости» принято обозначение Г/Ж.

По кинетическим свойствам дисперсной фазы двухфазные дисперсные системы можно разделить на два класса:

• Свободнодисперсные системы , у которых дисперсная фаза подвижна;
• Связнодисперсные системы , у которых дисперсионная среда твёрдая, а частицы их дисперсной фазы связаны между собой и не могут свободно перемещаться.

В свою очередь, эти системы классифицируются по степени дисперсности .

Системы с одинаковыми по размерам частицами дисперсной фазы называются монодисперсными, а с неодинаковыми по размеру частицами - полидисперсными. Как правило, окружающие нас реальные системы полидисперсны.

Встречаются и дисперсные системы с бо́льшим числом фаз - сложные дисперсные системы. Например, при вскипании жидкой дисперсионной среды с твёрдой дисперсной фазой получается трёхфазная система «пар - капли - твёрдые частицы» .

Другим примером сложной дисперсной системы может служить молоко , основными составными частями которого (не считая воды) являются жир , казеин и молочный сахар . Жир находится в виде эмульсии и при стоянии молока постепенно поднимается кверху (сливки). Казеин содержится в виде коллоидного раствора и самопроизвольно не выделяется, но легко может быть осаждён (в виде творога) при подкислении молока, например, уксусом. В естественных условиях выделение казеина происходит при скисании молока . Наконец, молочный сахар находится в виде молекулярного раствора и выделяется лишь при испарении воды.

Свободнодисперсные системы

Свободнодисперсные системы по размерам частиц подразделяют на:

Ультрамикрогетерогенные системы также называют коллоидными или золями . В зависимости от природы дисперсионной среды, золи подразделяют на твёрдые золи, аэрозоли (золи с газообразной дисперсионной средой) и лиозоли (золи с жидкой дисперсионной средой). К микрогетерогенным системам относят суспензии , эмульсии , пены и порошки. Наиболее распространёнными грубодисперсными системами являются системы «твёрдое тело - газ» (например, песок).

Коллоидные системы играют огромную роль в биологии и человеческой жизни. В биологических жидкостях организма ряд веществ находится в коллоидном состоянии. Биологические объекты (мышечные и нервные клетки , кровь и другие биологические жидкости) можно рассматривать как коллоидные растворы. Дисперсионной средой крови является плазма - водный раствор неорганических солей и белков .

Связнодисперсные системы

Пористые материалы

Пористые материалы по размерам пор подразделяют, согласно классификации М. М. Дубинина , на:

По геометрическим признакам пористые структуры подразделяются на регулярные (у которых в объёме тела наблюдается правильное чередование отдельных пор или полостей и соединяющих их каналов) и стохастические (в которых ориентация, форма, размеры, взаимное расположение и взаимосвязи пор носят случайный характер). Для большинства пористых материалов характерна стохастическая структура. Имеет значение и характер пор: открытые поры сообщаются с поверхностью тела так, что через них возможна фильтрация жидкости или газа; тупиковые поры также сообщаются с поверхностью тела, но их наличие на проницаемости материала не сказывается; закрытые поры .

Твёрдые гетерогенные системы

Характерным примером твёрдых гетерогенных систем являются получившие в последнее время широкое распространение композиционные материалы (композиты) - искусственно созданные сплошные, но неоднородные, материалы, которые состоят из двух или более компонентов с чёткими границами раздела между ними. В большинстве таких материалов (за исключением слоистых) компоненты можно разделить на матрицу и включённые в неё армирующие элементы ; при этом армирующие элементы обычно отвечают за механические характеристики материала, а матрица обеспечивает совместную работу армирующих элементов. К числу старейших композиционных материалов относятся саман , железобетон , булат , папье-маше . Ныне широко распространены фиброармированные пластики , стеклопластик , металлокерамика , нашедшие применение в самых различных областях техники.

Движение дисперсных систем

Изучением движения дисперсных систем занимается механика многофазных сред . В частности, задачи оптимизации различных теплоэнергетических устройств (паротурбинных установок , теплообменников и др.), а также разработки технологий нанесения различных покрытий делают актуальной проблему математического моделирования пристеночных течений смеси «газ - жидкие капли». В свою очередь, значительное разнообразие структуры пристеночных течений многофазных сред, необходимость учёта различных факторов (инерционность капель, образование жидкой плёнки, фазовые переходы и др.) требуют построения специальных математических моделей многофазных сред, активно разрабатываемых в настоящее время

Диспе́рсная систе́ма - образования из двух или большего числа фаз (тел) , которые практически не смешиваются и не реагируют друг с другом химически. В типичном случае двухфазной системы первое из веществ (дисперсная фаза ) мелко распределено во втором (дисперсионная среда ). Если фаз несколько, их можно отделить друг от друга физическим способом (центрифугировать, сепарировать и т.д.).

Обычно дисперсные системы - это коллоидные растворы , золи . К дисперсным системам относят также случай твёрдой дисперсной среды, в которой находится дисперсная фаза.

Энциклопедичный YouTube

• 1 / 5

  Наиболее общая классификация дисперсных систем основана на различии в агрегатном состоянии дисперсионной среды и дисперсной фазы (фаз). Сочетания трёх видов агрегатного состояния позволяют выделить девять видов двухфазных дисперсных систем. Для краткости записи их принято обозначать дробью, числитель которой указывает на дисперсную фазу, а знаменатель на дисперсионную среду; например, для системы «газ в жидкости» принято обозначение Г/Ж.

  Обозначение	Дисперсная фаза	Дисперсионная среда	Название и пример
  Г/Г	Газообразная	Газообразная	Не образуют дисперсные системы
  Ж/Г	Жидкая	Газообразная	Аэрозоли: туманы , облака
  Т/Г	Твёрдая	Газообразная	Аэрозоли (пыли, дымы), порошкообразные вещества
  Г/Ж	Газообразная	Жидкая	Газовые эмульсии и пены
  Ж/Ж	Жидкая	Жидкая	Эмульсии: нефть , крем , молоко
  Т/Ж	Твёрдая	Жидкая	Суспензии и золи: пульпа, ил , взвесь , паста
  Г/Т	Газообразная	Твёрдая	Пористые тела: пенополимеры , пемза
  Ж/Т	Жидкая	Твёрдая	Капиллярные системы (заполненные жидкостью пористые тела): грунт , почва
  Т/Т	Твёрдая	Твёрдая	Твёрдые гетерогенные системы: сплавы , бетон , ситаллы , композиционные материалы

  По кинетическим свойствам дисперсной фазы двухфазные дисперсные системы можно разделить на два класса:

  • Свободнодисперсные системы , у которых дисперсная фаза подвижна;
  • Связнодисперсные системы , у которых дисперсионная среда твёрдая, а частицы их дисперсной фазы связаны между собой и не могут свободно перемещаться.

  В свою очередь, эти системы классифицируются по степени дисперсности .

  Системы с одинаковыми по размерам частицами дисперсной фазы называются монодисперсными, а с неодинаковыми по размеру частицами - полидисперсными. Как правило, окружающие нас реальные системы полидисперсны.

  Встречаются и дисперсные системы с бо́льшим числом фаз - сложные дисперсные системы. Например, при вскипании жидкой дисперсионной среды с твёрдой дисперсной фазой получается трёхфазная система «пар - капли - твёрдые частицы» .

  Другим примером сложной дисперсной системы может служить молоко , основными составными частями которого (не считая воды) являются жир , казеин и молочный сахар . Жир находится в виде эмульсии и при стоянии молока постепенно поднимается кверху (сливки). Казеин содержится в виде коллоидного раствора и самопроизвольно не выделяется, но легко может быть осаждён (в виде творога) при подкислении молока, например, уксусом. В естественных условиях выделение казеина происходит при скисании молока . Наконец, молочный сахар находится в виде молекулярного раствора и выделяется лишь при испарении воды.

  Свободнодисперсные системы

  Свободнодисперсные системы по размерам частиц подразделяют на:

  Ультрамикрогетерогенные системы также называют коллоидными или золями . В зависимости от природы дисперсионной среды, золи подразделяют на твёрдые золи, аэрозоли (золи с газообразной дисперсионной средой) и лиозоли (золи с жидкой дисперсионной средой). К микрогетерогенным системам относят суспензии , эмульсии , пены и порошки. Наиболее распространёнными грубодисперсными системами являются системы «твёрдое тело - газ» (например, песок).

  Коллоидные системы играют огромную роль в биологии и человеческой жизни. В биологических жидкостях организма ряд веществ находится в коллоидном состоянии. Биологические объекты (мышечные и нервные клетки, кровь и другие биологические жидкости) можно рассматривать как коллоидные растворы. Дисперсионной средой крови является плазма - водный раствор неорганических солей и белков.

  Связнодисперсные системы

  Пористые материалы

  Пористые материалы по размерам пор подразделяют, согласно классификации М. М. Дубинина , на:

  По геометрическим признакам пористые структуры подразделяются на регулярные (у которых в объёме тела наблюдается правильное чередование отдельных пор или полостей и соединяющих их каналов) и стохастические (в которых ориентация, форма, размеры, взаимное расположение и взаимосвязи пор носят случайный характер). Для большинства пористых материалов характерна стохастическая структура. Имеет значение и характер пор: открытые поры сообщаются с поверхностью тела так, что через них возможна фильтрация жидкости или газа; тупиковые поры также сообщаются с поверхностью тела, но их наличие на проницаемости материала не сказывается; закрытые поры .

  Твёрдые гетерогенные системы

  Характерным примером твёрдых гетерогенных систем являются получившие в последнее время широкое распространение композиционные материалы (композиты) - искусственно созданные сплошные, но неоднородные, материалы, которые состоят из двух или более компонентов с чёткими границами раздела между ними. В большинстве таких материалов (за исключением слоистых) компоненты можно разделить на матрицу и включённые в неё армирующие элементы ; при этом армирующие элементы обычно отвечают за механические характеристики материала, а матрица обеспечивает совместную работу армирующих элементов. К числу старейших композиционных материалов относятся

  Дисперсными называют системы, состоящие из множества малых частиц, распре­деленных в жидкой, твердой или газообразной среде.

  Понятие «дисперсный» происходит от лат. dispersus - раздробленный, рассеянный.

  Для всех дисперсных систем характерны два основных признака: высокая раздробленность (дисперсность) и гетерогенность.

  Гетерогенность дисперсных систем проявляется в том, что эти системы состоят из двух (или более) фаз: дисперсной фазы и диспер­сионной среды. Дисперсная фаза - это раздробленная фаза. Она состоит из частиц нерастворимого тонкоизмельченного вещества, распределенных по всему объему дисперсионной среды.

  Высокая дисперсность придает веществам новые качественные признаки: повышенную реакционную способность и растворимость, интенсив­ность окраски, светорассеяние и т. п. Большая поверхность раздела создает в этих системах боль­шой запас поверхностной энергии, которая делает их термодинамически неустойчивыми, чрезвычайно реакционноспособными. В них легко протекают самопроиз­вольные процессы, приводящие к снижению запаса поверхностной энергии: адсорбция, коагуляция (слипание дисперсных частиц), образование макроструктур и т. п. Таким образом, самые важные и неотъемлемые черты всякой дисперсной системы - гегетрогенность и высокая дисперсность - полностью определяют свойства и поведе­ние этих систем.

  Классификацию дисперсных систем проводят на основе различных признаков, а именно: по размеру частиц, по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды, по характеру взаимо­действия частиц дисперсной фазы между собой и со средой.

  2.2. Классификация дисперсных систем

  Классификация по размеру частиц (дисперсности)

  Дисперсность D является основной характеристикой дисперс­ной системы и мерой раздробленности вещества. Математически дисперсность определяют как величину, обратную размеру частицы:

  D = 1/а ,

  где а - размер частицы (диаметр или длина ребра), м -1 .

  С другой стороны, для характеристики степени раздроблен­ности служит величина удельной поверхности S уд . Удельную поверх­ность находят как отношение поверхности S частицы к ее объему V или массе т: S уд = S / V или S уд = S / m . Если удельную поверх­ность определяют по отношению к массе частицы раздробленного вещества, то ее размерность м 2 /кг, если же по отношению к объему, то размерность совпадает с размерностью дисперсности (м -1).

  Физический смысл понятия «удельная поверхность» заключа­ется в том, что это суммарная поверхность всех частиц, общий объем которых составляет 1м 3 или общая масса которых равна 1 кг.

  По дисперсности системы подразделяют на типы:

  1) грубо-дисперсные (грубые взвеси, суспензии, эмульсии, порошки) с радиусом частиц 10 -4 - 10 -7 м;

  2) коллоидно-дисперсные (золи) с размером частиц 10 -7 - 10 -9 м;

  3) молекулярные и ионные растворы с размером частиц менее 10 -9 м.

  В коллоидных системах дости­гается высшая степень раздробления вещества, при которой еще сохраняются понятия «фаза» и «гетерогенность». Уменьшение раз­мера частиц еще на порядок переводит системы в гомогенные моле­кулярные или ионные растворы.

  Дисперсность влияет на все основные свойства дисперсных систем: кинетические, оптические, каталитические и т. д.

  Свойства дисперсных систем сопоставлены в табл. 1.2.

  Т а б л и ц а 1.2.Свойства дисперсных систем разных типов

  Грубодисперсные	Коллоидно-дисперсные	Молекулярные и ионные (истинные) растворы
  Непрозрачные - отражают свет	Прозрачные опалесцирующие - рассеивают свет, да­ют конус Тиндаля	Прозрачные неопалесцирующие, конус Тиндаля не на­блюдается
  Частицы не проходят че­рез фильтр	Частицы проходят через бу­мажный фильтр	Частицы проходят через бу­мажный фильтр
  	Частицы задерживаются ультрафильтрами	Частицы проходят через льтрафильтры
  Гетерогенные	Гетерогенные	Гомогенные
  Неустойчивы кинетически и термодинамически	Относительно устойчивы ки­нетически	Устойчивы кинет. и термодинамич.ки
  Стареют во времени	Стареют во времени	Не стареют
  Частицы видны в оптиче­ский микроскоп	Частицы видны в электрон. Микроскоп и ультрамикроскоп	Частицы не видны в совре­менные микроскопы

  Помимо размера частиц большое значение для свойств дисперсных систем имеет геометрическая форма частиц. В зависимости от условий дробления вещества форма частиц дисперсной фазы может быть очень разнообразной. Один м 3 исходного вещества принципиаль­но возможно раздробить на кубики с длиной ребра l = 10 -8 м, вы­тянуть в нить с сечением 10 -8 х 10 -8 м или расплющить в пластину (пленку) толщиной 10 -8 м. В каждом из этих случаев система будет дисперсной со всеми присущими признаками.

  Удельная поверхность частиц кубической формы возрастает от исходного значения в 6 м 2 до значения, определяемого по формуле

  S уд = S / V = 6l 2 / l 3 = 6 . 10 8 м -1

  Для нитей S уд = 4-10 8 м -1 ; для пленки S уд = 2 . 10 8 м -1 .

  Частицы кубической, шарообразной или близкой к ним непра­вильной формы характерны для многих коллоидных растворов - золей и более грубодисперсных систем – эмульсий.

  Классификация по агрегатному состоянию фаз

  Наиболее распространена классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды. Каждая из этих фаз может быть в трех агрегатных состояниях: газообразном, жидком и твердом. Поэтому возможно существо­вание восьми типов коллоидных систем (табл. 1.3). Система «газ в газе» не входит в это число, так как является гомогенной молекуляр­ной, в ней отсутствуют границы раздела. Высокодисперсные коллоидные растворы, относящиеся к типу систем т/ж, носят название золей (от лат. solutio - раствор). Золи, у которых дисперсионной средой является вода, называют гидрозо­лями. Если дисперсионной средой служит органическая жидкость, коллоидный раствор носит название органозоля. Эти последние, в свою очередь, подразделяют на алкозоли, бензозоли, этерозоли и т.п., в которых дисперсионной средой являются соответственно спирт, бензол, эфир и т. д. В зависимости от агрегатного состояния дисперсионной среды различают лиозоли - золи с жидкой дисперсионной средой (от греч. lios - жидкость), аэрозоли - золи с газообразной дисперсионной средой, твердые золи - системы типа т/т. Грубодисперсные системы типа т/ж называют суспензиями, типа ж/ж – эмульсиями.

  Таблица 2..2. Основные типы дисперсных систем

  Дисп фаза	Дисп.среда
  			Не существ.
  Жидкость			Туман, облака, аэрозоли жидких лекарств
  Твердое тело			Дым, пыль, порошки, аэрозоли твердых лекарств
  	Жидкость		Пены, газовые эмульсии
  Жидкость			Эмульсии (молоко, лекарственные эмульсии)
  Твердое тело			Суспензии, коллоидные растворы
  	Твердое тело		Твердые пены, хлеб, пемза, силикагель, активные угли
  Жидкость			Жемчуг, капиллярные системы, цементный камень, гели
  Твердое тело			Цветные стекла, минералы, сплавы

  Классификация по отсутствию или наличию взаимодей­ствия между частицами дисперсной фазы

  По кинетическим свойствам дисперсной фазы все дисперсные системы можно подразделить на два класса: свободно-дисперсные, в которых частицы дисперсной фазы не связаны между собой и мо­гут свободно перемещаться (лиозоли, аэрозоли, суспензии, эмуль­сии), и связно-дисперсные, в которых одна из фаз структурно закре­плена и не может перемещаться свободно. К этому классу относят гели и студни, пены, капиллярно-пористые тела (диафрагмы), твердые растворы и др.

  Классификация по степени взаимодействия дисперсной фазы с дисперсионной средой

  Для характеристики взаимодействия между веществом дисперс­ной фазы и жидкой дисперсионной средой служат понятия «лиофильность» и «лиофобность». Под взаимодействием фаз дисперсных систем подразумевают процессы сольватации (гидратации), т. е. образова­ние сольватных (гидратных) оболочек из молекул дисперсионной среды вокруг частиц дисперсной фазы. Системы, в которых сильно выражено взаимодействие частиц дисперсной фазы с растворителем, называют лиофильными (по отношению к воде - гидрофильными). Если частицы дисперсной фазы состоят из вещества, слабо взаимо­действующего со средой, системы являются лиофобными (по отно­шению к воде - гидрофобными) . Термин «лиофильный» происходит от греч. 1уо - растворяю и philia - любовь; «лиофобный» от 1уо - растворяю и phobia - ненависть, что означает «не любящий растворения». Хорошо сольватирующиеся лиофильные дисперсные системы образуются путем самопроизвольного диспергирования. Такие си­стемы термодинамически устойчивы. Приме­рами таких систем являются дисперсии некоторых глин и поверх­ностно-активных веществ (ПАВ), растворы высокомолекулярных веществ (ВМВ).

  У гидрофобных золей частицы состоят из труднорастворимых соединений, отсутствует или слабо выражено сродство дисперсной фазы к растворителю. Такие частицы плохо сольватированы. Гидрофобные золи являются основным классом коллоидных растворов, у которых ярко выражены гетерогенность и высокая удельная поверхность.

  Большинство окружающих нас веществ представляют собой смеси различных субстанций, поэтому изучение их свойств играет важную роль в развитии химии, медицины, пищевой промышленности и других отраслей народного хозяйства. В статье рассматриваются вопросы, что такое степень дисперсности, и как она влияет на характеристики системы.

  Что такое дисперсные системы?

  Прежде чем перейти к обсуждению вопроса о степени дисперсности, необходимо пояснить, к каким системам может применяться это понятие.

  Представим себе, что у нас имеются два различных вещества, которые могут отличаться друг от друга химическим составом, например, поваренная соль и чистая вода, или же агрегатным состоянием, например, та же вода в жидком и твердом (лед) состояниях. Теперь необходимо взять и смешать эти две субстанции и интенсивно их перемешать. Какой будет результат? Он зависит от того, прошла при смешивании химическая реакция или нет. Когда речь ведут о дисперсных системах, то полагают, что при их образовании никакой реакции не происходит, то есть исходные вещества сохраняют свое строение на микроуровне и присущие им физические свойства, например, плотность, цвет, электропроводность и другие.

  Таким образом, дисперсная система - это механическая смесь, в результате которой два и более вещества смешиваются друг с другом. При ее образовании пользуются понятиями "дисперсионная среда" и "фаза". Первая обладает свойством непрерывности внутри системы и, как правило, находится в ней в большом относительном количестве. Вторая (дисперсная фаза) характеризуется свойством прерывности, то есть в системе она находится в виде мелких частиц, которые ограничены поверхностью, отделяющей их от среды.

  Гомогенные и гетерогенные системы

  Понятно, что названные две составляющие дисперсной системы будут отличаться по своим физическим свойствам. Например, если бросить в воду песок и размешать его, то понятно, что существующие в воде песчинки, химическая формула которых SiO 2 , ничем не будут отличаться от того состояния, когда они не находились в воде. В таких случаях говорят о гетерогенности. Иными словами, гетерогенная система представляет собой смесь из нескольких (двух и более) фаз. Под последней понимают некоторый конечный объем системы, который характеризуется определенными свойствами. В примере выше имеем две фазы: песок и вода.

  Однако размеры частиц дисперсной фазы при их растворении в какой-либо среде могут стать настолько маленькими, что они перестанут проявлять свои индивидуальные свойства. В этом случае говорят о гомогенных или однородных субстанциях. В них хотя и находится несколько компонентов, но все они образуют одну фазу по всему объему системы. Примером гомогенной системы является раствор NaCl в воде. При его растворении из-за взаимодействия с полярными молекулами H 2 O кристалл NaCl распадается на отдельные катионы (Na +) и анионы (Cl -). Они однородно смешиваются с водой, и уже невозможно в такой системе найти границу раздела между растворимым веществом и растворителем.

  Размер частиц

  

  Что такое степень дисперсности? Эту величину необходимо рассмотреть подробнее. Что она собой представляет? Она обратно пропорциональна размеру частиц дисперсной фазы. Именно эта характеристика лежит в основе классификации всех рассматриваемых субстанций.

  При изучении дисперсных систем студенты часто путаются в их названиях, поскольку полагают, что в основе их классификации также лежит агрегатное состояние. Это неверно. Смеси разных агрегатных состояний действительно имеют разные названия, например, эмульсии - это водяные субстанции, а аэрозоли уже предполагают существование газовой фазы. Однако свойства дисперсных систем зависят главным образом от размера частиц растворенной в них фазы.

  Общепринятая классификация

  Классификация дисперсных систем по степени дисперсности приведена ниже:

  • Если условный размер частиц меньше 1 нм, то такие системы называют настоящими, или истинными растворами.
  • Если условный размер частицы лежит в пределах между 1 нм и 100 нм, тогда рассматриваемая субстанция будет называться коллоидным раствором.
  • Если же частицы больше 100 нм, то ведут речь о суспензиях или взвесях.

  Касательно приведенной классификации проясним два момента: во-первых, приведенный цифры являются ориентировочными, то есть система, в которой размер частиц будет 3 нм, не обязательно является коллоидом, она может представлять собой и истинный раствор. Это можно установить, изучив ее физические свойства. Во-вторых, можно заметить, что в списке используется фраза "условный размер". Связано это с тем, что форма частиц в системе может быть совершенно произвольной, и в общем случае имеет сложную геометрию. Поэтому говорят о некотором среднем (условном) их размере.

  Истинные растворы

  Как выше было сказано, степень дисперсности частиц в настоящих растворах настолько велика (их размер очень маленький, < 1 нм), что не существует поверхности раздела между ними и растворителем (средой), то есть имеет место однофазная гомогенная система. Для полноты информации напомним, что размер атома составляет порядка одного ангстрема (0,1 нм). Последняя цифра говорит о том, что частицы в настоящих растворах имеют атомные размеры.

  Главными свойствами истинных растворов, которые их отличают от коллоидов и суспензий, являются следующие:

  • Состояние раствора существует сколь угодно долго в неизменном виде, то есть не образуется осадка дисперсной фазы.
  • Растворенную субстанцию нельзя отделить от растворителя путем фильтрации через обычную бумагу.
  • Субстанция также не отделяется в результате процесса перехода через пористую мембрану, который называется в химии диализом.
  • Отделить от растворителя можно только путем изменения агрегатного состояния последнего, например, путем выпаривания.
  • Для можно провести электролиз, то есть пропустить электрический ток, если приложить к системе разность потенциалов (два электрода).
  • Они не рассеивают свет.

  Примером истинных растворов является смешивание различных солей с водой, например, NaCl (соль поваренная), NaHCO 3 (пищевая сода), KNO 3 (нитрат калия) и другие.

  Коллоидные растворы

  

  Это промежуточные системы между настоящими растворами и суспензиями. Тем не менее, они обладают рядом уникальных характеристик. Перечислим их:

  • Они сколь угодно долго являются механически стабильными, если не изменяются условия среды. Достаточно нагреть систему или изменить ее кислотность (показатель pH), как коллоид коагулирует (выпадет в осадок).
  • Они не разделяются с помощью фильтровальной бумаги, однако, процесс диализ приводит к разделения дисперсной фазы и среды.
  • Как и для истинных растворов, для них можно провести электролиз.
  • Для прозрачных коллоидных систем характерен так называемый эффект Тиндаля: пропуская луч света через эту систему, можно его увидеть. Связано это с рассеиванием электромагнитных волн видимой части спектра во всех направлениях.
  • Способность адсорбировать другие вещества.

  Коллоидные системы, благодаря перечисленным свойствам, широко используются человеком в различных сферах деятельности (пищевая промышленность, химия), а также часто встречаются в природе. Примером коллоида является сливочное масло, майонез. В природе это туманы, облака.

  Прежде чем переходить к описанию последнего (третьего) класса дисперсных систем, поясним подробнее некоторые из названных свойств для коллоидов.

  Какие бывают коллоидные растворы?

  Для этого типа дисперсных систем классификацию можно привести, учитывая разные агрегатные состояния среды и растворенной в ней фазы. Ниже дана соответствующая таблица/

  Из таблицы видно, что коллоидные субстанции присутствуют повсеместно, как в быту, так и в природе. Отметим, что аналогичную таблицу можно привести также для суспензий, вспоминая, что разница с коллоидами у них заключается только в размере дисперсной фазы. Однако суспензии являются механически нестабильными, поэтому представляют меньший интерес для практики, чем коллоидные системы.

  

  Причина механической стабильности коллоидов

  Почему майонез может долго лежать в холодильнике, и взвешенные частицы в нем не выпадают в осадок? Почему растворенные в воде частицы красок со временем не "падают" на дно сосуда? Ответом на эти вопросы будет броуновское движение.

  Этот тип движения был открыт в первой половине XIX века английским ботаником Робертом Броуном, который наблюдал под микроскопом, как движутся мелкие частицы пыльцы в воде. С физической точки зрения броуновское движение является проявлением хаотического перемещения молекул жидкости. Его интенсивность увеличивается, если повысить температуру жидкости. Именно этот тип движения заставляет находиться во взвешенном состоянии мелкие частицы коллоидных растворов.

  Свойство адсорбции

  Дисперсность - это величина, обратная среднему размеру частиц. Поскольку этот размер в коллоидах лежит в пределах от 1 нм до 100 нм, то они обладают очень развитой поверхностью, то есть отношение S/m является большой величиной, здесь S - суммарная площадь раздела между двумя фазами (дисперсионной средой и частицами), m - общая масса частиц в растворе.

  Атомы, которые находятся на поверхности частиц дисперсной фазы, обладают ненасыщенными химическими связями. Это означает, что они могут образовывать соединения с другими молекулами. Как правило, эти соединения возникают за счет ван-дер-ваальсовых сил либо водородных связей. Они способны удержать несколько слоев молекул на поверхности коллоидных частиц.

  Классическим примером адсорбента является активированный уголь. Он представляет собой коллоид, где дисперсионной средой является твердое тело, а фазой - газ. Удельная площадь поверхности для него может достигать 2500 м 2 /г.

  Степень дисперсности и удельная поверхность

  

  Расчет величины S/m является непростой задачей. Дело в том, что частицы в коллоидном растворе имеют различные размеры, форму, а также поверхность каждой частицы обладает уникальным рельефом. Поэтому теоретические методы решения этой задачи приводят к качественным результатам, а не к количественным. Тем не менее, полезно привести от степени дисперсности формулу удельной поверхности.

  Если положить, что все частицы системы имеют сферическую форму и одинаковые размеры, тогда в результате незамысловатых расчетов получается такое выражение: S ud = 6/(d*ρ), где S ud - площадь поверхности (удельная), d - диаметр частицы, ρ - плотность вещества, из которого она состоит. Из формулы видно, что частицы самые маленькие и самые тяжелые будут давать наибольший вклад в рассматриваемую величину.

  Экспериментальный способ определения S ud заключается в вычислении объема газа, который адсорбируется исследуемым веществом, а также в измерении размера пор (дисперсная фаза) в нем.

  Системы лиофильные и лиофобные

  Лиофильность и лиофобность - это те характеристики, которые, по сути, обуславливают существование классификации дисперсных систем в том виде, в котором она приведена выше. Оба понятия характеризуют силовую связь между молекулами растворителя и растворяемого вещества. Если эта связь велика, то говорят о лиофильности. Так, все солей в воде являются лиофильными, поскольку их частицы (ионы) электрически связаны с полярными молекулами H 2 O. Если же рассматривать такие системы, как сливочное масло или майонез, то это представители типичных гидрофобных коллоидов, покольку в них молекулы жиров (липидов) отталкиваются от полярных молекул H 2 O.

  Важно отметить, что лиофобные (гидрофобные, если растворителем является вода) системы являются термодинамически нестабильными, что их отличает от лиофильных.

  Свойства суспензий

  

  Теперь рассмотрим последний класс дисперсных систем - суспензии. Напомним, что они характеризуются тем, что самая маленькая частица в них больше или порядка 100 нм. Какими свойствами они обладают? Ниже дан соответствующий список:

  • Они механически нестабильны, поэтому за короткий промежуток времени в них образуется осадок.
  • Они являются мутными и непрозрачными для солнечных лучей.
  • Фазу от среды можно отделить с помощью фильтровальной бумаги.

  Примерами суспензий в природе можно назвать мутную воду в реках или вулканический пепел. Использование человеком суспензий связано, как правило, с медициной (растворы лекарственных препаратов).

  Коагуляция

  

  Что можно сказать смесях веществ с различной степенью дисперсности? Частично этот вопрос уже был освещен в статье, поскольку в любой дисперсной системе частицы имеют размер, лежащий в некоторых пределах. Здесь лишь рассмотрим один любопытный случай. Что будет, если смешать коллоид и истинный раствор электролита? Взвешенная система нарушится, и произойдет ее коагуляция. Причина ее заключается во влиянии электрических полей ионов истинного раствора на поверхностный заряд коллоидных частиц.

  Поделись статьей:
  Похожие статьи

  
  17 апреля 2015
  Калина гордовина: описание и особенности выращивания кустарника
  
  17 апреля 2015
  Динамичная направляющая для фрезерного стола Миниатюрный стол для ручного фрезера
  
  17 апреля 2015
  Как построить и оборудовать мастерскую своими руками на даче или другом участке Обустройство мини мастерской в городской квартире
  
  17 апреля 2015
  Очистка бассейна без использования пылесоса