Дисперсные системы

Дисперсными называются системы, компоненты которых равномерно распределены друг в друге. Слово дисперсный означает рассеянный, раздробленный. В дисперсных системах различают дисперсную фазу и дисперсионную среду. Дисперсная фаза – это совокупность частиц, равномерно распределённых в непрерывной дисперсионной среде.

Свойства дисперсной системы определяются размерами частиц дисперсной фазы или дисперсностью. Дисперсностью (Д) называется величина, обратная среднему диаметру частиц:

, м^-1.

По степени дисперсности все дисперсные системы принято разделять на две группы:

1) тонко(высоко)дисперсные, или коллоидные системы (Д = 10⁷ ÷ 10⁹ м⁻¹,

r = 0,001 ÷ 0,1 мкм);

2) грубодисперсные системы (суспензии и эмульсии), Д < 10⁷ м⁻¹, r = 0,1 мкм.

Коллоидные растворы по размерам частиц дисперсной фазы занимают промежуточное положение между истинными растворами и грубодисперсными системами. Напомним, что истинные растворы представляют собой системы с размерами частиц менее 1 нм (Д > 10⁹м⁻¹), состоящие из молекул или ионов растворённого вещества. Их следует рассматривать как однофазную систему.

Коллоидные растворы также называют золями. Они подразделяются на лиофобные (гидрофобные) и лиофильные (гидрофильные). Гидрофобными золями называются коллоидные растворы, в которых взаимодействие (сольватация, гидратация) между дисперсной фазой и средой отсутствует или выражено очень слабо.

Если это взаимодействие выражено сильно, то такие коллоидные растворы называют гидрофильными. В этих системах частицы дисперсной фазы окружены сольватной (гидратной) оболочкой, состоящей из молекул дисперсионной среды.

Коллоидные частицы иногда образуют структурированные студнеобразные системы, называемые гелями. Их строение напоминает своеобразную тончающую трёхмерную сетку (каркас), петли которой образованы дисперсной фазой, а мельчайшие ячейки заполнены средой.

При удалении среды из лиофобных (необратимых) гелей образуется пористая структура типа пемзы (пористой губки), пронизанная множеством мелких капилляров.

При набухании дисперсной фазы получаются лиофобные гели, обычно называемые студнями. От лиофобных гелей они отличаются обратимостью, т.е. способностью после высушивания к набуханию в растворителе. Они могут существовать, не разрушаясь, длительное время.

Различают кинетическую и агрегативную устойчивость дисперсных систем.

Кинетическая устойчивость связана со способностью частиц дисперсной фазы к самостоятельному тепловому движению в растворе, которое хорошо известно под названием броуновского движения. В суспензиях и эмульсиях, характеризующихся наибольшими размерами частиц, броуновское движение происходит слабо. Поэтому кинетическая устойчивость их очень мала: частицы суспензий, в зависимости от плотности, или оседают на дно, или всплывают на поверхность. Коллоидные растворы по кинетической устойчивости занимают промежуточное положение между истинными растворами и суспензиями и эмульсиями.

Агрегативная устойчивость выражается в том, что частицы дисперсной системы не укрупняются (не слипаются) при столкновении друг с другом. Золь, лишённый агрегативной устойчивости, коагулирует, т.е. частицы слипаются в более крупные агрегаты, которые выпадают из коллоидного раствора. Агрегативная устойчивость коллоидных систем обусловлена тем, что на поверхности раздела происходит адсорбция ионов (молекул) из дисперсионной среды. На частицах адсорбируются ионы одного знака, и заряженные одноимённые частицы отталкиваются друг от друга, благодаря чему не происходит их агрегация.

Мицелла. Отельные частицы коллоидных систем называются мицеллами. Получим мицеллу, например, коллоидного раствора иодида серебра, реакцией взаимодействия нитрата серебра с избытком иодида калия.

Ag⁺ + NO₃⁻ + K⁺ + J⁻ = AgJ¯ + K⁺ + NO₃⁻;

m AgJ + n KJ = { m [AgJ] n J⁻ (n – x)K⁺}⁻ x K⁺.

ядро ® адсорбционный ® диффузион-

слой ный слой

частица (гранула) ®

мицела

Мицелла иодида серебра состоит из частицы (гранулы), заряженной отрицательно { m [AgJ] n J⁻(n – x)K⁺}⁻, и диффузионной зоны (или противоионов) xK⁺. Гранула, заряд которой определяется электрофорезом, содержит ядро m[AgJ] и адсорбционную зону, слагающуюся из иодид-ионов nJ^- и (n-х) ионов калия K⁺. Так как n>(n-х), то заряд гранулы в целом отрицательный. В зависимости от концентрации исходных растворов и условий коэффициенты n,m и х могут изменяться в широких пределах. А мицела в избытке нитрата серебра имеет следующее строение { m [AgJ] nAg⁺ (n – x)NO₃^-}⁺ x NO₃^-.

Коагуляция – это процесс слипания частиц в коллоидных системах с образованием более крупных агрегатов. Она наступает при нарушении агрегативной устойчивости дисперсной системы и приводит в итоге к образованию отдельных хлопьев, выпадающих в осадок (седиментация), в результате чего содержание частиц в основном объеме системы становится незначительным.

Поверхностные явления. Поглощение вещества одной фазы другой фазой называют сорбцией, поглощающее вещество - сорбентом, а поглощаемое – сорбтивом. Изменение концентрации вещества на границе раздела фаз называют поверхностным поглощением или адсорбцией. Иногда поглощение одного вещества другим не ограничивается поверхностным слоем, а происходит во всём объёме сорбента. Такой процесс называют объёмным поглощением, или абсорбцией.

Грубодисперсные системы. Эмульсии. Эмульсией называется система, состоящая из двух взаимно не растворимых жидких фаз, одна из которых распределена в другой в виде мельчайших капелек.

Название эмульсии составляется таким образом: сначала указывают дисперсную фазу, а затем дисперсионную среду. Например, если говорят: “эмульсия бензола в воде”, то это означает, что бензол в виде капелек распределён в воде.

Как правило, эмульсии получают диспергированием (дроблением) одной жидкости в другой. При этом не получается устойчивой эмульсии, так как образующиеся капельки, сталкиваясь друг с другом, слипаются − коалесцируют, и эмульсия быстро расслаивается. Образование устойчивых эмульсий возможно только в присутствии стабилизаторов – эмульгаторов. Эмульгатор, как правило, должен быть поверхностно-активным веществом (ПАВ).

Концентрированные эмульсии имеют ячеистую структуру, напоминающую пчелиные соты.

Эмульсии, как правило, неустойчивы и разрушаются при хранении.

Пены. Пеной называется дисперсная система, состоящая из ячеек, заполненных газом и отделённых друг от друга плёнкой жидкости очень малой толщины.

Изменение структуры пены с течением времени происходит вследствие вытекания из неё жидкости и разрыва плёнок. Разрушение пен можно ускорить введением в них ПАВ, не образующих прочные гелеобразные слои.

Суспензии – это дисперсные системы, представляющие собой взвеси твёрдых частиц в жидкостях; концентрированные суспензии называются иногда пастами. Частицы суспензии – это мелкие кристаллики, практически нерастворимые в окружающей их жидкости.

Неустойчивость суспензий выражается в осаждении твёрдой фазы – седиментации, скорость которой зависит от размеров частиц, температуры и вязкости среды. Для повышения устойчивости суспензий вводятся стабилизаторы (электролиты) и ПАВы. Например, мыло (ПАВ) образует на поверхности капелек масла плёнку и препятствует их слиянию, а также уменьшает поверхностное натяжение.

Лабораторная работа

Дисперсные системы

Цель работы

Дата добавления: 2015-11-14