Класифікації дисперсних
систем
В.А. Волков
За ступенем роздробленості (дисперсності) системи
поділяються на наступні класи: Грубодисперсні, розмір часток у яких більше
10-5 м; тонкодисперсні (мікрогетерогенних) з розміром частинок від 10-5 до 10-7
м; колоїдно-дисперсні (ультрамікро-гетерогенні) з частками розміром від 10-7
до 10-9м. Якщо фіксувати увагу на двох основних компонентах дисперсних систем,
то одному з них слід приписати роль дисперсійного середовища, а іншому - роль
дисперсної фази. У цьому випадку всі дисперсні системи можна класифікувати за
агрегатних станів фаз.
Ця класифікація була запропонована Оствальдом і широко
використовується до теперішнього часу. Недоліком класифікації слід вважати
неможливість віднесення дисперсних систем, приготованих з твердою або рідкої
дисперсної фазою, до якого-небудь класу, якщо розмір частинок складає кілька
нанометрів. Приклад такої класифікації наведено в табл. 1.
Академік П.А. Ребіндер запропонував більш досконалу класифікацію
дисперсних систем по агрегатних станів фаз. Він розділив всі дисперсні
системи на два класи: свободнодісперсние системи та суцільні (або
связнодісперсние) системи (табл. 2 і 3). У свободнодісперсних системах
дисперсна фаза не утворює суцільних жорстких структур (сіток, ферм або
каркасів). Ці системи називають золямі. У суцільних (связнодісперсних) системах
частинки дисперсної фази утворюють жорсткі просторові структури (сітки,
каркаси, ферми). Такі системи чинять опір деформації зсуву. Їх
називають гелями.
дисперсних системах за класифікацією Ребиндера
позначається дробом, в якій дисперсна фаза ставиться в чисельнику, а
дисперсійна середу - в знаменнику. Наприклад: Т1/Ж2. Індекс 1 означає
дисперсну фазу, а індекс 2 - дисперсійного середовища.
Колоїдна хімія вивчає властивості як тонко-, так і
грубодисперсних систем; як вільно-, так і связнодісперсних систем.
Включення в одну науку такої великої кількості
різноманітних систем, різних як за природою фаз, так і за розмірами частинок і
агрегатному стані фаз, грунтується на тому, що всі вони мають спільні
властивостями - гетерогенність і принциповою термодинамічної
нестійкістю. Центральне місце в колоїдної хімії займають
ультрамікрогетерогенние системи з вільними частинками. Це - так звані, колоїдні
системи.
Таблиця 1
Класифікація дисперсних систем за агрегатним
станам фаз.
Дисперсійний-ва Середа
Дисперсія-ва фаза
Приклади дисперсних систем
Тверда
Тверда
рубінового скла; пігментовані волокна; сплави;
малюнок на тканині, нанесений методом пігментного друку
Тверда
Рідка
Перлини, вода в граніті, вода в бетоні, залишковий мономер
в полімерно-мономірних частках
Тверда
Газо-образна
Газові включення в різних твердих тілах:
пінобетони, заморожені піни, пемза, вулканічна лава, полімерні піни, пінополіуретан
Рідка
Тверда
Суспензії, фарби, пасти, золи, латекси
Рідка
Рідка
Емульсії: молоко, нафта, вершкове масло, маргарин, замаслівателі
волокон
Рідка
Газо-образна
Піни, у тому числі для пожежогасіння та пінних
технологій замаслення волокон, вибілені і колорування текстильних
матеріалів
Газоподібна
Тверда
Дими, космічний пил, аерозолі
Газоподібна
Рідка
Тумани, гази в момент скраплення
Газоподібна
Газо-образна
Колоїдна система не утворюється
Колоїди надзвичайно лабільні, тобто
нестійкі. Для багатьох з них досить додавання мізерної кількості електроліту,
щоб викликати випадання осаду. Причина такого легкого зміни стану колоїдних
систем пов'язана з мінливістю ступеня їх дисперсності. Розрізняють два види
стійкості будь-якої подрібненої системи - кінетичну та Агрегативна.
Таблиця 2
Приклади свободнодісперсних систем
1. Дисперсні системи в газах
2. Дисперсні системи в рідинах
Колоїдна дисперсність
Т1/Г2 - пил у верхніх шарах атмосфери, аерозолі.
Колоїдна дисперсність
Т1/Ж2 - ліозолі, дисперсні барвники у воді, латекси
синтетичних полімерів.
Груба дисперсність
Груба дисперсність
Т1/Г2 - дими
Ж1/Г2 - тумани
Т1/Ж2 - суспензії
Ж1/Ж2 - рідкі емульсії
Г1/Ж2 - газові емульсії
3. Дисперсні системи в твердих тілах
Т1/Т2 - тверді золи, наприклад, золь золота в
склі,
пігментовані волокна, наповнені полімери
В основу цієї класифікації покладено агрегатний
стан фаз дисперсної системи.
Поняття Агрегативна стійкості, яке вперше
ввів Н.П. Песков, має на увазі відсутність агрегування, тобто зниження ступеня
дисперсності колоїдної системи при зберіганні. Для визначення кінетичної
стійкості необхідно вивчати умови виділення диспергованих частинок в
гравітаційному або відцентровому поле. Швидкість подібного виділення залежить від
інтенсивності броунівського руху частинок, тобто від ступеня дисперсності
системи і різниці щільності дисперсійного середовища і дисперсної фази, а також від в'язкості
середовища.
Таблиця 3
Связнодісперсние системи
1. Системи з рідкою поверхнею розділу фаз
2. Системи з твердою поверхнею розділу фаз
Г1/Ж2 - піни
Ж1/Ж2 - пенообразние емульсії
Г1/Т2 - пористі тіла, натуральні волокна, пемза,
губка, деревне вугілля
Ж1/Т2 - волога в граніті
Т1/Т2 - взаємопроникні сітки полімерів
Якщо хочуть визначити Агрегативна стійкість
системи, то досліджують умови сталості (або навпаки - мінливості)
ступеня дисперсності системи. Одне з найбільш різких і характерних відмінностей колоїдної
системи як від істинного розчину, так і від грубодисперсних систем полягає в
те, що їх ступінь дисперсності є надзвичайно мінливою величиною і
може змінюватися в залежності від найрізноманітніших причин.
В основі цієї класифікації лежить агрегатний стан
поверхні розділу фаз.
На підставі викладеного вище дамо визначення колоїдних
системам.
Колоїди називають двох-або багатофазні
системи, в яких одна фаза знаходиться у вигляді окремих дрібних частинок,
розподілених в іншій фазі. Такі ультрамікрогетерогенние системи з
певної (колоїдної) дисперсністю виявляють здатність до інтенсивного броунівському
рухові і мають високу кінетичної стійкістю.
Маючи високорозвинену поверхню розділу фаз і,
отже, величезний надлишок вільної поверхневої енергії, ці системи
є принципово термодинамічно нестійкими, що виражається в
агрегації частинок, тобто у відсутності Агрегативна стійкості. Однак цими
властивостями не вичерпуються всі особливості, якими колоїдні системи
відрізняються від інших систем. Так, наприклад, на перший погляд здається
незрозумілим, чому колоїдні частинки, здійснюючи енергійні рухи і
стикаючись між собою, не завжди злипаються в більші агрегати і не
випадають в осад, як цього варто було б очікувати на підставі другого закону термодинаміки,
тому що при цьому зменшувалася б загальна поверхню, а з нею і вільна енергія.
Виявляється, у багатьох випадках стійкість таких
систем пов'язана з наявністю шару стабілізатора на поверхні колоїдних частинок.
Таким чином, необхідною умовою створення стійких колоїдних систем
є присутність третього компоненту - стабілізатора. Стабілізаторами колоїдних
систем можуть бути електроліти або деякі інші речовини, що не мають
електролітний природи, наприклад високомолекулярні сполуки (ВМС) або
поверхнево-активні речовини (ПАР). Механізм стабілізації електролітами і
неелектролітів істотно різний.
Вплив електролітів на стійкість колоїдних систем
має складний характер. В одних випадках мізерні добавки електроліту здатні
призвести до порушення стабільності системи. В інших - введення електроліту
сприяє збільшенню стабільності.
Освіта адсорбційних шарів таких стабілізаторів,
як ПАР, набуває особливо велике значення при наявності двовимірних структур,
що володіють підвищеними структурно-механічними властивостями. У багатьох випадках
стабілізація досягається при покритті монослоем всього 40-60% поверхні
колоїдних частинок, коли захисний шар має переривчастий характер (у формі
острівців). Максимальна стійкість досягається, природно, при утворенні
повністю насиченого мономолекулярного шару. Структурно-механічні властивості
адсорбційних шарів значною мірою визначають поведінку колоїдних систем.
Ці шари можуть бути утворені або змінені невеликими кількостями будь-яких
розчинених речовин, тому створюється можливість регулювання ряду властивостей колоїдних
систем, що широко використовується в різних практичних додатках.
Колоїдні системи, що складаються з частинок
діспергіроване речовини, здатних вільно переміщатися в рідкій
дисперсійного середовища спільно з адсорбованими на їх поверхні молекулами
або іонами третього компоненту (стабілізатора), називають ліозолямі, а самі
частинки, що володіють складною будовою - міцели.
За характером взаємодії колоїдних часток з
дисперсійної середовищем ліозолі можуть бути розділені на Ліофільно і ліофобних.
Вперше ця класифікація була запропонована німецьким вченим-коллоідніком
Фрейндліхом. Він розділив всі системи на два класи - Ліофільно і ліофобних. У
Відповідно до уявлень, розвиненими Фрейндліхом, ліофобних називають
системи, частинки дисперсної фази яких не взаємодіють з дисперсійної
середовищем, не сольватіруются і не розчиняються в ній. Ліофільно-це системи,
частинки дисперсної фази яких інтенсивно взаємодіють з дисперсійної середовищем.
До ліофобних систем відносяться золи дорогоцінних металів,
золи Металоїди (сірки, селену, телуру), дисперсії полімерів у воді (наприклад,
полістиролу, фторолона), золи сульфідів миш'яку, сурми, кадмію, ртуті, золи гідроксидів
заліза, алюмінію і т.д. Ці системи характеризуються, так званої,
кінетичної стійкістю і Агрегативна нестійкістю і вимагають
стабілізації. До Ліофільно колоїдних систем Фрейндліх відніс розчини,
утворюються при розчиненні природних або синтетичних ВМС. Такі розчини білків,
крохмалю, пектинів, камеди, ефірів целюлози і різноманітних смол, як
природних так і синтетичних.
Таким чином, розчини ВМС розглядалися раніше як
Ліофільно колоїдні системи. Вони вважалися двофазним дисперсними системами
і таким чином сутність класифікації Фрейндліха зводилася до молекулярних
взаємодій між дисперсної фазою і дисперсійної середовищем. Саме на цьому
підставі проводилося розділення на Ліофільно і ліофобних системи. Ліофільно
системи вважалися двох-або багатофазних, термодинамічно нестійкими,
неподчіняющіміся правилом фаз Гіббса. Але таке уявлення виявилося
неправильним. Насправді в даний час достовірно встановлено, що розчини
ВМС - це істинні розчини, тобто однофазні системи, гомогенні,
термодинамічно стійкі і підкоряються правилу фаз Гіббса. Вважалося, що
оборотність - це характерна властивість Ліофільно колоїдних систем, але це не
так, тому що в даному випадку розчини ВМС не є дисперсними системами.
У зв'язку з цим академік В.А. Каргін ще в 1948 р.
звернув увагу на те, що класифікація Фрейндліха зовсім неправильна і навіть
більше того - шкідлива.
Щоб не міняти сенсу цих термінів, П.А. Ребіндер
запропонував оформити поняття Ліофільно і ліофобних колоїдні системи.
Дисперсні багато-або двофазні системи він розділив на два класи, виходячи з
величини питомої межфазовой енергії (поверхневого натягу).
До ліофобних систем були віднесені дисперсні системи
з досить високим межфазовим натягом (s12), великим деякого граничного
значення sm:
s12> sm. (1)
Ці системи характеризуються великою межфазовой
вільною енергією, тому межа розподілу фаз виражена різко: система
є агрегативно нестійкою і вимагає введення стабілізатора.
Дисперсність таких систем є довільною.
Ліофільно системи - це двофазні колоїдні системи
з низькою, хоча і позитивної межфазовой вільної енергією, меншою або
рівною граничному значенню,
s12
