Количественные характеристики дисперсных систем

КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ в коллоидной химии

Коллоидная химия — это наука о физико-химических свойствах дисперсных систем и поверхностных явлениях. Вследствие исклю­чительно большой роли коллоидных систем и коллоидно-химичес­ких процессов в различных областях техники и человеческой дея­тельности и благодаря накоплению теоретического и практического материала, она выделилась в самостоятельную научную дисципли­ну. Объектами ее изучения являются гетерофазные системы, в ко­торых одна из фаз находится в высокодисперсном (раздробленном) состоянии.

Трудно назвать какую-либо сферу человеческой деятельнос­ти, в которой бы не использовались коллоидные системы или кол­лоидные процессы. Поверхностные явления (смачивание, адгезия, адсорбция, коагуляция, седиментация и др.) лежат в основе таких процессов химической технологии, как измельчение, гранулирова­ние, сушка, фильтрация, флотация, спекание, склеивание, краше­ние. К наиболее распространенным дисперсным системам относят дымы и туманы, эмульсии, пены, суспензии, порошки, ныли, гели. Дисперсными системами являются продукты питания, лекарства, биологоческие ткани. В мире каждый год производится сотни мил­лионов тонн дисперсных веществ и материалов. Знание закономер­ностей, присущих дисперсным системам, необходимо не только для оптимизации технологических процессов, но и при получении материалов с заданными свойствами, а также при решении задач охраны окружающей среды.

Определение размера частиц и удельной поверхности

Дисперсные системы всегда гетерогенные (гетерофазные). Они состоят из дисперсной фазы и дисперсионной среды.

Объектам изучения коллоидной химии присущи два основных признака:

1. гетерогенность или многофазность (качественный признак).
2. дисперсность (количественный признак) определяется раз­мерами частиц в трех измерениях.

Основные характеристики, используемые для описания дисперс­ных систем:

1. Характеристический размер частиц — а; [м]. Для сферических частиц это диаметр сферы d, для кубичес­ких — ребро куба.
2. Дисперсность (раздробленность) D — это величина, обратная наименьшему размеру частиц.

3. Удельная поверхность Sуд. — это межфазная поверхность (S1,2,), приходящаяся на единицу объема дисперсной фазы (V) или ее мас­сы (т).

Рассмотрим, как определяется удельная поверхность: если система состоит из п частиц, то

Коэффициенты формы для сферических, кубических частиц к = 6, для пленок к = 2, для волокон к = 4.

С увеличением дисперсности или уменьшением размера час­тиц возрастает удельная поверхность.

Методы получения дисперсных систем

Для получения дисперсных систем используют две группы ме­тодов: диспергационные и конденсационные (табл. 1.1).

Диспергирование — метод получения дисперсных систем пу­тем измельчения или дробления конденсированного тела.

Конденсация — метод получения дисперсных систем за счет объединения или агрегатирования молекул, или ионов вещества.

Дробление веществ до частиц малых размеров требует боль­шой затраты работы, так как поверхность раздела между фазами в таких системах весьма велика. Однако с помощью механических методов диспергирования даже в присутствии стабилизаторов прак­тически невозможно получение частиц с размерами менее 100 нм. В случае диспергирования одной жидкости в другой (несмешивающейся с первой) процесс называется эмульгирование.м. И в этом случае требуется почти обязательное присутствие в системе ве­ществ — эмульгаторов, стабилизирующих ее дисперсный состав (поверхностно-активных веществ, полимеров, порошков). Таким образом, обычно получают частицы радиусом не меньше 500 нм.

Более высокая дисперсность системы может быть достигнута при использовании мегодов, основанных на агрегации атомов и мо­лекул, т. е. методов конденсации. Именно эти методы чаще всего используются для получения истинно-коллоидных растворов.

Образование дисперсных систем при использовании конден­сационных методов происходит в результате либо гетерогенного зарождения, когда возникновение новой фазы осуществляется на уже имеющихся поверхностях (стенках сосуда, частицах посто­ронних веществ — ядрах конденсации), либо на поверхностях заро­дышей, возникающих самопроизвольно в гомогенной среде.

Зародыши в этом случае могут возникать лишь при определен­ном критическом пересыщении раствора.

Степень пересыщения

Самопроизвольное возникновение ядер конденсации зави­сит от многих причин: химических свойств реагирующих веществ, от характера ассоциации атомов и молекул, вязкости среды, темпе­ратуры и др.

Процесс образования дисперсной фазы при конденсации име­ет две основные стадии:

• возникновение центров конденсации;
• рост зародышей.

Дисперсность получаемых коллоидных систем зависит от соот­ношения скорости образования зародышей (υ1) и скорости их рос­та (υ2). При малой скорости образования зародышей (υ1 < υ2), в сис­теме образуется небольшое число достаточно крупных частиц. Если же скорость возникновения зародышей велика, а скорость их роста мала (υ1 > υ2) в системе, наоборот, возникает большое число мел­ких частиц. В этом случае образуются высокодисперсные золи, размер частиц в которых позволяет отнести их к коллоидным растворам.

ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

Пример 1.1.

Методом механического диспергирования 5 г толуола в 1 л воды получена дисперсная система с частицами толуола шарообразной формы с радиусом 2,5 -10 ⁷ м. Плотность толуола равна 0,867 г/см³.

Решение:

Определяем дисперсность системы D и удельную поверх­ность S уд

Рассчитываем общую поверхность частиц S и число частиц N в дисперсной системе.

Пример 1.2.

Дисперсность частиц коллоидного золота равна 10⁸ м^-1. При­нимая частицы золота в виде кубиков, определите, какую поверх­ность S _обш они могут покрыть, если их плотно уложить в один слой. Масса коллоидных частиц золота 1 г. Плотность золота равна 19,6 • 10³ кг/м³.

Решение:

Пример 1.3.

Коллоидные частицы золота имеют дисперсность D = 108 м^-1. Какой длины (L) будет нить, если 1 г кубиков золота расположить друг за другом. Плотность золота составляет 19,6 • 10³ кг/м³.