Содержание

1. Определение

2. Основные сведения о дисперсности

3. Характеристики дисперсности

- степень дисперсности

- удельная поверхность

- кривая распределения объема или массы дисперсной фазы по размерам частиц

4. Дисперсные системы

5. Классификация дисперсионных систем

- по степени раздробленности (дисперсности)

- по агрегатным состояниям фаз по Оствальду

- по агрегатным состояниям фаз по Ребиндеру

- по интенсивности молекулярного взаимодействия

6. Применение дисперсности

1. Определение

Дисперсность - характеристика размеров частиц в дисперсных системах.

Дисперсность — физическая величина, характеризующая размер взвешенных частиц в дисперсных системах.

Дисперсность (раздробленность) - степень измельчения какого-либо тела (дисперсность фазы) в однородной среде (дисперсионной среде). Мера дисперсности - отношение общей поверхности всех частиц к их суммарному объему.

Дисперсность - характеристика пылевидного материала (цемента, минерального порошка и т. д.) по удельной площади поверхности (см2/г) или по массе порошка, прошедшего через сито определенного размера.

Дисперсность - степень раздробленности, определяемая величиной, обратной поперечному размеру частицы; чем мельче частицы, тем больше дисперсность. Или: величина, обратная размеру частиц дисперсной фазы.

2. Основные сведения о дисперсности

Кристаллы любого вещества, например, сахара или хлорида натрия, можно получить разного размера — крупно- и мелкокристаллические. Каков бы ни был размер кристаллов, все они имеют одинаковую для данного вещества внутреннюю структуру — молекулярную или ионную кристаллическую решетку.

При растворении в воде кристаллов сахара и хлорида натрия образуются, соответственно, молекулярные и ионные растворы. Таким образом, одно и то же вещество может находиться в различной степени раздробленности: макроскопически видимых частиц (>0,2—0,1 мм, разрешающая способность глаза), микроскопически видимых частиц (от 0,2—0,1 мм до 400—300 нм, разрешающая способность микроскопа при освещении белым светом) и в молекулярном (или ионном) состоянии.

Постепенно складывались представления о том, что между миром молекул и микроскопически видимых частиц находится область раздробленности вещества с комплексом новых свойств, присущих этой форме компании вещества.

Представим себе кубик какого-либо вещества, который будем разрезать параллельно одной из его плоскостей, затем полученные пластинки начнем нарезать на палочки, а последние на кубики.

В результате такого диспергирования (дробления) вещества получаются пленочно-, волокнисто- и корпускулярнодисперсные (раздробленные) системы. Если толщина пленок, поперечник волокон или частиц (корпускул) меньше разрешающей способности оптического микроскопа, то они не могут быть обнаружены с его помощью. Такие невидимые в оптический микроскоп частицы называют коллоидными, а раздробленное (диспергированное) состояние веществ с размером частиц от 400—300 нм до 1 нм — коллоидным состоянием вещества.

Дисперсность имеет смысл отношения площади поверхности частиц к занимаемому ими объёму или к их суммарной массе.

Дисперсность обратно пропорциональна среднему диаметру частиц и определяется удельной поверхностью, т. е. отношением общей поверхности частиц к единице объёма (или иногда массы) дисперсной фазы.

В химии высокомолекулярных соединений дисперсность часто называют характеристику размеров линейных или разветвлённых (цепочечных) полимерных молекул, определяемую молярной массой. Полидисперсность полимеров может быть выражена функцией распределения молекул по их молярным массам (так называемое молекулярно-массовое распределение).

Графически эта функция изображается кривой типа приведённых на рисунке; по оси абсцисс откладывают молярные массы, а по оси ординат — доли полимерных фракций с соответствующими молярными массами.

3. Характеристики дисперсности

- степень дисперсности

Количественной характеристикой дисперсности (раздробленности) вещества является степень дисперсности (степень раздробленности)

D — величина, обратная размеру (а) дисперсных частиц

Здесь a равно либо диаметру сферических или волокнистых, либо длине ребра кубических частиц или толщине пленок.

Степень дисперсности численно равна числу частиц, которые можно плотно уложить в ряд (или в стопку пленок) на протяжении одного сантиметра.

Если все частицы дисперсной фазы имеют одинаковые размеры, то такие системы называют монодисперсными (рис. а и б). Частицы дисперсной фазы неодинакового размера образуют полидисперсные системы (рис. в).

- удельная поверхность

Дисперсность обратно пропорциональна среднему диаметру частиц и определяется удельной поверхностью, т.е. отношением общей поверхности частиц к единице объема или массы дисперсной фазы. Удельная поверхность - усредненный показатель дисперсности.

С повышением дисперсности все большее и большее число атомов вещества находится в поверхностном слое, на границе раздела фаз, по сравнению с их числом внутри объема частиц дисперсной фазы. Соотношение между поверхностью и объемом характеризует удельная поверхность SУД = S/V

Так, удельная поверхность вещества, раздробленного до микронных кубиков, составляет 6x104 см-1. При этом из 1 см3 образуется 1012 микронных кубиков с суммарной поверхностью (S = Sуд-V), равной 6x104 см2 (6 м2). При дальнейшем дроблении 1 см3 вещества до кубиков коллоидной дисперсности, например с длиной ребра l=10-6 см (10 нм), их число достигает 1018 частиц, суммарная поверхность — 6*106 см2 (600 м2), а удельная поверхность — 6x106 см-1.

Следовательно, с повышением дисперсности вещества все большее значение имеют его свойства, определяемые поверхностными явлениями, т. е. совокупностью процессов, происходящих в межфазовой поверхности. Таким образом, своеобразие дисперсных систем определяется большой удельной поверхностью дисперсной фазы и физико-химическим взаимодействием дисперсной фазы и дисперсионной среды на границе раздела фаз.

Удельная поверхность определяется как [м2/кг; см2/г]

Или

где m - масса частиц дисперсной фазы.

- кривая распределения объема или массы дисперсной фазы по размерам частиц

Удельная поверхность — усреднённый показатель дисперсности. Более полное представление о дисперсности даёт кривая распределения объёма или массы дисперсной фазы по размерам частиц.

Полная характеристика дисперсности — кривая распределения объема или массы дисперсной фазы по размерам частиц.

С ростом полидисперсности системы, т. е. с увеличением маржи в размерах частиц, максимум на кривой распределения снижается и становится более широким, но площадь, ограниченная кривой и осью абсцисс, сохраняется постоянной.

В редком случае монодисперсной системы, когда частицы имеют почти одинаковый размер, кривая имеет вид острого пика с узким основанием.

Встречаются системы, дающие на кривой распределения два и большее число максимумов. Для тонкопористых тел, например адсорбентов и Катализаторов, понятие дисперсности заменяется равнозначным понятием пористости, т.е. характеристикой размеров каналов-пор, пронизывающих эти тела.

4. Дисперсные системы

Дисперсной называют систему, в которой одно вещество распределено в среде другого, причем между частицами и дисперсионной средой есть граница раздела фаз. Дисперсные системы состоят из дисперсной фазы и дисперсионной среды.

Поскольку дисперсная (прерывная) фаза находится в виде отдельных небольших частиц, то дисперсные системы, в отличие от гетерогенных со сплошными фазами, называют микрогетерогенными, а коллоиднодисперсные системы называют также ультра-микрогетерогенными, чтобы подчеркнуть, что в этих системах граница раздела фаз не может быть обнаружена в световом микроскопе. Коллоидное состояние является предельно высокодисперсным состоянием вещества.

Дисперсная система — это смесь, состоящая как минимум из двух веществ, которые совершенно или практически не смешиваются друг с другом и не реагируют друг с другом химически. Первое из веществ (дисперсная фаза) мелко распределено во втором (дисперсионная среда). Фазы 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.

Дисперсная система состоит минимум из двух фаз:

- дисперсная фаза - совокупность частиц раздробленного вещества или пор, пронизывающих вещество, это частицы, распределенные в среде. Ее признаки: дисперсность и прерывистость.

- дисперсионная среда - материальная среда, в которой находится дисперсная фаза. Ее признак - непрерывность.

Поверхность раздела фаз характеризуется раздробленностью и гетерогенностью.

где s — частицы дисперсной фазы;

f — дисперсионная среда;

d — адсорбционный слой

Обязательным условием получения дисперсных систем является взаимная нерастворимость диспергируемого вещества и дисперсионной среды. Например, нельзя получить коллоидные растворы сахара или хлорида натрия в воде, но они могут быть получены в керосине или в бензоле, в которых эти вещества практически нерастворимы.

5. Классификация дисперсионных систем

Многообразие дисперсных систем обусловлено тем, что образующие их фазы могут находиться в любом из трех агрегатных состояний. При схематической записи агрегатного состояния дисперсных систем первым указывают буквами Г( газ), Ж (жидкость) или Т (твердое) агрегатное состояние дисперсионной среды, затем ставят тире и записывают агрегатное состояние дисперсной фазы.

Дисперсные системы классифицируют по дисперсности, агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды, интенсивности взаимодействия между ними, отсутствию или образованию структур в дисперсных системах.

- по степени раздробленности (дисперсности)

По степени раздробленности (дисперсности) системы делятся на следующие классы:

- грубодисперсные, размер частиц в которых более 10-5 м; К ним относятся суспензии, эмульсии, пены и аэрозоли, различающиеся по фазовому составу дисперсной фазы и дисперсионной среды

- тонкодисперсные (микрогетерогенные) с размером частиц от 10-5 до 10-7 м;

- коллоидно-дисперсные (ультрамикро-гетерогенные) с частицами размером от 10-7 до 10-9м.

- по агрегатным состояниям фаз по Оствальду

Эта классификация была предложена Оствальдом и широко используется до настоящего времени.

Недостатком классификации следует считать невозможность отнесения дисперсных систем, приготовленных с твердой или жидкой дисперсной фазой, к какому-либо классу, если размер частиц составляет несколько нанометров.

Дисперсные системы с газообразной дисперсионной средой называют аэрозолями. Туманы представляют собой аэрозоли с жидкой дисперсной фазой (Г1 — Ж2), а пыль и дым — аэрозоли с твердой дисперсной фазой (Г1 — Т2); пыль образуется при диспергировании веществ, а дым — при конденсации летучих веществ.

Пены — это дисперсия газа в жидкости (Ж1 — Г2), причем в пенах жидкость вырождается до тонких пленок, разделяющих отдельные пузырьки газа. Эмульсиями называют дисперсные системы, в которых одна жидкость раздроблена в другой, нерастворяющей ее жидкости (Ж1 — Ж2). Низкодисперсные системы твердых частиц в жидкостях (Ж1 — Т2) называют суспензиями, или взвесями, а предельно-высокодисперсные — коллоидными растворами, или золями, часто лиозолями, чтобы подчеркнуть, что дисперсионной средой является жидкость. Если дисперсионной средой является вода, то такие золи называют гидрозолями, а если органическая жидкость — органозолями.

В твердой дисперсионной среде могут быть диспергированы газы, жидкости или твердые тела. К системам T1—Г2 (твердые пены) относятся пенопласты, пенобетон, пемза, шлак, металлы с включением газов. Как своеобразные твердые пены можно рассматривать и хлебобулочные предмета торговли. В твердых пенах газ находится в виде отдельных замкнутых ячеек, разделенных дисперсионной средой. Примером системы T1—Ж2 является натуральный жемчуг, представляющий собой известняк, в котором коллоидно-диспергирована вода.

Большое практическое значение имеют дисперсные системы типа T1—Т2. К ним относятся важнейшие строительные материалы (например, бетон), а также металлокерамические композиции (керметы) и ситаллы.

К дисперсным системам типа T1—T2 относятся также некоторые сплавы, цветные стекла, эмали, ряд минералов, в частности некоторые драгоценные и полудрагоценные камни, многие изверженные горные породы, в которых при застывании магмы выделились кристаллы.

Цветные стекла образуются в результате диспергирования в силикатном стекле примесей металлов или их оксидов, придающих стеклу окраску. Например, рубиновое стекло содержит 0,01—0,1% желтого металла с размером частиц 4—30 мкм. Условия получения ярко-красных рубиновых и других окрашенных стекол изучались еще М. В. Ломоносовым.

Эмали — это силикатные стекла с включениями пигментов (SnO2, TiO2, ZrO2), придающих эмалям непрозрачность и окраску. Драгоценные и полудрагоценные камни часто представляют собой оксиды металлов, диспергированные в глиноземе или кварце (например, рубин — это Сr2О3, диспергированный в Аl2О3).

- по агрегатным состояниям фаз по Ребиндеру

Академик П.А. Ребиндер предложил более совершенную классификацию дисперсных систем по агрегатным состояниям фаз. Он разделил все дисперсные системы на два класса:

- свободнодисперсные системы и

- сплошные (или связнодисперсные) системы.

В свободнодисперсных системах дисперсная фаза не образует сплошных жестких структур (сеток, ферм или каркасов). Эти системы называют золями. К свободнодисперсным системам относятся аэрозоли, лиозоли, разбавленные суспензии и эмульсии. Они текучи. В этих системах частицы дисперсной фазы не имеют контактов, участвуют в беспорядочном тепловом движении, свободно перемещаются под действием гравитационной силы.

В сплошных (связнодисперсных) системах частицы дисперсной фазы образуют жесткие пространственные структуры (сетки, каркасы, фермы). Такие системы оказывают сопротивление деформации сдвига. Связнодисперсные системы — твердообразны; они возникают при контакте частиц дисперсной фазы, приводящем к образованию структуры в виде каркаса или сетки. Такая структура ограничивает текучесть дисперсной системы и придает ей способность сохранять форму. Подобные структурированные коллоидные системы называют гелями.

Дисперсная система по классификации Ребиндера обозначается дробью, в которой дисперсная фаза ставится в числителе, а дисперсионная среда – в знаменателе. Например: Т1/Ж2. Индекс 1 обозначает дисперсную фазу, а индекс 2 – дисперсионную среду.

Примеры свободнодисперсных систем

1) Дисперсные системы в газах

Коллоидная дисперсность - Т1/Г2– пыль в верхних слоях атмосферы, аэрозоли. 

Грубая дисперсность - Т1/Г2 – дымы и Ж1/Г2 – туманы

2) Дисперсные системы в жидкостях

Коллоидная дисперсность - Т1/Ж2 – лиозоли, дисперсные красители в воде, латексы синтетических полимеров.

Грубая дисперсность - Т1/Ж2 – суспензии; Ж1/Ж2 – жидкие эмульсии; Г1/Ж2 – газовые эмульсии

3) Дисперсные системы в твердых телах

Т1/Т2 – твердые золи, например, золь желтого металла в стекле, пигментированные волокна, наполненные полимеры.

Связнодисперсные системы

1) Системы с жидкой поверхностью раздела фаз 

Г1/Ж2 – пены; Ж1/Ж2 – пенообразные эмульсии

2) Системы с твердой поверхностью раздела фаз

Г1/Т2 - пористые тела, натуральные волокна, пемза, губка, древесные угли; Ж1/Т2 – влага в граните; Т1/Т2 – взаимопроникающие сетки полимеров.

­- по интенсивности молекулярного взаимодействия

Классификация систем предложена Г. Фрейндлихом. Классификация пригодна только для систем с жидкой дисперсионной средой.

1) Лиофильные системы – в них дисперсная фаза взаимодействует с дисперсионной средой и при определенных условиях способна в ней растворяться – растворы коллоидных ПАВ, растворы ВМС.

К лиофильным коллоидным системам относят ультрамикрогетерогенные термодинамически устойчивые системы, образование которых может протекать самопроизвольно как из макроскопических фаз, так и из гомогенных растворов. Термодинамическая выгодность самопроизвольного диспергирования макрофаз обусловлена тем, что возрастание свободной межфазной энергии компенсируется энтропийным фактором, так как энтропия смешения возрастает вследствие включения каждой образующейся частицы в самостоятельное броуновское движение. При этом необходимым условием образования лиофильной коллоидной системы является значение межфазной свободной энергии, не превышающее некоторой критической величины c (при комнатной температуре это десятые - сотые доли мДж/м2).

Среди разнообразных лиофильных систем наиболее важны в практическом отношении и лучше других изучены дисперсии мицеллообразующих поверхностно-активных веществ. В таких системах ПАВ может находиться как в молекулярно-растворенном состоянии, так и в виде агрегатов (мицелл), состоящих из десятков, сотен и более молекул. Мицеллярные системы могут образовываться не только путем самопроизвольного диспергирования кристаллических или жидких ПАВ, но и конденсационным путем - при повышении концентрации истинных растворов ПАВ в каком-либо растворителе (обычно в воде). Количественное термодинамическое описание мицеллообразования требует учета особенностей молекулярного строения фаз, участвующих в этом процессе. Так, низкое значение межфазной энергии границы мицелла-вода объясняется экранированием углеводородной части (ядра мицеллы) полярными группами на значительной части поверхности; энтропийные изменения включают в себя не только увеличение энтропии смешения при диспергировании, но и возрастание энтропии при переходе молекул ПАВ в мицеллы из раствора (за счет разрушения "айсберговой" структуры воды при выходе из нее углеводородных радикалов).

Содержание в системе вещества в мицеллярной форме может на несколько порядков превышать количество молекулярно-растворенного ПАВ, поэтому мицеллы являются своеобразным "резервом" для поддержания постоянства концентрации (и химического потенциала) ПАВ в растворе при его расходовании, например, в процессах стабилизации золей, суспензий и эмульсий, при использовании ПАВ как компонентов моющих средств и т.п.

Область концентраций ПАВ, в которой мицеллы термодинамически устойчивы и находятся в равновесии с молекулами (ионами), отделена от области более низких концентраций, в которой ПАВ находятся в основном в молекулярно-растворенном виде, узким интервалом, называемым критической концентрацией мицеллообразования (ККМ). Величина ККМ - важнейшая физико-химическая характеристика ПАВ - зависит от многих факторов: молекулярной природы ПАВ и среды, рН, температуры, различных примесей и т.д. Высокой поверхностной активности обычно соответствуют низкие значения ККМ, причем в гомологических рядах часто соблюдается соотношение, аналогичное правилу Дюкло-Траубе: (ККМ)n/(ККМ)n+1 3,2. Теория процесса мицеллообразования далека от завершения и не позволяет предсказать значение ККМ по строению ПАВ; поэтому важны методы экспериментального определения ККМ, в основе которых лежит измерение многочисленных физико-химических параметров растворов ПАВ в этой точке.

2) Лиофобные системы – в них дисперсная фаза не способна взаимодействовать с дисперсионной средой и растворяться в ней.

В лиофобных системах взаимодействие между молекулами различных фаз значительно слабее, чем в случае лиофильных систем; межфазное поверхностное натяжение велико, вследствие чего система проявляет тенденцию к самопроизвольному укрупнению частиц дисперсной фазы.

Под агрегативной устойчивостью лиофобной системы понимают её способность противостоять процессам, приводящим к изменению размеров частиц дисперсной фазы в результате их слияния (коалесценция), переноса вещества между ними (изотермическая перегонка) или объединения предприятий в более или менее рыхлые агрегаты (коагуляция). Устойчивость системы характеризуется временем ее жизни в практически неизменном состоянии. В зависимости от соотношения скоростей трех основных процессов - коагуляции, коалесценции, изотермической перегонки - разрушение системы может приводить к возникновению новых различных по строению и свойствам систем, в том числе к получению материалов с ценными механическими свойствами. Устойчивость лиофобных дисперсных систем может иметь как термодинамическую, так и кинетическую природу.

В настоящее время выделяют следующие факторы устойчивости:

1. Электростатическое отталкивание диффузных частей двойных электрических слоев (ионно-электростатическая составляющая расклинивающего давления).

2. Лиофилизация поверхности за счет адсобции ПАВ.

3. Эффективная упругость пленок с адсорбционными слоями ПАВ (эффекты Гиббса и Марангони-Гиббса).

4. Вязкое сопротивление прослойки среды, препятствующее ее утоньшению.

5. Структурно-механический барьер по Ребиндеру.

Особенности устойчивости и разрушения конкретных дисперсных систем (механизм разрушения и относительная роль различных факторов стабилизации) связаны, прежде всего, с фазовым состоянием дисперсной фазы и дисперсионной среды.

6. Применение дисперсности

Дисперсность как технологический показатель имеет важное значение в производстве и применении пигментов, различных наполнителей для пластмасс, минеральных вяжущих веществ, удобрений, пестицидов, фармацевтических препаратов и многих других порошкообразных и мелкозернистых продуктов. Определяется дисперсность методами дисперсионного анализа.

Для тонкопористых тел — адсорбентов, Катализаторов дисперсность заменяют понятием пористости, т.е. характеристикой размеров каналов-пор, пронизывающих вещество.

В металлургии дисперсность характеризует степень измельчения порошкообразных материалов при изготовлении предметов торговли методами порошковой металлургии, зерновых огнеупорных материалов, использующихся для изготовления плавильных тиглей. Порошко-образные реагенты (известь, плавиковый шпат, железная руда, окалина, раскислители и др.) разной степени дисперсионны и широко применяются для обработки жидкого металла в плавильных агрегатах и в ковшах.

Источники

Ребиндер П. А., Фигуровский Н. А., Коллоидная химия, в кн.: Развитие физической химии в СССР, под ред. Я. И. Герасимова, М., 1967, с. 239;

Песков Н. П., физико-химические основы коллоидной науки, 2 изд., М. — Л., 1934;

Думайский А. В., Учение о коллоидах, 3 изд., М. — Л., 1948;

Жуков И. И., Коллоидная химия, ч. 1, Л., 1949;

Шелудко А., Коллоидная химия, пер. с болг., М., 1960;

Воюцкий С. С., Курс коллоидной химии, М., 1964;

Пасынский А. Г., Коллоидная химия, 3 изд., М., 1968: Писаренко А. Г., Поспелова К. А., Яковлев А. Г., Курс коллоидной химии, 3 изд., М., 1969;

Сведберг Т., Коллоидная химия, пер. с англ., 2 изд., М., [1930];

Freundlich Н., Kapillarchemie, Bd 1—2, Lpz., 1930—32;

Colloid science, ed. H. R. Kruyt, v. 1-2, N. Y.—[a. о.], 1949—52;

Наука о коллоидах, под ред. Г. Р. Кройта, пер. с англ., т, 1, М., 1955: Surface and colloid science, ed. E. Matijević, v. 1—4, N. Y. — [а. о.], 1969—71.

Опубликовано на forexAW.com: Понедельник, 19 Октябрь, 2009 года — 07:34.

Последнее редактирование: Воскресенье, 6 Март, 2011 года — 18:48.