Дисперсность (стр. 1 из 3)
Шкала дисперсности.
Удельная поверхность. Степень дисперсности. Классификация
дисперсных систем. Понятия: дисперсная фаза и дисперсионная
среда. Методы получения дисперсных систем
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.
Дисперсная фаза - это частицы, распределенные в среде. Ее признаки: дисперсность и прерывистость (рис. 1.1.1.1).
Дисперсионная среда - материальная среда, в которой находится дисперсная фаза. Ее признак - непрерывность.
Поверхность раздела фаз характеризуется раздробленностью и гетерогенностью. Раздробленность характеризуется:
1) степенью дисперсности:
, [см-1; м-1], где S - суммарная межфазная поверхность или поверхность всех частиц дисперсной фазы; V - объем частиц дисперсной фазы.2) дисперсностью - величиной, обратной минимальному размеру:
[
; 
];3)удельной поверхностью:
, [м2/кг; см2/г]; 
где m - масса частиц дисперсной фазы.4) кривизной поверхности:
. Для частицы неправильной формы 
,где r1 и r2 - радиусы окружностей при прохождении через поверхность и нормаль к ней в данной точке двух перпендикулярных плоскостей.
 |
5) размером тела по трем осям, причем определяющим является размер по той оси, где он минимальный. В зависимости от размеров частиц они имеют свои исторические названия (см. рис. 1.1.1.1).
Классификация дисперсных систем осуществляется по нескольким признакам (рис. 1.1.1.2).
 |
1. По дисперсности различают:
а) грубодисперсные системы, для них D< 103 [1/см] (рис. 1.1.1.3);
б) микрогетерогенные системы, для них D = 103 - 105 [1/см];
в) ультрамикрогетерогенные системы, для них D = 105 - 107 [1/см].
2. По агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды. Эта классификация была предложена Оствальдом (см. табл. 1.1.1.1).
3. По структуре дисперсные системы различают:
1) свободные дисперсные системы, когда частицы обеих составляющих системы могут свободно перемещаться друг относительно друга (золь);
2) связанные дисперсные системы, когда одна из составляющих системы представляет собой структурированную систему, т.е. частицы фазы жестко связаны между собой (студень, композиты).
Таблица 1.1.1.1
Классификация по агрегатному состоянию фаз
| Агрегатное состояние дисперсной фазы | Агрегатное состояние дисперсион-ной среды | Условное обозначение фаза/среда | Название системы | Примеры |
| г | г | г/гж/гтв/г | Аэрозоли | атмосфера Земли |
| ж | г | туман, слоистые облака | ||
| тв | г | дымы, пыли, перистые облака | ||
| г | ж | г/ж | Газовые эму-льсии, пены | газированная вода, мыльная и пивная пены |
| ж | ж | ж/ж | Эмульсии | молоко, масло сливочное, кремы и т.д. |
| тв | ж | тв/ж | Лиозоли, суспензии | лиофобные коллоидные растворы, суспензии, пасты, краски и т.д. |
| г | тв | г/тв | Твердые пены | пемза, пенопласт, активированный уголь, хлеб, пенобетон и т.д. |
| ж | тв | ж/тв | Твердые эмульсии | вода в парафине, минералы с жидкими включениями, пористые тела в жидкости |
| тв | тв | тв/тв | Твердые золи | сталь, чугун, цветные стекла, драгоценные камни |
4. По межфазному взаимодействию - лиофильные и лиофобные системы (предложено Г. Фрейндлихом). Классификация пригодна только для систем с жидкой дисперсионной средой.
Лиофильные системы – в них дисперсная фаза взаимодействует с дисперсионной средой и при определенных условиях способна в ней растворяться – растворы коллоидных ПАВ, растворы ВМС. Свободная энергия системы DF < 0.
DF = DU – TdS;DSсмешения > 0;
DU = Wког - Wсольв,
где Wког - работа когезии;
Wсольв - работа сольватации.
При DU > 0, DU < 0 ÞTdS >DU. Эта группа характеризуется малым значением поверхностного натяжения на границе раздела фаз.
Лиофобные системы – в них дисперсная фаза не способна взаимодействовать с дисперсионной средой и растворяться в ней. Для них DF > 0. Диспергирование в этом случае совершается либо за счет внешней работы, либо за счет других процессов, идущих в системе спонтанно (химическая реакция) и характеризуется высоким значением поверхностного натяжения на границе раздела фаз, что соответствует малому значению энергии сольватации.
Существует две группы способов получения дисперсных систем:
1. Способы диспергирования заключаются в раздроблении тела до коллоидного состояния (мукомольное производство).
2. Способы конденсации заключаются в укрупнении частиц, атомов, молекул до частиц коллоидных размеров (химическая реакция с образованием осадка).
Молекулярно-кинетические свойства дисперсных систем
Все молекулярно-кинетические свойства вызваны хаотическим тепловым движением молекул дисперсионной среды, которое складывается из поступательного, вращательного и колебательного движения молекул.
Молекулы жидкой и газообразной дисперсионной среды находятся в постоянном движении и сталкиваются между собой. Среднее расстояние, проходимое молекулой до столкновения с соседней, называют средней длиной свободного пробега. Молекулы обладают различной кинетической энергией. При данной температуре среднее значение кинетической энергии молекул остается постоянным, составляя для одной молекулы и одного моля:
; 
,где m – масса одной молекулы;
M – масса одного моля;
v – скорость движения молекул;
k – константа Больцмана;
R – универсальная газовая постоянная.
Флуктуация значений кинетической энергии молекул дисперсионной среды (т.е. отклонение от среднего) и является причиной молекулярно-кинетических свойств.
Изучение молекулярно-кинетических свойств возможно в результате применения статистических методов исследования, действительных для систем, состоящих из множества элементов (молекул). Исходя из допущения о беспорядочности движения отдельных молекул, теория определяет наиболее вероятное сочетание для систем из множества объектов. Молекулярно-кинетические свойства проявляются в жидкой и газообразной среде, молекулы которых обладают определенно подвижностью.
Броуновское движение
Броуновским называют непрерывное, хаотическое, равновероятное для всех направлений движение мелких частиц, взвешенных в жидкостях или газах, за счет воздействия молекул дисперсионной среды.
Мельчайшие частицы незначительной массы испытывают неодинаковые удары со стороны молекул дисперсионной среды, возникает сила, движущая частицу, направление и импульс силы, непрерывно меняются, поэтому частица совершает хаотические движения.
Определили эти изменения и связали их с молекулярно-кинетическими свойствами среды в 1907 году А. Эйнштейн и М. Смолуховский. В основе расчета – не истинный путь частицы дисперсной фазы, а сдвиг частиц. Если путь частицы определяется ломаной линией, то сдвиг х характеризует изменение координат частицы за определенный отрезок времени. Средний сдвиг определяет среднеквадратичное смещение частицы:
,где х1, х2, хi– сдвиг частиц за определенное время.
Теория броуновского движения исходит из представления о взаимодействии случайной силы f(t), характеризующей удары молекул, силы Ft, зависящей от времени, и силы трения при движении частиц дисперсной фазы в дисперсионной среде со скоростью v. Уравнение броуровского движения (уравнение Ланжевена) имеет вид:
, где m – масса частицы; h - коэффициент вязкости дисперсионной среды. Для больших промежутков времени (t>>m/h) инерцией частиц (m(dv/dt) можно пренебречь. После интегрирования уравнения при условии, что среднее произведение импульсов случайной силы равно нулю, среднее значение флуктуации (средний сдвиг) равно: 
, где t - время; r – радиус частиц дисперсной фазы; NA – число Авогадро частиц.