Clasificarea sistemelor de dispersie
Gradul de fragmentare (dispersie) a sistemului este împărțit în următoarele clase: dispersat grosier, dimensiunea particulei în care mai mult de 10-5 m; fin dispersat (microheterogen) cu dimensiunea particulei de la 10-5 la 10-7 m; coloid-dispersat (ultramicro-heterogen) cu particule variind în mărime de la 10-7 până la 10-9 m. Dacă atenția este axată pe cele două componente principale ale sistemelor dispersate, una dintre ele ar trebui atribuită rolului mediei de dispersie, iar celuilalt, rolul fazei dispersate. În acest caz, toate sistemele dispersate pot fi clasificate în funcție de stările agregate ale fazelor.
Această clasificare a fost propusă de Ostwald și este folosită pe scară largă până în prezent. Dezavantajul clasificării este imposibilitatea de a clasifica sistemele de dispersie preparate cu o fază de dispersie solidă sau lichidă ca clasă dacă dimensiunea particulei este de câțiva nanometri. Un exemplu de astfel de clasificare este prezentat în tabelul. 1.
Academician P.A. Rebinder a propus o clasificare mai perfectă a sistemelor disperse pentru stările agregate de faze. El a împărțit toate sistemele dispersate în două clase: sisteme de dispersie liberă și sisteme solide (sau coerent dispersate) (tabelele 2 și 3). În sistemele de dispersie liberă, faza dispersată nu formează structuri rigide solide (plase, ferme sau schelete). Aceste sisteme se numesc soluri. În sistemele continue (dispersate coerent), particulele fazei dispersate formează structuri spațiale rigide (ochiuri, cadre, ferme). Astfel de sisteme prezintă rezistență la deformare la forfecare. Ele sunt numite geluri.
Sistemul de dispersie conform clasificării Rebinderului este notat cu o fracție în care faza de dispersie este pusă în numărător, iar mediul de dispersie este în numitor. De exemplu: T1 / M2. Indexul 1 indică faza dispersată, iar indexul 2 denotă mediul de dispersie.
Știința chimică coloidală studiază proprietățile atât a sistemelor fine cât și a celor cu dispersie grosieră; atât sisteme libere, cât și sisteme conectate.
Includerea unei astfel de știință un număr mare de sisteme diferite pentru faze diferite, cum ar fi natura și dimensiunea particulelor și starea de agregare a fazelor bazată pe faptul că toate au proprietăți comune - eterogenitate și instabilitatea termodinamică fundamentală. Locul central în chimia coloidală este ocupat de sisteme ultramicroheterogene cu particule libere. Acestea sunt așa-numitele sisteme coloidale.
Clasificarea sistemelor de dispersie prin stări agregate de faze.
Exemple de sisteme de dispersie
Sticlă de sticlă; fibre pigmentate; aliaje; imprimare pigmentată
Perle, apă de granit, apă în beton, monomer rezidual în particule de polimer-monomer
Insule de gaze în diverse solide: spumă de beton, spumă înghețată, piatră ponce, lavă vulcanică, spumă polimerică, spumă poliuretanică
Sistemul coloidal nu se formează
Sistemele coloidale sunt neobișnuit de instabile, adică sunt instabile. Pentru mulți dintre ei este suficient să adăugați o cantitate nesemnificativă de electroliți care să provoace precipitații. Motivul pentru o astfel de ușoară modificare a stării sistemelor coloidale este asociat cu variabilitatea gradului de dispersie a acestora. Există două tipuri de stabilitate a oricărui sistem fragmentat - cinetic și agregativ.
Exemple de sisteme de dispersie liberă
1. Sisteme dispersate în gaze
2. Sisteme dispersate în lichide
T1 / Г2 - praf în straturile superioare ale atmosferei, aerosoli.
T1 / Ж2 - lizole, coloranți dispersați în apă, latexuri de polimeri sintetici.
G1 / G2 - emulsii lichide
G1 / G2 - emulsii cu gaz
3. Sisteme dispersate în solide
T1 / T2 - sol solid, de exemplu, sol de aur în sticlă,
fibre pigmentate, polimeri umplut
Această clasificare se bazează pe starea agregată a fazelor sistemului dispersat.
Noțiunea de stabilitate agregativă, care a fost introdusă pentru prima oară de N.P. Nisipurile implică absența agregării, adică reduce gradul de dispersie a sistemului coloidal în timpul depozitării. Pentru a determina stabilitatea cinetică, este necesar să se studieze condițiile de izolare a particulelor dispersate în câmpul gravitațional sau centrifugal. Rata unei astfel de separări depinde de intensitatea mișcării particulelor Brownian, adică de gradul de dispersie a sistemului și diferența în densitatea mediului de dispersie și faza dispersată, precum și viscozitatea mediului.
1. Sisteme cu interfață în fază lichidă
2. Sisteme cu o suprafață solidă de separare a fazelor
G1 / G2 - emulsii de tip spumă
Г1 / Т2 - corpuri poroase, fibre naturale, piatră ponce, burete, cărbune
J1 / T2 - umiditate în granit
T1 / T2 - rețele de polimeri interpenetrați
Dacă doresc să determine stabilitatea agregată a sistemului, atunci investighează condițiile de constanță (sau viceversa - impermanență) a gradului de dispersie a sistemului. Una dintre diferențele cele mai dramatice și caracteristice dintre sistem coloidal de la ambele o soluție adevărată și asupra sistemelor suspendate este că gradul lor de dispersie este foarte instabilă și dimensiunea poate varia în funcție de o varietate de motive.
Această clasificare se bazează pe starea agregată a interfeței de fază.
Pe baza celor de mai sus, vom da o definiție a sistemelor coloidale.
Sistemele coloidale sunt numite sisteme cu două sau mai multe etape în care o fază este sub formă de particule mici separate distribuite într-o altă fază. Astfel de sisteme ultramicroheterogene cu o dispersie definită (coloidală) prezintă capacitatea de mișcare intenționată Browniană și posedă o stabilitate kinetică ridicată.
Având o suprafață ridicată de separare a fazelor suprafață și, în consecință, o cantitate enorma de energie liberă exces de suprafață, sistemele sunt fundamental instabile termodinamic, având ca rezultat agregarea particulelor, adică, în absența stabilității agregate. Cu toate acestea, aceste proprietăți nu epuizează toate caracteristicile pe care sistemele coloidale diferă de celelalte sisteme. De exemplu, la prima vedere, se pare de neînțeles de ce particulele coloidale, făcând mișcări viguroase și se ciocnesc unii cu alții, nu se coaguleze întotdeauna în agregate mai mari și nu se precipită ca s-ar aștepta pe baza a doua lege a termodinamicii, deoarece acest lucru suprafața totală s-ar micșora, și cu ea va fi eliberată energia.
Se pare că în multe cazuri stabilitatea unor astfel de sisteme este asociată cu prezența unui strat stabilizator pe suprafața particulelor coloidale. Astfel, condiția necesară pentru crearea de sisteme coloidale stabile este prezența celui de-al treilea component - stabilizatorul. Stabilizatorii sistemelor coloidale pot fi electroliți sau alte substanțe care nu au o natură electrolitică, de exemplu compuși cu conținut molecular ridicat (IUD) sau surfactanți (surfactanți). Mecanismul stabilizării prin electroliți și nonlectroliți este semnificativ diferit.
Efectul electroliților asupra stabilității sistemelor coloidale este complex. În unele cazuri, adăugările neglijabile ale electroliților pot duce la o încălcare a stabilității sistemului. În altele, introducerea electroliților contribuie la creșterea stabilității.
Formarea straturilor de adsorbție a unor astfel de stabilizatori, ca surfactanți, devine deosebit de importantă în prezența structurilor bidimensionale cu proprietăți structurale și mecanice crescute. În multe cazuri, stabilizarea este realizată atunci când monostratul acoperă doar 40-60% din suprafața particulelor coloidale, atunci când stratul protector este intermitent sub formă de insule. Stabilitatea maximă este realizată, în mod firesc, cu formarea unui strat monomolecular complet saturat. Proprietățile structurale și mecanice ale straturilor de adsorbție determină în mare măsură comportamentul sistemelor coloidale. Aceste straturi pot fi formate sau modificate prin cantități mici de substanțe dizolvate, astfel încât este posibilă reglarea unui număr de proprietăți ale sistemelor coloidale, care este utilizat pe scară largă în diferite aplicații practice.
Sistemele coloidale care constau din particule de substanță dispersată se poate mișca liber într-un mediu de dispersie lichid, împreună cu moleculele adsorbite pe suprafața lor sau ionii de componente terțe (stabilizatorul) este denumit liozolyami, iar particulele având o structură complicată - micele.
Prin natura interacțiunii particulelor coloidale cu mediul de dispersie, lisozolii pot fi separați în liofil și lyofob. Această clasificare a fost inițial propusă de Freundlich, om de știință coloid german. El a împărțit toate sistemele în două clase - liofilice și lyofobe. În conformitate cu ideile dezvoltate de Freundlich, se numesc sisteme lyofobe, particulele din faza dispersată a cărora nu interacționează cu mediul de dispersie, nu sunt solvatate și nu se dizolvă în ea. Liofilice sunt sisteme ale căror particule de fază dispersată interacționează intens cu mediul de dispersie.
Prin coloizi lyophobic sisteme includ metale prețioase, metaloizi coloizi (sulf, seleniu, telur), dispersii de polimeri în apă (de exemplu, polistiren, ftorolona) coloizilor sulfură de arsen, antimoniu, cadmiu, mercur, coloizi de hidroxid de fier, aluminiu, etc. Aceste sisteme sunt caracterizate de așa-numita stabilitate kinetică și instabilitate agregată și necesită stabilizare. La sistemele coloidale liofilizate, Freundlich se referă la soluțiile formate prin dizolvarea DIU-urilor naturale sau sintetice. Astfel de soluții sunt proteine, amidon, pectine, gume, eteri de celuloză și diferite rășini, atât naturale, cât și sintetice.
Astfel, soluțiile de IUD au fost considerate anterior ca sisteme coloidale liofilizate. Acestea au fost considerate sisteme de dispersie în două faze și astfel esența clasificării Freundlich a fost redusă la interacțiunile moleculare dintre faza dispersată și mediul de dispersie. Pe această bază a fost efectuată împărțirea în sisteme liofilizate și lyofobe. Sistemele liofilizate au fost considerate a fi două sau mai multe, instabile termodinamic, incompatibile cu regula fazei Gibbs. Dar această idee sa dovedit a fi greșită. De fapt, s-a stabilit în mod credibil că soluțiile IUD sunt soluții reale, i. E. sisteme monofazate, omogene, stabile termodinamic și respectând regula fazei Gibbs. Sa considerat că reversibilitatea este o caracteristică caracteristică a sistemelor coloidale liofilizate, dar acest lucru nu este valabil, deoarece în acest caz soluțiile DIU nu sunt sisteme dispersive.
În acest sens, academicianul VA. Kargin încă din 1948 a atras atenția asupra faptului că clasificarea lui Freundlich este complet greșită și, chiar mai mult, dăunătoare.
Pentru a nu schimba sensul acestor termeni, P.A. Rebinder a propus să formalizeze conceptele sistemelor coloidale liofilizate și lyofobe. S-au dispersat sisteme cu mai multe sau două faze, el a fost împărțit în două clase, pe baza valorii energiei interfațiale specifice (tensiunea superficială).
Pentru sistemele lyofobe, sistemele dispersate cu o tensiune interfacială suficient de mare (s12), mai mare decât o anumită valoare limită sm:
Aceste sisteme sunt caracterizate printr-o mare energie liberă interfacială, astfel încât interfața este pronunțată brusc: sistemul este agregat instabil și necesită introducerea unui stabilizator. Dispersia unor astfel de sisteme este arbitrară.
Sistemele liofilice sunt sisteme coloidale în două faze cu o energie liberă interfacială mică, deși pozitivă, care este mai mică sau egală cu valoarea limită,
Acestea sunt sisteme cu energie interfacială foarte scăzută, sunt termodinamic stabile și sunt formate spontan. Dispersia este destul de clară și se află în regiunea coloidală.
Faptul că sistemele de dispersie sunt clasificate prin cantitatea de energie liberă a suprafeței arată că fenomenele coloidale sunt strâns legate de proprietățile interfeței de fază.
Sistemele liofilice includ:
1) așa numitele emulsii critice formate ca rezultat al scăderii tensiunii superficiale atunci când sunt încălzite la o temperatură apropiată de temperatura de amestecare nerestricționată sau ca urmare a adăugării unor cantități foarte mari de surfactanți;
2) sisteme coloidale asociative formate în mediul acvatic de substanțe cum ar fi săpunuri, anumite coloranți și agenți de bronzare și într-un mediu neapos de către anumiți surfactanți. Astfel de substanțe în soluții diluate sunt în stare moleculară, pe măsură ce concentrația crește, moleculele se agregă pentru a forma particule de dimensiune coloidală, adică se formează micelle. Concentrația de materie în soluție, la care are loc trecerea de la soluția adevărată la cea coloidală, se numește de obicei concentrația critică a formării micelilor (CMC).
Clasificarea sistemelor de dispersie poate fi efectuată pe suprafața specifică și pe porozitatea fazei dispersate.
În acele procese în care participă două faze contigue, proprietățile interfeței sau ale stratului de graniță care separă o fază de cealaltă sunt de o importanță majoră. Moleculele care formează astfel de straturi au proprietăți speciale. Dacă luăm în considerare o fază monolitică, atunci numărul moleculelor care formează stratul de suprafață poate fi neglijat în comparație cu un număr imens de molecule din volumul corpului. Putem presupune că rezerva energetică a sistemului este proporțională cu masa din volumul corpului.
Când corpul solid este zdrobit, numărul moleculelor din stratul de suprafață crește și atinge o valoare maximă în sistemele dispersate coloid. Prin urmare, procesele care apar în sistemele de dispersie se datorează proprietăților straturilor de suprafață la interfață. Formarea spumelor, emulsiilor, cetelor, flotării, proceselor de umectare și dispersie, tehnologia de sorbție și multe altele se bazează pe proprietățile suprafețelor interfazice din sistemele dispersate.
O suprafață specifică este raportul dintre suprafața corpului și volumul sau masa sa:
Aud = A / V sau Aud = A / Vr. (3)
unde Au, A este suprafața specifică și respectiv totală; r este densitatea substanței, V este volumul corpului.
Pentru particule cubice
Aud = 6a2 / a3r = 6 / ar (m2 / kg). (4)
Pentru particulele sferice
Aud = 4 r2 / (4/3 r3) (m-1),
Aud = 3 / rr (m2 / kg). (5)
Dacă luați un cub de materie, cele trei laturi ale sale sunt împărțite în 10 părți și țin planul în trei direcții, apoi obținem cuburi mai mici. Un astfel de proces poate fi considerat ca o modelare a procesului de dispersie. Modificarea suprafeței specifice în timpul procesului de dispersie este prezentată în tabelul. 4.
Dependența suprafeței specifice de dispersie
Lungimea laturii cubului a, cm
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: