Дисперсионные системы

Министерство  образования и науки Республики Казахстан

Инновационный Евразийский университет 
 
 
 
 

Кафедра Стандартизации и технологического оборудования 
 

на  тему: Дисперсионные  системы 
 
 
 
 

                                   Составила: студентка  группы БТ-31 Жакен Макпал 
 
 

                                    Проверил: преподаватель Жанузаков М.К. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

г. Павлодар, 2010 г.

П Л А Н 
 
 

1. Дисперсионная система 

2. Основные  понятия дисперсионной системы 

3. Классификация  дисперсионной системы 

4. Образование  дисперсионной системы 

5. Устойчивость  дисперсионной системы 

6.Методы  исследования дисперсионной системы 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Дисперсные системы (от лат. disper-gere—рассеивать), системы, состоящие из двух (или нескольких) фаз, при чем одна из них рассеяна или распылена в другой в виде мельчайших (микроскопических или ультрами-кроскопических) частиц. Обычно одна из фаз образует непрерывную дисперсионную среду, в объеме которой распределена дисперсная фаза  в виде мелких кристаллов, твердых аморфных частиц, капель или пузырьков. Дисперсные системы могут иметь и более сложное строение, например, представлять собой двухфазное образование, каждая из фаз которого, будучи непрерывной, проникает в объем другой фазы. К таким системам относятся твердые тела, пронизанные разветвленной системой каналов-пор, заполненных газом или жидкостью, некоторые микрогетерогенные полимерные композиции и др. Нередки случаи, когда дисперсионная среда "вырождается" до тончайших слоев (пленок), разделяющих частицы дисперсной фазы. 

Основные  понятия дисперсной системы.

     Каждая  на всем своем протяжении однородная часть системы называется ее «фазой»; система, состоящая из нескольких фаз, отделенных друг от друга поверхностями раздела, называется гетерогенной. Поверхность раздела не всегда является непрерывной. Смесь масла и воды, например: представляет двухфазную систему, независимо от того, расположено ли масло на воде сплошным слоем или же, распадаясь на отдельные капельки, образует эмульсию масла в воде. В этом последнем случае одна из фаз состоит из множества отдельных, одинаковых по составу, но пространственно обособленных частей. Такая фаза по предложению: Оствальда (W. Ostwald) называется рассеянной или дисперсной (иногда также «внутренней»), между тем как другая фаза, в которой взвешены, диспергированые частицы первой, называется дисперсионной средой (также «внешней фазой»). В отличие от дисперсной фазы, дисперсионную среду называют также непрерывной или сплошной фазой, т. к. между всеми ее частями существует непрерывное сообщение. Таким образом, дисперсная система состоит из дисперсной фазы и дисперсионной среды. В двухфазных системах гетерогенность не всегда бывает одинаково резко выражена. Нередко она сразу бросается в глаза. В дисперсной системе, направлена в эмульсиях и особенно в коллоидальных растворах, для ее обнаружения приходится пользоваться микроскопом или даже ультрамикроскопом. В отличие от грубо гетерогенных систем, дисперсные системы являются микрогетерогенными.  
 
 
 
 
 
 

Классификация дисперсной системы.

     Для классификации дисперсной системы (или дисперсоидов, как их назвал Веймарн) имеет прежде всего значение величина дисперсных частиц. От их размеров зависит целый ряд свойств дисперсной системы. Дисперсные системы, имеющие меньшую величину частиц, кажутся при микроскопических исследовании гомогенными. Предельная разрешающая сила микроскопа определяется не большим или меньшим совершенством его конструкции, а длиной самой световой волны. Субмикроскопические частицы могут быть еще обнаружены при помощи ультрамикроскопа, хотя последний и не дает представления о форме и истинных размерах частиц. Предел применения ультрамикроскопа проходит приблизительно в тысячу раз ниже микроскопической границы. Таким образом частицы дисперсной фазы удобно разделить на три группы в зависимости от того, а) видимы ли они в микроскоп, б) могут ли они быть обнаружены ультрамикроскопом или в) лежат за пределами последнего. Для разграничения этих трех групп Жигмонди  ввел названия: микроны, субмикроны и амикроны. Кроме размеров частиц большое значение для характеристики гетерогенных систем имеет агрегатное состояние входящих в их состав фаз. Каждая из двух фаз дисперсной системы может находиться в твердом, жидком или газообразном агрегатном состоянии. Так как, газы свободно смешиваются между собой и не могут образовать две обособленные газообразные фазы, то остается восемь возможных сочетаний.

     Для классификации приходится применять оба рассмотренных здесь признака—размеры частиц и агрегатное состояние обеих фаз, что дает весьма значительное число возможных подразделений. Наибольший интерес представляют (и наиболее подробно изучены) системы, состоящие из жидкой и твердой или же из двух жидких фаз. Если дисперсионная среда представляет жидкость, а дисперсная фаза состоит из твердых частиц микроскопических размеров, мы имеем суспенсию; если дисперсная фаза представляет микроскопическую капельки жидкости—эмульсию. При уменьшении частиц до ультрамикроскопических размеров суспензии и эмульсии переходят в коллоидальные растворы, при чем в зависимости от агрегатного состояния ультрамикронов можно и в этом случае говорить о суспензионных или эмульсионных коллоидах или, сокращенно, о суспензоидах и эмульсоидах. В прочем понятие агрегатного состояния относится не к молекулам, а к телам, построенным из их агрегатов. Поэтому чем меньше частица, чем меньше в ее состав входит отдельных молекул, тем труднее различать ее агрегатное состояние и тем меньше смысла имеет это подразделение. При дальнейшем увеличении дисперсности материи (до амикронов) дисперсные частицы распадаются на отдельные молекулы или ионы (размер молекулы кристаллоида равен приблизительно 0,1—1 та). К ним уже вовсе неприменимы критерии агрегатного состояния и самое понятие фазы (как части системы, ограниченной физической поверхностью раздела). Получают тогда молекулярно - и ионо-дисперсную систему, или так называемый «истинный раствор» (в отличие от коллоидального). Полная последовательность и непрерывность переходов от суспензии и эмульсий к коллоидальным растворам (суспензоидам и эмульсоидам), а от них к истинным растворам, ясно показывает известную условность и относительность основные разделения систем на гомогенные и гетерогенные. В силу своего строения из молекул, атомов и электронов сама материя гетерогенна, и систему называют гомогенной просто в тех случаях, когда ее гетерогенность не может быть обнаружена нашими методами исследования.

Виды  дисперсионной системы:

Аэрозоли - дисперсные системы, состоящие из газовой среды, в которой взвешены твердые или жидкие частицы. Широко распространены в природе (туманы, облака, дымы, почвенная, вулканическая, растительная пыль и др.); образуются и в процессе производственной деятельности человека при получении, переработке и применении различных материалов. По химическому происхождению различают Аэрозоли органические, неорганические, смешанные, а по токсичности — токсичные и нетоксичные. При взрывах, горении, ударах, размоле, трении, дроблении, сверлении, шлифовке и многих других процессах образуется дисперсная фаза твердых веществ. Диспергирование жидкостей происходит при разбрызгивании, пульверизации и др.

 Суспензии - (от позднелат. suspensio-подвешивание) - дисперсные системы, в которых твердые частицы дисперсной фазы - находятся во взвешенном состоянии в жидкой дисперсионной среде (другой часто применяемый термин-взвеси). Интервал размеров частиц - от десятых долей мм до 10 -7 м. Суспензионные системы меньшими частицами (< 107 м) относят к дисперсным системам, верх. предел размеров частиц ограничен быстрым оседанием частиц в гравитационном поле.

 Пены - ячеистые дисперсные системы, представляющие собой совокупность пузырьков газа (пара), разделённых тонкими прослойками жидкости. Пены по размеру пузырьков относятся к грубодисперсным системам; размер пузырьков, составляющих дисперсную фазу, лежит в пределах от долей мм до нескольких см. Общий объём заключённого в них газа может в сотни раз превосходить объём дисперсионной среды — жидкости, находящейся в прослойках. Отношение объёма пены к объёму жидкой фазы называется кратностью пены. При формировании высокократных пены пузырьки превращаются в многогранные (полиэдрические) ячейки, а жидкие прослойки — в плёнки толщиной несколько сотен, иногда несколько десятков нм. Такие плёнки образуют пространственный каркас, обладающий некоторой упругостью и прочностью. Поэтому пены имеют свойства структурированных систем. Одна из основных характеристик пены — устойчивость, определяемая по времени уменьшения на 50% объёма или высоты слоя пены, изменению её дисперсности и др. методами.

Образование дисперсных систем.

     Возможно  двумя путями: диспергационным и  конденсационным. Диспергирование макрофаз с образованием лиофильных дисперсных систем происходит самопроизвольно - для этого достаточно энергии теплового движения. Такой процесс осуществляется при значениях поверхностного натяжения. Образование лиофобных дисперсных систем путем диспергирования стабильной макрофазы требует значительных энергетич. затрат, определяемых суммарной площадью поверхности частиц дисперсной фазы. В реальных условиях на образование поверхности при измельчении твердых тел или при распылении и эмульгировании жидкостей приходится лишь небольшая часть (доли процента) подводимой к системе энергии; остальное расходуется на побочные процессы и рассеивается в окружающем пространстве. Конденсационный путь образования дисперсных систем связан с зарождением новой фазы (или новых фаз) в пересыщенной метастабильной исходной фазе - будущей дисперсионной среде. Для возникновения высокодисперсной системы необходимо, чтобы число зародышей новой фазы было достаточно большим, а скорость их роста не слишком велика. Кроме того, требуется наличие факторов, ограничивающих возможности чрезмерного разрастания и сцепления частиц дисперсной фазы. Переход первоначально стабильной гомогенной системы в метастабилъное состояние может произойти в результате изменения термодинамических параметров состояния. Так образуются, например, природные и искусственные аэрозоли (туман - из переохлажденных водяных паров, дымы - из парогазовых смесей, выделяемых при неполном сгорании топлива), некоторые полимерные системы - из растворов при ухудшении "термодинамического качества" растворителя, органозоли металлов путем конденсации паров металла совместно с парами органической жидкости или при пропускании первых через слой органической жидкости, коллоидно-дисперсные поликристаллические тела. Возможно также образование дисперсных систем в результате химических реакции в гомогенной среде, если продукт реакции при данных условиях находится в агрегатном состоянии, отличном от "материнской" фазы, или практически не растворяется в ней. Примерами подобных систем могут служить аэрозоли с твердыми частицами NH₄Cl, аэрозоли с капелъно-жидкими частицами H₂SO₄ (при взаимод. SO₃ и водяного пара). В природе и технологических процессах часто образуются гидрозоли разного состава при гидролизе солей и др. соединении, неустойчивых к действию воды. Окислительно-восстановительные реакции используют для получения золей Аu и Ag, разложение Na₂S₂O₃ серной или соляной кислотой - для получения гидрозоля элементарной серы. Химические или термохимические разложения карбонатов, органических порофоров (порообразователей, вспенивающих агентов) и др. соединении с выделением газообразных веществ в первоначально жидких средах лежит в основе промышленного производства многих пеноматериалов.  

Устойчивость дисперсных систем.

     Характеризуется постоянством дисперсности (распределения частиц по размерам) и концентрации дисперсной фазы (числом частиц в единице объема). Наиболее сложна в теоретическом аспекте и важна в практическом отношении проблема устойчивости аэрозолей и жидких лиофобных дисперсных систем. Различают седиментационную устойчивость и устойчивость к коагуляции (агрегативную устойчивость). Седиментационно устойчивы коллоидные системы с газовой и жидкой дисперсионной средой, в которых броуновское движение частиц препятствует оседанию; грубодисперсные системы с одинаковой плотностью составляющих их фаз; системы, скоростью седиментации в которых можно пренебречь из-за высокой вязкости среды. В агрегативно - устойчивых дисперсных системах непосредственные контакты между частицами не возникают, частицы сохраняют свою индивидуальность. При нарушении агрегативной устойчивости дисперсной системы частицы, сближаясь в процессе броуновского движения, соединяются необратимо или скорость агрегации становится значительно больше скорости дезагрегации. Между твердыми частицами возникают непосредственные точечные ("атомные") контакты, которые затем могут превратиться в фазовые (когезионные) контакты, а соприкосновение капель и пузырьков сопровождается их коалесценцией и быстрым сокращением суммарной площади межфазной поверхности. Для таких систем потеря агрегативной устойчивости означает также потерю седимeнтационной устойчивости. В агрегативно - устойчивых системах дисперсный состав может изменяться вследствие изотермической перегонки - молекула переноса вещества дисперсной фазы от мелких частиц к более крупным. Этот процесс обусловлен зависимостью давления насыщенного пара от кривизны поверхности раздела фаз. Агрегативная устойчивость и длительное существование лиофобных дисперсных систем с сохранением их свойств обеспечивается стабилизацией. Для высокодисперсных систем с жидкой дисперсионной средой используют введение веществ - стабилизаторов (электролитов, ПАВ, полимеров). В теории устойчивости Дерягина-Ландау-Фервея-Овербека (теории ДЛФО) основная роль отводится ионно-электростатическому фактору стабилизации. Стабилизация обеспечивается электростатическим отталкиванием диффузных частей двойного электрического слоя, который образуется при адсорбции ионов электролита на поверхности частиц. При некотором расстоянии между частицами отталкивание диффузных слоев обусловливает наличие минимума на потенциальной кривой. Хотя этот минимум относительно неглубок, он может препятствовать дальнейшему сближению частиц, притягиваемых силами межмолекулярного взаимодействия. Ближний, или первичный, минимум соответствует прочному сцеплению частиц, при котором энергии теплового движения недостаточно для их разъединения. Сближаясь на расстояние, отвечающее этому минимуму, частицы объединяются в агрегаты, образование которых ведет к потере системой агрегативной устойчивости. При этом устойчивость системы к коагуляции определяется высотой энергетического барьера.  
 
Зависимость энергии взаимодействия Е между частицами от расстояния R: 1 и 2 - ближний и дальний минимумы соответственно.

     При введении в дисперсные системы в  качестве стабилизатора ПАВ фактором стабилизации могут быть "термодинамическая упругость" пленок среды, разделяющей частицы. Стабилизация обеспечивается тем, что при сближении частиц, например, капель или газовых пузырей, происходит растяжение и утоньшение разделяющей их прослойки, содержащей ПАВ, и, как следствие, нарушение адсорбции равновесия. Восстановление этого равновесия и приводит к повышению устойчивости прослойки среды, разделяющей частицы. Гидродинамическое сопротивление вытеснению жидкой дисперсионной среды из прослойки между сближающимися частицами - один из кинетических факторов стабилизации дисперсных систем. Он особенно эффективен в системах с высоковязкой дисперсионной средой, а при застекловывании последней делает систему неограниченно устойчивой к агрегации частиц и коалесценции. Структурно-механически фактор стабилизации, по П. А. Ребиндеру, возникает при образовании на межфазной границе полимолекулярных защитных слоев из мицеллообразующих ПАВ, высокомолекулярных соединении, а иногда и тонких сплошных или дискретных фазовых пленок. Межфазный защитный слой должен обладать способностью сопротивляться деформациям и разрушению, достаточной подвижностью для "залечивания" возникших в нем дефектов и, что особенно важно, быть лиофилизованным с внешней стороны, обращенной в сторону дисперсионной среды. Если защитный слой недостаточно лиофилен, он, предохраняя частицы от коалесценции, не сможет предотвратить коагуляции. Структурно-механически барьер является, по существу, комплексным фактором стабилизации, который включает термодинамичкие, кинетические и структурные составляющие. Он универсален и способен обеспечить высокую агрегативную устойчивость любых дисперсных систем с жидкой дисперсионной средой, в том числе высококонцентрированных, наиболее важных в практических отношении. Основные свойства дисперсных систем определяются поверхностными явлениями: адсорбцией, образованием двойного электрического слоя и обусловленных им электрокинетических явлений, контактными взаимодействиями частиц дисперсной фазы. Размер частиц определяет оптические (светорассеяние и др.) и молекулярно-кинетические свойства. Дисперсные системы повсеместно распространены в природе. Это - горные породы, грунты, почвы, гидросферные осадки, растительные и животные ткани. Дисперсные системы широко используют в технологических процессах; в виде дисперсных систем выпускается большинство промышленных продуктов и предметов бытового потребления. Высокодисперсные технические материалы отличаются чрезвычайно большой прочностью. На высокоразвитых поверхностях интенсивно протекают гетерогенные и гетерогенно-каталитические химические процессы. Учение о дисперсных системах и поверхностных явлениях в них составляет сущность коллоидной химии. Самостоятельный раздел коллоидной химии - физико-химическая механика - изучаeт закономерности структурообразования и механические свойства структурированных дисперсных систем и материалов в их связи с физическими-химическими явлениями на межфазных границах. 

Методы  исследования дисперсионной системы.

     Таким образом, изучение гетерогенности и  дисперсности системы всецело зависит  от методов, которые имеются для различения или для фактического разделения обеих фаз дисперсной системы. Первой цели служат оптические методы. В случае суспензии и эмульсий гетерогенность обнаруживается непосредственно микроскопическим наблюдением. Для коллоидальных растворов оптическая гетерогенность обнаруживается явлением Фарадея-Тиндаля (Faraday, Tyndall): если на раствор направить сбоку сильный пучок света, то благодаря рассеиванию его коллоидальными частицами путь луча в растворе обнаружится в виде светящегося конуса— так называемые «конуса Тиндаля»; молекулярно- и ионно-дисперсные растворы остаются в этих условиях темными, «оптически пустыми». На подобном рассеянии света коллоидальными частицами основана возможность наблюдать их в ультрамикроскоп. От размеров частиц во многих случаях зависит также окраска коллоидальных растворов. Бесцветные вещества при известных размерах своих частиц могут путем рассеяния света давать ту или иную окраску. Согласно теории, разработанной Релеем (Rayleigh), этим обусловлена окраска так называемых «мутных сред» (напр. гидрозоль мастики имеет в проходящем свете желтую или коричневую окраску, в падающем— голубоватую). Таким же рассеянием света мельчайшими частицами в верхних слоях атмосферы объясняется, как известно, голубой цвет неба. При изменении степени дисперсности коллоида и размеров его частиц изменяется во многих случаях и его окраска. В прочем возможность обнаружить гетерогенность системы оптическими методами зависит не только от размеров дисперсных частиц, но и от их оптических свойств. Чем сильнее отличается показатель преломления частицы от показателя преломления окружающей среды, тем легче может она быть обнаружена. Поэтому, например: в гидрозолях тяжелых металлов (золото, серебро и т. п.), имеющих очень плотные частицы, последние легко обнаруживаются под ультрамикроскопом, между тем как сильно набухшие (и потому мало отличающиеся от окружающей воды) белковые частицы могут—при значительно больших размерах—оставаться незамеченными. Химически гетерогенная система может быть оптически гомогенной. Не менее существенным признаком для характеристики дисперсной системы могут служить те приемы, которые позволяют отделять друг от друга их фазы. Находящееся в истинном растворе вещество может быть нацело отделено от растворителя лишь при помощи больших или малых специфических химических реакций. У коллоидных растворов и особенно у более грубых дисперсных систем для такого разделения применимы чисто механические методы. Грубо гетерогенные взвеси могут быть отделены от своей дисперсионной среды путем фильтрации. Тот же прием применим и к коллоидальным растворам, если только взять более плотный фильтр с соответственно уменьшенными порами. В зависимости от диаметра своих пор такие «ультрафильтры» задерживают все или некоторые коллоидальные частицы. Пользуясь серией ультрафильтров различной пористости и исследуя, какие из них пропускают коллоидальный раствор и какие задерживают его частицы, можно определить величину последних. Прохождение жидкости совершается при этом под более или менее значительным давлением и требует применения специальных приборов. Другим способом механического разделения обеих фаз дисперсных систем служит центрифугирование. В некоторых случаях при значительном увеличении числа оборотов этот метод может быть применен не только к суспензиям и эмульсиям, но также и к коллоидальным растворам. Удельная поверхность. По мере раздробления одной из фаз гетерогенной системы на все более и более мелкие частицы, по мере увеличения степени дисперсности, пограничная поверхность, разделяющая обе фазы, непрерывно возрастает. Это увеличение пограничной поверхности легко выразить количественно. Как известно, поверхность тела пропорциональна квадрату, а объем (или масса)— кубу его линейного измерения. Если шарообразную каплю масла, взвешенную в водном растворе, разбить на более мелкие капли, имеющие в десять раз меньший диаметр, то поверхность каждой новой капли будет в сто раз меньше первоначальной. В то же время масса капли уменьшится в тысячу раз, т. е. вместо одной капли мы получим теперь тысячу капель, общая поверхность которых будет в десять раз больше исходной. Общую поверхность дисперсной фазы, отнесенную к единице ее объема, называют удельной поверхностью. Таким образом, с увеличением раздробленности дисперсной системы ее удельная поверхность возрастает. Поверхность соприкосновения крови и клеток направления возрастает путем распределения крови по все более и более мелким сосудам и капиллярам. В других случаях величина поверхности увеличивается за счет усложнения ее формы. Так, возрастает всасывающая поверхность кишок благодаря развитию кишечных ворсинок. Особенно мощным средством увеличения пограничных поверхностей является, однако, и в организме образование дисперсной системы. Примером грубой дисперсной системы может служить кровь, представляющая суспензию эритроцитов в дисперсионной среде—плазме. Наконец само клеточное строение всех живых организмов может служить наиболее ярким доказательством значения мелко раздробленного состояния и большой удельной поверхности для жизни. Только в состоянии покоя протоплазма может собираться большими или малыми значительными сплошными массами, какие можно видеть например в крупных яйцах некоторых животных. Развитие организма начинается с дробления яйца на более мелкие клетки: прежде всего: растет не масса, а поверхность зародыша. Протоплазма многоклеточного организма образует огромную "поверхность, омываемую кровью и тканевыми жидкостями. Еще более мелко раздроблены ядра, образующие свою поверхность раздела с протоплазмой. Наконец кроме этих легко заметных микроскопических структур в клетке имеются более мелкие коллоидальные образования, постепенно уменьшающиеся до ультрамикроскопических размеров. В гетерогенных системах скорость химических процессов в большинстве случаев зависит от величины пограничной поверхности, по которой происходит обмен веществ между обеими соприкасающимися фазами. Та же поверхность является местом действия значительных поверхностных сил. Изменения степени дисперсности и связанные с ними изменения удельной поверхности являются, мощным средством, влияющим на интенсивность биологических процессов.  
 

Список  использованной литературы:

Гатчек  Э., Введение в физику и химию коллоидов, Москва «КолосС», 1927, с. 65-90. 

Дерягин Б. В., "Успехи химии", 1979, т. 48, в. 4, с. 675-721.

Ребиндер  П. А., Поверхностные явления в дисперсных системах. Коллоидная химия, Избранные труды, Москва «Просвещения», 1978, с. 525-610.

Урьев Н. Б., Высококонцентрированные дисперсные системы, Москва «КолосС», 1980, с. 278-325.

Щукин Е. Д., Перцов А. В., Амелина Е. А., Коллоидная химия, Москва, 1982, с. 189-267.

www.allfuel.ru