Классификация дисперсных систем и их общая характеристика

Дисперсные системы классифицируются по самым различным признакам и, в первую очередь, в зависимости от размеров частиц дисперсной фазы, т.к. эта величина сильнее всего влияет на все их основные свойства: кинетические, оптические, каталитические, адсорбционные и др.

<10^–9м	10^–9м ÷ 10^–^7м	>10^–^7м
молекулярно(ионно)-дисперсные (истинные) растворы	коллоидно-дисперсные (золи)	грубодисперсные системы

Такое деление является в определенной мере условным, т.к. резкой грани между этими тремя типами систем не существует. Используют и другие виды классификации дисперсных систем по данному признаку, в которые не включают истинные растворы:

1)	10^–9м ÷ 10^–6м	10^–6м ÷ 10^–4м
	высокодисперсные системы	грубодисперсные системы

2)	10^–9м ÷ 10^–7м	10^–7м ÷ 10^–5м	>10^–5м
	ультрамикрогетерогенные системы	микрогетерогенные системы	грубодисперсные системы

Характерной особенностью истинных растворов является то, что вещество дисперсной фазы в них находится в виде отдельных молекул или ионов, размеры которых значительно меньше длин волн видимого света (~4 · 10^–7м ÷ 8 · 10^–7м).

Данные системы в связи с этим беспрепятственно пропускают свет, являются прозрачными и не опалесцируют (рис. 48а). В истинных растворах отсутствует поверхность раздела между веществами дисперсной фазы и дисперсионной среды, поэтому они являются гомогенными и не обладают значительной поверхностной энергией, т.к. между образующими их веществами не протекают поверхностные явления.

а б в

Рис. 48. Оптические свойства дисперсных систем: а – истинных растворов, б – золей; в – грубо-дисперсных систем

Истинные растворы образуются самопроизвольно, являются термодинамически-, кинетически- и агрегативно-устойчивыми, т.е. со временем не стареют и при постоянстве внешних условий могут существовать неограниченно долгое время.

Они проходят через все виды фильтров и диализационные мембраны.

Частицы дисперсной фазы в них (молекулы или ионы) не видны в оптический или ультрамикроскоп.

Данные системы являются наиболее изученными, т.к. сравнительно просты по составу и структуре. Их поведение определяется четкими закономерностями и может быть описано математически (особенно это характерно для идеальных растворов). Истинные растворы не являются предметом исследования коллоидной химии и изучаются в других разделах физической химии. В связи с этим в дальнейшем мы их рассматривать не будем.

В коллоидно-дисперсных системах частицы дисперсной фазы состоят из множества соединенных между собой атомов, молекул либо ионов.

Количество данных структурных единиц в одной частице может колебаться в самых широких пределах в зависимости от их собственных размеров и массы (например, возможное число атомов лежит в интервале 10³ ÷ 10⁹).

Коллоидные системы по своему составу являются гетерогенными и характеризуются наибольшей удельной поверхностью среди других дисперсных систем (табл. 15). В них сильнее всего проявляются поверхностные явления и поэтому эти системы обладают большим запасом внутренней энергии и находятся в неравновесном состоянии.

Вследствие этого золи являются агрегативно- и термодинамически-неустойчивыми. Согласно второму закону термодинамики, они стремятся самопроизвольно снизить величину своей поверхностной энергии за счет уменьшения площади поверхности раздела фаз. Осуществить это можно путем укрупнения частиц дисперсной фазы в результате объединения их друг с другом.

В идеале коллоидные системы должны прийти к такому равновесному состоянию, при котором дисперсная фаза и дисперсионная среда отделены друг от друга минимальной поверхностью раздела и имеют наименьшее значение суммарной внутренней энергии. Его реализация осуществляется тогда, когда все частицы дисперсной фазы соединятся между собой в обособленный от дисперсионной среды слой.

Таким образом, время жизни коллоидных систем ограничено. Для его увеличения в золи необходимо добавлять специальные вещества – стабилизаторы.

Так, если в пробирку с водой добавить некоторое количество растительного масла, то при сильном встряхивании образуется эмульсия, состоящая из мельчайших капель масла, равномерно распределенных по всему объему Н₂О. Но она очень быстро снова разделяется на 2 слоя – масло и Н₂О. Неустойчивость эмульсии объясняется стремлением системы уменьшить поверхность раздела между двумя жидкостями путем самопроизвольного слипания мелких капелек масла в более крупные.

Однако если в данную смесь добавить некоторое количество раствора мыла в Н₂О, то при повторном встряхивании образуется устойчивая эмульсия белого цвета. Мыло в данном случае будет играть роль стабилизатора, препятствующего слипанию частичек дисперсной фазы.

Адсорбируясь на поверхности частиц дисперсной фазы, стабилизаторысообщают им заряд одинакового знака либо оболочку из молекул растворителя (вследствие собственной сольватации). При этом сближение и объединение частиц друг с другом становится невозможным или сильно затруднено. В роли стабилизаторов чаще всего выступают электролиты и полимеры. Более подробно механизм действия стабилизаторов на устойчивость золей мы рассмотрим ниже.

Размеры частичек дисперсной фазы в коллоидных системах как и в истинных растворах, меньше длин волн видимого света. Поэтому золи тоже остаются прозрачными, их частицы не видны в световой микроскоп. Таким образом, молекулярно(ионно)- и коллоидно-дисперсные системы визуально нельзя отличить друг от друга.

Но разница в размерах частиц и длинах световых волн у золей не такая большая по сравнению с истинными растворами, поэтому для них характерно рассеивание света и опалесценция. Эти оптические явления проявляются при боковом наблюдении золя, если в темном помещении с помощью проекционного фонаря направит на раствор узкий пучок света. При прохождении через коллоидную систему он будет образовывать расходящийся конус, называемый конусом Фарадея-Тиндаля (рис. 48б).

При рассматривании данного конуса в ультрамикроскоп в нем видны беспрерывно двигающиеся, переливающиеся всеми цветами радуги, светящиеся частицы, размеры и форму которых в большинстве случаев непосредственно определить невозможно.

Вещество дисперсной фазы в коллоидных системах проходит через большинство бумажных и стеклянных фильтров (кроме ультрафильтров), но не проходит через диализационные мембраны (биологического и искусственного происхождения).

Со временем коллоидные системы стареют, т.е. частицы дисперсной фазы в них объединяются друг с другом и за счет действия силы тяжести постепенно оседают с образованием рыхлого осадка.

В присутствии стабилизаторов этот процесс существенно замедляется. Так в Англии до сих пор сохраняют свою устойчивость коллоидные растворы золота, приготовленные во второй половине XIXвека М. Фарадеем.

Грубодисперсные системыпо многим своим свойствам схожи с золями, поэтому они тоже являются предметом исследования коллоидной химии. Данные системы являются гетерогенными, хотя и обладают значительно меньшей удельной поверхностью, чем коллоидные растворы (табл. 15). Они имеют избыточную поверхностную энергию, вследствие чего тоже термодинамически неустойчивы и подвержены процессу старения, который протекает гораздо быстрее, чем в золях даже в присутствии стабилизаторов. Это объясняется большей массой частиц дисперсной фазы и более сильным воздействием на них силы тяжести.

Грубодисперсные системы не фильтруются и не проходят через диализационные мембраны.

Частицы дисперсной фазы в них видны в световой микроскоп, их размеры, как правило, больше длин волн видимой части спектра, поэтому они в сильной мере поглощают и отражают свет и, как следствие этого, являются непрозрачными и мутными. Благодаря такому свойству, их можно быстро отличить от всех остальных дисперсных систем (рис. 48б).