Глава 1 дисперсные системы
1.1. Общая характеристика дисперсных систем
Реальный окружающий нас мир, как и мы сами, находится в раздробленном состоянии, т.е. состоит из дисперсных систем. Дисперсные системы по размерам занимают промежуточное положение между молекулами (атомами, ионами) и макроскопическими объектами (фазами). Частицы таких размеров широко распространены в природе и участвуют во многих технологических процессах. Почва, водоемы (реки и моря), атмосфера Земли (облака, туманы), а также сырье и конечная продукция различных промышленных производств, строительные материалы, металлы, полимеры, продукты питания, медицинские препараты – все это дисперсные системы.
Дисперсные системы выделяют в особую группу, т.к. многие физические и особенно химические свойства таких систем значительно отличаются от аналогичных свойств макроскопических объектов одного и того же вещества. Такие свойства как прочность, теплоемкость, температура плавления, температура кипения, магнитные и электрические характеристики, реакционная способность выражены тем сильнее, чем меньше размер частиц, и, поэтому, особенно характерны для частиц нанометровых размеров (наночастиц). Особые свойства наночастиц открывают новые практические приложения физики, химии, биологии, медицине и других наук. Поэтому изучение дисперсных частиц (методов их получения, структуры, физических и химических свойств) относится к наиболее актуальным и перспективным задачам современной науки.
Почему же дисперсные системы такие особенные? Благодаря своим малым размерам дисперсные частицы обладают огромной поверхностью и большинство молекул и атомов в таких системах находятся в поверхностном слое. Молекулы и атомы в поверхностных слоях обладают особыми свойствами, отличными от свойств таких же молекул внутри фазы и обуславливают наличие так называемых поверхностных явлений. К поверхностным явлениям относятся процессы, происходящие на границе раздела фаз: адгезия, адсорбция, смачивание, образование двойного электрического слоя и другие явления.
Таким образом, целью изучения дисциплины «Коллоидная химия» является изучение дисперсных систем и поверхностных явлений, протекающих на границах раздела фаз.
1.1.1. Признаки объектов коллоидной химии
Для объектов коллоидной химии характерны два основных признака, сформулированных одним из основоположников отечественной коллоидной химии Н.П. Песковым: гетерогенность и дисперсность.
Гетерогенность (многофазность) указывает на наличие межфазной поверхности и поверхностного слоя. Количественной характеристикой гетерогенности является величина поверхностного натяжения (удельной поверхностной энергии) на границе раздела фаз. Чем сильнее выражена гетерогенность и чем сильнее по природе отличаются соприкасающиеся фазы, тем больше поверхностное натяжение. Всякая дисперсная система состоит из дисперсной фазы и дисперсионной среды.
Дисперсная система
Рис. 1.1. Состав дисперсной системы
Дисперсность (раздробленность) определяется размерами и геометрией частиц. Частицы могут быть сферическими, цилиндрическими, кубическими, а чаще всего имеют неправильную форму.
Мерой дисперсности может служить:
Поперечный размер частиц (а) – диаметр для сферических частиц (d) и длина ребра для кубических частиц (l).
Дисперсность (D) – величина, обратная поперечному размеру частицы: D = l/a.
Удельная поверхность (Sуд) – межфазная поверхность, приходящаяся на единицу объема или массы дисперсной фазы:
; или 
. (1.1)
Удельная поверхность связана с размером (дисперсностью) и формой частиц (табл. 1.1).
Таблица 1.1
|
Частицы сферической формы |
|
|
Частицы цилиндрической формы |
|
|
Частицы кубической формы |
|
Таким образом, удельная поверхность прямо пропорциональна дисперсности D, и обратно пропорциональна поперечному размеру частицы а.
Рассчитаем изменение удельной поверхности 1 см3 вещества при дроблении его на кубики меньших размеров.
Таблица 1.2
Изменение Sуд при дроблении 1 см3 вещества
|
Длина ребра куба l, см |
Число кубиков |
Sуд, см–1 |
|
1 |
1 |
6 |
|
1·10–1(1 мм) |
10·10·10=1·103 |
60 |
|
1·10–2 |
1·106 |
600 |
|
1·10–4(1 мкм) |
1·1012 |
60 000 |
|
1·10–7(1 нм) |
1·1021 |
60 000 000 |
Таким образом, при дроблении вещества до коллоидных размеров удельная поверхность достигает значительных величин – до тысяч квадратных метров на 1 см3.
|
Рис. 1.2. Зависимость удельной поверхности системы от размера частиц: I– истинные растворы;II– высокодисперсные (коллоидные);III– среднедисперсные;IV– грубодисперсные |
При увеличении дисперсности, т.е. при уменьшении размера частиц вещества, его удельная поверхность резко возрастает (рис. 1.2). По величине удельной поверхности коллоидные системы занимают особое положение среди дисперсных систем. Это наглядно показано на диаграмме, изображающей резкое увеличение удельной поверхности при уменьшении размеров частиц до коллоидных размеров. В связи с резким увеличением удельной поверхности высокодисперсные системы обладают рядом специфических особенностей. |
Пример 1.1. Дисперсность частиц коллоидного золота 108 м–1. Принимая частицы золота в виде кубиков определить, какую поверхность они могут покрыть, если их плотно уложить в один слой. Масса коллоидных частиц золота 1 г. Плотность золота 19,6·103 кг/м3.
Решение:
1. Общая поверхность частиц коллоидного золота равна S = Sуд·V.
2. Удельная поверхность кубических частиц Sуд = 6D.
3. Объем золота равен V = m/ρ.
4. Тогда общая площадь поверхности составит:
.