гетерогенностью системы, что следует из фундаментального

уравнения Гиббса		для	гетерогенных систем. При постоянных
температурах	и	составе	поверхностная энергия определяется

произведением поверхностного натяжения на площадь поверхности

S :

F S	(8.1)
Поэтому в них самопроизвольно	происходит процесс слипания
частиц дисперсной фазы – коагуляция.

Для придания устойчивости против слипания – агрегативной устойчивости – необходимо создавать на поверхности частиц защитные слои: двойные электрические слои, приводящие к

возникновению	электростатического		отталкивания	(ионно-
электростатический		фактор устойчивости). Этот		фактор

реализуется при введении в коллоидную систему электролитов, имеющих в своем составе один из ионов, входящих в состав агрегата дисперсной фазы коллоидной системы или изоформный ему.

При введении в коллоидную систему поверхностно-активных веществ и высокомолекулярных соединений образуются сольватные или адсорбционно-сольватные слои, которые в силу своих особых структурно-механических свойств препятствуют соприкосновению и слипанию частиц (структурный фактор устойчивости)

8.2. Конденсационные способы образования дисперсных систем

При образовании дисперсных систем под конденсацией понимают возникновение новой фазы путем соединения молекул, ионов или атомов в гомогенной среде.

Процессы возникновения и роста зародышей новых фаз лежат в основе конденсационных методов образования дисперсных систем.

4

Содержание
8. Получение дисперсных систем..............................................................	3
8.1. Введение...............................................................................................	3
8.2. Конденсационные способы образования дисперсных систем........	4
8.3. Строение мицелл различных золей.................................................	10
8.4. Диспергационные методы получения дисперсных систем............	13
8.5. Образование лиофильных коллоидных систем..............................	23
9. Молекулярно-кинетические свойства коллоидных систем...............	25
9.1. Введение.............................................................................................	25
9.2. Броуновское движение......................................................................	26
9.3. Диффузия...........................................................................................	30
9.4. Седиментация и методы седиментационного анализа..................	36
10. Оптические свойства коллоидных.....................................................	44
систем. .......................................................................................................	44
10.1. Явления, наблюдаемые при взаимодействии видимого света с
веществом. ................................................................................................	44
10.2. Рэлеевское рассеяние света. .........................................................	45
10.3. Рассеяние малыми частицами. ......................................................	47
10.4. Рассеяние большими частицами ...................................................	50
10.5. Анализ уравнения Рэлея.................................................................	52
10.6. Поглощение света дисперсными системами. ...............................	54
10.7. Турбидиметрический метод определения коллоидных частиц...	55
10.8. Световая микроскопия. ...................................................................	61

73

www.mitht.ru/e-library

Наиболее важной частью микроскопа является колонна, заключающая в себе электронно-оптическую систему. В состав последней входят осветительная система (электронная пушка), камера объектов, фокусирующая система и фотографическая камера. Электронный пучок в колонне электронного микроскопа формируется с помощью электрического и магнитного полей, которые действуют подобно линзам.

Электронный пучок существует только в высоком вакууме. Длина свободного пробега электронов при напряжении 60 кэВ в воздухе при атмосферном давлении равна всего 1 10 4 м. С помощью вакуумной системы в колонне создается остаточное давление 10 4 10 5 мм рт. столба. При этом давлении длина свободного пробега электронов составляет 1,5 м.

С помощью системы высокого напряжения создается ускоренный пучок электронов. В современных электронных микроскопах применяется высокое напряжение до 150 кВ. Большое значение имеет стабильность высокого напряжения, которая обеспечивается применением электронных стабилизаторов.

72

Образование систем высокой дисперсности по конденсационному механизму возможно, если, с одной стороны, возникает большое число зародышей новой, термодинамически более стабильной фазы, с другой стороны, скорость роста этих зародышей лежит в области определенных умеренных значений.

Факторы, приводящие к появлению новой фазы, можно разделить на две группы: химические, т.е. протекание химических реакций, приводящие к возникновению высоких концентраций слаборастворимого соединения и физические такие как изменения давления, температуры.

Химические методы создания перенасыщения чрезвычайно разнообразны. Любая реакция, приводящая к образованию нерастворимого, а в случае конденсированных фаз и летучего продукта (или, наоборот, нелетучего – при взаимодействии газов), может использоваться для получения коллоидной системы. К образованию золей приводят различные химические реакции: окисления-восстановления, обмена, гидролиза и др. Эти реакции рассматриваются ниже.

Реакция обмена

С помощью реакции обмена можно получить различные золи. Этим способом получают золи галогенидов, сульфидов и гидроксидов металлов. Характерным примером синтеза золей с использованием реакции обмена является получение гидрозолей иодида серебра. Эти золи часто служат моделями при изучении различных коллоидных процессов.

AgNO3 KCl AgI KNO3

5

www.mitht.ru/e-library

Реакции восстановления

Эти реакции лежат в основе многочисленных методов получения золей золота и серебра при взаимодействии солей этих металлов с различными восстановителями: фосфором (Фарадей), таннитом (Оствальд), формальдегидом (Зигмогди), ацетоном (Девис), например:

2KAuO2 2HCHO 2Au HCOOK KHCO3 H 2O

Реакция окисления

Они широко распространены в природе. Примером таких процессов является образование золя при взаимодействии сероводорода, растворенного в гидротермальных водах, с кислородом.

2H 2 S O2 2S 2H 2O

Гидролиз солей

Процессы гидролиза солей широко распространены в природе и имеют важное значение в технике. Эти процессы применяются для очистки сточных вод. Высокая удельная поверхность образующихся при гидролизе гидроксидов позволяет эффективно адсорбировать примеси. Примером является реакция гидролиза хлорного железа.

FeCl3 3H 2O Fe(OH )3 3HCl

В природных условиях часто протекает реакция гидролитического окисления растворимых солей железа с образованием гидроксида железа. На большой глубине при отсутствии кислорода эта реакция не

идет и вода, содержащая Fe(HCO3 )2 , прозрачна. На воздухе быстро протекает гидролитическое окисление по схеме:

4Fe(HCO3 )2 2H2O O2 4Fe(OH )3 8CO2

6

(растровые). Принцип действия просвечивающего микроскопа

рассмотрен выше.
В настоящее время для изучения поверхности			различных
объектов	широко	применяются сканирующие	электронные

микроскопы. В этом случае не требуется специального препарирования образца, что исключает изменение структуры образца при препарировании и наблюдение ложной структуры (артефактов). Сканирующий микроскоп применяется для получения изображения поверхностей непрозрачных объектов. В отличие от просвечивающего микроскопа, в сканирующем микроскопе изображение формируется за счет вторичных электронов. Вторичные электроны, исходящие с поверхности объекта под действием электронного пучка, улавливаются и усиливаются. Электронный пучок,

имеющий диаметр 2 10 8 м, с помощью отклоняющих систем перемещается по зигзагу, то есть сканирует поверхность образца. Изображение на экране формируется так же, как в телевизоре, отчего микроскоп называется сканирующим. В сканирующем микроскопе диэлектрические материалы непосредственно исследоваться не могут, так как на их поверхности накапливается заряд, мешающий получению изображения. На такие материалы напыляют тонкий проводящий слой, чаще всего золота.

Основные части электронного микроскопа и их назначение.

Электронный микроскоп является сложным устройством, состоящим из различных частей (систем), каждая из которых имеет свое назначение. Этими частями являются электронно-оптическая система, вакуумная система, система высокого напряжения, система управления и автоматизации.

71

www.mitht.ru/e-library

и плотные участки выглядят на экране более темными по сравнению с тонкими и менее плотными участками, то есть создается контрастное изображение.

Характеристики изображения.

Электронно–микроскопическое изображение характеризуется следующими параметрами.

1.Предел разрешения, о котором говорилось выше.

2.Контраст, то есть освещенность светлой и темной части изображения.

3.Глубина резкости, то есть максимальная толщина образца, в которой можно получить резкое изображение. Глубина резкости соответствует высоте неровностей образца.

4.Интенсивность определяется временем, в течение которого можно

получить изображение.

Для увеличения контраста изображения надо, чтобы разные участки объекта различались по рассеивающей способности. Контрастирование достигается введением в образец контрастных атомов химическим или физическим путем. Контраст бывает двух типов. Первый тип контраста возникает в разнотолщинных образцах. Участки разной толщины по-разному рассеивают электроны и вызывают разное свечение экрана или почернение пластинки. Второй тип контраста, называемый дифракционным, связан с избирательным отражением электронов от кристаллографических поверхностей в кристалле в определенных направлениях.

Типы электронных микроскопов.

По способу исследования электронные микроскопы делятся на просвечивающие, отражающие, эмиссионные и сканирующие

70

Эта реакция приводит к бурой окраске болот и к выпадению бурого

осадка Fe(OH )3 при стоянии вначале прозрачной воды из водопроводной сети, если вода содержит хорошо растворимый

Fe(HCO3 )2 .

При физической конденсации образование новой фазы обычно связано с изменением температуры или давления в системе.

Конденсация паров

Сущность метода заключается в том, что в газообразной системе при изменении температуры давление пара может стать выше равновесного давления пара над жидкостью или твердым телом и в газообразной фазе возникает новая жидкая или твердая фаза. Система становится гетерогенной, образуются аэрозоли (туман, дым). Путем испарения и конденсации паров в потоке несущего газа получают коллоидные частицы (наночастицы) металлов, углерода, кремния. Наночастицы осаждают на подложку при изменении температуры стенок камеры. В момент плавления для стабилизации наночастиц вводят поверхностно-активные вещества. Существуют различные методы испарения твердых веществ: плазмохимический, взрывной, под действием лазерного излучения и др.

Плазмохимическим методом получают нанопорошки металлов и кремния. Взрывной метод заключается в регулируемом взрыве смеси углеродсодержащих взрывчатых веществ, в результате чего образуется порошкообразный наноалмаз. В специальных условиях образуются другие аллотропные формы наноуглерода - углеродные нанотрубки и фуллерены С60 и С70 , представляющие собой полые наносферы с икосаэдрической упаковкой. Порошкообразный технический углерод (сажа) получается сжиганием углеродного сырья.

7

www.mitht.ru/e-library