1. Коллоидное состояние вещества. Классификация дисперсных систем

Понятия дисперсной системы, дисперсной фазы и дисперсионной среды, принцип классификации дисперсных систем (по дисперсности, по агрегатному состоянию).

Диспе́рсная систе́ма — это смесь из двух или более веществ, которые совершенно или практически не смешиваются и не реагируют друг с другом химически. Первое из веществ (дисперсная фаза) мелко распределено во втором (дисперсионная среда). Фазы можно отделить друг от друга физическим способом (центрифугировать, сепарировать и т.д.).

Дисперсная фаза, совокупность мелких однородных твёрдых частиц, капелек жидкости или пузырьков газа, равномерно распределённых в окружающей (дисперсионной) среде. Дисперсная фаза и дисперсионная среда образуют дисперсные системы. См. также Коллоидные системы.

Дисперсионная среда, непрерывная фаза (тело), в объёме которой распределена другая (дисперсная) фаза в виде мелких твёрдых частиц, капелек жидкости или пузырьков газа. Дисперсионная среда может быть твёрдой, жидкой или газовой; в совокупности с дисперсной фазой она образует дисперсные системы.

Обычно дисперсные системы — это коллоидные растворы, золи. К дисперсным системам относят также случай твёрдой дисперсной среды, в которой находится дисперсная фаза

Классификация дисперсных систем по размерам частиц:

дисперсные системы условно делят на грубодисперсные (1-100мкм)

высокодисперсные(10нм-1мкм)

ультрадисперсные системы (от 1 нм до 10 нм).

Дисперсность оценивают по усредненному показателю (среднему размеру частиц, уд. пов-сти) или дисперсному составу.

Классификация дисперсных систем: по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсной среды:

1) аэродисперсные (газодисперсные) системы с газовой дисперсионной средой: аэрозоли (дымы, пыли, туманы), порошки, волокнистые материалы типа войлока.

2) Системы с жидкой дисперсионной средой; дисперсная фаза м. б. твердой (грубодисперсные суспензии и пасты, высокодисперсные золи и гели), жидкой (грубодисперсные эмульсии, высокодисперсные микроэмульсии и латексы) или газовой (грубодисперсные газовые эмульсии и пены).

3) Системы с твердой дисперсионной средой: стеклообразные или кристаллич. тела с включениями мелких твердых частиц, капель жидкости или пузырьков газа, напр., рубиновые стекла, минералы типа опала, разнообразные микропористые материалы. Отдельные группы дисперсных систем составляют мн. металлич. сплавы, горные породы, сложные композиционные и др. многофазные системы.

Классификация дисперсных систем по концентрации.

1)Свободнодисперсные системы (частицы находятся на больших расстояниях друг от друга) (золи)

2)Связнодисперсные системы (частицы постоянно контактируют друг с другом). (примеры пены, пенообразные эмульсии, пористые тела, натуральные волокна, пемза, губка, древесные угли, влага в граните, взаимопроникающие сетки полимеров)

Классификация дисперсных систем по типу взаимодействий среды и фазы

1)лиофобные

2)лиофильная

2. Термодинамика поверхностных явлений

Поверхностные явления. Поверхностное натяжение. Силовой подход по Юнгу. Поверхностное натяжение на границе жидкость-жидкость. Влияние на поверхностное натяжение растворённых веществ (ПАВ, ПИАВ, ПНВ). Поверхностная активность.

Пове́рхностные явле́ния — совокупность явлений, обусловленных особыми свойствами тонких слоёв вещества на границе соприкосновения фаз. К поверхностным явлениям относятся процессы, происходящие на границе раздела фаз, в межфазном поверхностном слое и возникающие в результате взаимодействия сопряжённых фаз.

Поверхностные явления обусловлены тем, что в поверхностных слоях на межфазных границах вследствие различного состава и строения соприкасающихся фаз и соответственно из-за различия в связях поверхностных атомов и молекул со стороны разных фаз существует ненасыщенное поле межатомных, межмолекулярных сил. Вследствие этого атомы и молекулы в поверхностных слоях образуют особую структуру, а вещество принимает особое состояние, отличающееся от его состояния в объеме фаз различными свойствами. Поверхностные явления изучаются коллоидной химией.

Пове́рхностное натяже́ние — термодинамическая характеристика поверхности раздела двух находящихся в равновесии фаз, определяемая работой обратимого изотермокинетического образования единицы площади этой поверхности раздела при условии, что температура, объем системы и химические потенциалы всех компонентов в обеих фазах остаются постоянными.

Поверхностное натяжение имеет двойной физический смысл — энергетический (термодинамический) и силовой (механический). Энергетическое (термодинамическое) определение: поверхностное натяжение — это удельная работа увеличения поверхности при её растяжении при условии постоянства температуры. Силовое (механическое) определение: поверхностное натяжение — это сила, действующая на единицу длины линии, которая ограничивает поверхность жидкости.

Осн. термодинамич. характеристики смачивания-равновесный краевой угол смачивания q0, работа адгезии Wa, теплота смачивания qW. Равновесный краевой угол смачивания определяется наклоном пов-сти жидкости к смоченной ею пов-сти твердого тела; вершина угла находится на линии смачивания. Равновесный краевой угол определяется ур-нием Юнга:

cosq0 = (ss-ssl)/ssl,

где ss и ssl-соотв. уд. своб. поверхностные энергии твердого тела на границе с газом и в контакте со смачивающей жидкостью, sl-поверхностное натяжение жидкости.

Поверхностные явления на границе раздела жидкость - жидкость во многом сходны с описанными выше закономерностями изменения поверхностного натяжения для границы жидкость - газ при изменении температуры и состава раствора. Способностью к адсорбции на границе раздела жидкость - жидкость, например, вода - углеводород, также обладают поверхностно-активные вещества, снижающие поверхностное натяжение межфазной поверхности 12 (иногда его называют межфазным натяжением). Часто используют также другую характеристику границы раздела - работу адгезии, определяемую как работу изотермического обратимого разделения фаз (в расчете на единицу площади поверхности):

WА = 1 + 2 - 12, (9)

где 1 и 2 - соответственно поверхностное (на границе с воздухом ) натяжение 1-й и 2-й жидкостей, 12 - поверхностное (межфазное) натяжение на границе раздела фаз жидкость-жидкость.

Смачивание, поверхностное явление, наблюдаемое при контакте жидкости с твердым телом в присут. третьей фазы-газа (пара) или др. жидкости, к-рая не смешивается с первой (т. наз. избирательное смачивание). Характерная особенность смачивания-наличие линий контакта трех фаз (линии смачивания).

Степень смачивания характеризуется углом смачивания. Угол смачивания (или краевой угол смачивания) это угол, образованный касательными плоскостями к межфазным поверхностям, ограничивающим смачивающую жидкость, а вершина угла лежит на линии раздела трёх фаз.

Пове́рхностно-акти́вные вещества́ (ПАВ) — химические соединения, которые, концентрируясь на поверхности раздела фаз, вызывают снижение поверхностного натяжения.

Основной количественной характеристикой ПАВ является поверхностная активность — способность вещества снижать поверхностное натяжение на границе раздела фаз — это производная поверхностного натяжения по концентрации ПАВ при стремлении С к нулю. Однако, ПАВ имеет предел растворимости (так называемую критическую концентрацию мицеллообразования или ККМ), с достижением которого при добавлении ПАВ в раствор концентрация на границе раздела фаз остается постоянной, но в то же время происходит самоорганизация молекул ПАВ в объёмном растворе (мицеллообразование или агрегация). В результате такой агрегации образуются так называемые мицеллы. Отличительным признаком мицеллообразования служит помутнение раствора ПАВ. Водные растворы ПАВ, при мицеллообразовании также приобретают голубоватый оттенок (студенистый оттенок) за счёт преломления света мицеллами.

Как правило, ПАВ — органические соединения, имеющие амфифильное строение, то есть их молекулы имеют в своём составе полярную часть, гидрофильный компонент(функциональные группы -ОН, -СООН, -O- и т. п.) и неполярную (углеводородную) часть, гидрофобный компонент. Примером ПАВ могут служить обычное мыло (смесь натриевых солей жирных карбоновых кислот — олеата, стеарата натрия и т. п.) и СМС (синтетические моющие средства), а также спирты, карбоновые кислоты, амины и т. п.

ПИАВ- поверхностно инактивные вещества.

Вещества понижающие поверхностное натяжение, называются поверхностно-инактивными (ПИВ). По отношению к воде к ним относятся сильные электролиты: соли, щелочи, кислоты. Все эти соединения в воде диссоциируются на ионы, которые взаимодействуют с молекулами воды сильнее, чем молекулы воды сами между собой. Поэтому значительная часть этих ионов увлекается молекулами воды в объем раствора. Однако немногие оставшиеся на поверхности ионы создают вблизи поверхности силовое поле, тем самым повышая поверхностное натяжение.

Вещества которые не способны растворяться в воде, либо растворение которых практически не приводит к изменению поверхностного натяжения называются поверхностно неактивными веществами (ПНВ).

ПОВЕРХНОСТНАЯ АКТИВНОСТЬ, способность в-ва при адсорбции на границе раздела фаз понижать поверхностное натяжение (межфазное натяжение). Адсорбция Г в-ва и вызванное ею понижение поверхностного натяжения s связаны с концентрацией с в-ва в фазе, из к-рой в-во адсорбируется на межфазную пов-сть, ур-нием Гиббса

где R-газовая постоянная, Т-абс. т-ра (см. Адсорбция). Производная служит мерой способности в-ва понижать поверхностное натяжение на данной межфазной границе и также наз. поверхностной активностью. Обозначается G (в честь Дж. Гиббса), измеряется в Дж·м/моль (гиббсах).