1 Виды дисперсных систем

Дисперсными называются системы, в которых одно ве­щество в виде очень мелких частиц распределено в среде другого вещества. Дисперсные системы гетерогенны. Сово­купность мелких частиц составляет дисперсную фазу, а вещество, в котором они распределены, называется дисперсионной средой.

Дисперсные системы имеют много разновидностей, отличающихся агрегатным состоянием дисперсной фазы и дисперсионной среды. Если обозначить Г – газ, Ж – жидкость, Т– твердое агрегатное состояние, при этом индекс 1 отнести к среде, а 2 – к фазе, то возможно несколько комбинаций. Например,

Г₁–Ж₂ – это аэрозоль, более конкретно туман, когда в газообразной среде раст­ворены капли воды;

Г₁–Т₂ – тоже аэрозоли (аэрозоль пыль представляет собой газообразную систему с растворенными в ней твердыми частичками, а аэрозоль дым – ту же систему с конденсированными летучими вещест­вами);

Ж₁–Г₂ – это пена;

Ж₁–Ж₂ – эмульсия;

Ж₁–Т₂ с низкодисперсными частичками – суспензия, с тонкодиспергированными частичками – коллоидные растворы, или золи.

Свойства любой такой системы существенно зависят от размера частиц дисперсной фазы. Для количественной оценки дисперсности введено понятие степень дисперсности Д – величина, обратная поперечному размеру частицы.

Гетерогенные системы, в которых дисперсионной средой является жидкость, по степени дисперсности частиц под­разделяются на взвеси (суспензии и эмульсии) с D < 10⁵ см^-1 и коллоидные растворы (10⁷ > D > 10⁵ см^-1).

Дисперсные системы подразделяют также на лиофильные, частицы которых способны в большом количестве связывать молекулы дисперсионной среды, и лиофобные, в которых взаимодействие частиц с дисперсионной средой незначительно. Если дисперсионной средой в системе является вода, пользуются соответственно терминами гидрофильный и гидрофобный.

В гетерогенных дисперсных системах, например Ж₁–Т₂, жидкость и твердое вещество дисперсной фазы имеют поверхностную границу, где происходит их соприкосно­вение. Поверхность соприкосновения называется межфазо­вой. Состояние молекул в соприкасающихся слоях Ж₁ и Т₂ отличается от состояния их внутренних слоев. На меж­фазовой поверхности молекулы твердого вещества диспер­сной фазы испытывают притяжение молекул жидкости меньшее, чем со стороны молекул внутренних слоев Т₂.

Возникающая при этом напряженность межмолекулярных сил на границе раздела фаз определяет так называемую поверхно­стную энергию.

2 Коллоидные растворы

По степени дисперсности частиц коллоидные растворы располагаются между взвесями и истинными растворами. По внутренней структуре коллоидных частиц различают: суспензоиды и ассоциативные или мицеллярные коллоиды.

Суспензоиды. К ним относятся такие коллоиды, кото­рые сохраняют структуру исходного вещества, но имеют при этом высокую степень дисперсности.

Представители суспензоидов – растворы оксидов и гидроксидов металлов, сульфидов и других неорганических солей – золи гидрофобные. Их концентрация обычно не превышает 0,1%. Осадок таких растворов, остающийся после выпаривания, при соприкосновении с водой не спо­собен вновь образовать коллоидный раствор, поэтому сус­пензоиды называют необратимыми коллоидами.

Вследствие малого размера частиц межфазовая повер­хность очень велика и может достигать сотен квадратных метров на 1 г дисперсной фазы. Соответственно и запас свободной поверхностной энергии оказывается огромным, поэтому коллоидные растворы – системы термодинамически неустойчивые с выраженным стремлением к уменьшению поверхностной энергии. Запас поверхност­ной энергии может быть снижен в результате укрупнения частиц дисперсной фазы либо при адсорбции на их повер­хности ионов и молекул дисперсионной среды.

Сложная структура частицы суспензоида (рисунок 4) формируется вокруг ядра, состоящего из множества молекул не растворимого в дисперсионной среде веще­ства. Ядро избирательно адсорбирует на своей поверх­ности ионы, называемые потенциало-образующими, и приобретает заряд. Присутствующие в среде ионы с противоположным знаком заряда (противоионы) вследствие электрического притяжения группируются вокруг ядра, образуя коллоидную частицу. Часть противоионов электростатическими силами прочно свя­зана с ядром и образует вместе с адсорбированными на ядре ионами адсорбционный слой. Ядро и адсорбционный слой ионов составляют частицу, несущую определенный заряд. Другая часть противоионов под влиянием диффузионных сил слабее связана с ядром и образует вокруг частицы ионную атмосферу – диффузионный слой, компенсирующий заряд частицы.

а – ξ > 0; б – ξ = 0 – изоэлектрическое состояние; А – ад­сорбционный слой; Д – диффузионный слой; ε – термодинамический потенциал; ζ – электрокинетический потенциал

Рисунок 4 – Строение мицеллы

Частица в совокупности с диффузионным слоем состав­ляет мицеллу. Мицеллы электронейтральны.

Ассоциативные коллоиды. Ряд синтетических и природ­ных веществ способен в зависимости от условий образо­вывать истинные и коллоидные растворы. К числу таких веществ относятся мыла, моющие средства, некоторые органические красители. Все они являются поверхностно-активными веществами.

Истинная растворимость этих веществ в воде невелика, но для них характерно образование ассоциатов молекул, достигающих размеров частиц коллоидной степени дисперсности, если концентрация раствора превышает некоторую критическую величину. Ассоциаты молекул, так же как в суспензоидах, называют мицеллами, а концентрацию, при которой начинается ассоциация молекул, называют критической концентрацией мицеллообразования (ККМ).

Все сказанное поясняет, почему растворы этих веществ называют ассоциативными или мицеллярными коллоидами.

Молекулы веществ, способных образовывать кол­лоидные растворы этого типа, обычно имеют в своем со­ставе углеводородный радикал, сродство которого к воде ничтожно, и полярные группы типа –СООН, –ОН и т.п. с высоким сродством к воде. Ядро мицеллы образуют ас­социированные углеводородные радикалы, а полярные груп­пы обращены к растворителю и образуют внешний слой ассоциата. Диффузный слой мицеллы в зависимости от структуры вещества формируется из катионов или анионов (противоионов) и компенсирует суммарный заряд мицеллы.

Поверхностно-активные вещества широко применяются в быту и промышленности, поэтому часто оказываются в сточных водах.

Высокомолекулярные соединения (ВМС). К ним отно­сятся природные и синтетические полимеры с молекулярной массой от десятков тысяч до нескольких миллионов. Это белки, полисахариды, каучук, синтетические полимеры. Размер молекул ВМС соответствует частицам коллоидной степени дисперсности. Растворы этих веществ часто назы­вают молекулярными коллоидами, однако на самом деле ВМС образуют истинные растворы, т.е. однофазные систе­мы. От коллоидных растворы ВМС отличает большая устойчивость, связанная с наличием в их молекулах боль­шого количества лиофильных групп, более высокая кон­центрация растворов, способность сухого вещества набухать и переходить в растворенное состояние. Тем не менее, рас­творы ВМС имеют и некоторые свойства коллоидов.