42

Часть 2. Основы коллоидной химии

ВВЕДЕНИЕ. Коллоидная химия изучает двух- или многофазные системы, в которых хотя бы одна из фаз находится в высокодисперсном состоянии. Кроме того, коллоидная химия исследует явления на границах раздела фаз, когда поверхность раздела фаз можно считать искривленной (капиллярные явления).

В курсе коллоидной химии Вы также познакомитесь с особенностями строения, молекулярных характеристик и свойств высокомолекулярных соединений (полимеров) [1]. Растворы таких соединений в подходящих растворителях, являясь истинными по сути (т.е. однофазными системами), характеризуются “коллоидными” размерами макромолекул, cравнимыми с размером частиц дисперсной фазы в микрогетерогенных (коллоидных) системах (1 – 100 нм). В силу такой двойственности характера растворы полимеров обладают целым рядом особых свойств и находят широкое применение в решении огромного числа экологических проблем.

1. Дисперсные системы. Смачивание. Капиллярные явления.

Дисперсными называются микрогетерогенные системы, характеризующиеся развитой поверхностью раздела фаз. Непрерывная фаза – дисперсионная среда, равномерно распределенные в ней частицы (капли, пузырьки) другой фазы образуют дисперсную фазу.

Степень раздробленности дисперсной фазы характеризуют дисперсностью где - поперечный размер частиц (диаметр при их сферической форме).

Различают грубодисперсные и среднедисперсные системы – с размерами частиц дисперсной фазы более 100 нанометров (1 нм = 10 ⁻⁹ м), дисперсность которых может быть макроскопической и микроскопической; и высокодисперсные системы (собственно коллоидные системы) с размерами частиц 1 - 100 нм, т.е. 10^-9 - 10^-7 м или 10 – 1000 ангстремов ( ).

Основные особенности дисперсных систем, обусловленные раздробленностью дисперсной фазы:

1. Большая удельная поверхность Ω_уд (м² / г) = Ω (м²) / m (г);

2. Избыток поверхностной свободной энергии

ΔG_пов(Дж) = σ(Дж/м²) × ΔΩ(м²) > 0,

где σ (Дж/м²) – удельная поверхностная энергия, ΔΩ > 0 – прирост

площади поверхности в результате дробления (диспергирования);

3. Дополнительный избыток (или недостаток) поверхностной

свободной энергии при искривлении поверхности раздела фаз

у высокодисперсных систем по сравнению с плоской поверхностью

(в грубодисперсных системах):

ΔG_доп(Дж / моль) = ΔG_пов(Дж / моль) ± (2σ×V_M / r),

где V_M (м³ /моль) – молярный объем вещества дисперсной фазы,

r (м) – радиус кривизны поверхности раздела фаз (радиус частиц

дисперсной фазы при сферической форме),

знак (±) определяется тем, выпуклой (плюс) или вогнутой (минус) в

сторону дисперсионной среды является поверхность раздела фаз.

Прямое следствие избытка свободной поверхностной энергии в дисперсных системах – стремление к самопроизвольному уменьшению поверхности раздела фаз. Яркий пример: капля жидкости (в невесомости) стремится принять форму шара, имеющего наименьшую поверхность при одинаковом объеме.

1.1. Типы дисперсных систем

В таблице 2.1 приведены типы дисперсных систем в зависимости от агрегатного состояния дисперсной фазы и дисперсионной среды.

Таблица 2.1.

Дисперсионная среда	Дисперсная фаза	Тип дисперсной системы	Примеры
1	2	3	4
Газ (воздух)	Жидкость Твердое вещество	Аэрозоль Аэрозоль	Туманы, облака Пыль, дым
Жидкость	Газ Жидкость Твердое тело	Газовая эмульсия, пены Эмульсия Лиозоль, суспензия	Мыльная пена Молоко, сырая нефть Золи металлов в воде, краски
Твердое вещество	Газ Жидкость Твердое тело	Пористые и капиллярные системы (твердые пены) Твердые эмульсии, гели Твердые коллоидные растворы	Пенопласты, пенобетон, шлаки, активированный уголь Минералы,жемчуг, желе Сталь, сплавы, стекла, металлокерамика

В таблице 2.2 приведена классификация дисперсных систем по размеру частиц дисперсной фазы (дисперсности) и по числу молекул (атомов) вещества дисперсной фазы в одной частице. Указаны также методы наблюдения частиц и определения их размера.

Таблица 2.2.

Дисперсность	Линейный размер, м	Число молекул (атомов) в одной частице	Метод наблюдения
Макроскопическая	10-4 – 10-2	> 1018	Видны глазом
Микроскопическая	2∙10-7 – 10-4	109 - 1018	Оптический микроскоп
Коллоидная (наноразмерная)	10-9 – 10-7	10 – 109	Методы светорассеяния (электронная микроскопия и др. )

При макроскопической и микроскопической дисперсности (табл. 2.2) падающий луч света, встречаясь с частицами, может отражаться, преломляться или поглощаться (действуют законы геометрической оптики). Частицы такого размера можно видеть глазом либо в оптический микроскоп. Если частицы имеют коллоидные размеры, наблюдается оптическое явление, характерное только для высокодисперсных систем, - рассеяние света с определенной длиной волны (λ < 400 нм) на частицах. Благодаря этому явлению можно видеть частицы, размер которых (d) лежит в пределах (λ / 20) < d < (λ / 2).