За ступенем роздробленості (дисперсності) системи поділяються на такі класи: Грубодисперсні, розмір часток в яких більш 10-5 м; тонкодисперсні (мікрогетерогенні) з розміром частинок від 10-5 до 10-7 м; колоїдно-дисперсні (ультрамікро-гетерогенні) з частками розміром від 10-7 до 10-9м. Якщо фіксувати увагу на двох основних компонентахдісперсних систем, то одному з них слід приписати роль дисперсійного середовища, а іншому - роль дисперсної фази. В цьому випадку вседісперсние сістемиможно класифікувати по агрегатним станам фаз.
Етаклассіфікаціябила запропонована Оствальдом і широко використовується до теперішнього часу. Недостаткомклассіфікацііследует вважати неможливість отнесеніядісперсних систем, приготованих з твердою або рідкою дисперсною фазою, до якого-небудь класу, якщо розмір часток становить кілька нанометрів. Приклад такойклассіфікацііпріведен в табл. 1.
Академік П.А. Ребиндер запропонував більш совершеннуюклассіфікаціюдісперсних сістемпо агрегатним станам фаз. Він розділив вседісперсние системина два класи: вільнодисперсні системи і суцільні (або Связнодісперсние) системи (табл. 2 і 3). У свободнодісперснихсістемах дісперснаяфаза не утворює суцільних жорстких структур (сіток, ферм або каркасів). Ці системи називаютзолямі. У суцільних (связнодісперсних) системах частинки дисперсної фази утворюють жорсткі просторові структури (сітки, каркаси, ферми). Такі системи надають сопротівленіедеформаціісдвіга. Їх називаютгелямі.
Дисперсная сістемапоклассіфікацііРебіндера позначається дробом, в якій дисперсна фаза ставиться в чисельнику, а дисперсійна середу - в знаменнику. Наприклад: Т1 / Ж2. Індекс 1 означає дисперсну фазу, а індекс 2 - дисперсійного середовища.
Колоїдна хіміяізучает властивості як тонко-, так і грубодисперсних систем; як вільно-, так і связнодісперсних систем.
Включення в одну науку такої великої кількості різноманітних систем, різних як за природою фаз, так і за розмірами частинок і агрегатному стані фаз, грунтується на тому, що всі вони мають загальні властивості - гетерогенність і принциповою термодинамічної нестійкістю. Центральне місце вколлоідной хіміізанімают ультрамікрогетерогенние системи з вільними частинками. Це - так звані, колоїдні системи.
Класифікація дисперсних систем за агрегатним станам фаз.
В основу етойклассіфікацііположено агрегатний стан фаздісперсной системи.
Поняття Агрегативна стійкості, яке вперше ввів Н.П. Пєсков, має на увазі відсутність агрегування, тобто зниження ступеня дісперсностіколлоідной сістемипрі зберіганні. Для визначення кінетичної стійкості необхідно вивчати умови виділення диспергованих частинок в гравітаційному або відцентровому полі. Швидкість подібного виділення залежить від інтенсивності броунівського руху частинок, тобто від ступеня дисперсності системи і різниці щільності дисперсійного середовища і дисперсної фази, а також отвязкостісреди.
1. Системи з рідкою поверхнею розділу фаз
2. Системи з твердою поверхнею розділу фаз
Г1 / Т2 - пористі тіла, натуральні волокна, пемза, губка, деревні угліЖ1 / Т2 - волога в гранітеТ1 / Т2 - взаємопроникні сеткіполімеров
Якщо хочуть визначити Агрегативна стійкість системи, то досліджують умови сталості (або навпаки - мінливості) ступеня дисперсності системи. Одне з найбільш різких і характерних отлічійколлоідной сістемикак від істінногораствора, так і від грубодисперсних систем полягає в тому, що їх ступінь дисперсності є надзвичайно мінливою величиною і може змінюватися в залежності від найрізноманітніших причин.
В основі етойклассіфікаціілежіт агрегатний стан поверхні розділу фаз.
На підставі викладеного вишедадімопределеніеколлоідним системам.
Колоїдними системами називають двох-або багатофазні системи, в яких одна фаза знаходиться у вигляді окремих дрібних частинок, розподілених в іншій фазі. Такі ультрамікрогетерогенние системи з певною (колоїдної) дисперсністю виявляють здатність до інтенсивного броунівському русі і мають високу кінетичної стійкістю.
Маючи високорозвинену поверхню розділу фаз і, отже, величезний надлишок свободнойповерхностной енергії, ці системи є принципово термодинамічно нестійкими, що виражається в агрегації частинок, тобто у відсутності Агрегативна стійкості. Однак цими властивостями не вичерпуються всі особливості, коториміколлоідние сістемиотлічаются від інших систем. Так, наприклад, на перший погляд здається незрозумілим, чому колоїдні частинки, здійснюючи енергійні рухи і стикаючись між собою, не завжди злипаються в більші агрегати і не випадають в осад, як цього слід було б очікувати на підставі другого законатермодінамікі, так як при цьому зменшувалася б загальна поверхню, а з нею і вільна енергія.
Виявляється, у багатьох випадках стійкість таких систем пов'язана з наявністю слоястабілізаторана поверхні колоїдних частинок. Таким чином, необхідною умовою створення устойчівихколлоідних сістемявляется присутність третього компоненту -стабілізатора.Стабілізатораміколлоідних сістеммогут битьелектролітиілі деякі другіевещества, що не мають електролітний природи, напрімервисокомолекулярние з'єднання (ВМС) або поверхнево-актівниевещества (ПАР). Механізм стабілізацііелектролітаміі неелектролітами істотно різний.
Вліяніеелектролітовна устойчівостьколлоідних сістемносіт складний характер. В одних випадках нічтожниедобавкіелектролітаспособни привести до порушення стійкості системи. В інших - введеніеелектролітаспособствует збільшення стабільності.
Освіта адсорбційних шарів такіхстабілізаторов, як ПАР, набуває особливо великого значення при наявності двовимірних структур, що володіють підвищеними структурно-механічними властивостями. У багатьох випадках стабілізація досягається при покритті монослоем всього 40-60% поверхні колоїдних частинок, коли захисний шар має переривчастий характер (у формі острівців). Максимальна стійкість досягається, природно, при утворенні повністю насищенногомономолекулярного шару. Структурно-механічні властивості адсорбційних шарів значною мірою визначають поведеніеколлоідних систем. Ці шари можуть бути утворені або змінені невеликими кількостями будь-яких раствореннихвеществ, тому створюється можливість регулювання ряду свойствколлоідних систем, що широко використовується в різних практичних додатках.
Колоїдні системи, що складаються з частинок діспергірованноговещества, здатних вільно переміщатися в рідкому дисперсійному середовищі спільно з адсорбованими на їх поверхностімолекуламіілііонамітретьего компонента (стабілізатора), називають ліозолі, а самі частинки, що володіють складною будовою -міцелламі.
За характером взаємодії колоїдних частинок з дисперсійним середовищем ліозолі можуть бути розділені на ліофільні і ліофобних. Вперше етаклассіфікаціябила запропонована німецьким вченим-коллоідніком Фрейндліхом. Він розділив всі системи на два класи - ліофільні і ліофобних. Відповідно до уявлень, розвиненими Фрейндліхом, ліофобность називають системи, частинки дисперсної фази яких не взаємодіють з дисперсійним середовищем, що не сольватіруются і не розчиняються в ній. Ліофільние- це системи, частинки дисперсної фази яких інтенсивно взаємодіють з дисперсійної середовищем.
До ліофобних систем относятсязолідрагоценнихметаллов, золіметаллоідов (сірки, селену, телуру), дісперсііполімероввводе (наприклад, полістиролу, фторолону), золісульфідовмишьяка, сурми, кадмію, ртуті, золігідроксідов заліза, алюмініяі т.д. Ці системи характеризуються, так званої, кінетичної стійкістю і агрегативной нестійкістю і вимагають стабілізації. До ліофільнимколлоідним сістемамФрейндліх отнесраствори, що утворюються прірастворенііпріродних або синтетичних ВМС. Таковирастворибелков, крохмалю, пектинів, камеді, ефірів целлюлозиі різноманітних смол, як природних так і синтетичних.
Таким чином, раствориВМС розглядалися раніше як ліофільниеколлоідние системи. Вони вважалися двухфазнимідісперснимі сістемами таким чином сущностьклассіфікацііФрейндліха зводилася до молекулярних взаємодій між дисперсної фазою і дисперсійним середовищем. Саме на цій підставі проводилося розділення на ліофільні і ліофобні системи. Ліофільні системи вважалися двох-або багатофазних, термодинамічно нестійкими, неподчіняющімісяправілу фаз Гіббса. Але таке уявлення виявилося неправильним. Насправді в даний час достовірно встановлено, чтораствориВМС - це істінниераствори, тобто однофазні системи, гомогенні, термодинамічно стійкі і подчіняющіесяправілу фаз Гіббса. Вважалося, що оборотність - це характерна властивість ліофільнихколлоідних систем, але це не так, тому що вданномслучаераствориВМС НЕ являютсядісперснимі системами.
У зв'язку з цим академік В.А. Каргін ще в 1948 р звернув увагу на те, чтоклассіфікаціяФрейндліха абсолютно невірна і навіть більш того - шкідлива.
Щоб не міняти сенсу цих термінів, П.А. Ребиндер запропонував оформити поняття ліофільні і ліофобниеколлоідние системи. Дисперсні багато-або двофазні системи він розділив на два класи, виходячи з величини питомої межфазовой енергії (поверхневого натягу).
До ліофобних систем були отнесенидісперсние сістемис досить високим межфазовие натягом (s12), великим деякого граничного значення sm:
Ці системи характеризуються великою межфазовой вільної енергією, тому межа розділу фаз виражена різко: система є агрегативно нестійкою і вимагає введеніястабілізатора. Дисперсність таких систем є довільною.
Ліофільні системи - це двухфазниеколлоідние сістемис низькою, хоча і позитивної межфазовой вільної енергією, меншою або рівною граничному значенню,
Це системи з дуже малою межфазовой енергією, вони термодинамічно стійкі і утворюються мимовільно. Дисперсність їх цілком певна і знаходиться в колоїдної області.
Той факт, чтодісперсние сістемиклассіфіціруются за величиною свободнойповерхностной енергііпоказивает, що колоїдні явища тісно пов'язані з властивостями поверхні розділу фаз.
До ліофільним системам відносять:
1) так звані крітіческіеемульсіі, що утворюються в результаті сніженіяповерхностного натяженіяпрі нагріванні дотемператури, близькою ктемпературенеограніченногосмешенія, або в результаті додавання дуже великих кількостей ПАР;
2) ассоціатівниеколлоідние системи, утворені в водної средевеществамітіпамил, деяких барвників і дубителів, а в неводному середовищі деякими ПАР. Такіевеществав разбавленнихрастворахнаходятся в молекулярному стані, при увеліченііконцентрацііпроісходіт агрегаціямолекулс освітою частинок колоїдного розміру, тобто образуютсяміцелли.Концентраціювеществаврастворе, при якій відбувається перехід від істінногорастворак колоїдному, прийнято називати крітіческойконцентраціейміцеллообразованія (ККП).
Классіфікаціюдісперсних сістемможно проводітьпо питомої поверхні іпорістостідісперсной фази.
У тих процесах, в яких беруть участь дві дотичні фази, велике значення мають властивості поверхні розділу, або прикордонного шару, що відокремлює одну фазу від другой.Молекули, складові такі шари, мають особливі властивості. Якщо розглядати монолітну фазу, то чісломмолекул, що утворюють поверхневий шар, можна знехтувати в порівнянні з величезним колічествоммолекулв обсязі тіла. Можна вважати, що запас енергії системи пропорційний масі, що міститься в обсязі тіла.
Пріізмельченіісплошного тіла чісломолекулв поверхневому шарі зростає і досягає максимального значення в колоїдно-дисперсних системах. Тому процеси, що протікають вдісперсних системах, обумовлені властивостями поверхневих шарів на межі поділу. Образованіепен, емульсій, туманів, процессифлотаціі, смачіваніяідіспергірованія, сорбційна техніка і багато-багато інших засновані на властивостях міжфазових поверхонь вдісперсних системах.
Питомою поверхнею називають відношення поверхні тіла до його об'єму або масі:
Ауд = А / V або Ауд = А / Vr. (3)
де Ауд, А - питома і сумарна поверхню, відповідно; r - плотностьвещества, V - об'єм тіла.
Для кубічних частинок
Ауд = 6a2 / а3r = 6 / ar (м2 / кг). (4)
Сферичний
Якщо взяти кубіквещества, три його сторони розділити на 10 частин і провести площині в трьох напрямках, то отримаємо більш дрібні кубики. Такий процес можна розглядати какмоделірованіепроцессадіспергірованія. Зміна питомої поверхні в процесседіспергірованіяпоказано в табл. 4.
Залежність питомої поверхні від дисперсності
Довжина сторони куба а, см