к списку лекций
1. Основные понятия.
2. Поверхностные явления.
3. Дисперсная система.
4. Признаки объектов коллоидной химии.
5. Классификация дисперсных систем.
Коллоидная химия - наука о поверхностных явлениях и дисперсных системах. Поверхностные явления (ПЯ) - процессы, происходящие на границе раздела фаз в межфазном поверхностном слое (ПС), возникающие в результате взаимодействия сопряженных фаз.
Каждое тело ограничено поверхностью, на которой могут развиваться поверхностные явления, поэтому объектами КХ могут быть тела любого размера. Однако, лучше всего ПЯ проявляются в телах с высокоразвитой поверхностью, в которых большая доля вещества находится в коллоидном состоянии: пленки, нити, капилляры, мелкие частицы.
Совокупность этих дисперсий вместе со средой, в которой они распределены - дисперсная система (ДС).
ДС является большинство окружающих нас реальных тел, поэтому есть основание называть коллоидную химию - физикой и химией реальных тел. Все тела, как правило, - это поликристаллические, волокнистые, слоистые, пористые, сыпучие вещества, состоящие из наполнителя и связующего и находящиеся в состоянии суспензий, паст, эмульсий, пыли. Почва, тела растительного и животного мира, облака и туманы, продукты промышленного производства (строительные материалы, металлы, полимеры, бумага, кожа, ткани) - все это дисперсные системы.
Гетерогенность - многофазность, указывает на наличие межфазной границы, т.е. поверхностного слоя.
Дисперсность (раздробленность) - определяется размерами и геометрией, тела.
Дисперсность D – величина, обратная размеру частицы а.
D= 1/a
S уд = S/V - удельная поверхность.
S - площадь межфазной поверхности, V - объем тела
Все три характеристики раздробленности связаны между собой: с уменьшением размера а увеличивается дисперсия D и удельная поверхность S уд.
Дисперсия - важнейший признак объектов коллоидной химии. Она придает новые свойства всей дисперсной системе. С ростом D повышается роль поверхностных явлений в системе, т.к. повышается доля поверхностных молекул и, соответственно, доля вещества в коллоидном состоянии, т.е. более сильно проявляется специфика гетерогенных дисперсных систем. Гетерогенность универсальный признак. Объектом коллоидной химии в принципе может был любая многофазная система, но одна только дисперсность 6ез гетерогенности не может определить принадлежность конкретного объекта к коллоидной химии Например, истинный раствор - это дисперсия молекулярно растворенного вещества в растворителе, но он не обладает свойством многофазности., внутренней гетерогенности. Поверхность - макроскопическое свойство, поэтому ею не могут обладать отдельные молекулы или ионы. Однако, истинный раствор определенного объема имеет внешнюю поверхность (на границе с воздухом или твердым телом). И, если рассматривать свойства межфазного поверхностного слоя, то система в совокупности - объект коллоидной химии.
Дисперсность - количественный параметр.
Гетерогенность - качественная характеристика.
Объекты коллоидной химии качественно отличаются от объектов других наук гетерогенностью. Дисперсность определяет количество этой поверхности,
Объекты коллоидной химии можно охарактеризовать определенным видом энергии.
- поверхностное натяжение, S - площадь поверхности.
Поверхностные явления удобно классифицировать в соответствии с объединенным уравнением первого и второго начал термодинамики, записанного для гетерогенной системы.
dG=-SdT+Vdp+ dS+ådni + dq (1.1)
G - энергия Гиббса, S - энтропия, Т - температура, V - объем, р - давление, - поверхностное натяжение, S - площадь поверхности, - химическиq потенциал i - го компонента, n- число молей i - го компонента, - электрический потенциал, q - количество вещества.
Возможны пять процессов превращения поверхностной энергии:
а) в энергию Гиббса;
б) в теплоту;
в) в химическую энергию;
г) в механическую энергию;
д) в электрическую.
Дисперсные системы состоят как минимум из двух фаз: дисперсной среды - (сплошная) и дисперсной фазы (раздроблена в первой).
Дисперсионная среда
Дисперсионная фаза
Условное обозначение
Название системы и примеры
Твердая
Т/Т
тв. гетерогенные системы: сплавы, бетон
Жидкая
Ж/Т
Капиллярные системы: жидкость в пористых телах, почвы, грунты
Газообразная
Г/Т
Пористые тела: адсорбенты и катализаторы в газах
Т/Ж
Суспензии и золи: извести, пасты, илы
Ж/Ж
Эмульсии: нефть, кремы, молоко
Г/Ж
Газовые эмульсии и пены: флотационные, противопожарные, мыльные пены
Т/Г
Аэрозоли: дымы, порошки
Ж/Г
Аэрозоли: туманы, облака
Г/Г
Не образуется
1. Свободнодисперсные – дисперсная фаза подвижна.
2. Связнодисперсные – частицы дисперсной фазы связаны между собой.
Свободнодисперсные:
1) ультрамикрогетерогенные: 10 -7см. а 10 -5см. (от 1 до 100 мкм) – истинно-коллоидные – (т/т);
2) микрогетерогенные: 10 -5см. а 10 -3см. (от 0,1 до 10 мкм) т/ж, ж/ж, г/ж, т/г.
3) грубодисперсные: а > 10 -3см; т/г.
Связнодисперсные системы:
1) микропористые: поры до 2 мм;
2) переходнопористые: от 2 до 200 мм;
3) макропористые: выше 200 мм.
Общенаучный характер коллоидной химии определяется большой распространенностью объектов и явлений, изучаемых этой наукой.
Она охватывает все области знаний, которым приходится иметь дело с материалами и веществами, служит основанием для более углубленного представления о сущности многих явлений, для развития и совершенствования науки и различных производственных процессов. Практически все вещества и материалы - объекты коллоидной химии. Поэтому есть все основания говорить об универсальности гетерогенно - дисперсного состояния. Такое состояние можно рассматривать как ступень в строении материалов, следующих за атомами и молекулами, которые группируются в агрегаты, образуя дисперсные системы, которые, в свою очередь, создают структуру тела.
Представления коллоидной химии используются в астрономии, метеорологии, почвоведении, биологии, агрономии, металловедении и др. областях. Коллоидно-химические методы применяются в пищевой, кожевенной текстильной, фармацевтической, нефтедобывающей, металлургической коксохимической промышленностях, в производстве искусственного волокна. пластмасс, взрывчатых веществ, строительных материалов, мыловарении.
Коллоидные явления широко распространены в химической технологии измельчение сырья, флотация, сгущение, фильтрация, конденсация брикетирование и т.д. - все эти процессы протекают в дисперсных системах и в них большую роль играют такие явления как смачивание, капиллярности адсорбция, коагуляция.