Микрогетерогенные системы: аэрозоли

Третья  группа: медицинские аэрозоли.

Четвертая группа: технические аэрозоли.

• Смазочные  масла.

• Антикоррозионные покрытия.

• Защитные пленки. « Сухие смазки.

•Эмульсии для  охлаждения резцов на сверлильных станках.

Пятая группа: пищевые аэрозоли. 
 

Глава I.  Свойства аэрозолей

Размеры частиц аэрозоля 

Минимальный размер частиц определен возможностью существования  вещества в агрегатном состоянии. Так, одна молекула воды не может образовать ни газа, ни жидкости, ни твердого тела. Для образования фазы необходимы агрегаты по крайней мере из 20-30 молекул. Самая маленькая частица твердого вещества или жидкости не может иметь  размер меньше 1 • 10-3 мкм. Чтобы рассматривать  газ как непрерывную среду, необходимо, чтобы размеры частиц были гораздо  больше, чем свободный пробег молекул  газа. Верхний предел размеров частиц строго не определен, но частицы крупнее 100 мкм не способны длительное время  оставаться взвешенными в воздухе. 

Молекулярно-кинетические свойства аэрозолей 

Особенности молекулярно-кинетических свойств аэрозолей обусловлены:

• малой концентрацией  частиц дисперсной фазы — так, если в 1 см3 гидрозоля золота содержится 1016 частиц, то в таком же объеме аэрозоля золота менее 107 частиц;

• малой вязкостью  дисперсионной среды — воздуха, следовательно, малым коэффициентом  трения (В), возникающего при движении частиц;

• малой плотностью дисперсионной среды, следовательно  ρчаст » ρгаза.

Все это приводит к тому, что движение частиц в  аэрозолях происходит значительно  интенсивнее, чем в лиозолях.

Рассмотрим самый  простой случай, когда аэрозоль находится  в закрытом сосуде (т. е. исключены  внешние потоки воздуха) и частички имеют сферическую форму радиусом г и плотность р. На такую частицу  одновременно действуют сила тяжести, направленная вертикально вниз, и  сила трения прямо противоположного направления. Кроме того, частица  находится в броуновском движении, следствием которого является диффузия.

Для количественной оценки процессов диффузии и седиментации в аэрозолях можно использовать значения

удельного потока диффузии iдиф и

удельного потока седиментации iсед..

Чтобы выяснить, какой поток будет преобладать, рассматривают их соотношение:

В этом выражении (р - р0) » 0. Следовательно, величина дроби  будет определяться размером частиц.

Если r > 1 мкм, то iсед » iдиф, т. е. диффузией можно пренебречь — идет быстрая седиментация и частицы оседают на дно сосуда.

Если r < 0,01 мкм, то iсед « iдиф. В этом случае можно пренебречь седиментацией — идет интенсивная диффузия, в результате которой частицы достигают стенок сосуда и прилипают к ним. Если же частицы сталкиваются между собой, то они слипаются, что приводит к их укрупнению и уменьшению концентрации.

Таким образом, из аэрозоля быстро исчезают как очень  мелкие, так и очень крупные  частицы: первые вследствие прилипания к стенкам или слипания, вторые — в результате оседания на дно. Частицы промежуточных размеров обладают максимальной устойчивостью. Поэтому, как бы ни велика была численная  концентрация частиц в момент образования  аэрозоля, уже через несколько  секунд она не превышает 10 3 част/см3. 

Электрические свойства аэрозолей 

Электрические свойства частиц аэрозоля значительно  отличаются от электрических свойств  частиц в лиозоле.

1. На частицах аэрозоля не возникает ДЭС, так как из-за низкой диэлектрической проницаемости газовой среды в ней практически не происходит электролитическая диссоциация.

2. Заряд на частицах возникает, главным образом, за счет неизбирательной адсорбции ионов, которые образуются в газовой фазе в результате ионизации газа космическими, ультрафиолетовыми или радиоактивными лучами.

3. Заряд частиц носит случайный характер, и для частиц одной природы и одинакового размера может быть различным как по величине, так и по знаку.

4. Заряд частицы изменяется во времени как по величине, так и по знаку.

5. В отсутствие специфической адсорбции заряды частиц очень малы и обычно превышают элементарный электрический заряд не более, чем в 10 раз.

6. Специфическая адсорбция характерна для аэрозолей, частицы которых образованы сильно полярным веществом, так как в этом случае на межфазной поверхности возникает достаточно большой скачок потенциала, обусловленный поверхностной ориентацией молекул. Например, на межфазной поверхности аэрозолей воды или снега существует положительный электрический потенциал порядка 250 мВ.

Из практики известно, что частицы аэрозолей  металлов и их оксидов обычно несут  отрицательный заряд (Zn, ZnO, MgO, Fe203), а частицы аэрозолей неметаллов и их оксидов (SiO2, P2O5) заряжены положительно. Положительно заряжены частицы NaCl, крахмала, а частицы муки несут отрицательные заряды. 

     Агрегативная устойчивость. Коагуляция 

     В отличие от остальных дисперсных систем в аэрозолях отсутствует  всякое взаимодействие между поверхностью частиц и газовой средой, а значит, отсутствуют силы, препятствующие сцеплению частиц между собой и с макроскопическими телами при соударении. Таким образом, аэрозоли являются агрегативно неустойчивыми системами. Коагуляция в них происходит по типу быстрой коагуляции, т. е. каждое столкновение частиц приводит к их слипанию.

     Скорость  коагуляции быстро возрастает с увеличением  численной концентрации аэрозоля.

     Независимо  от начальной концентрации аэрозоля через несколько минут в 1 см³ находится 10⁸-10⁶ частиц (для сравнения — в лиозолях ~ 10¹⁵ частиц). Таким образом, мы имеем дело с весьма сильно разбавленными системами. 
 

 
 
 
 
 
 
 

Заключение 

Типы дисперсных систем, различающихся природой дисперсной фазы и дисперсионной среды:

суспензии (Т/Ж), эмульсии (Ж/Ж), пены (Г/Ж), аэрозоли (Ж/Г, Т/Г), порошки (Т/Г). Эти системы имеют  много общего:

• частицы дисперсной фазы имеют размеры от 1 мкм и  выше, т. е. указанные системы занимают промежуточное положение между  коллоидными растворами и макросистемами;

• образование  всех указанных систем возможно двумя  путями: диспергационным и конденсационным;

• все указанные  системы характеризуются наличием большой межфазной поверхности (до 1 м2/г), что обусловливает их термодинамическую  неустойчивость — стремление к укрупнению частиц дисперсной фазы; различают  седиментационную и агрегативную устойчивость;

• агрегативная устойчивость и длительное существование дисперсных систем с сохранением их свойств обеспечивается введением стабилизаторов: низкомолекулярных электролитов, ПАВ, полимеров.

В зависимости  от природы стабилизатора реализуются  несколько факторов устойчивости:

• электростатический;

• адсорбционно-сольватный;

• структурно-механический;

• энтропийный;

• гидродинамический.

Наряду с общими свойствами каждая из дисперсных систем имеет свои особенности, которые  были рассмотрены выше. 
 
 
 
 

     Литература 

1. Химический  энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия, 1983
2. Левченков С.И. - Лекции по физической и коллоидной химии – М.: Просвещение, 2000
3. Равич-Щербо М.И. Физическая химия. – М.: Эксмо, 1999
4. Агафонова Е.И. Практикум по физической и коллоидной химии. М.: Новая книга, 2001
5. Петрянов И.В. Вездесущие аэрозоли. – М. Педагогика, 1996
6. Фукс Н.А.. Фукс Н.А. Механика аэрозолей. – М.: Эксмо, 2009
7. Перельман Я.Я. Анализ лекарственных форм. Практическое руководство. М.:Медгиз, 2003
8. Воюцкий А.А. Курс коллоидной химии. М.:Медкнига, 2000
9. Лисичкин Н.В. Химия привитых поверхностных соединений. – М.:Новая книга, 2003
10. Эткинс П., Дж. де Паула Физическая химия. В 3 частях. – М.: Мир, 2007
11. Барановский В.И. Квантовая механика и квантовая химия. – М.:Промиздат, 2007
12. Салем Р.Р. Физическая химия. Начала теоретической электрохимии. – М.:Мир, 2010
13. Гросберг А.Ю., Хохлов А.Р. Полимеры и биополимеры с точки зрения физики. – М.:Мир, 2008
14. Елисеев А.А., Лукашин А.В. Функциональные наноматериалы. – М. Просвещение, 2010
15. Егоров-Тисменко Ю.К. Кристаллография и кристаллохимия. – М.: Мир, 2006
16. Кнотько А.В., Пресняков И.А., Третьяков Ю.Д. Химия твердого тела. – М. Просвещение, 2008