Признаки объектов коллоидной химии

Признаки объектов коллоидной химии

    Основными признаками объектов коллоидной химии является дисперсность, заключающаяся вналичии частиц с определенными размерами, и присутствие двух или более фаз, то есть гетерогенность. Гетерогенность и дисперсность как признаки коллоидных систем были выделены одним изосновоположников отечественной коллоидной химии Н. И. Песковым еще в начале 30-х годов XX столетия. В подобных двухфазных или многофазных системах одна из фаз находится в дисперсном состоянии, а системы в общем случае называются дисперсными. Дисперсные системы состоят как минимум из двух фаз. Одна из них является сплошной и называется дисперсионной средой, другая — раздроблена и распределена в первой. Ее называют дисперсной фазой.   Дисперсность — важнейший признак объектов коллоидной химии. Она придает новые свойства не только отдельным элементам дисперсной системы, но пвсей дисперсной системе. С ростом дисперсностиувеличивается роль поверхностных явлений в системе, т. е. более сильно проявляется специфика гетерогенных дисперсных (коллоидных) систем. Одиако ссли гетерогенность является универсальным признаком, так как любая многофазная система в принципе может быть объектом коллоидной хпмии (иаиример, ее межфазная поверхность), то одиа только дисперсность без гетерогенности не может определить принадлежностьконкретного объекта к коллоидной химии. Например,истинные растворы представляют дисперсиюрастворенного вещества в растворителе, но коллоидной системой не являются. Н. П. Песков в том же учебнике пишет ...в понятии дисперсности не заключается ничего, что указывало бы на гомогенность или гетерогенностьданной системы... и еще ...одна степень дисперсности не может считаться исчерпывающей характеристикой коллоидного состояния, одним из самых важныхпризнаков коллоидности является многофазность системы, то есть существование в ней физических плоскостей раздела... . Эту плоскость раздела Н. П. Песков называл коллоидной поверхностью  Обсуждая два основных признака объектов коллоидной химии, необходимо обратить внимание на то, что дисперсность является чисто количественным параметром, указывающим на степень раздробленности, размер межфазной иоверхности гетерогенность же в первую очередь указывает на качественную характеристику объектов, что более важно дляотличительных особенностей объектов той или иной науки. Безусловно, изменение дисперсности —количественной характеристики — может приводить к изменению многих качественных характеристик, о которых будет идти речь в последующих разделах курса. Объекты коллоидной химии качественно отличаются отобъектов других наук гетерогенностью, наличиеммежфазной поверхности. Дисперсность определяет количество этой иоверхности. Если существует гетерогенность, то существует и дисперсность, которая может быть большой, а может быть н малой, но в любом случае объект может принадлежать коллоидной химии. Все тела имеют поверхность, происходящие процессы на которой рассматриваются в коллоидной химии. В этом состоит всеобъемлющий фундаментальный и общенаучный характер данной науки. Дисперсность — важнейший признак объектов коллоидной. химии. Она придает новые свойства не только отдельным элементам дисперсной системы, но ивсей дисперсной системе. С ростом дисперсностиповышается роль поверхностных явлений в системе, так как увеличивается доля повер.хностны.х молекул и соответственно доля вещества в коллоидном состоянии(увеличивается удельная поверхность), т. е. более сильно проявляется специфика гетерогенных дисперсныхсистем. Однако если гетерогенность является универсальным признаком, так как объектом коллоидной химии в принципе может быть любаямногофазная система (например, ее межфазная поверхность), то одна только дисперсность без гетерогенности не может определить принадлежностью конкретного объекта к коллоидной. химии.

КЛАССИФИКАЦИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ ЯВЛЕНИЙ

Поверхностные явления удобно классифицировать в соответствии с объединенным уравнением первого и второго’начал термодинамики, в которое входят основные виды энергии. Для любой гетерогенной системы его можно записать в следующей форме:

Где О — энергия Гиббса; 5—энтропия; Т — температура; V — объем; р — давление; а — поверхностное натяжение; .s — — площадь поверхности; ii — химический потенциал компонента I; л,—число молей компонента {; <р — электрический потенциал; Q — количество электричества.

 

Уравнение (1.2) выражает приращение энергии Гиббса системы через алгебраическую сумму приращений других видов энергии. Стрелки указывают на пять возможных процессов превращения поверхностной энергии: а) в энергию Гиббса; б) в теплоту; в) в химическую энергию; г) в механическую энергию, д) в электрическую энергию. Превращение поверхностной энергии в один из представленных видов энергии отвечает определенным поверхностным явлениям, таким как изменение реакционной способности с изменением дисперсности, адгезия и смачивание, капиллярность, адсорбция, электрические явления.

Классификация по дисперсности

 

Зависимость величины удельной поверхности от дисперсности Sуд = f(d) графически выражается равносторонней гиперболой (рис.). 
 
Из графика видно, что с уменьшением поперечных размеров частиц величина удельной поверхности существенно возрастает. Если кубик с размером ребра 1 см измельчить до кубических частиц с размерами d = 10-6 см, величина общей межфазной поверхности возрастет с 6 см2 до 600 м2. 
 
При d ≤ 10-7 см гипербола обрывается, так как частицы уменьшаются до размеров отдельных молекул, и гетерогенная система становится гомогенной, в которой межфазная поверхность отсутствует. По степени дисперсности дисперсные системы делятся на:

• грубодисперсные системы, d ≥ 10-3 см;

• микрогетерогенные системы, 10-5 ≤ d ≤ 10-3 см;

• коллоидно-дисперсные системы или коллоидные растворы, 10-7 ≤ d ≤ 10-5 см;

• истинные растворы, d ≤ 10-7 см.

Необходимо подчеркнуть, что самую большую удельную поверхность имеют частицы дисперсной фазы в коллоидных растворах. 
 
 

Классификация по агрегатному состоянию фаз

 

Классификация по агрегатному состоянию фаз была предложена Вольфгангом Оствальдом. В принципе возможно 9 комбинаций. Представим их в виде таблицы. 
 

Агрегатное состояние дисперсной фазы	Агрегатное состояние дисперсной среды	Условное обозначения	Название системы	Примеры
г	г	г/г	аэрозоли	атмосфера Земли
ж	г	ж/г		туман, слоистые облака
тв	г	тв/г		дымы, пыли, перистые облака
г	ж	г/ж	газовые эмульсии, пены	газированная вода, мыльная пена, лечебный кислородный коктейль, пивная пена
ж	ж	ж/ж	эмульсии	молоко, масло сливочное, маргарин, кремы и т. д.
тв	ж	тв/ж	лиозоли, суспензии	лиофобные коллоидные растворы, суспензии, пасты, краски ит. д.
г	тв	г/тв	твердые пены	пемза, твердые пены, пенопласт, активированный уголь, пенобетон, хлеб, пористые тела в газе ит. д.
ж	тв	ж/тв	твердые эмульсии	вода в парафине, природпые минералы с жидкими включениями, пористые тела в жидкости
тв	тв	тв/тв	твердые золи	сталь, чугун, цветные стекла, драгоценные камни: золь Аи в стекле — рубиновое стекло (0,0001%) (1т стекла — 1г Au)

 

 
 
 

Классификация по взаимодействию дисперсной фазы и дисперсной среды (по межфазному взаимодействию).

 

Эта классификация пригодна только для систем с жидкой дисперсионной средой. Г. Фрейндлих предложил подразделить дисперсных систем на два вида:

1. лиофобные, в них дисперсная фаза не способна взаимодействовать с дисперсионной средой, а следовательно, и растворяться в ней, к ним относятся коллоидные растворы, микрогетерогенные системы;

2. лиофильные, в них дисперсная фаза взаимодействует с дисперсионной средой и при определенных условиях способна в ней растворяться, к ним относятся растворы коллоидных ПАВ и растворы ВМС.

 

  
 

Классификация по межчастичному взаимодействию

 

Согласно этой классификации дисперсные системы подразделяют на:

• свободнодисперсные (бесструктурные);

• связнодисперсные (структурированные).

В свободнодисперсных системах частицы дисперсной фазы не связаны друг с другом и способны независимо передвигаться в дисперсионной среде. 
 
В связнодисперсных системах частицы дисперсной фазы связаны друг с другом за счет межмолекулярных сил, образуя в дисперсионной среде своеобразные пространственные сетки или каркасы (структуры). Частицы, образующие структуру, не способны к взаимному перемещению и могут совершать только колебательные движения.