Основные определения коллоидной химии и ее предмета. Основные признаки и классификация дисперсных систем
Лекция 1. Основные определения коллоидной химии и ее предмета. Основные признаки и классификация дисперсных систем.
Основные определения коллоидной химии.
Роль коллоидных систем в материальной культуре человечества.
Значение коллоидной химии в построении технологий.
Предмет коллоидной химии.
Основные признаки дисперсных систем.
Классификация дисперсных систем (по дисперсности, агрегатному состоянию, межфазному взаимодействию).
ЛИТЕРАТУРА:
1. Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. – М.: Химия. – 1975.
Рекомендуемые материалы
2. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии (Поверхностные явления и дисперсные системы): Учебник. – М.: Химия. – 1982.
3. Балезин С.А., Ерофеев Б.В., Подобаев Н.И. Основы физической и коллоидной химии. – М.: Просвещение. – 1975.
4. Липатов Ю.С. Коллоидная химия полимеров. – К.: Наукова думка. – 1984.
5. Щукин Е.Д. и др. Коллоидная химия. – Изд-во московского университета. – 1982.
6. Фридрихсберг Д.А. Курс коллоидной химии. – Л.: Химия. – 1984.
Название «коллоидная химия» происходит от слова colla (клей) (греч.).
Очевидно потому, что первыми объектами изучения были растворы ВМС – желатины, крахмала, которые обладают клеящими свойствами.
Поверхностные явления и дисперсные системы – являются предметами коллоидной химии.
В свою очередь, коллоидная химия является разделом физической химии.
Определение коллоидной химии в редакции Ребиндера П.А. звучит следующим образом (Краткая химическая энциклопедия): «“Коллоидная химия” – раздел физической химии, в котором рассматриваются процессы образования и разрушения дисперсных систем, а также их характерные свойства, связанные в основном с поверхностными явлениями на границах раздела фаз в этих системах.»
Термин “коллоидная химия” связан с тем, что по традиции коллоидами называют высокодисперсные системы с предельно развитой поверхностью раздела фаз.
При описании этих систем вклад, определяемый поверхностными свойствами и эффектами, преобладает над вкладом объемных свойств.
Предмет коллоидной химии очень широк. Он может быть представлен как область, описывающая процессы в системах, в которых главную роль играют поверхностные явления.
Основное условие существования коллоидной частицы – наличие у нее границы раздела с дисперсионной средой.
Вместе с тем, частица должна быть образована из большого числа молекул, для того чтобы к ней можно было применять термодинамическое определение фаз.
Значение коллоидной химии
Современная коллоидная химия играет огромную роль во всей материальной культуре человечества, поскольку материальная основа современной цивилизации и самого существования человека связаны с коллоидными системами.
Учение о растворах является одним из основных в современной химии и при изучении химии растворам уделяется большое внимание
Между тем, молекулярные и ионные растворы встречаются в природе и технике реже, чем коллоидные растворы.
Все живые системы являются высокодисперсными, что делает изучение коллоидной химии необходимым для биолога. Волокна, мышечные и нервные клетки, кровь, клеточные мембраны, протоплазма, гены, вирусы – все это коллоидные образования.
Коллоидная химия важна для изучения почвы. Между коллоидно-химическим состоянием почвы и ее плодородием существует связь. Факторы коллоидной химии имеют решающее значение в процессах образования почв, их засоления, орошения, обработки, внесения удобрений.
В геологии и в геофизике процессы коллоидной химии также важны, поскольку с ними связаны все теории строения геологических структур и их генезиса.
Технологии многих промышленных производств непосредственно связаны с коллоидной химией, а науки об этих производствах практически представляют собой прикладную коллоидную химию.
Так эмульсии, суспензии, студни, пены, порошки широко используются как в пищевой, так и в текстильной промышленности.
Установление связи между этими свойствами и технологическими параметрами позволяет технологам правильно использовать исходные материалы, грамотно строить технологический процесс, разрабатывать научно обоснованные методы создания продукции с заданными свойствами.
Коллоидная химия имеет большое значение для понимания свойств пищевого сырья, для построения рациональной технологии его переработки, для объективной оценки качества получаемой продукции.
Используемое в пищевой промышленности сырье, преимущественно представляет собой коллоидные и высокомолекулярные системы.
Технологический процесс переработки такого сырья может быть понят и рационально построен в значительной степени на основе коллоидной химии.
Контроль качества продукции – важнейшее звено каждого производства. Коллоидная химия позволяет разработать эффективную систему технологического контроля.
Таким образом, знание основ коллоидной химии очень важно для технологов работающих в различных областях промышленности.
Следует отметить большое значение коллоидной химии для защиты окружающей среды и очистки сточных вод.
Методы очистки водных сред от дисперсных частиц основаны на закономерностях коллоидной химии.
Основные признаки дисперсных систем
Дисперсными системами называют системы, состоящие из частиц одной фазы, распределенных в другой.
Измельчение вещества одной фазы в другой называют диспергированием.
Понятие “дисперсный” происходит от латинского “dispersus”- раздробленный.
Это может быть твердое вещество, измельченное в жидком или газообразном.
Фазу, состоящую из частиц раздробленного вещества, называют дисперсной фазой, а среду, в которой распределены частицы – дисперсионной средой.
Любая дисперсная система, независимо от агрегатного состояния вещества, состоит из дисперсной фазы и дисперсионной среды.
Одним из характерных признаков дисперсной системы является гетерогенность, которая указывает на наличие межфазной поверхности.
Дисперсные системы имеют сильно развитую межфазную поверхность.
Ко второму признаку дисперсных систем относится размер частиц или величина, ему обратная – дисперсность. Чем меньше размер частиц, тем больше дисперсность.
Таким образом, для всех дисперсных систем характерны два основных признака:
1. Дисперсность, т.е. высокая раздробленность;
2. Гетерогенность (неоднородность), система состоит
из 2-х и более фаз.
С уменьшением размера частиц при дроблении вещества увеличивается удельная поверхность, т.е. поверхность, приходящаяся на единицу объема дисперсного вещества.
Данные табл. 1.1 показывают, как изменяется удельная поверхность 1см3 вещества при дроблении его на частицы (кубики) меньшего размера.
Таблица 1.1
Изменение удельной поверхности
при дроблении 1см3 вещества
| Длина грани кубика, см | Число кубиков | Удельная поверхность, см2 |
| 1 | 1 | 6 |
| 1·10-1(1мм) | 1·103 | 60 |
| 1·10-3 | 1·109 | 6·103 |
| 1·10-5(0,1мкм) | 1·1015 | 6·105 |
| 10·10-7(1нм) | 1·1021 | 6·107 |
Благодаря высокой удельной поверхности дисперсных систем, в них наиболее сильно проявляются поверхностные явления, протекающие на границе раздела фаз и определяющие их особые свойства.
Особенно важной характеристикой коллоидной системы служит удельная поверхность дисперсной частицы: отношение поверхности частицы к ее объему.
Другими словами, основной признак коллоидной системы состоит в размерном факторе.
Однако Липатов С.М. подчеркивал, что степень дисперсности есть только один из главных признаков коллоидного состояния и многие свойства этих систем являются функцией их степени дисперсности.
Липатовым С.М. дана строгая критика подхода к коллоидным системам только на основе их дисперсности без учета совокупности признаков, характерных для коллоидного состояния.
К одному из таких признаков относятся поверхностные явления, играющие определяющую роль в свойствах дисперсных систем.
В соответствии с Воюцким, к коллоидным системам относят такие, у которых поперечный размер частицы (для сферических – диаметр, а для частиц, имеющих форму куба – ребро куба) находятся в пределах 1-100 нм (10-7-10-5 см).
Верхний предел обусловлен тем, что при дальнейшем дроблении частицы в системе будут находится уже отдельные молекулы, а не их агрегаты т.е. теряется свойство фазы.
Нижний предел дисперсности определяется снижением интенсивности теплового движения частиц с поперечным размером более 100 нм.
В курсе коллоидной химии рассматриваются обычно и более грубодисперсные системы, называемые микрогетерогенными, поскольку свойства таких систем во многом совпадают со свойствами коллоидных систем.
К микрогетерогенным системам относят порошки, эмульсии, пены и др., имеющие большое практическое значение. В этих системах решающий вклад в свойства вносят поверхностные явления.
Классификация дисперсных систем
Классификацию дисперсных систем проводят на основе различных признаков, а именно: по размеру частиц, по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды, по характеру взаимодействия частиц дисперсной фазы и дисперсионной среды.
Классификация по размеру частиц
(дисперсности)
При этой классификации используется понятие дисперсность или степень дисперсности Д – это мера раздробленности вещества.
;
где а – размер частицы (диаметр или длина ребра), м-1.
С другой стороны, для характеристики степени раздробленности служит величина удельной поверхности Sуд – отношение поверхности частицы к ее объему V или массе m:
Sуд и Д связаны между собой прямопропорциональной зависимостью:
К – коэффициент пропорциональности.
Физический смысл понятия «удельная поверхность» - это суммарная поверхность всех частиц, общий объем которых составляет 1 м3 или общая масса которых равна 1 кг.
По дисперсности системы делят на три типа:
 |  | ||
| грубодисперсные (грубые взвеси, эмульсии, порошки) | коллоидно-дисперсные (золи) | молекулярные или ионные растворы |
| размер частиц (радиус), м | ||
| 10-4 – 10-7 | 10-7 – 10-9 Основной объект изучения коллоидной химии. Здесь изучаются не ионы и молекулы, а агрегаты, состоящие из обычных молекул – мицеллы (макромолекулы) от 100 до 1 нм. кишечная палочка 3×10-6м вирус гриппа 10-7м золь золота 10-8 м | менее 10-9 Это истинные растворы – наиболее изучены. Системы равновесные, термодинамически устойчивые. |
По мере изменения размеров частиц изменяются кинетические, оптические, каталитические и другие свойства:
| не прозрачны, отражают свет; не проходят через фильтр; гетерогенны; видны в оптический микроскоп; оседают или всплывают. | прозрачны, опалесцирующие – рассеивают свет; фильтруются; гетерогенны; видны в электронный микроскоп; оседают постепенно. | прозрачны; фильтруются; гомогенны; не видны в современные микроскопы. |
Это деление условно и границы между ними приблизительные.
Дисперсные системы с частицами коллоидных размеров называют золями. Частицы в коллоидных системах распределяются по всему объему жидкости или газа.
Классификация по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды
Три агрегатных состояния (твердое, жидкое, газообразное) позволяют выделить девять типов дисперсных систем. Их обозначают дробью, числитель которой указывает на агрегатное состояние дисперсной фазы, а знаменатель – дисперсионной среды.
Таблица 1.2
Классификация дисперсных систем по
агрегатному состоянию
| Дисперсионная среда | Дисперсная фаза | Условное обозначение | Название системы и примеры |
| Твердая | Твердая Жидкая Газообразная | Т/Т Ж/Т Г/Т | Твердые гетерогенные системы: минералы, сплавы, бетон, цветные смеси, композиционные материалы. Капиллярные системы: почвы, грунты, жидкость в пористых телах, опал, жемчуг, хризокола. Пористые тела: пемза, силикагель, активные угли. |
| Жидкая | Твердая Жидкая Газообразная | Т/Ж Ж/Ж Г/Ж | Суспензии и золи: пасты, взвеси, ил, пульпа. Эмульсии: нефть, кремы, молоко. Газовые эмульсии: пены. |
| Газообразная | Твердая Жидкая Газообразная | Т/Г Ж/Г Г/Г | Аэрозоли: (пыли, дымы), порошки. Аэрозоли: туманы, облака. Коллоидные системы отсутствуют. |
Системы с газовой дисперсионной средой независимо от природы газа называют аэрозолями.
Системы с жидкой средой – лиозолями. В зависимости от природы жидкости лиозоли делят на гидрозоли, органозоли, бензозоли и т.д.
Из табл. 1.2 видно, что все дисперсные системы по кинетическим свойствам дисперсной фазы делятся на два класса: свободнодисперсные системы, в которых дисперсная фаза подвижна, и связнодисперсные системы – системы с твердой дисперсионной средой, в которой частицы дисперсной фазы не могут свободно передвигаться.
Люди также интересуются этой лекцией: Образование гептархии (семицарствия).
Классификация по степени взаимодействия дисперсной фазы с дисперсионной средой
По взаимодействию дисперсной фазы с дисперсионной средой различают системы:
- Лиофильные (если дисперсионная среда вода – гидрофильные). Системы в которых сильно выражено взаимодействие частиц дисперсной фазы с растворителем (от греческого «лио» – растворяю; «филиа» - любовь). Системы термодинамически устойчивы. Дисперсная фаза в таких средах может подвергаться самопроизвольному диспергированию. Дисперсии некоторых глин; поверхностно-активные вещества (ПАВ); растворы высокомолекулярных веществ.
- Лиофобные (гидрофобные). Дисперсная фаза слабо взаимодействует с дисперсионной средой. («лио» - растворяю; «фобиа» - ненависть). Системы термодинамически неустойчивы и требуют специальных методов стабилизации. Золи металлов, лиозоли, аэрозоли, эмульсии, пены.
Примечания:
Опал – минерал подкласса гидроксилов SiO2·nH2O, образуется при коагуляции коллоидных растворов кремнезема. При потере воды превращается в халцедон. Слоистая форма халцедона – агат.
Силикагель – микропористое тело, получается при прокаливании геля поликремниевой кислоты, состоит из SiO2.
