Е.Д. Щукин, А.В. Перцов, Е.А. Амелина - Коллоидная химия (другой скан) (1157043), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Авторы признательны за конкретные рекомендации В.Н. Измайловой, Н.М. Задымовой, Н.И. Ивановой, С.М. Левачеву, Л,И. Лопатиной, В.Н. Матвеенко, В.В. Пелех, А.В. Синевой, З.Н. Скворцовой, О.А. Соболевой, В.Ю. Траскину. С благодарностью приняты замечания и пожелания, выраженные в рецензиях коллективов преподавателей кафедр коллоидной химии Санкт-Петербургского университета (зав. каф. академик А.И.

Русанов) и Московского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева (зав, каф., проф. В.В. Назаров). Аде»горы Введение Коллоидная химия — устоявшееся традиционное название науки, изучающей вещество в дисперсном состоянии, с особым вниманием к роли явлений, происходящих на поверхностях раздела фаз (СойоЫ апд Бог(асе Бс(енсе в англоязычной литературе). В других химических дисциплинах свойства вещества преимущественно рассматриваются на двух уровнях организации материи: макроскопическом (свойства гомогенных фаз) и молекулярном (строение н свойства отдельных молекул).

Между тем реальные объекты неживой и живой природы, продукты и материалы, создаваемые и используемые человеком, практически всегда находятся в дисперспом состояяии, т. е. содержат в своем составе малые частицы, тонкие пленки, мембраны, волокна с четко выраженными поверхностями раздела этих микроскопических фаз. Дисперсное состояние является, как правило, необходимым условием функционирования реальных объектов и возможности их практического использования. Коллоидная химия ставит своей целью раскрытие особенностей строения и свойств систем (и протекаюших в них процессов), связанных с их дисперсным состоянием.

Роль коллоидной химии в изучении свойств реальных сложных объектов определяет в значительной степени ее место как дисциплины, завершающей химическое образование. Дисперсными системами (или дисперсиями) называют гетерогенные, преимущественно микрогетерогенные, двух- и многофазные системы, в которых по крайней мере одна из фаз находится в дислерсном состоянии.

Одной из центральных проблем коллоидной химии является рассмотрение изменения свойств систем ло мере увеличения степени раздробленности (дисперсности) дисперсной фазы. Если форма частиц дисперсной фазы близка к изометрической, то степень раздробленности этой фазы может характеризоваться линейным размером частиц (средним радиусом г), дисперсностью.О, либо удельной поверхностью Яь Дисперсность 2) определяют как отношение суммарной поверхности раздела дисперсной фазы 1 с дисперсионной средой 2 (межфазной поверхности) 51г к суммарному объему этих частиц гг'.

2) = 51г/1ь Удельная поверхность — зто отношение суммарной поверхности к обшей массе частиц Я1 = О/р, где р — плотность вещества дисперсной фазы. Для монодисперсной системы, состоящей из сферических частиц радиусом г, имеем: Ю = 3)г; для частиц другой формы также сохраняется обратная пропорциональность дисперсности линейному размеру частиц, но с иным численным коэффициентом.

Более полное описание дисперсного состава системы основано на изучении функции распределения частиц по размерам (а для анизометричных частиц и по их форме); форма функции распределения характеризует полиднсперсность системы (см. гл. ч). Современная коллондная химия рассматривает широкий диапазон дисперсных систем от грубодисперсиых с частицами от 1 мкм и г выше и удельной поверхностью 51 < 1 м !гдо высокодисперсных, в том числе ультрамикрогетерогенных коллоидных систем ~папосистем) с частицами до 1 нм и удельными поверхностями, достигающими 1000 м /г.

Принципиальная особенность высокодисперсных систем — зто наличие высокоразвитой поверхности раздела фаз. Влияние поверхностей раздела фаз и связанных с ними поверхностных явлений на свойства дисперсных систем обусловлено существованием избыточной поверхностной энергии на этих поверхностях и с проявлением особых поверхиостных сил (см. гл. 1). Поле поверхностных сил может сохранять заметную интенсивность и на расстояниях, значительно превышающих молекулярные.

Поверхностные силы определяют строение и свойства таких специфических коллоидно-химических объектов, как тонкое пленки, в том числе биологические мембраны, от функционирования которых зависит жизнедеятельность клеток, клеточных структур и живых организмов. Управление свойствами поверхностей и действующими в них поверхностными силами может осуществляться за счет адсорбции на межфазной поверхности поверхностно-активпых веществ(ПАВ). Такие вещества, внесенные в очень малых количествах в объем фазы, самопроизвольно концентрируются на межфазной границе (см.

гл. П, П1). Изменение поверхностных сил может происходить и при введении в дисперсионную среду электролитов, что связано с адсорбцией ионов и возникновением на границе раздела фаз двойного электрического слоя (см. гл. П1. В основу кл а с с и фи ка ци и разнообразных дисперсных систем могут быть положены различные признаки. Выше было проведено разделение дисперсных систем по ди си е р с н ости на грубо-, высокодисперсные и коллоидные (наносистемы). Дисперсные системы могут быть как свободнодисперспыми, так и связподисперспыми, а также разбавленными и концентрированными.

В свободнодисперсных системах частицы обособлены и участвуют в те- пловом (броуновском) движении и диффузии. В разбавленных связнодисперсных системах частицы образуют сплошную пространственную сетку (дисперсную структуру) — возникают гели. Связнодисперсными являются и концентрированные системы. Обычно дисперсная система рассматривается как совокупность частиц дисперсной фазы и окружающей их сплошной дисперсионной среды. Вместе с тем, в связнодисперсных системах обе фазы могут быть непрерывными, пронизывая друг друга; такие системы называют биконтинуальными.

Таковы пористые твердые тела с открытой пористостью (катализаторы и сорбенты), грунты, многие породы, в том числе нефтеносные. К этим системам близки по своей структуре гели, а также студии, образующиеся в растворах высокомолекулярных соединений (ВМС), в том числе ВМС, обладающих клееподобными свойствами (отсюда само название «коллоид» вЂ” клееподобный, от греч.

жоХХа — клей). Дисперсные системы могут классифицироваться и по а г р ег а т н о м у с о с т о я н и ю дисперсной фазы и дисперсионной среды (табл. 1). Тип дисперсной системы принято обозначать двумя буквами, первая из которых относится к дисперсной фазе, а вторая — к дисперсионной среде (буквы Т, Ж, Г обозначают твердое, жидкое и газообразное состояние соответственно). Системы с жидкой дисперсионной средой— обширный класс дисперсных систем, рассмотрению которых посвящено основное содержание учебника.

Сюда относятся разнообразные системы с твердой дисперсной фазой (тип Т/Ж) — высокодисперсные золи (в случае своболнодисперсных систем) и гели (в случае связнодисперсных систем) и грубодисперсные малоконцентрированные суспензии и концентрированные пасты.

Системы с жидкой дисперсной фазой (Ж1/Ж1) — это эмульсии. Системы с газовой дисперсной фазой (Г/Ж) — газовые эмульсии (при малой концентрации дисперсной фазы) и пены. Системы с газообразной дисперсионной с р е д о й, объединяемые общим названием аэрозолей, включают дымы, пыли и порошки (системы типа Т/Г) и туманы (Ж/Г). Аэрозоли, в которых присутствуют жидкие и твердые частицы дисперсной фазы, называют смогами. Образование дисперсных систем типа Г1/Г1 с явными границами фаз невозможно, однако и в газовых смесях возникают неоднородности, обусловленные флуктуациями плотности и концентрации, что до некоторой степени роднит эти системы с дисперсными, например по характерным оптическим свойствам (см. гл.

У). 10 Системы с твердой дисперсионной средой представлены горными породами, различными конструкционными, строительными и другими материалами; большинство их могут рассматриваться как системы типа Т1/Тъ Т а б л и ц а 1. классификация дисперсных састем по агр«г»та«му состояннв ф»з Дисперсиями типа Г/Т являются разнообразные природные и искусственные пористые материалы (с закрытой пористостью), например туфы, пенопласты, пенобетоны. К системам типа Ж/Т можно (до некоторой степени условно) отнести клетки и образованные ими живые организмы.

Наряду с классификацией дисперсных систем по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды и разделением их на грубодисперсные н коллоидные, свободно- и связнодисперсные, разбавленные и концентрированные дисперсии следует провести еще одно разграничение, выделяя два принципиально различных класса дисперсных систем, отличаюшихся по природе уст о й ч и в о с т н и интенсивности межмолекулярных взаимодействий на границе раздела фаз. Для лиофильных коллоидных систем характерна высокая степень родственности дисперсной фазы и дисперсионной среды и малая интенсивность поверхностных сил на поверхности раздела фаз, чему отвечают очень низкие значения поверхностной энергии на межфазных поверхностях (см.

гл. У1). Эти коллоидные системы могут образовываться самопроизвольно из соответствующих макроскопических фаз; для них характерно термодинамически равновесное распределение частиц дисперсной фазы по размерам (а иногда и по форме), которое зависит только от состава и условий существования системы. В разнообразных лиофобных системах (коллоидно- и грубодисперсных) дисперсная фаза и дисперсионная среда менее родственны и различие граничащих фаз по химическому составу и строению проявляется в слабом межфазном взаимодействии, большой интенсивности поверхностных сил и значительном избытке энергии на межфазной поверхности.

Такие системы термодинамически неустойчивы и требуют специальной стабилизации. Наличие развитой поверхности и связанной с ней большой поверхностной энергии обусловливает необходимость затраты значительной работы на образование лиофобных дисперсных систем как путем измельчения (дислергирования) макроскопических фаз, так и при выделении (конденсации) новыхдислерсных фаз из гомогенных систем (см. гл. У1). Избыточная поверхностная энергия обусловливает повышение химической активности вещества дислерсной фазы в высокодисперсном состоянии тем большем, чем меньше размер частиц дисперсной фазы. Это проявляется в увеличении растворимости вещества дислерсной фазы в окружающей среде и повышении давления лара над малыми частицами. Повышенная химическая активность и развитая поверхность раздела между фазами определяют высокую скорость процессов взаимодействия между дислерсной фазой и дислерсионной средой — переноса массы и энергии между ними в гетерогенных химических процессах.

Характеристики

Список файлов книги