Э.Т. Брук, В.Е. Фертман - «Ёж» в стакане. Магнитные материалы - от твердого тела к жидкости (1163240), страница 16
Текст из файла (страница 16)
Причин для беспокойства в этом случае нет! Атмосферное давление, действующее на топливо, и вес столба жидкости протолкнут образовавшийся пузырь, и насос снова начнет за- ХВИТЫВИТЬ ТОПЛИВО, НИПРИВЛЯЯ ЕГО В ДВИГИТЕЛЬ. В космическом аппарате в состоянии невесомости все обстоит не так просто. Жидкость и пар в невесомости <весят» одинаково, и паровой пузырь, попав в насос, преградит путь топливу. Нетрудно представить, чем это грозит в космосе, где этапы маневрирования аппарата рассчитаны с точностью до долей секунды. Первая мысль, которая приходит в голову при обдумывании этой проблемы, такова: нельзя ли воздействовать на жидкость другой силой, не связанной с массой, например магнитной силой, втягивающей намагничивавщееся вещество в область сильных полей.
120 Идея неплоха, но, как известно, жидкие фер. ромагнетики, да еще такие, которые могут служить ракетным топливом, пока в природе не обнаружены. Все известные жидкости обладавт чрезвычайно слабыми магнитными свойствами. Даже аномально сильный пара- магнетик — жидкий кислород — имеет объемную восприимчивость Хо,= 3 10 ' при 90 К. Это очень мало по сравнению с начальной Объемной Восприимчивостью даже такого слабого магнетика, как феррит железа (магнетит), Хг~.о.=69. Как же придать топливу магнитные свойства? Нашелся изобретательный человек, американский исследователь Стефан Пейпелл, который предложил «насыпать» мелкие частицы твердого магнитного материала в топливо, чтобы можно было действовать на него магнитным полем.
Ясно, что смесь не должна была расслаиВаться В магнитном полю, иначе частицы притянутся к магниту, а топливо останется в баке. Поэтому Пейпелл дробил частицы до коллоидных размеров. КАК ГОТОВЯТ МАЙОНЕЗ Чтобы разобраться в мотивах, побудивших Пейпелла выдвинуть свою идею, поговорим о коллоидном состоянии вещества. Свойствами совы силы в конечном счете объясняются взаимодействием электрических зарядов. Действительно, некоторые вещества состоят из молекул, конфигурация которых такова, что положительный заряд ядер и отрицательный заряд электронов разделены в пространстве. В этом нет противоречия с известным положени- ем об электрической о нейтральности молекул, так как сумма положи- н + тельных зарядов равна Н+ суммарному отрица- тельному заряду, но в 105' одной части молекулы преобладают положикулы вод„.
Р тельные заряды, а в другой — отрицательные. Примером может служить молекула воды (рис. )7). Введем определение: два равных разноименных заряда, разделенных некоторым расстоянием, образуют электрический диполь. Такие молекулы называются диппльиыми (полярными) и характеризуются диппльиим электрическим моментом (произведением величины заряда на расстояние между ними). Нетрудно представить, как такие молекулы ориентируются друг относительно друга при взаимном сближении: разноименные заряды стремятся соединиться — молекулы притягиваются.
А как обстоит дело с неполярными молекуламк, электрические заряды в которых расположены симметрично7 Для них необходим некоторый возбудитель в виде полярной молекулы или иона, в присутствии которых появляется дипольный момент и у неполярных молекул. 123 После этого они взаимодействуют, как полярные. Есть, однако, еще один механизм молекулярного притяжения, влияние которого обычно превышает влияние двух упомянутых. Он имеет место как в полярных, так и в неполярных молекулах и связан с относительным смещением ядер и электронов молекулы во времени, что приводит к возникновению периодически изменяющегося диполя. При сближении молекул мгновенный диполь в одной из них индуцирует диполь в другой, а взаимодействие между ними и заставляет молекулы притягиваться. Вернемся теперь из микромира к жидкостям типа майонеза.
Коллоидные частицы, в результате теплового движения приблизившиеся друг к другу на расстояние порядка двух радиусов (до соприкосновения поверхностей), будут испытывать очень большие силы притяжения. Расчеты показывают, что для сфер одинакового размера энергия притяжения равняется энергии теплового движения при комнатных температурах, когда их поверхности находятся на расстоянии порядка радиуса этих сфер, не ближе.
На меньших расстояниях несколько частиц будет слипаться (агрегировать) . Когда размер агрегатов превысит максимальный размер частиц, при котором тепловое движение в состоянии противодействовать оседанию коллоидных частиц, произойдет выпадение твердой фазы из раствора (весь этот процесс называется коагуляцией). Чтобы кар- ТИНИ бЫЛЗ ПОЛНОЙ, НЗДО УПОМЯНУТЬ ВШЕ О СИЛИХ отталкивания, действующих между микро- частицами на очень малых расстояниях.
Они тоже имеют электрическую природу и объяс- 124 няются довольно просто: на расстояниях между центрами молекул порядка О,! Им внешние электронные оболочки молекул начинают перекрываться, и преобладающими становятся силы кулоновского Отталкивания. Оказывается, что силы отталкивания при сближении частиц возрастают быстрее, чем силы притяжения; в результате на определенном расстоянии они компенсируют друг друга. Здесь и проходит граница между притяжением и отталкиванием. Важно, что молекулярные силы притяжения начинают проявляться на таких расстояниях, при которых силы отталкивания еще не сказываются. Когда частицы указанных выше размеров сближаются, то отталкивания вообще не наблюдается, так как они соприкасаются (и, следовательно, отталкиваются) только в одной точке, а все остальные точки поверхности находятся в сфере сил притяжения.
Так что в устойчивых коллоидах должен действовать какой-то другой фактор, ограничивающий возможность частиц приближаться друг к другу. Этот механизм стабилизации коллоидного раствора связан с большой удельной поверхностью коллоидных частиц (отношение площади поверхности раздела твердой и жидкой фаз к суммарному объему твердой фазы 5 „, = 5/У). Было установлено, что с ростом Я„, увеличивается способность частиц собирать и удерживать на своей поверхности растворенные в жидком носителе вещества. Это явление, называемое адсорбцней, объясняется тем, что силовое поле вблизи поверхности частиц ненасыщено из-за различия сил притяжения между молекулами твердой частицы и молеку- 125 лами частицы и окружающего вещества.
В простейшем случае можно представить, что поверхность частицы несет электрический заряд. Тогда электрические заряды противоположного знака в молеку ах растворенных веществ будут притягивать я поверхности, образуя на поверхности ч ицы уплотненный слой ориентированных молекул. Так же выстраиваются электрически заряженные частицы — ионы. Такова простейшая модель процесса адсорбции. Конечно, в общем случае молекулярное силовое поле у поверхности частицы намного сложнее, и кулоновское притяжение не является единственным механизмом адсорбции в коллоидах.
Например, при адсорбции на активных участках поверхности возможно образование химического соединения между адсорбируемыми молекулами и материалом частицы. Подобная адсорбция называется хемосербцней. Рассмотрим подробнее механизмы стабилизации коллоидных растворов. Начнем с электростатического отталкивания коллоидиых частиц, которое, как мы увидим дальше, очень похоже на отталкивание микрочастиц в твердых телах. Причина появления заряда вблизи частицы — избирательная адсорбция ионов, образованных несущей средой (например, Н+, гид- роксильный ион ОН ) или растворенными в несущей среде веществами. В результате воз- никает разность потенциалов между адсорбциОнным слОем, сОстОящим из иОИОВ ОднОГО знака, и близлежащей жидкостью, так как в пространстве вокруг частицы собираются ионы противоположного знака. Это ионное ~об- 126 лако», плотность которого падает по мере удаления от частицы, как раз и препятствует сближению коллоидных частиц: ведь все они окружены такими же «облаками».
Как видите, процесс взаимодействия частиц действительно напоминает отталкивание внешних электронных оболочек молекул. Описанная структура, состоящая из коллоидной частички, окруженной двойным алектрнческнм слоем, носит название мнцеллы. Разделение зарядов противоположного знака вблизи частицы приводит к возникновению разности потенциалов в двойном электрическом слое от 10 до 100 мВ. Описанный двойной электрический слой может быть образован не только ионами, но и адсорбированными на поверхности частиц молекулами особых веществ, называемых поверхностно-активными.
О них разговор пойдет позже, когда мы займемся структурой магнитной жидкости. Можно организовать препятствие для сближения частиц в виде предохранительной оболочки, окружающей каждую частицу. Такую «шубу» частица получает при адсорбции на своей поверхности молекул несущей среды либо молекул третьего компонента (стабилизатора) системы. Сольватная оболочка (так называется «шуба») представляет собой «барьер», взять который частицам не удается. Он и не позволяет частицам сближаться на такое расстояние, когда броуновское движение уже «бессильно» противодействовать их слипанию (агрегированию).
Сольватация частиц обычно имеет место, когда их поверхностнЫе молекулы вступают в химические связи с адсорбируемыми молекулами (мы уже говорили выше о хемосорбции). Таковы механизмы, которые могут обеспе- чить устоичивость раствора коллоидных частиц в несущей среде. Какими же способами полу- чают столь мелкие твердые частицы для коллондных растворов? Обычно системы из двух или большего числа фаз с сильно развитой поверхностью раздела называют дисперснымн.
В дисперсионных системах по крайней мере одна из фаз — дисперсная — распределена в виде мелких твердых частиц в другой, сплошной, фазе — дисперсной среде. Для дисперсных систем основной характеристикой является размер частиц Я или днсперсность 0 = — (ве- 1 Я личина, обратная радиусу частицы). В зависимости от величины 0 дисперсные системы делятся на грубоднсперсные (низкодисперсные) и тонкоднсперсные (высокодисперсные). В дальнейшем нас будут интересовать только тонкодисперсные системы с размерами частиц от 1 до 100 нм.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
