Дисперсные системы и их классификация
Дисперсные системы, рассматриваемые в коллоидной химии, гетерогенны, поэтому состоят как минимум из двух фаз. Одна из них является сплошной и называется дисперсионной средой. Другая фаза раздроблена и распределена в первой; её называют дисперсной фазой.
Наиболее общая классификация дисперсных систем основана на определении агрегатного состояния дисперсной фазы и дисперсионной среды. Сочетания трёх агрегатных состояний (твёрдое, жидкое и газообразное) позволяют выделить девять типов дисперсных систем (табл.6.1). Для краткости их условно обозначают дробью, числитель которой указывает на агрегатное состояние дисперсной фазы, а знаменатель – дисперсионной среды, например обозначение Т/Ж показывает, что система состоит из твёрдой дисперсной фазы и жидкой дисперсионной среды (твёрдое в жидкости).
Табл. 6.1.
Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию фаз
| Дисперсионная среда | Дисперсная фаза | Условное обозначение системы | Название системы и примеры |
| Твёрдая | Твёрдая | Т/Т | Твёрдые гетерогенные системы: минералы, сплавы, бетон, композиционные материалы |
| Жидкая | Ж/Т | Капиллярные системы: жидкость в пористых телах, адсорбентах; влажные почвы, грунты | |
| Газообразная | Г/Т | Пористые тела: адсорбенты и катализаторы | |
| Жидкая | Твёрдая | Т/Ж | Суспензии и золи: промышленные суспензии, пульпы, взвеси, пасты, илы |
| Жидкая | Ж/Ж | Эмульсии: природная нефть, кремы, молоко | |
| Газообразная | Г/Ж | Газовые эмульсии и пены | |
| Газообразная | Твёрдая | Т/Г | Аэрозоли: пыли, дымы. Порошки |
| Жидкая | Ж/Г | Аэрозоли: туманы, в том числе промышленные облака | |
| Газообразная | Г/Г | Коллоидная система не образуется |
Одно из девяти сочетаний Г/Г не может соответствовать коллоидной системе, так как газы в обычных условиях при любых концентрациях дают истинные растворы (при очень высоких давлениях некоторые газовые системы образуют гетерогенные системы). Однако газовые смеси могут проявлять отдельные свойства гетерогенно-дисперсных систем благодаря непрерывным флуктуациям плотности и концентрации, вызывающим неоднородности в системе. Рассматривая жидкие растворы с молекулярной степенью дисперсности, к гетерогенно-дисперсным системам можно отнести растворы полимеров. Размеры макромолекул могут превышать размеры обычных коллоидных частиц. Эти системы обладают многими свойствами, характерными для типичных гетерогенно-дисперсных систем. Они как бы связывают в единое целое все дисперсные системы и указывают на непрерывность перехода от истинных молекулярных растворов к гетерогенным дисперсным системам.
Все дисперсные системы также можно разделить на два класса по кинетическим свойствам дисперсной фазы: свободнодисперсные системы, в которых дисперсная фаза подвижна, и связнодисперсные системы – системы с твердообразной дисперсионной средой, в которой частицы дисперсной фазы не могут свободно перемещаться.
И еще эти системы классифицируют по степени дисперсности. Свободнодисперсные системы подразделяют на ультрамикрогетерогенные, размер частиц которых лежит в пределах от 10-9 до 10-7 м (от 1 до 100 нм), микрогетерогенные с размером частиц от 10-7 до 10-5 м (от 0,1 до 10 мкм) и грубодисперсные с частицами, размеры которых превышают 10-5 м.
Ультрамикрогетерогенные системы часто называют истинно коллоидными или просто коллоидными, так как раньше только такие системы считались объектом коллоидной химии. С ростом числа молекул в частице она постепенно приобретает все свойства фазы. В современной литературе малоконцентрированные свободнодисперсные ультрамикрогетерогенные системы чаще называют золями (нем. Sole от лат. solutio – раствор). Среди них различают аэрозоли – золи с газообразной дисперсионной средой; лиозоли – золи с жидкой дисперсионной средой (греч. lios – жидкость). В зависимости от природы среды лиозоли называют гидрозолями (вода), органозолями (органическая среда) или, более конкретно, алкозолями (спирты) и т.д.
Cвязнодисперсные (структурированные) системы с жидкой дисперсионной средой называют гелями.
К микрогетерогенным системам относят суспензии (Т/Ж), эмульсии (Ж/Ж), пены (Г/Ж), порошки (Т/Г). Эти системы имеют большое значение в промышленности.
Из грубодисперсных систем наиболее распространены системы Т/Г (песок, щебень и др.).
По характеру взаимодействия между частицами дисперсной фазы и дисперсионной среды системы делят на лиофобные коллоиды и лиофильные коллоиды.
К лиофобным коллоидам относятся системы:
· со слабым взаимодействием (или его отсутствием) частиц дисперсной фазы с дисперсионной средой;
· с низкой смачиваемостью частиц вещества дисперсионной средой;
· несамопроизвольностью диспергирования;
· устойчивостью лишь в присутствии стабилизатора;
· с особой структурой частиц, составляющих дисперсную фазу - мицеллами.
К лиофильным коллоидам относятся системы:
· образующиеся самопроизвольно;
· термодинамически устойчивые;
· характеризующиеся сильным межфазным взаимодействием частиц дисперсной фазы с дисперсионной средой.