Как влияет геометрия частиц на величину площади удельной поверхности?

Пусть материал с плотностью ρ существует в виде цилиндрических частиц с радиусом R и длиной L. Площадь каждой цилиндрической частицы равна сумме площадей двух оснований и поверхности цилиндра:

Объем каждой цилиндрической частицы равен , а ее масса – .

Для ансамбля из n частиц суммарная площадь, деленная на суммарную массу, и даст удельную поверхность:

Для тонких стержней, когда L » R: .

Для плоских дисков, когда L « R: 4.

Отсюда следует, что величину площади удельной поверхности определяет самый меньший размер. (А теперь выведите самостоятельно формулу для расчета частиц, имеющих форму конуса.)

Следующим вариантом классификации дисперсных систем является классификация по числу характеристических размеров или по геометрической форме частиц дисперсной фазы. Какие типы дисперсных систем принято выделять в зависимости от числа характеристических размеров частиц дисперсной фазы?

Форма частиц дисперсной фазы может быть очень разнообразной в зависимости от условий получения вещества. Например, 1 м³ исходного вещества принципиально возможно раздробить на кубики с длиной ребра l = 10^{-8 м, вытянуть в нить с сечением 10-8}×10^{-8 м или расплющить в пластину (пленку) толщиной 10-8 м. В каждом из этих случаев система будет коллоидно-дисперсной, обладающей значительной удельной поверхностью и поверхностной энергией. Соответственно выделяют системы:}

-Трехмерные (твердые частицы, капли, пузыри): пыль, туман, почва, растворимый кофе, эритроциты в плазме крови, яичный белок, муть в природных водах, вирусы, бактерии.

-Двумерные (нити, поры, волокна): паутина, волосы, тонкие поры в угле, хлебобулочных изделиях, капилляры, нервные клетки, мышечные волокна.

-Одномерные (пленки): пленки нефти или масла на воде, защитные пленочные покрытия на металлах, «просветляющие» оптику пленки, тонкие полимерные пленки (мембраны), в том числе клеточные мембраны.

Вы уже усвоили, что дисперсные системы состоят из дисперсной фазы и дисперсионной среды. При этом необходимым условием существования дисперсных систем является нерастворимость вещества дисперсной фазы в дисперсионной среде. Однако возникает вопрос, а реализуется ли в дисперсных системах взаимодействие между фазами и что под этим подразумевается?

Под взаимодействием фаз дисперсных систем подразумевают процессы сольватации (гидратации в случае водных систем), т. е. образование сольватных (гидратных) оболочек из молекул дисперсионной среды вокруг частиц дисперсной фазы. Соответственно, по интенсивности взаимодействия между веществами дисперсной фазы и дисперсионной среды (только для систем с жидкой дисперсионной средой), по предложению Г. Фрейндлиха различают следующие дисперсные системы:

-Лиофильные (гидрофильные, если ДС – вода): мицеллярные растворы ПАВ, критические эмульсии, водные растворы некоторых природных ВМС, например, белков (желатина, яичного белка), полисахаридов (крахмала). Для них характерно сильное взаимодействие частиц ДФ с молекулами ДС. В предельном случае наблюдается полное растворение. Лиофильные дисперсные системы образуются самопроизвольно вследствие процесса сольватации. Термодинамически агрегативно устойчивы.

-Лиофобные (гидрофобные, если ДС – вода): эмульсии, суспензии, золи. Для них характерно слабое взаимодействие частиц ДФ с молекулами ДС. Самопроизвольно не образуются, для их образования необходимо затратить работу. Термодинамически агрегативно неустойчивы (т. е. имеют тенденцию к самопроизвольной агрегации частиц дисперсной фазы), их относительная устойчивость (так называемая метастабильность) обусловлена кинетическими факторами (т. е. низкой скоростью агрегации).

(А теперь воспользуйтесь Вашими знаниями классификации дисперсных систем по размеру частиц и с этой точки зрения дайте характеристику всем вышеперечисленным лиофильным и лиофобным системам.)

По агрегатному состоянию фаз В. Оствальд предложил ставшую весьма распространенной классификацию:

Таблица 1. Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию фаз

ДС ДФ	Жидкая	Газообразная	Твердая
Твердая	Т/Ж – суспензии, золи:суспензии металлов и других твердых частиц, золи металлов и их оксидов	Т/Г – пыли, дымы, порошки: промышленные выбросы твердых частиц в атмосферу, дым от костра, песчаные бури, мучная и дорожная пыль в воздухе, аэрозоли твердых лекарственных веществ	Т/Т – сплавы, твердые коллоидные растворы:сплавы металлов, оксидные и металлоксидные композиционные материалы, минералы
Жидкая	Ж/Ж – эмульсии, кремы:молоко, сметана, нефть, косметические кремы	Ж/Г – аэрозоли с жидкой ДФ:туман, капли дождя, распыленная струя охлаждающей жидкости, распыленные в воздухе духи, жидкое топливо в камере сгорания) туманы	Ж/Т – пористые тела, заполненные жидкостью, капиллярные тела, гели:клетки живых организмов, жемчуг, глины, яблоко
Газооб-разная	Г/Ж – пены:мыльная пена, пивная пена, пена для тушения пожаров	–	Г/Т – пористые и капиллярные системы, ксерогели: пемза, активированный уголь, силикагель, пенопласт, древесина, бумага, картон, текстильные ткани

Итак, принципиально возможно существование 9 комбинаций агрегатных состояний частиц ДФ и ДС. А Вы догадались, почему мы оставили незаполненной строку для систем с газообразными ДФ и ДС?

Систему Г/Г как коллоидную рассматривать не стоит, поскольку газы растворимы друг в друге и образуют гомогенную систему, т. е. не выполняется необходимое для образования коллоидной системы требование гетерогенности. Поэтому образование дисперсных систем типа Г/Г с явными границами раздела 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: голубой цвет неба связан с рассеянием света на неоднородностях атмосферы.

Интересно отметить, что существуют также дисперсные системы, состоящие только из одной фазы. Например, космическая пыль в безвоздушном космическом пространстве (вакууме) может рассматриваться как однофазная дисперсная система.