По агрегатному состоянию выделяют:
а) системы с жидкой дисперсионной средой и твёрдой дисперсной фазой (т/ж) – золи, суспензии; жидкой дисперсной фазой (ж/ж) – эмульсии; газообразной дисперсной фазой (г/ж) – пены;
б) системы с твёрдой дисперсионной средой и твёрдой дисперсной фазой (т/т) – минералы, сплавы; жидкой (ж/т) и газообразной (г/т) дисперсной фазой – пористые тела и капиллярные системы;
в) системы с газообразной дисперсионной средой и твёрдой (т/г) дисперсной фазой – аэрозоли, дымы, порошки, пыли; жидкой дисперсной фазой (ж/г) – аэрозоли, туманы; газообразной дисперсной фазой (г/г) – системы с флуктуацией (атмосфера).
В свободнодисперсных системах частицы дисперсной фазы не связаны между собой и могут перемещаться относительно свободно. Свободно-дисперсные системы относятся к бесструктурным, в которых частицы дисперсной фазы не связаны между собой в одну сплошную сетку и способны независимо перемещаться в дисперсионной среде под влиянием броуновского движения или силы тяжести. К подобным системам относят лиозоли, достаточно разбавленные суспензии и эмульсии и аэрозоли.
В связнодисперсных системах одна из фаз не перемещается свободно, так как структурно закреплена. В связнодисперсных системах частицы связаны друг с другом за счет межмолекулярных сил, образуя в дисперсионной среде своеобразные пространственные сетки или каркасы (структуры). К таким системам относят гели (студни) и концентрированные эмульсии и пены, а также порошки.
Существуют коллоидные системы, сухой остаток которых при соприкосновении со средой самопроизвольно набухает, а затем самопроизвольно растворяется, например желатин в воде, каучук в бензине. Такие системы называют обратимыми коллоидами.
Системы, сухой остаток которых после высушивания не способен самопроизвольно диспергироваться в дисперсионной среде, называют необратимыми (лиозоли металлов, иодида серебра и др).
Для коллоидных систем характерны рассеивание или поглощение света.
Рассеивание или отражение света объясняется волновой природой света. Каждая точка, до которой доходит волновой фронт, является новым источником колебаний. Если на пути возникает неоднородность, то изменяется фронт волны. Если размеры частицы больше длины волны, то происходит отражение света, если размеры частиц соизмеримы с длиной волны (l » l), то происходит рассеивание света во всех направлениях.
Рассеивание света описывается уравнением Рэлея:
,
где I0 и IРАС – интенсивности падающего и рассеянного света;
V – объем рассеивающей частицы;
n1 и n0 – показатели преломления дисперсной фазы и среды;
l – длина волны падающего света.
Уменьшение интенсивности света подчиняется закону Ламберта – Бэра:
,
где I0 и IРАС – интенсивности падающего и рассеянного света;
l – толщина слоя раствора;
C – концентрация;
e – коэффициент поглощения (зависит от природы вещества, растворителя, температуры, длины волны и не зависит от концентрации).
Оптические свойства коллоидных систем находят практическое применение.
Нефелометрия – определение концентрации золя путем сравнения интенсивности рассеянного света для стандартного и исследуемого растворов.
Турбидиметрия – определение концентрации золя по поглощению света.
Ультрамикроскоп – прибор для наблюдения движения частиц в рассеянном свете, позволяет определять размер частиц до 2–3 нм и грубо определять форму частиц (у сферических частиц в силу симметрии наблюдается равномерное рассеивание света, у несферических – мерцающее рассеивание, связанное с вращением частицы).
Размеры части определяют по формуле:
,
где g – средний объем частицы;
VЯЧЕЙКИ – объем наблюдаемого поля;
VОБЩЕЕ – общий объем золя;
m – масса дисперсной фазы;
r – плотность дисперсной фазы;
n – число частиц в наблюдаемом объеме.
Эмульсиями называют микрогетерогенные системы, в которых и дисперсионная среда, и дисперсная фаза являются жидкостями.
Условием образования эмульсий является практически полная или частичная нерастворимость вещества дисперсной фазы в среде.
Практический интерес и наибольшее распространение получили эмульсии, в которых одной из фаз является вода. Прямыми эмульсиями называют эмульсии «масло в воде» (М/В), где М – любая органическая жидкость, обратными – «вода в масле» (В/М).
По содержанию дисперсной фазы выделяют разбавленные эмульсии, у которых отношение объемов дисперсной фазы и дисперсионной среды меньше 10–3 , то есть содержание дисперсной фазы меньше 0,1 %; концентрированные
(< 74 % (VФАЗЫ/VСРЕДЫ < 2,84) и высококонцентрированные ( > 74 %) эмульсии.
Предел 74 % связан с максимальным содержанием монодисперсной фазы, состоящей из капель сферической формы. При большем содержании должны происходить деформация капель и изменение свойств эмульсии. В разбавленных эмульсиях взаимодействием между частицами можно пренебрегать.
Получение эмульсий осуществляют путём диспергирования в присутствии эмульгаторов.
Наиболее простым способом эмульгирования является вливание струи одной жидкости в другую при перемешивании; этот способ непригоден для получения высокодисперсных систем.
Для получения эмульсий с размером частиц меньше 1 мкм используют коллоидные мельницы, гомогенизаторы и ультразвуковое диспергирование. В гомогенизаторах осуществляют продавливание грубой эмульсии через небольшие отверстия при высоком давлении (до 35 МПа); таким способом приготавливают, например, гомогенизированное молоко, которое не расслаивается в течение нескольких месяцев.
Ультразвуковое диспергирование осуществляют с помощью вибрирующей пластинки (25–30 кГц). Обладая сопоставимой с гомогенизаторами эффективностью, установки с ультразвукового диспергирования более экономичны.
Большое значение имеют процессы самопроизвольного эмульгирования, например процессы переваривания и усвоения жировой пищи. При попадании в кишечник жира сначала происходит самопроизвольное диспергирование жира под влиянием холевых кислот, выделяемых из желчного пузыря, а затем полученная таким образом высокодисперсная эмульсия всасывается через стенки кишечника в организм.
Разбавленные эмульсии – относительно устойчивы, так как вероятность столкновения капель невелика, однако при столкновениях сразу происходит коалесценция (сливание) капель. Например, сырая нефть (эмульсия В/М) или конденсат пара в паровых двигателях, насыщенный маслом (М/В), разрушаются достаточно быстро, потому что их устойчивость невелика.
Концентрированные эмульсии – не могут быть устойчивы без стабилизации. В эмульсиях силы электростатического отталкивания невелики по сравнению с суспензиями, и основным фактором устойчивости является наличие сольватного барьера или адгезионного барьера на межфазной границе, который формируется с участием эмульгатора. Эмульгаторы – вещества, во-первых, стабилизующие эмульсии путем образования структурно-механического барьера на поверхности капель и, во-вторых, понижающие поверхностное натяжение. Чаще всего эмульгирующие свойства проявляют поверхностно-активные вещества, растворимые в одной из фаз, образующих эмульсию, и нерастворимые в другой. Для таких веществ должно соблюдаться оптимальное соотношение между длиной углеводородной части молекулы (липофильные свойства) и полярными группировками, растворимыми в воде (гидрофильные свойства), которое характеризуется числом липофильно-гидрофильный баланс (ГЛБ) эмульгатора. В качестве эмульгаторов часто применяют мыла и сложные полиоксиэтилированные эфиры с числом атомов углерода в молекуле 12–18 (олеаты, стераты и другие.). Они адсорбируются на межфазной границе и образуют структурированные ориентированные слои, в которых ионогенные группы обращены к воде, а неполярные цепи – к маслу. В пищевой промышленности широко применяются стеарат и пальмитат сахарозы, полиоксиэтилированные сложные эфиры.
Разрушение эмульсий осуществляют путём добавления электролитов с поливалентными ионами, которые, взаимодействуя с ионогенной группой ПАВ, образуют нерастворимые соединения и уменьшают действие эмульгатора или проявляют высаливающий эффект при использовании неионогенных ПАВ. Часто эффективным оказывается нагревание, вызывающее десорбцию эмульгатора и облегчающее коалесценцию капель, добавление ПАВ, вытесняющих эмульгатор из поверхностной пленки (например – амиловый спирт) и механические воздействия.
Эмульсии широко распространены, например молоко, сливки, яичный белок, млечный сок растений, кровь и другие, и находят разнообразное практическое применение – майонез, маргарин, лекарства, краски, латексы, смазочно-охлаждающие жидкости и т. д.
Аэрозолями называют дисперсные системы с газообразной дисперсной фазой. Аэрозоли могут образовываться как диспергационным (измельчение и распыление веществ), так и конденсационным путём (конденсация пересыщенных паров или в результате реакций, протекающих в газовой фазе). Аэрозоли образуются в природных процессах (естественные аэрозоли – туман, дым) и в результате производственной деятельности человека (технические аэрозоли – добыча и переработка руд, производство цемента, работа котельных, обработка инсектицидами сельхозугодий, ингаляции в медицине и так далее).
По агрегатному состоянию аэрозоли подразделяют на туманы (Ж/Г, 10–0,1 мкм), дымы ( Т/Г, 10–0,01 мкм) и порошки, или осажденные аэрозоли (песок – 0,2–0,002 мм; пыль 20–2 мкм; пудра – < 2 мкм). Например, водяной туман – 0,5 мкм; топочный дым – 0,1–100 мкм; дождевые облака – 10–100 мкм; сварочный аэрозоль – 0,1–10 мкм.
Частицы высокодисперсных аэрозолей участвуют в броуновском движении. Для порошков характерна текучесть (подвижность), которая зависит от плотности, размера, влажности.
Частицы аэрозолей могут приобрести электрический заряд при столкновениях (друг с другом или различными поверхностями) или в результате адсорбции ионов газа, образующихся в результате облучения.
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 |
Основные порталы (построено редакторами)