В окружающей нас природе, как и в живом организме, редко встречаются индивидуальные вещества. Чаще многообразие веществ, составляющих живую и неживую природу, представлено в виде растворов или в виде дисперсных систем. Коллоидные (дисперсные) системы широко распространены в природе и с древних времён играют громадную роль в человеческой жизни. Однако первые систематические исследования таких систем относятся лишь к середине XIX века. За последние 150 лет наука о коллоидах сформировалась как самостоятельный раздел физической химии.
Дисперсной системой называется гетерогенная система, в которой одна из фаз представлена мелкими частицами, равномерно распределёнными в объёме другой однородной фазы. Это ультрамикрогетерогенные системы, состоящие из частиц дисперсной фазы – совокупности раздробленных частиц, размер которых лежит в пределах 10-9 – 10-5 м, и непрерывной дисперсионной среды, в которой распределены эти частицы.
Для характеристики раздробленности дисперсной фазы отечественный физико-химик А.В. Думанский (1880 – 1967) ввёл в 1913 г. понятие степень дисперсности δ, которая измеряется величиной, обратной среднему диаметру, или для несферических частиц величиной обратной среднему эквивалентному диаметру d (м-1):
1
Частицы дисперсных систем можно видеть невооруженным глазом или при помощи приборов. Сахаринки, частицы муки и человеческий волос воспринимает глаз. Витающие в воздухе частицы пыли становятся видимыми лишь тогда, когда в затемнённую комнату проникает луч света. Эритроциты крови видны через микроскоп, самые маленькие частицы можно обнаружить при помощи электронного микроскопа. В соответствии с условием (1) наибольшая дисперсность у эритроцитов, а наименьшая – у сахаринок и частиц муки.
Помимо частиц, в качестве дисперсной фазы могут быть нити, волокна, поры и капилляры, а также плёнки и мембраны. Все они имеют один или несколько размеров, определяющих дисперсность. Различают трёх-, двух- и одномерную дисперсные фазы.
Если размер, определяющий дисперсность, у всех частиц один и тот же, то подобную систему называют монодисперсной, например, пыльца некоторых растений. Значительно чаще встречаются полидисперсные системы, характеризующиеся различными размерами частиц, или дисперсностью.
Характерным признаком высокодисперсных систем является очень большая поверхность раздела на границе между дисперсной фазой и дисперсионной средой. Её характеризуют удельной поверхностью, под которой понимают отношение общей площади поверхности дисперсной фазы Sд.ф. к её общему объёму или к её массе:
, м-1 или , м2/г 2
С повышением дисперсности системы её удельная поверхность резко увеличивается и в коллоидной области достигает огромных значений.
Раздробленность и большая удельная поверхность раздела фаз обуславливают значительный избыток поверхностной энергии. Это в свою очередь приводит к возникновению поверхностных явлений. Поверхностные явления наблюдаются на любой поверхности, разграничивающей фазы, но резкое увеличение удельной поверхности приводит к их интенсификации вследствие избытка поверхностной энергии.
Раздробленность предполагает образование частиц различной формы, поверхность которых характеризуется определённой кривизной. Кривизна поверхности в некоторых случаях является дополнительным фактором интенсификации процессов, которые происходят на границе раздела фаз.
Таким образом, коллоидное состояние вещества имеет два основных признака – дисперсность и гетерогенность. Особенностью высокодисперсных систем является их неустойчивость, связанная с большим запасом свободной поверхностной энергии вследствие большой поверхности раздела фаз. Для дисперсных систем характерны самопроизвольные процессы, снижающие избыточную поверхностную энергию за счёт укрупнения частиц дисперсной фазы. Обеспечение относительной устойчивости системы достигается созданием на поверхности частиц дисперсной фазы защитных слоёв – двойного электрического слоя, обеспечивающего электростатическое отталкивание частиц, и адсорбционно-сольватного слоя, препятствующего соприкосновению и слипанию частиц. Стабилизирующие слои возникают в результате адсорбции ионов или молекул.
^ Классификация дисперсных систем.
Дисперсные системы в природе отличаются огромным разнообразием, поэтому невозможно составить для них единую классификацию. В основе существующих классификаций лежат различные свойства дисперсных систем: размер частиц дисперсной фазы, агрегатное состояние дисперсной фазы и дисперсионной среды, характер взаимодействия дисперсной фазы с дисперсионной средой, структурно-механические и др. свойства.
^ Классификация систем по размеру частиц дисперсной фазы.
В зависимости от размеров частиц d различают высоко-, средне – и грубодисперсные системы.
Нижний предел размеров высокодисперсных систем (1нм) обусловлен тем, что для образования агрегата необходимо, по крайней мере 20-30 молекул. Радиус одной молекулы, например воды, составляет 0.138 нм. Поэтому самая маленькая частичка, из которой формируется дисперсная фаза, не может быть меньше 1 нм.
^ Классификация по агрегатному состоянию фаз.
Классификация по агрегатному состоянию была предложена Вольфгангом Оствальдом. В принципе возможно 9 комбинаций, но дисперсной системы, у которой и дисперсная фаза и дисперсионная среда являются газами, не существует, так как газы неограничено растворимы друг в друге. Все возможные виды дисперсных систем представлены в таблице 2.
Пемза, твёрдые пены, пенопласт, активированный уголь, пенобетон, хлеб, пористые тела в газе
ж
тв
ж/тв
твёрдые эмульсии
Вода в парафине, природные минералы с жидкими включениями, древесина
тв
тв
тв/тв
твёрдые золи
Сталь, чугун, цветные стёкла, драгоценные камни
^ Классификация по взаимодействию дисперсной фазы и дисперсионной среды (по межфазному взаимодействию).
Эта классификация применима только для систем с жидкой дисперсионной средой. Г.Фрейндлих предложил разделить дисперсные системы на два вида:
Таблица 3.
^ Лиофобные системы
Лиофильные системы
Коллоидные растворы со стабилизатором (золи), суспензии, эмульсии, пены, аэрозоли
Коллоидные растворы ПАВ и ВМС
Слабое взаимодействие между дисперсной фазой и дисперсионной средой.
Сильное взаимодействие между дисперсной фазой и дисперсионной средой.
Образуются не самопроизвольно (за счёт затраты энергии извне).
Образуются самопроизвольно.
Эндотермический процесс
Экзотермический процесс
Термодинамически неустойчивы
Термодинамически устойчивы
Необходим стабилизатор
Стабилизатор не требуется
Как в лиофобных, так и в лиофильных коллоидных растворах структурными единицами являются мицеллы – микроструктуры, образующиеся при взаимодействии компонентов дисперсной фазы и дисперсионной среды. Различный характер этого взаимодействия обуславливает различное строение мицелл в лиофобных и лиофильных коллоидных растворах, а также условия их существования и стабильность.
^ Классификация по межчастичному взаимодействию.
Согласно этой классификации дисперсные системы подразделяются на :
- свободнодисперсные (бесструктурные);
- связнодисперсные (структурированные).
В свободнодисперсных системах частицы дисперсной фазы не связаны друг с другом и способны независимо передвигаться в дисперсионной среде.
В связнодисперсных системах частицы дисперсной фазы связаны друг с другом за счёт межмолекулярных сил, образуя в дисперсионной среде своеобразные пространственные сетки или каркасы (структуры). Частицы, образующие структуру, не способны к взаимному перемещению и могут совершать только колебательные движения.
1
, м-1 или 
, м2/г 2