Вопрос 10. Дисперсные системы: пены, эмульсии, суспензии

Вопрос 10. Дисперсные системы: пены, эмульсии, суспензии, аэрозоли
Гетерогенные системы, состоящие из двух или более фаз, одна из которых
равномерно раздроблена в другой, называются дисперсными.
Фаза, которая раздроблена, называется дисперсной фазой (в дальнейшем именуемой
«д.ф.»).
Фаза, в которой раздроблена дисперсная фаза, носит название дисперсионной среды
(сокращенно «д.с.»).
Классифицируют дисперсные системы по следующим признакам:
1)
по степени раздробленности дисперсной фазы различают высокодисперсные и
грубодисперсные дисперсные системы. Мерой раздробленности вещества является
дисперсность, обозначаемая буквой «D». Она обратно пропорциональна среднему
линейному размеру его частиц и измеряется в обратных метрах:
D = 1/d (м -1)
Если частица имеет сферическую форму, то d – это длина ее диаметра, если –
кубическую, то размер ребра куба.
Чем больше дисперсность, тем выше удельная поверхность (площадь поверхности,
приходящаяся на единицу массы) измельченного вещества. С увеличением площади
поверхности увеличивается поверхностная энергия частиц, находящихся на границе
раздела фаз гетерогенной системы. Это приводит к повышению реакционной способности
вещества и, как следствие, делает возможным самопроизвольное протекание различных
поверхностных явлений (адсорбции, смачивания и т. п.).
Средний размер частиц дисперсной фазы высокодисперсных систем лежит в
интервале 10 −9 – 10 -7 м. Такие системы называют коллоидными. Природные коллоидные
системы – это космическая пыль, сок растений. В технике используют высокодисперсные
краски, аэрозоли.
Грубодисперсные системы состоят из частиц размером от 10 -7 до 10 - 4 м. Такие
системы называют микрогетерогенными, так как их частицы можно увидеть в обычный
микроскоп. К ним относятся биологические жидкости (кровь), продукты питания (молоко,
хлеб), природные системы (туман, облака), технические материалы (краски, эмульсии,
пены);
2)
по агрегатному состоянию (твердому, жидкому и газообразному) дисперсной фазы
и дисперсионной среды различают 8 типов дисперсных систем. По этой классификации
дисперсную систему записывают в виде дроби, в числителе которой указывают агрегатное
состояние дисперсной фазы, а в знаменателе - дисперсионной среды, т. е. «д.ф./д.с».
Каждый из восьми типов (девятый тип «г/г» относится к истинным растворам) имеет
специфическое название. Примеры указанных систем представлены в таблице 1.
Таблица 1
Дисперсионная
среда
Газообразная
Жидкая
Твердая
Дисперсная фаза
Газообразная
─
жидкая
твердая
аэрозоли, ж / г
аэрозоли, т / г
туман, облака, духи, пыль, дым, песчаные
лекарства
бури
жидкие пены, г / ж
эмульсии, ж / ж
коллоидные
мыльная пена, пена молоко, сливочное растворы,
огнетушителя
масло, мазь, крем, суспензии, т / ж
СОЖ, нефть
соусы, кисели, клеи,
краски
твердые пены, г / т
гели, ж / т
т/т
хлеб, шоколад, почва, жемчуг
сплавы
металлов,
пенопласт
драгоценные камни,
цветные стекла
3)
по наличию взаимодействия частиц дисперсной фазы между собой различают
свободно – и связнодисперсные (структурированные) системы, схемы которых
представлены на рис. 1 и 2.
Рис.1. Свободнодисперсные системы: корпускулярно – (а–в), волокнисто (г) – и
пленочнодисперсные (д).
Рис.2. Связнодисперсные системы: гель (а); коагулят с плотной (б) и рыхлой (в)
структурой.
По определению условием образования дисперсных систем является ограниченная
растворимость или взаимная нерастворимость частиц дисперсной фазы и дисперсионной
среды. По этой причине такие системы термодинамически неустойчивы и со временем
должны расслаиваться на две отдельные фазы. Для обеспечения агрегативной
устойчивости (способности частиц дисперсной фазы не слипаться, сохраняя
определенную степень дисперсности) и кинетической устойчивости (способности не
оседать с образованием отдельной фазы) дисперсных систем в них вводят третий
компонент – стабилизатор.
Дисперсные системы занимают промежуточное положение между растворами и
гетерогенными системами, поэтому для их получения используются два способа –
диспергирование (раздробление уже имеющейся фазы, нерастворимой в дисперсионной
среде) или конденсацию (создание новой фазы из гомогенной системы и получение таким
образом двухфазной системы).
Методы диспергирования делятся на физические и химические. Физическое
диспергирование может осуществляться механическим методом (взбалтыванием,
дроблением на шаровых мельницах), ультразвуковым, электрическим (испарение металла
электрода при образовании вольтовой дуги). Химическое диспергирование, или
пептизация, основано на обработке свежевыпавшего рыхлого осадка раствором
электролита или растворителя, приводящей к дезагрегированию его частиц и
распределению их по объему дисперсионной среды.
Конденсационные методы также могут быть физическими или химическими. При
химическом методе новая фаза образуется за счет химической реакции. Это может быть
окислительно – восстановленная реакция для получения коллоидных растворов металлов
(серебра) или неметаллов (серы):
AgNO3 + K2CO3 = Ag2O + 2KNO3 + CO2
Ag2O + C76H52O46 = 6Ag + C76H52O49,
2H2S + O2 = S + H2O.
С помощью реакции гидролиза получают коллоидный раствор гидроксида железа (III):
FeCl3 + 3H2O = Fe (OH)3 + 3HCl.
Физическая конденсация может быть осуществлена методом замены растворителя на
нерастворитель для растворенного вещества, что приводит к образованию гетерогенной
системы. Так можно получить водную дисперсию серы или канифоли из их спиртового
раствора.
К наиболее распространенным дисперсным системам относятся эмульсии,
суспензии, пены и аэрозоли.

Эмульсии – микрогетерогенные системы, по агрегатному состоянию фаз
обозначаемые как «ж/ ж». Они образованы двумя взаимно несмешивающимися
жидкостями, одна из которых в виде капель раздроблена в другой. В зависимости от
полярности фаз существует два типа эмульсий: прямая эмульсия, обозначаемая как «м/в»
и обратная эмульсия, которую записывают как «в/м». Полярную фазу называют «водой»
(обозначают буквой «в»), а неполярную - «маслом» (обозначают буквой «м»). Примером
природной эмульсии первого типа, т. е. типа «вода в масле» является молоко, состоящее
из капелек жира, распределенных в воде, а второго типа, т.е. «вода в масле», - сливочное
масло, нефть. Специфическим свойством эмульсий является обращение их фаз,
означающее обратимый переход из одного типа в другой. Это явление может быть
вызвано механическим воздействием (встряхиванием) или заменой стабилизатора
эмульсии, называемого «эмульгатором». Стабилизируют эмульсии обычно поверхностно– активные вещества (ПАВ).
Эмульсии применяют в технике в качестве смазочноохлаждающих жидкостей
(СОЖ). Авторемонтные предприятия сбрасывают в сутки от 30 до 100 м3 сочных вод,
содержащих масляные эмульсии, для разрушения которых применяют деэмульгирование.

Суспензии – микрогетерогенные системы, соответствующие типу «т/ж».
Разбавленные суспензии называют взвесями, к ним относится кровь (биологическая
жидкость), применяемые в технике строительные (цементные, известковые) растворы и
краски. Взвеси устойчивы только со стабилизаторами, роль которых могут выполнять
порошки или ПАВ. Концентрированные суспензии называют пастами. В технике
применяют абразивные пасты, в строительстве используют грунтовки, щпатлевки,
мастики, краски. Концентрированные суспензии относятся к структурированным
системам и являются устойчивыми.

Пены – микрогетерогенные системы, представляющие собой дисперсию газов в
жидкой (жидкие пены) или в твердой (твердые пены) дисперсионной среде. Примером
природной твердой пены является пемза – продукт вулканической деятельности,
искусственными твердыми пенами - хлеб, пенопласт, поролон. Стабилизатор жидкой
пены называется пенообразователем. Хорошими пенообразователями являются мыла –
соли высших органических кислот. Устойчивость пены определяется временем, за
которое ее объем уменьшается вдвое. Она зависит от природы пенообразователя,
температуры и вязкости дисперсионной среды. К свойствам пены относится кратность,
т.е. отношение объема полученной пены к объему жидкости, из которой она образована.
Кратность хорошей пены может достигать 1000 единиц. Концентрированные пены
состоят из пузырьков газа или воздуха, окруженных тонкими структурированными
жидкими пленками дисперсионной среды Пены используются для обогащения руд
металлов методом флотации, при пожаротушении и т. д. Иногда явление пенообразования
является нежелательным. Оно может также препятствовать перемешиванию при очистке
сточных вод или в каких – либо технологических процессах. В этих случаях пены «гасят»,
добавляя специальные вещества – пеногасители, вытесняющие пенообразователь.
Хорошими пеногасителями являются органические спирты.

Аэрозоли – это высокодисперсные или грубодисперсные системы с газообразной
дисперсионной средой, обозначаемые как ж/г или т/г. Название аэрозолей зависит от
способа получения. Полученные методом диспергирования капелек жидкости в
газообразной среде аэрозоли называются «спреями», к ним относятся косметические
средства (духи, дезодоранты), лекарства. При диспергировании твердых частиц горных
пород в воздухе образуется пыль, разносимая ветром на огромные расстояния. Аэрозоли,
таким образом, играют важную роль в круговороте химических элементов в природе.
Методом конденсации капелек влаги в воздухе получаются облака и туманы, а при
конденсации твердых частичек углерода – дымы. Аэрозоли устойчивы без стабилизатора
по причине изоляционных свойств газообразной среды, не дающей слипаться рассеянным
частицам, даже в том случае, если они заряжены. С коллоидными системами аэрозоли
объединяет проявление светорассеивания (опалесценции). Специфическое свойство
аэрозолей – явление термофореза (перемещение частиц аэрозоля от горячего к более
холодному участку), вызванное большей интенсивностью ударов со стороны молекул
газообразной среды на участках с повышенной температурой. Образующийся в атмосфере
крупных промышленных городов, смог представляет собой аэрозоль сложного состава,
состоящий из частиц твердой, жидкой и газообразной фаз, рассеянных в воздухе и
обозначаемый как
т, ж, г/ г.