ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Классификация по дисперсности из "Курс коллоидной химии 1995" Современная коллоидная химия —учение о высокораздробленном состоянии вещества — с полным правом может быть названа наукой о коллоидах и поверхностях. Основной коллоидно-химической характеристикой является дисперсность, т. е. раздробленность вещества. Конечно, в широком смысле слова дисперсность на молекулярном уровне, атомном, ядер-ном и т. д. присуща любому веществу и представляет собой зернистость материи. В коллоидной химии понятие дисперсности простирается на широкую область размеров от больших, чем простые молекулы, до видимых невооруженным глазом, Т. е. от 10 до 10 2 см. [c.7] Эта область охватывает коллоидное состояние, в котором не только могут быть, но обычно и существуют все реальные тела. Поэтому следует говорить о коллоидном состоянии как всеобщем особом состоянии материи. Главная черта этого особого состояния — ведущая роль поверхностных явлений. Действительно, дробя, измельчая любое твердое тело, мы непрерывно увеличиваем его суммарную поверхность, сохраняя неизменными суммарный объем и массу. Таким образом, по мере роста дисперсности увеличивается и удельная поверхность, приходящаяся на единицу массы зо = 5/т или объема so = s/v, достигая в коллоидной области весьма больших значений — сотен м /г. [c.7] Таким образом, современная коллоидная химия изучает как грубодисперсные системы (например суспензии, эмульсии, порошки) с размерами частиц более 1 мкм (10 —10 см), так и высокодисперсные или собственно коллоидные системы с размерами, меньшими 1 мкм ( 10 м = 10 см), а именно от 1 мкм до 1 нм (10 — см). [c.8] Выделение коллоидной химии как самостоятельной области знания на основании указанного количественного признака может показаться механистическим. Однако такое выделение имеет необходимые и достаточные основания, так как определенной форме соответствует в этой области свое специфическое содержание и именно здесь количественные изменения приводят к возникновению нового качества. Так, коллоидные частицы обладают более интенсивной окраской, большей прочностью и твердостью, чем крупные частицы того же вещества. Многие вещества, практически нерастворимые, заметно растворяются в коллоидном состоянии. Наряду с изменениями свойств появляются и совершенно новые, характерные для коллоидного состояния свойства. [c.8] Таким образом, новое качество соответствует появлению в коллоидной области новой независимой переменной — дисперсности, функциями которой (обычно экстремальными) становятся все свойства вещества. Увеличение числа переменных усложняет систему. Усложняются и законы, поскольку они являются обобщением свойств. Многие основные законы [например, закон постоянства состава, закон Фарадея, правило фаз (см. далее)] в коллоидной области приобретают совершенно иное звучание. [c.8] Прежде всего тем, что в этом состоянии значительная доля от всех молекул или атомов, составляющих вещество, находится на поверхности раздела фаз (например, между твердой и жидкой) эти молекулы являются особенными (отличными от других при том же составе) не только по положению в несимметричном силовом поле, но и по энергетическому состоянию. Действительно, создание новой межфазной поверхности требует затраты работы по разрыву связей, значительная часть которой накапливается в виде избыточной потенциальной энергии здесь же на межфазной границе. [c.9] Таким образом, особенные молекулы должны обладать избыточной свободной энергией. Например, для частицы кубической формы с длиной ребра /=10 см, на котором помещается 5000 молекул (считая, что размер молекулы = 0,2 нм = = 2-10 см), доля особенных молекул составляет всего 0,1 %, но для частицы с 1 = 2- 10 см (на ребре 10 молекул) доля особенных составит около половины от всех молекул или атомов. Так, в высокодисперсных активных углях из каждых двух атомов углерода один находится на поверхности и может непосредственно взаимодействовать с молекулами другой фазы. Конечно, эта доля при дальнейшем диспергировании начнет опять уменьшаться, поскольку особенными (отличными от других) будут уже объемные молекулы, находящиеся в глубине твердой фазы. Наконец, особенных молекул не будет совсем (например, для кубика, состоящего из 8 молекул) и поверхность раздела фаз потеряет физический смысл, так как исчезнет тот объем, по верху которого она располагается. [c.9] Следовательно, зависимость доли особенных молекул, удельной поверхности 5о и поверхностной энергии ( / ) от дисперсности выражается кривой с максимумом. Неограниченное диспергирование гетерогенной дисперсной системы переводит ее в гомогенный молекулярный раствор. Этот переход сочетает единство непрерывности и скачка, как и обратный процесс, — возникновения новой фазы в гомогенной среде, т. е. [c.9] Приведенные соображения дают основу для определения границ области коллоидного состояния в качестве нижней границы области размеров принято гармоническое соотношение между поверхностью и объемом, отвечающее значительной доле особенных молекул (вблизи максимума кривой), то есть л 1 нм. Верхней границей можно считать ту, где доля особенных молекул еще отличима от нуля и может быть экспериментально обнаружена по изменениям свойств, связанных с особенными молекулами. Например, захват молекул из газовой или жидкой фазы твердой поверхностью может быть еще аналитически определен. Если считать, что в настоящее время изменения, составляющие 0,1 %, лежат за пределами ошибок опыта, мы придем к значению 1 мкм (в начале XX в. за верхнюю границу принимали 0,1 мкм, что соответствует 1 % точности). Таким образом, область коллоидного состояния-. 1 нм — 1 мкм в то же время современная коллоидная химия изучает (как было сказано) и более крупные объекты, поскольку в них обнаруживаются признаки, присущие коллоидным системам. [c.10] Неодинаковость, неоднозначность молекул одного химического состава, связанная с существованием поверхностей раздела, предопределяет замечательное своеобразие свойств дисперсных систем, отличающихся как от молекулярных растворов, так и от крупных тел, где этой неодинаковости не обнаруживается. Увеличение удельной поверхности с ростом дисперсности и, следовательно, возрастание роли поверхностных явлений (происходящих в поверхностных слоях) — основа единства рассмотрения дисперсных систем и поверхностных явлений. Это единство и составляет содержание современной коллоидной химии, определяемой часто как физикохимия дисперсных систем и поверхностных явлений (П. А. Ребиндер). [c.10] Реальные тела взаимодействуют между собой и с окружающей средой. Поверхность раздела и является той ареной , на которой разыгрываются все межфазные взаимодействия. Поэтому изучение особенных свойств поверхностных слоев необходимо для понимания структуры той совокупности тел, которая составляет реальный мир. [c.10] Таким образом, основная и важнейшая особенность коллоидного состояния заключается в том, что значительная доля всей массы и свободной энергии системы сосредоточена в меж-фазных поверхностных слоях. [c.10] Поверхность реальной частицы твердого тела состоит из выступов, впадин, участков различной кривизны. Силовое поле и, следовательно, локальные значения поверхностной энергии различны на этих участках поэтому две системы одного и того же состава с одинаковой удельной поверхностью могут оказаться энергетически неравноценными, и при переходе от обычных физико-химических систем к коллоидному состоянию впервые появляется такое свойство, как невоспроизводимость системы, ее индивидуальность. Например, в технологическом процессе, полностью отработанном и совершенно стандартном, не всегда удается получить одинаковые образцы активного угля. [c.11] Если дисперсная фаза является жидкой, то в отсутствие внешних сил капельки приобретают сферическую форму. Объясняется это существованием избыточной свободной поверхностной энергии. Как известно, сфера среди тел любой формы обладает наименьшей поверхностью при данном объеме и процесс образования сфер идет самопроизвольно в соответствии со вторым началом термодинамики. В сферической капле все поверхностные молекулы неразличимы между собой, но отл.и-чаются от объемных своей ориентацией. Поверхностные слои обычно характеризуются дальним порядком расположения ориентированных молекул (гл. VIII). Эта особенность весьма важна, ибо в результате организации микроструктур в дисперсных системах часто образуются ориентированные макроструктуры. [c.11] Избыток свободной энергии делает типичные высокодисперсные системы термодинамически неустойчивыми. Для них характерны самопроизвольные процессы, снижающие этот избыток путем уменьшения дисперсности. При этом система, оставаясь неизменной по химическому составу, изменяет энергетические характеристики и, следовательно, коллоидно-химические свойства. В рассматриваемых процессах, в отличие от химических, система проявляет неустойчивость, изменчивость, высокую лабильность, оставаясь в то же время сама собой (сохраняя состав). [c.11] Все эти особенности — неполная воспроизводимость, Структурообразование и лабильность—-имеют огромное значение в процессе эволюции материи к наиболее высокоорганизованной ее форме — жизни. Потенциальные возможности жизненных процессов уже заключены, как в зародыше, в дисперсных системах, из которых построено живое вещество. Коллоидный уровень материи, надмолекулярный или высокомолекулярный, соответствующий молекулярному уровню в биологии, является необходимым и неизбежным звеном в процессе эволюции. [c.11] Комплексные биологические проблемы, доминирующие в настоящее время в естествознании, решаются в значительной степени на основе физикохимии дисперсных систем. Поэтому изучение коллоидной химии приобретает особенно важное и принципиальное значение для развития науки. [c.12] Как и в любой отрасли знания, в коллоидной химии не может быть одного способа классификации, основанного на том или ином единичном признаке. Многообразие свойств дисперсных систем требует совместного применения различных способов, подобно тому как лишь совокупность проекций дает правильное представление о трехмерном теле. [c.12] Размер частиц или пор позволяет подразделить дисперсные системы на грубо- и высокодисперсные. Частицы с размерами С 10 см не относятся к коллоидным и образуют молекулярные или ионные растворы. [c.12] Вернуться к основной статье