ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Дисперсные системы из "Общая химия" В предыдущих главах были рассмотрены два вида взаимодействия веществ химическая реакция и взаимное растворение. Но как уже неоднократно указывалось, физический контакт нескольких веществ не обязательно приводит к взаимодействию или из-за термодинамической невозможности процесса (AG 0), или из-за кинетической заторможенности, обусловленной высокой энергией активации В таких случаях мы имеем дело с механическими смесями веществ. [c.254] В смесях каждое вещество-компонент смеси полностью сохраняет свои свойства как физические, так и химические. Свойства смеси аддитивны, они складываются из свойств компонентов пропорционально их содержанию, т. е. показывают прямолинейную зависимость от состава системы, в отличие от растворов, свойства которых тоже зависят от состава, но не линейно (подробнее см. предыдущую и следующие главы). [c.254] И смеси, и растворы — многокомпонентные системы. Принципиальная разница между ними состоит в наличии у первых и отсутствии у вторых поверхностей раздела между компонентами, первые гетерогенные, а вторые — гомогенные системы. Обычно при рассмотрении свойств механических смесей наличием поверхностей раздела и их свойств пренебрегают. Однако если степень дисперсности увеличивать, то роль поверхностных свойств возрастает. Ведь очевидно, что атомы (молекулы, ионы и т. п.) поверхностного слоя находятся в иных энергетических условиях, что внутри тела, и поэтому их свойства отличаются от объемных свойств. Например, поверхностная энергия 1 моль хлорида натрия при условном дроблении кристалла на кубики от размера ребра 0,77 см (1 г Na l) до минимально возможных размеров частиц (1 нм) возрастает с 3-10 Дж/моль до 25,2-10 Дж/моль, т. е. в миллионы раз. Вместе с энергией ребер частиц это составляет около 35 кДж/моль — порядок энтальпии многих реакций. [c.254] Аналогично равновесное давление пара жидкости над малыми каплями выше, чем над крупными и в тумане происходит постепенное укрупнение капель за счет испарения мелких и конденсации пара на более крупных. Примеры зависимости свойств от размеров частиц вещества можно продолжить. Укажем только на скачкообразное повышение реакционноспособности на определенной стадии измельчения, приводящее, например, к взрывоопасности смесей с воздухом таких плохогорючих веществ, как сахар, мука и др. [c.255] Таким образом, дисперсность — важная характеристика системы. При этом под дисперсной системой в дальнейшем мы будем понимать гетерогенную систему, в которой одна из фаз находится в раздробленном (дисперсном) состоянии и более или менее равномерно распределена внутри другой фазы, называемой в таком случае дисперсионной средой. [c.256] При дисперсности 1) 0,03 нм , т. е. размерах частиц дисперсной фазы более 100 нм мы имеем грубодисперсные системы (см. рис. 12.1). [c.256] В промежуточной области дисперсности 3 л 0,03 нм- дисперсная фаза находится в коллоидном состоянии. Именно в этой области размеров свойства вещества сильно зависят от величины его частиц. Остановимся на этом состоянии подробнее. [c.256] Минимальный размер коллоидных частиц определяется требованием к дисперсной системе быть гетерогенной, т. е. частицы дисперсной фазы должны иметь поверхность и находиться в определенном агрегатном состоянии. Такими свойствами не обладают отдельные атомы или молекулы. Только применительно к их достаточно большой совокупности (согласно молекулярно-кинетической теории их должно быть не менее 11 — 15) можно говорить о твердом теле, жидкости или газе, поскольку агрегатное состояние поверхности определяется подвижностью частиц и их взаимодействием. [c.256] Однако, естественно, это количество зависит и от природы вещества, и от температуры, поэтому принято считать, что наименьшая частица вещества в определенном агрегатном состоянии — коллоидная — должна включать 20—30 молекул (атомов, ионный пар и т. п.). У низкомолекулярных веществ диаметр такой частицы 1—6 нм. [c.256] В случае жидкой или газообразной дисперсионной среды частицы коллоидных размеров участвуют в броуновском движении — испытывают беспорядочные перемещения под действием ударов молекул среды. Эти частицы настолько малы, что импульсы ударов окружающих частиц молекул с разных ее сторон не усредняются (в противоположность случаю, когда поверхность велика и ударов достаточно много), и она смещается в сторону, противоположную преобладающим в данный момент времени ударам. На рис. 12.2 показана последовательность положений р оллоидной частицы через равные промежутки времени. [c.256] Например, в воздухе пылинки разме(ром 0,1 мм (100 000 нм) оседают под действием силы тяжести со скоростью 120 см/с, а в результате броуновского движения смещаются за 1 с на расстояние всего 5-10 см. Очевидно, последнее на поведении частицы не сказывается. Пылинки же с размерами 300 нм и оседают и смещаются в результате броуновского движения на одну и ту же величину около 10 см/с. Для меньших частиц определяющим в их поведении оказывается броуновское движение, и частицы являются коллоидными. [c.257] Классификация систем по дисперсности условна в том отношении, что последняя может меняться непрерывно, так что качественное различие имеет место лишь вдали от границ и исчезает при приближении к ним. Дисперсные системы могут быть классифицированы по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсной среды. Примеры соответствующих двухфазных систем приведены в табл. 12.1. Отметим только невозможность случая Г—Г, так как смеси газов представляют собой, вообще говоря, гомогенные системы. Тем не менее даже и в этом случае иногда приходится принимать во внимание флуктуации плотности. Именно их наличием, например, и связанным с этим светорассеянием объясняется голубой цвет неба если бы атмосфера была совершенно однородна, она была бы оптически пуста, и цвет неба был бы черным. [c.257] Наибольшее значение в природных процессах и промышленном производстве имеют системы с жидкой дисперсионной средой. На их примере поэтому и будут далее рассматриваться условия образования и существования коллоидных систем. [c.257] Т вердая Пористые материалы (пенобетон, пенопласты, сорбенты и т. п.) Влажные грунты, почвы и т. п. Горные породы, гетерогенные сплавы, цветные стекла, композиционные материалы и т. п. [c.258] Возможен ли такой процесс как самопроизвольный, зависит от соотношения величин ДЯ и ГД5 в выражении для изменения свободной энергии (Д( = АЯ—7 Д5). [c.258] Так же, как и при растворении ( 1 предыдущей главы), затрата энергии на дробление диспергируемого (растворяемого) вещества частично компенсируется образованием сольватной оболочки вокруг частиц дисперсной фазы, что уменьшает значение АН. [c.259] По характеру ме/кфазног . поверхностного взаимодействия между, дисперсной фазой и дисперсионной средой все коллоидные системы могут быть разделены на два класса (при наличии, как и ири любой классификации природных объектов, непрерывного перехода от одного сласса к другому). Это обратимые,,или лиофильные, и необратимые, или лиофобные, коллоидные систе-.мы. [c.259] В лиофобных системах на частицах дисперсной фазы практически отсутствует сольватная оболочка, а затрата энергии на диспергирование поэтому ничем не компенсируется. В этом случае АН ТА8 и ДО 0 процесс образования коллоидной системы как самопроизвольный невозможен. Наоборот, будучи созданной, она является термодинамически неустойчивой, так как в, процессе се разрушения коагуляции ) происходит уменьшение свободной энергии. [c.259] Стабильное во времени коллоидное состояние оказывается возможным лишь кинетически его существование обусловлено наличием некоего барьера, препятствующего слипанию, агрегированию коллоидных частиц (аналогично многие химические реакции, возможные термодинамически, не идут 1гз-за наличия барьера энергии активации). Благодаря тепловому (броуновскому) движению частицы дисперсной фазы равномерно распределяются во всем объеме дисперсионной среды. [c.259] Во-первых, само наличие теплового движения. Сближение двух частиц (а столкновения, как правило, могут быть лишь парными) может приводить в некоторых случаях к сравнительно небольшому уменьшению их общей поверхностной энергии, которое не компенсирует происходящее при этом уменьшение энтропии образование такой пары частиц сопровождается увеличением, а ее разрушение соответственно уменьшением их суммарной свободной энергии. [c.259] Вернуться к основной статье