Дисперсные системы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

Введение

1. Общие сведения  о дисперсных системах

2. Дисперсные системы в жизни человека

2.1 Пенопласт

2.2 Молоко

2.3 Кровь

2.4 Нефть

2.5 Порошки

Заключение

Список литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Дисперсные системы - это микрогетерогенные системы, состоящие из двух или более фаз. При этом одна из фаз образует непрерывную дисперсионную среду, в объеме которой распределены частицы дисперсной фазы. Обычно интервал размеров частиц дисперсных фаз может изменяться от нескольких нанометров до ~100 мкм.

В ряду объектов физической химии дисперсные системы занимают чрезвычайно важное место в связи с их широчайшим распространением и разнообразным применением человеком, исключительной ролью в природных явлениях и процессах, в повседневной техногенной деятельности человека и вместе с тем в связи с весьма специфическими физико-химическими свойствами.

К числу дисперсных систем относятся столь резко различающиеся по химическому и фазовому составам, физическим свойствам, областям существования и применения объекты, как аэрозоли (туманы, дымы, космическая пыль), золи металлов и природных минералов, донные отложения рек, морей и океанов, грунты и почвы, мелкие пески, сырая нефть и природные битумы, пигменты и высокодисперсные наполнители для лакокрасочных и композиционных материалов, керамические массы, цементы и бетонные смеси на их основе, мука и мучное тесто, водоугольные суспензии и золы от сжигания твердых топлив, водные суспензии целлюлозных волокон для производства бумаги, катализаторные массы, сырьевые шламы многих химических производств. К дисперсным системам относятся также все многообразные виды пен и эмульсий. Этот перечень можно продолжать, что указывает на важное значение дисперсных систем как в природных явлениях, так и при проведении разнообразных технологических процессов, осуществляемых с их участием. К этому нужно добавить, что многие виды дисперсных систем служат стартовой основой для получения дисперсных материалов, таких, как бетоны, лакокрасочные материалы, высоконаполненные резины и пластики, гетерогенные твердые ракетные топлива, керамические и металлокерамические материалы, бумага и картон, искусственные кожи и множество других материалов.

Что же объединяет все это разнообразие резко различающихся между собой по свойствам, области существования и применения дисперсных систем и материалов, какова общая физико-химическая основа для их изучения, описания и регулирования свойств? В известной степени ответы на эти вопросы содержатся в самом определении понятия "дисперсные системы". Общие для всех дисперсных систем фундаментальные физико-химические признаки: гетерогенность, то есть наличие поверхности раздела между фазами, и дисперсность (раздробленность). Роль этих факторов в проявлении разнообразных свойств дисперсных систем и прежде всего их агрегативной и седиментационной устойчивостей становится более существенной по мере увеличения дисперсности и соответствующего уменьшения размера частиц и их концентрации в жидкой и газовой дисперсионных средах. Соответственно увеличивается и свободная (избыточная) межфазная энергия, а эта энергия, как следует из принципа Гиббса-Гельмгольца, в дисперсных системах стремится самопроизвольно уменьшиться.

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Общие сведения о дисперсных системах

Кристаллы любого вещества, например, сахара или хлорида натрия можно получить разного размера – крупные и мелкие. Каков бы ни был размер кристаллов, все они имеют одинаковую для данного вещества внутреннюю структуру – молекулярную или ионную кристаллическую решетку.

При растворении в воде кристаллов сахара и хлорида натрия образуются соответственно молекулярные и ионные растворы. Таким образом, одно и то же вещество может находиться в различной степени раздробленности: микроскопически видимые частицы (>0,2-0,1 мм, разрешающая способность глаза), микроскопически видимые частицы (от 0,2-0,1 мм до 400-300 нм, разрешающая способность микроскопа при освещении белым светом) и отдельные молекулы (или ионы). Постепенно складывались представления о том, что между миром молекул и микроскопически видимых частиц находится область раздробленности вещества с комплексом новых свойств, присущих этой форме организации вещества.

Представим себе кубик какого-либо вещества, который будем разрезать параллельно одной из его плоскостей, затем полученные пластинки начнем нарезать на палочки, а последние – на кубики. В результате такого диспергирования (дробления) вещества получаются пленочно-, волокнисто- и корпускулярнодисперсные (раздробленные) системы. Если длина пленок, поперечник волокон или частиц (корпускул) меньше разрешающей способности оптического микроскопа, то они не могут быть обнаружены сего помощью. Такие невидимые в оптический микроскоп частицы называют коллоидными, а раздробленное (диспергированное) состояние веществ с размером частиц от 400-300 нм до 1 нм – коллоидным состоянием вещества.

Дисперсные (раздробленные) системы являются гетерогенными. Они состоят из сплошной непрерывной фазы – дисперсионной среды и находящихся в этой среде раздробленных частиц того или иного размера и формы – дисперсионной фазы.

Поскольку дисперсная (прерывная) фаза находится в виде отдельных небольших частиц, то дисперсные системы, в отличие от гетерогенных со сплошными фазами, называют микрогетерогенными, а коллоиднодисперсные системы называют также ультрамикрогетерогенными, чтобы подчеркнуть, что в этих системах граница раздела фаз не может быть обнаружена в световом микроскопе.

Когда вещество находится в окружающей среде в виде молекул или ионов, то такие растворы называют истинными, т.е. гомогенными однофазными растворами.

Обязательным условием получения дисперсных систем является нерастворимость диспергируемого вещества и дисперсионной среды. Напри мер, нельзя получить коллоидные растворы сахара или хлорида натрия в воде, но они могут быть получены в керосине или бензоле, в которых эти вещества практически нерастворимы.

Дисперсные системы классифицируют по дисперсности, агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды, интенсивности взаимодействия между ними, отсутствию или образованию структур в дисперсных системах.

Количественной характеристикой дисперсности (раздробленности) вещества является степень дисперсности (степень раздробленности, D) – величина, обратная размеру (a) дисперсных частиц:

 

(1)

 

Здесь a равно диаметру сферических или волокнистых частиц, либо длине ребра кубических частиц, либо толщине пленок

Степень дисперсности численно равна числу частиц, которые можно плотно уложить в ряд (или стопку пленок) на протяжении одного сантиметра. В табл. 1 приведена распространенная классификация дисперсных систем.

 

Таблица 1. Классификация дисперсных систем

 

Если все частицы дисперсной фазы имеют одинаковые размеры, то такие системы называют монодисперсными (рис.1 а и б). Частицы дисперсной фазы неодинакового размера образуют полидисперсные системы (рис. 1, в)

 

Рис. 1 Свободнодисперсные системы. Корпускулярно- (а-в), волокнисто- (г) и пленочно-дисперсные (д)

Следовательно, с повышением дисперсности вещества все большее значение имеют его свойства, определяемые поверхностными явлениями, т.е. совокупностью процессов, происходящих в межфазовой поверхности. Таким образом, своеобразие дисперсных систем определяется большой удельной поверхностью дисперсной фазы и физико-химическим взаимодействием дисперсной фазы и дисперсионной среды на границе раздела фаз.

Многообразие дисперсных систем обусловлено тем, что образующие их фазы могут находиться в любом из трех агрегатных состояний. При схематической записи агрегатного состояния дисперсных систем первым называют буквами Г (газ), Ж (жидкость) или Т (твердое) агрегатное состояние дисперсионной среды, затем ставят тире и записывают агрегатное состояние дисперсной фазы.

Дисперсные системы с газообразной дисперсионной средой называют аэрозолями. Туманы представляют собой аэрозоли с жидкой дисперсной фазой (Г1 – Ж2), а пыль и дым – аэрозоли с твердой дисперсной средой (Г1 – Т2); пыль образуется при диспергировании веществ, а дым – при конденсации летучих веществ.

Пены – это дисперсия газа в жидкости (Ж1 – Г2), причем в пенах жидкость вырождается до тонких пленок, разделяющих отдельные пузырьки газа. Эмульсиями называют дисперсные системы, в которых одна жидкость раздроблена в другой, не растворяющей ее жидкости (Ж1 – Ж2). Низкодисперсные системы твердых частиц в жидкостях (Ж1 – Т2) называют суспензиями или взвесями, а предельно-высокодисперсные – коллоидными растворами или золями, часто лиозолями, чтобы подчеркнуть, что дисперсионной средой является жидкость (от греч. «лиос» - жидкость). Если дисперсионной средой является вода, то такие золи называют гидрозолями, а если органическая жидкость – органозолями.

Дисперсные системы могут быть свободнодисперсными (рис. 1 а-в) в зависимости от отсутствия или наличия взаимодействия между частицами дисперсной фазы. К свободнодисперсным системам относятся аэрозоли, линозоли, разбавленные суспензии и эмульсии. Они текучи. В этих системах частицы дисперсной фазы не имеют контактов, участвуют в беспорядочном тепловом движении, свободно перемещаются под действием силы тяжести. Связнодисперсные системы – твердообразны; они возникают при контакте частиц дисперсной фазы, приводящем к образованию структуры в виде каркаса или сетки. Такая структура ограничивает текучесть дисперсной системы и придает ей способность сохранять форму. Подобные структурированные коллоидные системы называют гелями.

Переход золя в гель, происходящий в результате понижения устойчивости зля, называют гелеобразованием (или же латиированием). Сильно вытянутая и пленочно-листочковая форма дисперсных частиц повышает вероятность контактов между ними и благоприятствует образованию гелей при малой концентрации дисперсной фазы. Порошки, концентрированные эмульсии и суспензии (пасты), пены – примеры связнодисперсных систем. Почва, образовавшаяся в результате контакта и уплотнения дисперсных частиц почвенных минералов и гумусовых (органических веществ), также представляет собой связнодисперсную систему. Сплошную массу вещества могут пронизывать поры и капилляры, образующие капилляродисперсные системы. К ним относятся, например, древесина, разнообразные мембраны и диафрагмы, кожа, бумага, картон, ткани.

2. Дисперсные системы в жизни человека

Рассмотрим на примерах широкое применение, а так же неоспоримую необходимость дисперсных систем в жизни человека. Нашими примерами станут: пенопласт (строительный материал), молоко (пищевая промышленность), кровь (анатомия человека), нефть (энергетическая промышленность) и порошки (бытовая химия).

1. Пенопласт

Пенопласт (пенополистирол) — это тепло- и звукоизоляционный материал белого цвета, на 98% состоящий из воздуха, заключенного в миллиарды микроскопических тонкостенных клеток из вспененного полистирола.

Пенопласт обладает отличными теплоизолирующими свойствами, которые не изменяются при повышении или снижении температуры окружающей среды, влажности воздуха;

При комнатной температуре пенопласт является нетоксичным, биологически безопасным для человека и животных материалом, который кроме своего основного применения в строительстве, часто используется в качестве упаковки продуктов питания;

Продукты сгорания пенопласта токсичны, для смертельного отравления достаточно двух вдохов. К тому же, в настоящее время в качестве сырья для пенопласта применяется самозатухающий пенополистирол, в результате чего пенопласт не поддерживает горения, а тлеет, выделяя вместе с основными токсичными веществами ещё и крайне ядовитый бромводород. Линейная скорость распространения огня по поверхности пенополистирола 1 см/сек, в 1,5 – 2 раза превышающая скорость распространения огня по сухой древесине, объясняет чрезвычайно высокую скорость распространения огня в зданиях, утепленных пенополистиролом.

Пенопласт — это чрезвычайно легкий материал, 98% его объема составляет воздух, благодаря чему довольно удобен и прост при монтаже, укладке и креплении;

Пенопласт не подвержен воздействию микроорганизмами и не создает благоприятной среды для развития водорослей и грибов;

Легкость обработки при помощи любых подсобных инструментов, в том числе пилы, ножа и т.п., возможность склеивания с различными строительными материалами.

По показателям физико-механических свойств плиты пенопласта должны соответствовать нормам, изложенным в ГОСТ 15588-86.

Области применения: теплоизолятор в бытовых приборах, таких как холодильники упаковка для различных товаров, в том числе для пищевых декоративные элементы внутренней отделки, такие как плинтусы и потолочная плитка-теплоизолятор в строительстве, в т.ч. для наружного утепления

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Молоко

Молоко представляет собой эмульсию жировых шариков в молочной плазме.         Плазма — молочная жидкость, свободная от жира, в ней присутствуют все остальные части молока в неизменном виде. Эмульсия представляет собой тонкодисперсную систему из двух нерастворяющихся одна в другой жидкостей, причем одна из жидкостей в тончайшем распределении, находится в другой. Свежевыдоенное молоко — двухфазная эмульсия. При длительном охлаждении часть жира в жировых шариках выкристаллизовывается и образуется трех- и многофазная эмульсия.

Вследствие различной величины жировых шариков в молоке оно образует полидисперсную эмульсию. Средний диаметр жировых шариков равен 2 — 2,5 мкм с колебаниями от 0,1 до 10 мкм и более. Размер их и количество в молоке непостоянны и зависят от всех зоотехнических факторов. Размеры жировых шариков имеют и практическое значение при переходе жира в продукт при производстве сливок, масла, сыра, творога.

Физическая стабильность шариков жира в молоке и молочных продуктах, зависит в основном от состава и свойств их оболочек. Оболочка жирового шарика состоит из двух слоев различного состава — внутреннего тонкого, который плотно прилегает к кристаллическому слою высокоплавких триглицеридов жировой глобулы и внешнего рыхлого (диффузного), который легко десорбирует при технологической обработке молока. Основной компонент внутреннего слоя — лецитин, в незначительном количестве содержатся кефалин, сфингомиелин. Фосфолипиды, вследствие полярного строения молекул является хорошими эмульгаторами. молекула которых состоит из двух частей — липофильной — она обладает химическим сродством с жиром и гидрофильной — которая присоединяет гидратную воду.