Поверхностные явления в дисперсных системах

ВВЕДЕНИЕ

Коллоидная химия в переводе с древнегреческого (κόλλα – клей) – наука о дисперсных системах и поверхностных явлениях. Основоположником этой науки считают Т. Грэма, выполнившего в 60-х годах XIX века первые систематические исследования коллоидных систем (золей). Ему же принадлежит и введение термина «коллоид». Впоследствии коллоидная химия включила в себя результаты, полученные в других областях физики и химии, а уже в конце XIX – начале XX веков сформировалась в самостоятельный раздел химии. Современная коллоидная химия – это физическая химии дисперсных систем и поверхностных явлений на границах раздела фаз.

Поверхностные явления играют решающую роль в регулировании прочности строительных материалов, они имеют важнейшее значение в золь-гель-технологии, нанотехнологиях, а также процессах, протекающих при бурении горных пород, нефте- и газодобыче, нефтепереработке.

В XXI веке коллоидная химия развивается на стыке физики, химии, биологии (англ. – colloid science означает «коллоидная наука»), поэтому изучение свойств реальных сложных объектов как живой, так и неживой природы невозможно без освоения теоретических положений этой науки и разработанных ею методов исследования дисперсных систем.

В данном пособии по курсу "Поверхностные явления и дисперсные системы (коллоидная химия)" рассматриваются методы исследования адсорбции поверхностно-активных веществ (ПАВ) на различных границах раздела, мицеллообразования в растворах ПАВ, свойств пен и эмульсий, седиментации, электрических и реологических свойств дисперсных систем. Способы получения различных дисперсных систем и исследования их свойств студенты осваивают в процессе выполнения лабораторных работ.

В каждом разделе практикума перед описанием лабораторной работы имеется теоретическое введение, которое, на наш взгляд, позволит студентам лучше понять закономерности, изучаемые ими в ходе лабораторных работ.

В пособии приводится описание современных приборов для выполнения лабораторных работ, предусмотренных в данном курсе.

Кроме основных теоретических положений, в каждом разделе данного пособия указываются области практического применения изучаемых явлений в нефтегазовой промышленности.

В качестве объектов исследования в лабораторных работах, выполняемых в лабораторном практикуме, студентам предлагается использовать реагенты и вещества, применяемые в нефтепромысловом деле.

В конце практикума приводится приложение, которое включает сведения справочного характера, и список учебной литературы, необходимой для более полного усвоения изучаемого курса.

ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМАХ

Дисперсные системы и поверхностные явления играют большую роль в природных и промышленных процессах. Наука, которая занимается изучением этих явлений, была названа коллоидной химией. Фактически – это физическая химия дисперсных систем и по­верхностных явлений.

Дисперсные системы представляют собой гетерогенные системы, в которых одна или нес­колько фаз находятся в раздробленном состоянии внутри другой сплошной фазы. К дисперсным системам можно отнести большинство окружающих нас природных тел. Все тела, как правило, – это поликрис­таллические, волокнистые, слоистые, пористые, сыпучие вещества, сос­тоящие из наполнителя и связующего, они, как правило, представляют собой суспен­зии, пасты, эмульсии, пены, и т.д. Почва, ткани животных и расте­ний, облака и туманы, многие промышленные продукты, в том числе строительные материалы, металлы, полимеры, бумага, кожа, ткани, продукты питания – все это дисперсные системы, являющиеся объекта­ми, которые изучает наука о поверхностных явлениях и дисперсных системах.

Дисперсные системы состоят из дисперсной фазы и дисперсионной среды. Дисперсная фаза – фаза, находящаяся в раздробленном состоянии в объеме другой сплошной фазы, которая называется дисперсионной средой.

Наиболее общая классификация дисперсных систем основана на раз­личии в агрегатном состоянии дисперсной фазы и дисперсионной среды. По агрегатному состоянию фаз можно выделить 8 видов дисперсных сис­тем (таблица 1.1).

Таблица 1.1 – Виды дисперсных систем на основе классификации по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды

Дисперсные системы можно классифицироватъ по размерам частиц. В ультрамикрогетерогенных системах размер частиц лежит в пределах 10^-9¸ 10^-7 м, в микрогетерогенных системах размер частиц составляет 10^-7¸ 10^-5 м,в грубодисперсных системах частицы имеютразмеры больше 10^-5 м.

Существуют два основных метода получения дисперсных систем: метод диспергирования (измельчения) и метод конденсации. Метод диспергирования состоит в механическом раздроблении крупных частиц дочастиц коллоидных размеров в специальных коллоидных мельницах. Метод конденсации позволяет достичь коллоидной степени дисперсности вещества путем соединения атомов, молекул или ионов в болеекрупные частицы (агрегаты коллоидных размеров).