Классификации дисперсных систем

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

3.2.1 Классификация по размеру частиц дисперсной фазы (или по степени дисперсности). По размеру частиц дисперсной фазы дисперсные системы делят на: грубодисперсные (взвеси), средне- и тонкодисперсные (коллоидные). Соответственно размер частиц дисперсной фазы в первом случае превышает 1000 нм, во втором лежит в интервале от 500 до 1000 нм, и в третьем – от 1 до 500 нм.

3.2.2 Классификация по агрегатному состоянию фаз. Классификация по агрегатному состоянию дисперсионной среды и дисперсной фазы была предложена Вольфгангом Оствальдом. Агрегатное состояние дисперсной системы определяется агрегатным состоянием дисперсионной среды, т. е. они могут быть твердыми, жидкими и газообразными.

Тип дисперсной системы принято обозначать двумя буквами, первая из которых относится к дисперсионной среде, а вто­рая – к дисперсной фазе. Возможные комбинации представим в виде таблицы 2.

Таблица 2 – Типы дисперсных систем

Системы с газообразной дисперсионной средой, объединяемые общим названием аэрозолей, включают дымы, пыли и туманы (системы типа Г₁–Т₂ и Г₁–Ж₂). Аэрозо­ли, в которых присутствуют жидкие и твердые частицы дисперсной фазы, называют смогами. Образование дисперсных систем типа Г₁–Г₂ с явными границами фаз невозможно, однако и в газовых смесях могут воз­никать неоднородности, что до некоторой степени роднит эти системы с дис­персными.

Системы с жидкой дисперсионной средой – обширный класс дисперсных систем, к ним относятся многие лекарственные и косметические препараты, продукты питания. Системы с газовой дис­персной фазой – пены (Ж₁–Г₂). Системы с жидкой дисперсной фазой (Ж₁–Ж₂) – эмульсии – состоят из двух взаимно нерастворимых жидких фаз.

При обычном взбалтывании устойчивых эмульсий не получается. Для придания им агрегативной устойчивости вводят вещества, называемые эмульгаторами как правило, это поверхностно-активные вещества (ПАВ), способные уменьшать поверхностное натяжение на границе двух образующих эмульсию фаз. Многие продукты жизнедеятельности организмов являются эмульсиями, в частности молоко. Искусственно получаемые эмульсии нашли широкое применение в процессах металлообработки. Так, при механической обработке металлов используются так называемые смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ), которые охлаждают зону резания и уменьшают трение сходящей по резцу стружки. СОЖ является эмульсией масла (фрезол) в воде, стабилизированной растворами щелочей. Системы с твердой дисперсной фазой (тип Ж₁–Т₂) – высокодис­персные золи (в случае свободнодисперсных систем) и гели (в случае связнодисперсных систем), а так же грубодисперсные суспензии и концентрированные пасты (строительные растворы, цементы, глины и т. д.)

Системы с твердой дисперсионной средой представлены горными породами, различными конструкционными, строительными и другими материалами; большинство их могут рас­сматриваться как системы типа Т₁–Т₂. Дисперсиями типа Т₁–Г₂ являются разнообразные природные и ис­кусственные пористые материалы (с закрытой пористостью), напри­мер вулканические туфы, пенопласты, пенобетоны. К системам типа Т₁–Ж₂ можно (до некоторой степени условно) отнести клетки и образованные ими жи­вые организмы.

3.2.3 Классификация по межчастичному взаимодействию. Согласно этой классификации дисперсные системы подразделяют на:

– свободнодисперсные (безструктурные): частицы дисперсной фазы не связаны друг с другом и способны независимо передвигаться в дисперсионной среде.

– связанодисперсные (структурировавнные): частицы связаны между собой за счет межмолекулярных сил, образуя в дисперсионной среде своеобразные пространственные сетки или каркасы. Частицы, образующие структуру, не способны к взаимному перемещению и могут совершать только колебательные движения.

Переход свободнодисперсной системы в связнодисперсную структурированную систему возможен в результате частичной коагуляции или в процессе реакции желатинирования.

3.2.4 Классификация по взаимодействию дисперсной фазы и дисперсионной среды (по межфазному взаимодействию). Эта классификация пригодна только для систем с жидкой дисперсионной средой. Г. Фрейндлих предложил подразделить дисперсные системы на два вида.

Лиофильные, в них дисперсная фаза взаимодействует с дисперсионной средой и при определенных условиях способна в ней растворяться; к ним относятся растворы коллоидных поверхностно-активных веществ и растворы высокомолекулярных соединений.

Для лиофильных коллоидных систем харак­терна малая интенсивность поверхностных сил на границе раздела фаз, чему отвечают очень низкие значения поверхност­ной энергии. Эти коллоид­ные системы могут образовываться самопроизвольно и являются термодинамически устойчивыми.

Лиофобные, в них дисперсная фаза и дисперсион­ная среда менее родственны и различие граничащих фаз по химиче­скому составу и строению проявляется в слабом межфазном взаимо­действии, большой интенсивности поверхностных сил. Большой избыток свободной энергии, особенно в высокодисперсных системах, обусловливает главную особенность лиофобных дис­персных систем – их термодинамическую нестабильность и возмож­ность протекания в них процессов, ведущих к понижению поверхно­стной энергии за счет уменьшения площади поверхности раздела фаз. Это ведет к измене­нию строения дисперсных систем и их разрушению. Про­цессами, ведущими к нарушению устойчивости и разрушению дис­персных систем, являются коагуляция и седиментация – распад дисперсной системы на макрофазы т. е. ее расслоение.

В ряде случаев нарушение устой­чивости дисперсных систем лежит в основе производственных процессов, например таких, как обезвоживание и обессоливание при­родной нефти.

Проблема устойчивости дисперсных систем является одной из центральных в коллоидной химии, так как направленное регулирова­ние устойчивости позволяет управлять свойствами дисперсных сис­тем в зависимости от конкретных требований, предъявляемых к ним на разных стадиях многих технологических процессов.