1.3.1. Дисперсними (мікрогетерогенними) системами називаються системи, що складаються з двох чи декількох фаз, одна з яких представлена окремими дрібними часточками (дисперсна фаза), розподіленими в іншій неперервній фазі (дисперсійне середовище).
Коли розміри часточок настільки малі, що їх можна порівняти з найбільшою товщиною граничного шару (з робіт Б.В. Дерягіна – 1·10-7м) система стає гранично дисперсною – колоїдною. Подальше диспергування дисперсної фази, якщо воно можливо в даному середовищі, привело б до утворення гомогенної однофазної системи – істинного розчину.
Дисперсність виражається питомою поверхнею дисперсної фази і визначається відношенням (1.1):
м-1 (см-1), або м2/кг (см2/г) (1.1)
де: S 1,2 – поверхня розподілу між дисперсною фазою (1) і дисперсійним середовищем (2); V1 – об’єм дисперсної фази; m – маса часток дисперсної фази.
Наприклад, питома поверхня цементу і мінерального порошку складає 300 м2/кг та 200…400 м2/кг відповідно. Швидкотверднучі цементи виготовляють шляхом тонкого помелу цементного клінкеру до величини питомої поверхні близької 500 м2/кг, при цьому забезпечується суттєва зміна властивостей цементу.
Дисперсність обернено пропорційна лінійним розмірам часточок і виражається в м-1 (см-1). Оскільки поверхня часточок пропорційна квадрату їхнього радіуса, а обсяг – кубу радіуса, дисперсність може бути виражена через радіус r чи діаметр δ = 2 r часточок дисперсної фази (1.2):
(1.2)
де: β – коефіцієнт форми.
Для часточок кулястої форми, що мають найменшу поверхню при заданому об’ємі, β мінімально (β = 6).
У цьому випадку об’єм кулі V = (4/3)∙πr3, поверхня кулі S = 4 πr2.
(1.3)
У загальному випадку β > 6.
Наочне уявлення про розвиток поверхні в дисперсних системах і про положення колоїдної області дає графік залежності величини питомої міжфазної поверхні від радіуса часток твердої фази. Крива дисперсності S′1 = f (r) має форму рівносторонньої гіперболи. Згідно з (рис. 1.1) колоїдні дисперні системи – це проміжні системи між грубодисперсними та молекулярними системами. Представники таких систем у будівельному матеріалознавстві є: глини, цементи у стадії гідратації в цементному тісті; бітуми, коли асфальтени знаходяться у завислому стані у мальтеновому середовищі з масел та смол тощо. Але будівельне матеріалознавство вивчає і грубодисперсні системи: цементобетони, асфальтобетони, пластмаси і таке інше.
| |||
Рис.1.1. Залежність питомої міжфазної поверхні дисперсної системи від розміру її часток r |
З підвищенням дисперсності питома поверхня дисперсної системи різко зростає (табл. 1.1).
Властивості дисперсних систем суттєво відрізняються між собою (табл. 1.2) саме завдяки розмірам їх складових часток. В основу розподілення дисперсних систем покладені не просто розміри, а саме властивості (табл. 1.2).
Таблиця 1.1
Довжина ребра кубика, см | Число кубиків, N | Об’єм кубика, см3 | Поверхня кубика, см2 | |
1 · 10-2 | 1 · 106 | 1 ·10-6 | 6 · 10-4 | 6 · 102 |
1 · 10-7 (1 нм) | 1 · 1021 | 1 · 10-21 | 6 · 10-14 | 6 · 107 |
Таблиця 1.2
Властивості дисперсних та молекулярних систем
Тонко- і грубодисперсні d = 10-4 … 10-7 м | Колоїдно-дисперсні d = 10-7 … 10-9 м | Молекулярні та іонні розчини d < 10-9 м |
Непрозорі, відбивають світло | Прозорі, розсіюють світло, опалесцюють | Прозорі, не опалесцюють |
Частки не проходять крізь паперовий фільтр | Частки проходять крізь паперовий фільтр | Проходять крізь паперовий фільтр |
Частки затримуються целофаном | Частки затримуються целофаном | Частки проходять крізь целофан |
Гетерогенні | Гетерогенні | Гомогенні |
Нестійкі | Відносно стійкі | Цілком стійкі |
Частки, що видимі в оптичний мікроскоп | Частки, що видимі в електронний мікроскоп | Частки, невидимі у сучасні мікроскопи |
Примітка: Опалесценція - розсіювання світла, зниження прозорості розчину.
1.3.2. Класифікація дисперсних систем за агрегатним станом фаз (запропонована В. Освальдом: імовірні 9 комбінацій дисперсної фази і дисперсійного середовища в різних їх станах, табл. 1.3).
У колоїдній хімії всі системи, що відповідають колоїдній дисперсності, прийнято називати золями. Тому системи ж/г і т/г мають загальну назву
аерозолів.
Колоїдні системи з рідким дисперсійним середовищем (г/р, р/р і т/р) називають ліозолями (від грец. ліоз - рідина) (табл. 1.3).
1.3.3. Класифікація дисперсних систем (колоїдних розчинів) за інтенсивністю молекулярних взаємодій на границі розподілу фаз здійснюється за здатністю сухого залишку, отриманого при обережному випаровуванні, розчинятися в чистому дисперсійному середовищі.
Системи, сухий залишок яких не здатний самовільно диспергуватися в дисперсійному середовищі, називаються необоротними (наприклад, ліозолі металів, гідрозолі йодиду срібла та ін.).
Таблиця 1.3
Дисперсна фаза | Дисперсійне середовище | Умовне позначення системи | Назва системи |
Дисперсні системи в газах | |||
Газ Рідина Тверде тіло | Газ Газ Газ | г/г р/г т/г | Колоїдна система не можлива Туман Дим, пил |
Дисперсні системи в рідинах | |||
Газ Рідина Тверде тіло | Рідина Рідина Рідина | г/р р/р т/р | Піна, газова емульсія Емульсія Колоїдний розчин |
Дисперсні системи у твердих тілах | |||
Газ Рідина Тверде тіло | Тверде тіло Тверде тіло Тверде тіло | г/т р/т т/т | Тверда піна, пористе тіло Тверда емульсія Твердий золь, сплав |
Оборотними колоїдними системами називаються системи, у яких сухий залишок при зіткненні із середовищем звичайно спочатку набухає, а потім самовільно розчиняється й утворює колишню дисперсію (наприклад, розчин желатини у воді або каучуку у бензолі). Дисперсна фаза оборотних колоїдів молекулярно взаємодіє з дисперсійним середовищем і тому здатна в ній розчинятися. За цією ознакою дисперсні системи поділяють на дві основні групи ліофільні (оборотні), – розчини ВМР) і системи ліофобні (необоротні) – типові колоїдні системи.
Ліофільні системи – стійкі і стабільні у часі. Ліофобні – нестійкі і поступово руйнуються, виділяючи дисперсну фазу внаслідок коагуляції – укрупнення її часточок під дією молекулярних сил зчеплення.
1.3.4. Дисперсні системи також підрозділяються на вільнодисперсні і зв’язнодисперсні. У перших частинки дисперсної фази не зв'язані в одну суцільну сітку і здатні незалежно одна від одної переміщатися в дисперсійному середовищі під впливом теплового руху або сили ваги (розведені суспензії, емульсії, аерозолі – мають плинність і усі властивості, що характерні для рідин).
Зв’язнодисперсні системи – це системи, у яких часточки дисперсної фази зв'язані одна з одною за рахунок молекулярних сил, вони утворюють в дисперсійному середовищі своєрідні просторові сітки або каркаси (структури). Структуротвірні елементи роблять лише коливальні рухи – пасти (концентровані суспензії), концентровані емульсії, порошки.
Перехід золю в стан гелю називається гелеутворенням (коагуляцією), а процес утворення золю з гелю (зворотна коагуляція) зветься пептизацією. Ці переходи відбуваються за схемою:
Вільнодисперні → системи – золі ← | Коагуляція → Пептизація ← | Зв’язнодисперсні структури – гелі коагелі ліогелі (ліофобні системи) (ліофільні системи) |
1.3.5. Класифікація дисперсних систем за розмірами часточок дисперсної фази (рис. 1.1).
Колоїдними вважаються часточки з діаметром δ<0,1 мкм, чи d<10-5см, якщо δ >1мкм, чи > 10-4см – грубодисперсні.
Частки з розмірами менш 1 мкм виявляють помітний броунівський рух.
Седиментація (осадження) часточок з діаметром менш 0,1 мкм під дією сили ваги практично врівноважується броунівським рухом, тобто їх
дифузією.
Діаметр частинок..... | більше 1 мкм......... | 0,1 - 1мкм................................. | менше 0,1 мкм |
Система...... | грубодисперсна…. | з проміжною дисперсністю… | колоїдно-дисперсна |
(мікрогетерогенні) |