Образование дисперсных систем
ПОЛУЧЕНИЕ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ
жүктеу/скачать 3,51 Mb.
|
Formation of disperse systems
| ПОЛУЧЕНИЕ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ
Для получения дисперсной системы необходимо выполнение ряда условий. Прежде всего, нужно обеспечить определенную степень дисперсности вещества. Степень дисперсности n - это отношение линейных размеров частиц в исходной системе l к размерам частиц в диспергированной системе lD (n = l / lD). Размеры частиц в дисперсной системе могут превышать размеры молекул в несколько сотен и тысяч раз. Дисперсность зависит от метода получения и свойств дисперсной фазы и дисперсионной среды. Мерой измельченности или дисперсности вещества является его удельная поверхность Syд, представляющая собой площадь поверхности 1 единицы объема или массы дисперсной фазы: м2/м3 или м2/кг, где S - площадь поверхности всех частиц; V(m) - объем (масса) всех частиц. В связи с тем, что частицы в дисперсных системах имеют поверхность, причем высокоразвитую, вся система приобретает особые свойства, отличные от гомогенных систем. Эти свойства связаны с большим избытком свободной поверхностной энергии Gs, зависящей от гетерогенности в системе (величины поверхностного натяжения) и от величины поверхности раздела S: Gs = σS Поэтому основным свойством большинства дисперсных систем является их принципиальная термодинамическая неустойчивость, как и любых систем, обладающих избытком энергии. В них самопроизвольно протекают процессы, направленные на снижение поверхностной энергии путем уменьшения поверхности раздела. Для своего существования дисперсные системы требуют стабилизации. Стабилизатором может быть вещество, специально вводимое в систему (ПАВ, ВМС и др.), или компонент системы, находящийся в ней в избытке. Часто стабилизатор образуется в процессе синтеза. Ионы стабилизатора адсорбируются на поверхности частиц и предупреждают их слипание друг с другом. В противном случае устойчивый размер частиц не сохраняется, они укрупняются, что приводит к разрушению дисперсной системы. Такими термодинамически неустойчивыми к агрегации являются лиофобные дисперсные системы. В отличие от них небольшой класс термодинамически равновесных лиофильных систем не нуждается в дополнительной стабилизации, так как они обладают малым значением межфазной поверхностной энергии, и для них характерно самопроизвольное образование. Методы получения лиофобных дисперсных систем Механическое диспергирование веществ постоянно имеет место и природе. Часто оно происходит в результате обвалов, выветривания горных пород, за счет работы воды, ледников. Для проведения этого процесса в промышленности применяют различные типы шаровых и коллоидных мельниц. Шаровые мельницы представляют собой полый барабан, наполненный шарами, которые при вращении падают, перекатываются и ударяются о материал, разрушая его. Шаровые мельницы обеспечивают получение лишь грубого размола (l ~ 10-4м). Более тонкий размол (до 10-7 м) и за более короткое время достигается при работе коллоидных мельниц. В коллоидных мельницах размалывают порошок, прошедший предварительный размол в шаровой мельнице. Основное их преимущество состоит в том, что процесс осуществляется быстро и обеспечивает высокую степень дисперсности вещества. При измельчении в систему часто вводят небольшие добавки различных веществ, которые облегчают процесс диспергирования. Такими веществами являются вода, сахар, мочевина, соли, щелочи, снижающие поверхностное натяжение и, следовательно, общую работу диспергирования, так как при искусственном проведении процесса измельчения затрачиваемая работа Wn пропорциональна общей энергии Gs и, следовательно, величине образующейся поверхности: Wn = KGs= σ∆S, где Gs - свободная энергия образующейся поверхности; К - коэффициент, зависящий от природы вещества, среды, метода дробления; σ - поверхностное натяжение или энергия образования 1 ед. поверхности; ∆S - увеличение поверхности. Ультразвуковое диспергирование с частотой 104-106 Гц применяют для дробления жидких и твердых непрочных тел (мел, графит). Под влиянием ультразвука в системе возникают локальные сжатия и расширения вещества, которые разрушающим образом действуют на систему. Этот метод широко используют для получения эмульсий. Образование эмульсий происходит при диспергировании двух взаимно нерастворимых или ограниченно растворимых жидкостей. Самопроизвольное слияние капель эмульсий носит название коалесценции, а стабилизаторы системы называются в данном случае эмульгаторами. Принято условно называть полярную фазу эмульсии - "водой", а неполярную - "маслом". В связи с этим различают два типа эмульсий: "прямые" - масло в воде (М/В) и "обратные" - вода в масле (В/М). Прямые эмульсии хорошо смешиваются с водой, имеют большую электропроводность. Обратные эмульсии обладают противоположными свойствами. Электрический метод или электродробление используют, например, для получения золей металлов (Pt, Au). В этом методе создается вольтова дуга между электродами из диспергируемого металла, помещенными в воду или другой растворитель. Металл электродов распыляется при высокой температуре и конденсируется в растворителе с образованием золя. Вся система при этом охлаждается. Химическое диспергирование называется пептизацией и применяется для свежеприготовленного осадка. Она состоит в промывании осадка водой и переводе его в раствор за счет удаления избытка электролита, вызвавшего образование осадка. Старые осадки не поддаются химическому диспергированию. В отличие от метода диспергирования, основанного на измельчении крупных частиц, конденсационный метод связан с агрегацией молекул в более крупные частицы. Условия возникновения зародышей новой фазы создаются в метастабильных системах, где имеются местные пересыщения. Метастабильные состояния в системе, приводящие к местным пересыщениям, могут быть созданы различными методами Физические методы связаны с изменением природы среды или условий (температуры, давления) существования раствора таким образом, чтобы вещество из растворимого становилось нерастворимым. К физическим методам относятся: замена растворителя, собственно конденсация при охлаждении, электрораспыление в дуге постоянного или переменного тока. Так, при резком охлаждении воздуха и конденсации водяных паров образуется туман в природе. Наиболее распространен метод замены растворителя. Раствор какого-либо вещества добавляют в жидкость, в которой это вещество нерастворимо. Получается пересыщенный раствор, и идет конденсация молекул в частицы. Электрораспыление в дуге постоянного тока носит название метода Бредига, а в дуге переменного тока - метода Сведберга. Эти методы в равной мере можно отнести и к диспергированию. Химические методы основаны на различных химических реакциях, приводящих к образованию труднорастворимых или летучих продуктов. Уже небольшие концентрации таких веществ отвечают значительному пересыщению раствора. Практически наиболее высокодисперсные системы образуются при смешении концентрированного раствора одного вещества с разбавленным раствором другого. Высокая концентрация одного обеспечивает большое пересыщение и большую скорость возникновения зародышей, а малая концентрация другого ограничивает скорость их роста. Кроме того, избыток одного из веществ выполняет роль стабилизатора. Типичными реакциями, используемыми для получения дисперсных систем, являются реакции восстановления, окисления, гидролиза, обмена и другие. Такие процессы широко распространены в природе и различных технологиях. Окислительные процессы постоянно протекают в земной коре. Обменные реакции приводят к образованию высокодисперсных систем, но они не должны содержать большого избытка электролита, приводящего к слипанию (коагуляции) частиц. Для повышения устойчивости таких систем необходимо проводить их очистку, применяя мембранные методы (диализ, электродиализ, улътрафильтрацию и др.). Эти методы основаны на способности крупных частиц дисперсной фазы не проходить через полупроницаемую перегородку. Реакции с выделением углекислого газа лежат в основе изготовления хлебопекарного и кондитерского теста, образования пемз и туфов, получения микропористой резины, пен для огнетушитетелей, а также таких строительных материалов, как пенопласты и пенобетоны. жүктеу/скачать 3,51 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|