Классификация дисперсных систем по размерам дисперсной фазы

Но размерам частиц дисперсной фазы выделяют высоко-, среднеи грубодисперсные системы (10 ⁹— 10^-7, 10^⁷— 10 ⁵ и более 10 ⁵ м соответственно). Такое разделение не является формальным, как могло бы показаться на первый взгляд, а отражает влияние дисперсности на свойства системы. Дробление вещества приводит к увеличению площади границы раздела фаз и возрастанию доли поверхностных молекул.

^Увеличение доли поверхностных молекул при дроблении обсуждалось в подпараграфе 1.1.2.

Приведенная на рис. 1.7 схема подчеркивает влияние площади границы раздела фаз (удельной поверхности) на вклад поверхностных свойств в свойства дисперсной системы в целом.

?? Об удельной поверхности см. в параграфе 1.5.3.

Высокодисперсные системы называют золями, а золи типа Т/Ж — коллоидными растворами. Они проявляют ряд свойств, присущих только этому классу систем, — рассеяние света, некоторые молекулярно-кинетические свойства. Частицы таких размеров видны только в ультрамикроскоп или электронный микроскоп. Примерами высокодисперсных систем служат золи (золи золота и серебра — 5—50 нм), некоторые вирусы (вирус гриппа — 100 нм, вирус ящура — 10 нм), частицы дыма при сгорании древесного угля (30—40 нм), тонкие поры активированного угля (1 — 10 нм). Удельная поверхность высокодисперсных систем может превышать 100 м2/г.

?? Оптические свойства и оптические методы исследования дисперсных систем описаны в гл. 3, молекулярно-кинетические — в гл. 8.

Рис. 1.7. Классификация дисперсных систем, но размерам

Ведущие ученые в области коллоидной химии всегда понимали принципиальную важность систематического изучения систем с малыми размерами частиц, однако до середины XX в. экспериментальные методы не были достаточными для выяснения строения высокодисперсных частиц. Возможно, именно это обстоятельство способствовало смещению пика исследований в сторону дисперсных систем с более крупными частицами. Появление высокоразрешающих методов изучения строения веществ (ядерный магнитный резонанс (ЯМР), электронная и атомно-силовая микроскопия и ряд других) позволило перейти к систематическому исследованию строения и свойств высокодисперсных систем.

Частицы среднедисперсных систем размером 10^-7— 10^_5м видны в обычный оптический микроскоп, но неразличимы невооруженным глазом. Среднедисперсными системами являются эритроциты крови человека размером 7 мкм, грунт (1—50 мкм), растворимый кофе (10 мкм), мука (1—30 мк), молоко (около 80 мкм). Удельная поверхность составляет десятки квадратных метров на грамм.

Грубодисперсные системы с размерами частиц свыше 10^-5 м (десятые доли миллиметра) видны невооруженным глазом, их удельная поверхность невелика и поверхностные явления в таких системах проявляются в малой степени. Грубодисперсные системы склонны к седиментации (оседанию частиц). К грубодисперсным системам относятся почва, строительные смеси, штукатурки, многие пищевые продукты — сахарный песок, крупы.

?? Седиментация частиц грубодисперсных систем описана в параграфах 8.4 и 8.5.

Системы с частицами одного размера называют монодысперсными, они встречаются не слишком часто, такие системы можно приготовить искусственно (рис. 1.8). Бывают бидисперсные системы (содержащие частицы двух размеров). Подавляющее большинство коллоидных систем полидисперсно, т. е. содержит частицы разных размеров.

Рис. 1.8. Частицы искусственного латекса (монодисперсная трехмерная система)

Если вещество дисперсной фазы раздроблено на отдельные «объемные» частицы с тремя соразмерными измерениями — длиной, шириной и высотой, то такую систему называют трехмерной. Частицы в трехмерной системе могут иметь самую разную форму — от сферических капелек в эмульсиях до сложных форм частичек кристаллов в снежинках. В двумерной системе дисперсная фаза образует волокна, нити, капилляры (рис. 1.9). Одномерные системы — это поверхностные пленки.

Мнение специалиста

По мнению В. В. Старостина, классификация дисперсных частиц по числу характерных размеров важна не только с формальной точки зрения. Геометрия частиц существенно влияет на характер зависимостей, связывающих физические параметры. Так, показатель степени при расстоянии в законах тяготения Ньютона и электростатического взаимодействия Кулона в случае трехмерного пространства равен -2, а в случае двумерного он имеет значение -1. Различается и характер зависимости теплоемкости трех-, двуи одномерных объектов от температуры (Старостин В. В. Материалы и методы нанотехнологий. М.: Бином, 2012. С. 14—16).

Рис. 1.9. Волокна древесины (полидисперсная двумерная система).

?? Подробнее о характерных размерах см. в подпараграфе 1.5.1.

Резюме

По размерам частиц дисперсной фазы различают высокодисперсные (10 ⁹—10 ⁷м), среднедисперсные (10~⁷—10 ^{5м) и грубодисперсные (более 10~5 м) системы. По наличию частиц одного или разных размеров выделяют монои полидисперсные системы, а по числу характерных размеров — трехмерные, двумерные и одномерные.}