Физикохимия дисперсных систем

КЛАССИФИКАЦИИ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ

Как уже отмечалось, молекулы, расположенные на границе раздела фаз, энергетически отличаются от молекул внутри фазы. Для краткости будем называть молекулами любые частицы, составляющие вещество: молекулы, атомы или ионы. Под термином же «частицы» в данном разделе следует понимать «частицы дисперсной фазы, или коллоидные частицы».

Поверхностные молекулы из-за нескомпенсированности межмолекулярных сил в поверхностном слое обладают избыточной энергией, в частности — избыточной энергией Гиббса ^SG (она равна а). Когда интересующая нас система образована несколькими макрофазами, например, система «стакан с водой» состоит из фазы воды и фазы стекла, то вклад «особенных» поверхностных молекул в какое-либо свойство такой системы будет ничтожно малым. Действительно, основная масса системы сосредоточена внутри фаз, доля поверхностных молекул от общего их числа ничтожно мала.

Однако если система включает хотя бы одну раздробленную (диспергированную) фазу или содержит тела, пронизанные порами, с развитой поверхностью раздела фаз, то вклад «особенных» молекул в любое свойство подобной системы может быть реально наблюдаемым. Такие системы называют дисперсными. Принимается, что подобное состояние наступает, когда размер частиц раздробленной фазы менее 1 мкм. В этом случае дисперсные системы часто называют коллоидными, а химическую науку, изучающую свойства таких систем, — коллоидной химией. Практически все объекты природы, которые нас окружают, — дисперсные (коллоидные) системы. Земля и атмосфера, природные водоемы и облака, минералы и продукты питания (мясо, молоко, хлеб и т. п.) — все это дисперсные системы. Кровь, кости, ткани внутренних органов и мышц живых существ — также сложные коллоидные системы. Ученый — физико-химик И. И. Жуков отмечал, что сам «человек — ходячий коллоид».

Выделение систем с определенным размером частиц в особый класс коллоидных систем не является чисто формальным. Высокая дисперсность, т. е. большая концентрация «особенных» поверхностных молекул придает системам новое качество: повышенную реакционную способность и растворимость, интенсивность окраски, светорассеяние и т. д. Всем известно, как трудно поджечь кусковой сахар, но горе тому, кто зажжет спичку в помещении, в воздухе которого взвешена сахарная или мучная пыль. Взрыв неминуем!

Дело в том, что когда вещество раздроблено до нанометров (1—100 нм), поверхность его становится огромной. Представьте себе, что вам необходимо очистить 1 кг картошки: какую выбрать — мелкую или крупную? Нет сомнения, что каждый выберет крупную. Почему? Обычный ответ таков: ее чистить легче. Это не так: процесс срезания картофельной кожуры одинаков в обоих случаях. Все дело в том, что у мелкой картошки больше поверхность, именно ее мы и срезаем в процессе очистки. Чем мельче картошка, тем больше поверхность и тем дольше работа.

Раздробим вещество объемом 1 см³ на сферические частички радиусом г = 10 нм. Вычислим общую поверхность образовавшихся частиц S. Она равна произведению числа частиц п на площадь поверхности одной частицы:

В свою очередь, число частиц равно результату деления общего объ;

ема (1 см³) на объем одной частички — пг³:

В итоге мы имеем:

Это огромная поверхность, т. е. кубик вещества при дроблении может дать поверхность в половину обычного садового участка (6 соток). А если раздробить его до частиц в 1 нм, то вообще получится 0,3 гектара поверхности. В это трудно поверить, но это так.

Большая поверхность раздела фаз создает в коллоидных системах большой запас поверхностной энергии Гиббса, который делает такие системы термодинамически неустойчивыми и чрезвычайно реакционноспособными. В дисперсных системах легко протекают самопроизвольные процессы, приводящие к снижению ^SG: адсорбция, коагуляция (слипание частиц), образование макроструктур и т. п.

Таким образом, для всех дисперсных систем характерны два основных признака: гетерогенность и дисперсность (высокая раздробленность). Гетерогенность проявляется в том, что дисперсные системы состоят из двух (или более) фаз: раздробленной дисперсной фазы и непрерывной дисперсионной среды, в которой распределены частицы дисперсной фазы. Коллоидная химия — наука, изучающая свойства гетерогенных высокодисперсных систем и протекающие в них процессы.