Физические и химические свойства дисперсных частиц

Замечательная особенность высокодисперсных и ультрадисперсных частиц заключается в том, что их свойства зависят не только от химического состава образующего их вещества, но и от размера частиц. Зависимость свойств от размера частиц называют размерным или масштабным, эффектом.

Размерные эффекты, наблюдаемые в дисперсных системах, можно разделить на две большие группы.

• 1. Эффекты, связанные с кривизной поверхности жилкой или газовой дисперсной частицы:
  • а)зависимость поверхностного натяжения жидкости от радиуса капли или газового пузырька в жидкости;
  • б)зависимость давления насыщенного пара (с_r) от радиуса и знака кривизны (выпуклая или вогнутая) поверхности жидкости на границе с газом;
  • в)зависимость капиллярного давления (с_с) от радиуса поверхности жидкое I и.
• 2. Изменения физических и химических свойств, обусловленные малыми размерами дисперсных частиц; от размера частиц, в частности, зависят:
  • а)кристаллическая структура и степень симметрии кристаллической решетки;
  • б)термодинамические параметры: теплоемкость, температура плавления (кристаллизации), температура Дебая;
  • в)механические свойства: прочность и пластичность;
  • г)магнитные и электрические свойства;
  • д)химические свойства, например каталитическая активность.

Важная особенность размерных эффектов в коллоидной химии заключается в следующем. Интервал размеров (d) частиц, в котором обнаруживаются эти эффекты, не является универсальным, т. е. одним и тем же для разных свойств. Напротив, для каждого конкретного свойства (физического или химического) характерен свой интервал, где размерные эффекты значительны. Например, капиллярные свойства проявляются достаточно ярко для капель, пузырьков и пленок при условии d < а (а — капиллярная длина).

Размерные эффекты особенно значительны для ультрадисперсных систем, т. е. в интервале наноразмеров. В этом одна из причин большого значения наносистем в современной науке и высоких технологиях.

Другая важная черта — некоторые размерные эффекты в наночастицах носят квантовый характер.

Понижение температуры плавления. При уменьшении размеров твердых дисперсных частиц наблюдается постепенное снижение температуры плавления (Т_пл) различных веществ. Для металлических частиц этот размерный эффект проявляется достаточно сильно в интервале размеров d < 50 нм. Например, для частиц золота разность температур ДТ= Т_{пл, 0} — Т_{пл, d} становится заметной при d < 20 нм (Т_{пл, 0}, Т_{пл, d} — температура плавления макроскопическою и высокодисперсного образца соответственно). В интервале d < 5 нм понижение температуры плавления составляет сотни градусов; при d = 2 нм имеем ДТ= 1000 град. Значительное понижение температуры плавания обнаружено также для свинца, висмута, олова, индия.