Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды

В коллоидной химии все системы, отвечающие коллоидной степени дисперсности, называют золями. Золи с газовой дисперсионной средой известны как аэрозоли (системы Ж-Г и Т-Г), а с жидкой - как лиозоли или гидрозоли, если дисперсионная среда представлена водой. Дисперсность аэрозолей большей частью ниже коллоидной, поэтому их правильнее было бы именовать аэродисперсными системами. По крупности аэрозоли с твердой дисперсной фазой разделяют на дымы с частицами 10^-7…10^-3 см и на пыли, размер частиц которых обычно больше 10^-3 см. Туманы, т.е. аэрозоли с жидкой дисперсной фазой, как правило, содержат довольно крупные капельки размером 10^-5…10^-3 см. Аэрозоли могут иметь самую разнообразную форму: игольчатую, пластинчатую, звездообразную и, конечно, капельную. Их плотность из-за рыхлости значительно меньше плотности крупных частиц веществ, из которых они состоят. В частности, плотность дымовых частиц даже тяжелых металлов (золота, серебра, ртути) равна 0,07…0,64 г/см³ против плотности крупных частиц, составляющей в этом случае 10,5…19,5 г/см³. К аэрозолям по своим свойствам примыкают порошки, которые можно рассматривать как аэрозоли со скоагулировавшей твердой дисперсной фазой, образовавшей осадок (аэрогель). К порошкам, например, относятся широко применяемые в технике и пищевой промышленности сажа (0,03…0,6 мкм), титановые белила (0,2…0,7 мкм), пигмент оксида железа (0,3…1,5 мкм), крахмал (6…150 мкм), мука пшеничная высшего сорта (50…200 мкм). Большая часть порошков имеет частицы с размерами, превышающими коллоидные. Твердые эмульсии встречаются редко. Примером их служит так называемый черный фосфор, получаемый диспергированием металлической ртути в расплавленном фосфоре. Важным свойством коллоидных систем являются характер и интенсивность взаимодействия дисперсной фазы с дисперсионной средой. Многие основные свойства коллоидных систем в немалой степени определяются этим обстоятельством. Особенно сильно взаимодействие может быть выражено в системах с жидкой дисперсионной средой.

Коллоидные системы вследствие их большой удельной поверхности термодинамически неравновесны и в принципе агрегативно неустойчивы. Именно поэтому проблема их устойчивости является центральной в коллоидной химии. Тем не менее, хотя часть коллоидных систем с трудом можно получить и существуют они лишь секунды, некоторые из них (золи йодистого серебра и сернистого мышьяка) могут сохраняться годами. Существуют два рода процессов, приводящих к разрушению коллоидных систем и. способных протекать самопроизвольно: седиментация и коагуляция.

Седиментация заключается в том, что частицы дисперсной фазы, отличаясь по плотности от дисперсионной среды, выделяются из нее за счет оседания или всплывания в ней.

Коагуляция (свертывание) состоит в укрупнении (агрегации) частиц дисперсной фазы в результате их слипания или слияния. С процессами седиментации и коагуляции тесно связаны понятия кинетической и агрегативной устойчивости коллоидных систем.

Кинетическая устойчивость обусловлена тем, что в коллоидной системе седиментации противостоит тепловое (броуновское) движение частиц дисперсной фазы. Благодаря этому частицы сохраняются во взвешенном состоянии даже при значительном различии плотностей дисперсионной среды и дисперсной фазы.

Агрегативная устойчивость заключается в способности коллоидной системы сохранять свою дисперсность. Агрегативная устойчивость (в отношении коагуляции) обусловлена наличием у частиц дисперсной фазы электрических зарядов одного знака и сольватной (гидратной) оболочки. Причина приобретения частицами заряда состоит в преимущественной адсорбции частицами дисперсной фазы ионов дисперсионной среды. Очевидно, что наличие одноименных зарядов на частицах дисперсной фазы препятствует их слипанию. Агрегативную устойчивость коллоидных систем может повысить также структурно-механический фактор стабилизации.

Скорость коагуляции зависит от ряда физических факторов: старения системы, концентрации дисперсной фазы, температуры, механического воздействия, света и т.д. Однако наиболее важное теоретическое и практическое значение имеет фактор коагу

Основными силами, удерживающими частицы в коагуляционной структуре, являются силы Ван-дер-Ваальса.

Флокуляцию можно рассматривать как связнодисперсное состояние неполностью астабилизированных растворов высокомолекулярных веществ. В этом случае мельчайшие капельки эмульсий типа «масло в воде» не обладают достаточной агрегативной устойчивостью и в то же время неспособны к коалесценции (слиянию). Но они могут соединяться друг с другом, образуя флокулы (рыхлые осадки).

Коллоидные системы чрезвычайно разнообразны. Они весьма распространены в природе и широко используются во многих производствах. Ряд видов промышленной продукции относится к коллоидным или несколько более грубодисперсным системам.

Коллоидные частицы, отличаясь максимально развитой поверхностью и вместе с тем максимальным энергетическим пересыщением, являются наиболее активными катализаторами (коллоидные платина, палладий, иридий, осмий, порошки железа). Коллоидные катализаторы по активности во много раз превышают гетерогенные катализаторы и активны уже при комнатной температуре.

Вспомогательные операции ряда производств, в том числе связанных с защитой окружающей среды от промышленных выбросов, также во многих случаях основаны на коллоидных процессах. Сюда относится выделение воды из нефти на нефтеперерабатывающих заводах, разрушение эмульсий, образующихся в химических производствах при промывке того или иного жидкого продукта водой. Типичными примерами коллоидных процессов служат водо- и газоочистка. Водоочистка сводится к коагуляции взвешенных в воде мельчайших частиц электролитами или к извлечению из воды адсорбцией ненужных примесей. Газоочистка в электрофильтрах основана на дестабилизации и оседании мельчайших заряженных жидких или твердых частиц на электроде с противоположным зарядом.