Признаки объектов коллоидной химии

⇐ ПредыдущаяСтр 10 из 19Следующая ⇒

Для объектов коллоидной химии характерны два общих признака: гетерогенность и дисперсность. Все особые свойства, характерные для объектов коллоидной химии, являются функциями или следствием гетерогенности и дисперсности. Эти признаки, выделенные одним из основоположников отечественной коллоидной химии Н.П. Песковым еще в начале тридцатых годов ХХ века, полностью соответствуют современному представлению об объектах коллоидной химии.

Гетерогенность или многофазность выступает в коллоидной химии как признак, указывающий на наличие межфазной поверхности, т. е. поверхностного слоя – основного объекта этой науки. Коллоидная наука концентрирует внимание в первую очередь на процессах и явлениях, происходящих на межфазных границах, в пограничных слоях, которые не просто определяют граничную область между фазами, но и представляют коллоидное состояние вещества. Гетерогенность – важнейший признак объектов коллоидной химии. Именно этот признак, определяющий наличие поверхностей раздела, обусловливает характерные свойства этих объектов.

Дисперсность (раздробленность) – второй признак объектов коллоидной науки. Она определяется размерами и геометрией тела. Частицы веществ могут иметь самую различную форму: сферическую, цилиндрическую, прямоугольную, ачаще – неправильную. Рис.15 иллюстрирует образование различных дисперсий при уменьшении размеров куба по трем его осям. При значительном уменьшении размеров в одном измерении (по оси у) получается плёнка или поверхностный слой, при уменьшении размеров куба в двух измерениях (по осям x и y) образуются нити или капилляры, а уменьшение его размеров по всем трем измерениям (по осям x, у и z) приводит к образованию мелких частиц. При этом раздробленность определяется размером тела по той оси, уменьшением которого она достигнута, т. е. наименьшим размером а. Раздробленность часто характеризуют величиной, обратной размеру а, т. е. 1/a. Эта величина носитназвание дисперсности D. Широко применяется и третья характеристика раздробленности – удельная поверхность S_уд, определяемая отношением поверхности к объему тела S/V. Все три характеристики раздробленности связаны между собой: с уменьшением параметра а увеличиваются дисперсность D и удельная поверхность S_уд.

Рис. 15. Форма элементов тела в зависимости от их размеров по трем координатным осям

Дисперсность – важнейший признак объектов коллоидной химии. Она придает новые свойства не только отдельным элементам дисперсной системы, но и всей дисперсной системе в целом. С ростом дисперсности повышается роль поверхностных явлений в системе, т. к. увеличивается доля поверхностных молекул (увеличивается удельная поверхность), т. е. более сильно проявляется специфика гетерогенных дисперсных систем. Однако если гетерогенность является универсальным признаком, так как объектом коллоидной химии в принципе может быть любая многофазная система (например, ее межфазная поверхность), то одна только дисперсность без гетерогенности не может определить принадлежность конкретного объекта к коллоидной химии. Например, истинные растворы представляют дисперсию молекулярно растворенного вещества в растворителе, но они не обладают свойством гетерогенности. Поверхность является макроскопическим свойством, и поэтому ею не могут обладать отдельные молекулы или ионы небольшой молекулярной массы. Соответственно, они не имеют и агрегатного состояния в отличие от частиц коллоидной (дисперсной) системы. Отсюда следует, что истинные растворы не являются гетерогенно-дисперсными системами. Однако истинный раствор определенного объёма имеет внешнюю поверхность, например поверхность на границе с воздухом или твердым телом (стенками сосуда), и если рассматриваются свойства межфазного поверхностного слоя, система в совокупности представляет объект коллоидной химии.

Сопоставляя два основных признака объектов коллоидной химии, необходимо отметить, что дисперсность является чисто количественным параметром, характеризующим степень раздробленности, размер межфазной поверхности; гетерогенность же в первую очередь указывает на качественную характеристику объектов, что более важно при установлении отличительных особенностей объектов той или иной науки. Безусловно, изменение дисперсности – количественной характеристики – может приводить к изменению многих других качественных характеристик, о которых будет идти речь в последующих разделах курса.

Однако объекты коллоидной химии качественно отличаются от объектов других наук именно гетерогенностью, т. е. наличием межфазной поверхности. Дисперсность определяет количество этой поверхности. Если существует гетерогенность, то существует и дисперсность, которая может быть большой или малой, но в любом случае объект принадлежит коллоидной химии. Все тела имеют поверхность, происходящие на ней процессы изучаются коллоидной химией. В этом, как уже было сказано, состоит фундаментальный и общенаучный характер коллоидной химии.

Объекты коллоидной химии можно охарактеризовать и определенным видом энергии, которым они обладают, исходя из тех же основных признаков. Гетерогенность количественно определяется поверхностным натяжением – величиной, характеризующей энергию единицы поверхности. Поверхностное натяжение определяет резкость перехода от одной фазы к другой, различие между соприкасающимися фазами. Чем сильнее выражена гетерогенность и чем более резко различаются по природе контактирующие фазы, тем больше поверхностное натяжение. Отсутствие гетерогенности равнозначно отсутствию поверхностного натяжения. Второй признак – дисперсность, как уже упоминалось, определяется площадью поверхности (фактор емкости). Произведение поверхностного натяжения s на площадь поверхности S дает поверхностную энергию:

(VII.1)

Таким образом, объекты коллоидной химии обладают поверхностной энергией.

Рассмотрение превращения поверхностной энергии в другие виды энергии составляет содержание первой половины курса коллоидной химии – учения о поверхностных явлениях. Основное внимание в этом учении уделяется поверхностному слою, его строению и свойствам. Вторую половину курса составляет учение о дисперсных системах, в котором рассматриваются их синтез и свойства, связанные, главным образом, с дисперсным состоянием, когда поверхностная энергия во многом определяет объемные свойства тел. Две составные части курса также соответствуют двум признакам объектов коллоидной химии. Поверхностные явления – результат проявления гетерогенности, дисперсность же в значительной степени определяет вклад поверхностных явлений в объёмные свойства дисперсных систем.

Курс коллоидной химии начинается с учения о поверхностных явлениях, так как они могут рассматриваться независимо от величины дисперсности, в то время как изучение дисперсных систем нельзя представить без необходимых знаний о поверхностных явлениях. Такая последовательность изложения логична и вполне оправдана благодаря переходу от общих соотношений и закономерностей к частным, от простых явлений к более сложным.

Значение коллоидной химии

Общенаучный характер коллоидной химии определяется прежде всего чрезвычайно большой распространенностью объектов и явлений, которые изучает эта наука. Она охватывает все области знания, которым приходится иметь дело с материалами и веществами, служит основанием для более углубленного представления о сущности многих явлений, для дальнейшего развития науки и различных производственных процессов. Практически все вещества и материалы, с которыми приходится встречаться в повседневной жизни, представляют собой объекты коллоидной химии. Поэтому есть основания говорить об универсальности гетерогенно-дисперсного состояния. Такое состояние можно рассматривать как необходимую ступень в строении материалов, следующую за атомами и молекулами. Последние группируются первоначально в ассоциаты или агрегаты, образуя дисперсную фазу, которая, в свою очередь, создает структуру тела; свойства тела во многом зависят от характера взаимодействия частиц между собой и со средой, в которой они находятся.

Коллоидно-химические методы применяются в большинстве отраслей промышленности, особенно в таких как нефтедобывающая, нефтеперерабатывающая, металлургическая, химическая, производство пластических масс, взрывчатых веществ, строительных материалов.

Коллоидные явления широко распространены в химической технологии. Практически нет такого химического производства, которое бы не осуществлялось с участием поверхностных явлений и дисперсных систем. Измельчение сырья и промежуточных продуктов, обогащение, в том числе флотация, отстаивание и фильтрация, конденсация, кристаллизация и вообще процесс образования новых фаз – все они протекают в дисперсных системах, и в них большую роль играют такие коллоидно-химические явления, как смачивание, капиллярность, адсорбция, седиментация, коагуляция.

Закономерности протекания поверхностных явлений, в частности, структурообразования, служат теоретической основой получения материалов с заданными свойствами: цементов, ситаллов, сплавов, сорбентов и катализаторов, смазочных материалов, полимеров, моющих средств, топливных материалов, пищевых продуктов, лекарственных веществ и др. Функциональные свойства этих материалов зависят от их дисперсности, природы поверхности и характера межфазных взаимодействий.

⇐ Предыдущая 5 6 7 8 91011 12 13 14 Следующая ⇒