Поверхностные явления и адсорбция

⇐ ПредыдущаяСтр 87 из 115Следующая ⇒

Изучение гетерогенных систем с сильно развитой поверхностью раздела фаз очень важный аспект. Такие системы называют дисперсными.

Одна из фаз дисперсной системы обычно сильно измельчена и называется дисперсной фазой. Дисперсная фаза в дисперсной системе распределена в объеме сплошной фазы, называемой дисперсионной средой. Число дисперсных фаз в дисперсной системе может быть в общем случае неограниченным.

Большинство окружающих нас реальных тел являются дисперсными системами, поэтому есть основания называть науку о поверхностных явлениях и дисперсных системах физикой и химией реальных тел. Все поликристаллические, волокнистые, слоистые, пористые, сыпучие материалы, состоящие из наполнителя и связующего, а также вещества, находящиеся в состоянии суспензий, паст, эмульсий, пен, пыли – это дисперсные системы. Почва, тела растительного и животного мира, облака и туманы, многие продукты промышленных производств, строительные материалы, металлы, полимеры, бумага, кожа, ткани, продукты питания относятся к микрогетерогенным системам, свойства которых изучает коллоидная химия.

Универсальность дисперсного состояния, наличие внешней и внутренней поверхности у большинства реальных тел определяют фундаментальный и общенаучный характер создания наноматериалов.

К поверхностным явлениям относятся процессы, происходящие на границе раздела фаз, в межфазном поверхностном слое сопряженных фаз.

Дисперсная система – это двух- или многофазная, т.е. гетерогенная система, в которой одна из фаз представлена очень маленькими частицами, размеры которых однако заметно превосходят молекулярные. Дисперсная система состоит из дисперсной фазы и дисперсионной среды.

Дисперсная фаза – это измельченная фаза дисперсной системы. Частицы дисперсной фазы могут иметь сферическую или кубическую форму, а также форму длинных тонких нитей (фибриллярные системы), очень тонких пленок, капилляров.

Дисперсионная среда – сплошная среда, в которой распределена дисперсная фаза.

Мерой раздробленности дисперсной фазы является дисперс-

ность.

Дисперсность Д – величина, обратная размеру частиц. Для сферических частиц – это диаметр d, для кубических – ребро куба

l. Следовательно

(9.1)

Чем мельче раздроблены частицы (т.е. чем выше дисперсность), тем больше суммарная поверхность частиц дисперсной фазы, т.е. больше поверхность раздела фаз. Поэтому важной характеристикой дисперсных систем является удельная поверхность.

Удельная поверхность – межфазная поверхность, приходящаяся на единицу объема или на единицу массы дисперсной фазы

; , (9.2)

где S – поверхность раздела фаз, м²;

V_д.ф. – объем дисперсной фазы, м³;

m_д.ф. – масса дисперсной фазы, г или кг.

Формулы (9.2) справедливы и для одной частицы дисперсной фазы. Несложный расчет показывает, что с уменьшением размера частиц удельная поверхность возрастает. Для частицы кубической формы с ребром l, объем V = l³, а площадь поверхности S = 6l²

(6 сторон куба с площадью l²).

Отсюда

(9.3)

Из формулы 9.3 следует, что чем меньше l, тем больше S_уд (см. табл. 9.1). Аналогичные расчеты можно привести для частиц другой формы, они дадут подобные результаты. Таким образом, дисперсные системы обладают большой поверхностью раздела фаз. Она может достигать нескольких тысяч м² на 1 г дисперсной фазы.

Таблица 9.1

Удельная поверхность кубических тел в зависимости от

степени измельчения

Размер ребра кубика, см	Число частиц	Удельная поверхность, см²/см³

10^-1 (1 мм)	10³	6 ^. 10 = 60
10^-4 (мкм)	10¹²	6 ^. 10⁴ (6 м²/см³)
10^-7(1 нм)	10²¹	6 ^. 10⁷ (6000 м²/см³)

Приведенные примеры показывают, что дисперсные системы и поверхностные явления неразрывны: в дисперсных системах с их высокоразвитой поверхностью именно поверхностные явления определяют специфические свойства этих систем и пути управления этими свойствами.

В отличие от других областей химии, интересующихся преиму-щественно объемными свойствами фаз, у коллоидной химии в центре внимания поверхностные явления.

Таким образом, общие признаки объектов коллоидной химии заключаются в следующем:

– гетерогенность (частицы дисперсной фазы несмотря на маленькие размеры представляют собой самостоятельную фазу);

– большая удельная поверхность (поэтому поверхностные явления оказывают большое влияние на их свойства);

– высокая дисперсность (малые размеры частиц влияют на оптические, кинетические и другие свойства систем).

Из всего вышесказанного вытекают задачи коллоидной химии:

– изучение поверхностных явлений и свойств поверхностных слоев;

– изучение условий получения и существования дисперсных систем и факторов, влияющих на их устойчивость;

– изучение молекулярно-кинетических, оптических, электри-

ческих, механических и других свойств дисперсных систем.

Особая роль коллоидной химии в науке и технике обусловлена тем, что большинство окружающих нас реальных тел представляют собой дисперсные системы. Это сыпучие вещества, волокна, пористые материалы, суспензии, пасты, эмульсии, пыли, пены, почвы, тела растительного и животного мира, облака и туманы, пищевые продукты, строительные материалы, бумага, краски и т.д. Велика роль поверхностных явлений в интенсификации и оптимизации технологи-ческих процессов с участием дисперсных систем в нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности, в производстве строительных, дорожных, конструкционных, синтетических и композиционных материа-лов, в текстильной промышленности, полиграфии, в сельском хозяйстве (повышение плодородия почв, борьба с вредителями), в пищевой, парфюмерной, фармацевтической и лакокрасочной промышленности, в охране окружающей среды (очистка сточных вод, улавливание аэрозолей, борьба с эрозией почв) и др.

⇐ Предыдущая 82 83 84 85 868788 89 90 91 Следующая ⇒