Теплота смачивания. Коэффициент гидрофильности. Инверсия смачивания.

В процессе смачивания жидкостью твёрдой или жидкой поверхности выделяется теплота, называемая теплотой смачивания DH_см. (Правильнее эту величину следовало бы называть теплотой адгезии, так как она обусловлена только взаимодействием конденсированных фаз). В большинстве случаев теплота смачивания имеет значения от 0, 4 до 40 кДж/м². Чем больше теплота смачивания твёрдого тела данной жидкостью, тем лучше смачивание. Таким образом, теплота смачивания, как и краевой угол, может служить количественной характеристикой лиофильности твёрдых поверхностей. Для сравнения гидрофильности различных поверхностей часто используется так называемый коэффициент гидрофильности K_гидр, представляющий собой отношение теплот смачивания данной поверхности водой и бензолом:

Для гидрофильных веществ К_гидр > 1 для гидрофобных - К_гидр < 1.

Смачивание играет существенную роль во многих технологических и биологических процессах. Так, хорошее смачивание необходимо при нанесении на кожу мазей и линиментов, при стирке и крашении тканей, обработке фотографических материалов, нанесении лакокрасочных покрытий. Смачивание порошков из лекарственных веществ водой (или растворами ПАВ) является одной из важнейших характеристик в технологии лекарств. Избирательное смачиваниеразличных минералов водой или маслами лежит в основе флотации – одного из главных способов обогащения полезных ископаемых, т. е. отделения их от вмещающей горной породы.

Инверсия смачивания

При различных химических и физических воздействиях лиофильность поверхности может быть изменена, вплоть до замены гидрофильности на гидрофобность и наоборот ( инверсия смачивания ). На практике инверсия смачивания чаще всего осуществляется с помощью модифицирования твёрдой поверхности с помощью поверхностно-активных веществ. Такая модификация производится погружением твёрдого тела в раствор с достаточно высокой для достижения предельной адсорбции (см. ниже) концентрацией соответствующего ПАВ. При этом молекулы ПАВ адсорбируются на поверхности плотным слоем, что изменяет её свойства. Так, адсорбируясь на гидрофобной поверхности, молекулы ПАВ ориентируются неполярными частями в сторону твёрдого тела, а полярными – в сторону окружающей среды. Если адсорбционное связывание ПАВ с поверхностью достаточно прочное, то адсорбционный слой сохраняется на поверхности и после высушивания. При этом с внешней средой контактирует новая поверхность, образованная полярными группами (рис. 2.2 а), и твёрдое тело становится гидрофильным (происходит гидрофилизация поверхности). В случае адсорбции на гидрофильном теле молекулы ПАВ ориентируются противоположным образом, и происходит гидрофобизация поверхности (рис. 2.2 б).

 

а б

Рис. 2.2. Ориентация молекул поверхностно-активных веществ

при адсорбции на гидрофобной (а) и гидрофильной (б) твёрдой поверхности

С помощью инверсии смачивания направленно регулируют лиофильность и лиофобность твёрдых тел при флотации, при пропитке тканей с целью придания непромокаемости одежде. Следует, однако, помнить, что такая пропитка тканей действует лишь ограниченное время, потому что ПАВ в силу своей дифильности растворяются в дождевой воде, и со временем ткань теряет водоотталкивающие свойства. Возможно частичное изменение гидрофильности кожи для улучшения всасывания лекарственных веществ, например, из мазей при добавлении определённых ПАВ в состав этих мазей.

Дисперсные системы. Классификация. Общие принципы получения.

Дисперсные системы - это гетерогенные системы, состоящие из двух или более фаз с сильно развитой поверхностью раздела между ними. Одна из фаз образует непрерывную дисперсионную среду (ДС), по объёму которой распределена дисперсная фаза (ДФ), состоящая, как правило, из множества мелких твёрдых частиц, жидких капелек или пузырьков газа.

Классификация

 

- По размерам частиц дисперсной фазы и по степени дисперсности.

Системы, частицы ДФ в которых имеют размеры меньше 10^-9 м, являются молекулярно-дисперсными или истинными растворами и в коллоидной химии не рассматриваются. Не изучаются в ней также и гетерогенные системы с крупными частицами, поперечник которых составляет более 10^-4 м. Как было сказано в главе 1, к объектам коллоидной химии относятся 2 класса дисперсных систем:

Размеры частиц ДФ, м	Степень дисперсности, м-1	Название систем
10-9 - 10-7	109 - 107	Ультрамикрогетерогенные (собственно коллоидные)
10-7 - 10-4	107 - 104	Микрогетерогенные (грубодисперсные)

 

Системы с частицами приблизительно одинаковых размеров называются монодисперсными; с частицами различных размеров - полидисперсными.

- По агрегатному состояниюдисперсной фазы и дисперсионной среды все дисперсные системы можно разделить на 8 типов (газы обычно хорошо смешиваются друг с другом и поэтому дисперсные системы, состоящие из газовых частиц в газовой же среде, не существуют). Сокращённо обозначение типа записывают в виде дроби, причём в числителе пишется индекс дисперсной фазы, а в знаменателе - дисперсионной среды, например, Т/Ж (твёрдые частицы в жидкой среде) или Ж/Г (жидкие частицы в газовой среде). Ультрамикрогетерогенные системы с жидкой средой первоначально были названы золями(от solution – раствор). Затем это название было распространено и на системы с другими средами, с соответствующими определениями: солидозоли (золи с твёрдой средой), аэрозоли(золи с воздушной или любой газовой средой). Золи с жидкой дисперсионной средой при этом называют лиозолями. Если же требуется уточнение природы среды, применяются такие термины, как гидрозоли(среда водная) и органозоли(среда – органическая жидкость), а также и более детализированные – этерозоли (эфирная среда), алкозоли (спиртовая среда), бензозоли (бензольная или бензиновая среда) и т. д. Аналогичные обозначения приняты и для суспензий(гидросуспензии, органосуспензии ит. д.).

- По подвижности частиц дисперсной фазы (по структуре) дисперсные системы делят на две группы: свободнодисперсные, частицы которых могут перемещаться в среде независимо друг от друга (золи, суспензии, эмульсии, мицеллярные растворы ПАВ, аэрозоли) и связнодисперсные, подвижность частиц в которых сильно затруднена или вообще невозможна. Связнодисперсные системы, в свою очередь, подразделяются на системы с твёрдой дисперсионной средой (твёрдые золи, твёрдые эмульсии) и системы с гелеобразной структурой - гели, а также студни.

Если частицы дисперсной фазы в свободнодисперсных системах достаточно малы, они могут участвовать в броуновском движении.

- По межфазному взаимодействию дисперсные системы с жидкой средой делят на лиофильные и лиофобные. Для лиофильных характерно сильное межфазное взаимодействие вещества дисперсной фазы со средой. Они термодинамически устойчивы и могут образоваться самопроизвольным диспергированием (например, мицеллярные растворы ПАВ, глинистые взвеси, микроэмульсии). Ранее к ним относили и растворы высокомолекулярных веществ, но в настоящее время считается, что они, будучи истинными растворами, не являются дисперсными системами.

Лиофобные системы характеризуются низкой смачиваемостью вещества частиц дисперсной средой, слабым взаимодействием их друг с другом и невозможностью самопроизвольного диспергирования. К этой группе относится подавляющее большинство дисперсных и коллоидных систем.

Получение

Разнообразие типов и форм дисперсных систем служит причиной многочисленности методов их получения, общих и специальных, порой граничащих с искусством.

Поверхность реальной твёрдой частицы дисперсной фазы состоит из выступов, впадин, участков различной кривизны. Силовое поле, и, следовательно, локальные значения поверхностной энергии различны на этих участках; поэтому две системы одного и того же состава с одинаковой удельной поверхностью могут оказаться энергетически неравноценными. Таким образом, дисперсным, и в том числе, коллоидным системам в значительной мере присущи невоспроизводимость и индивидуальность. Например, даже в хорошо опробованном и совершенно стандартном технологическом процессе, не всегда удается получить равноценные, одинаковые образцы активированного угля, масляных красок, косметических и фармацевтических мазей и т. п.

При любых методах согласно теории, разработанной П. Веймарном, следует соблюдать такие условия получения дисперсных систем:

1. Вещество дисперсной фазы должно быть нерастворимо в веществе дисперсионной среды. При полной взаимной растворимости невозможно образование межфазной поверхности раздела, а при частичной (ограниченной) будет наблюдаться изменение во времени размеров частиц, а также состава дисперсионной среды, причём эти изменения будут различными в зависимости от температуры.

2. В системе должен присутствовать стабилизатор. В принципе дисперсные системы агрегативно неустойчивы, т. е. их частицы стремятся к объединению (агрегации). Роль стабилизатора заключается в придании системам агрегативной устойчивости, т. е. в затруднении или невозможности агрегации при случайных столкновениях частиц в результате броуновского движения или перемешивания. Следует отметить, что некоторые системы, в особенности с очень малой концентрацией частиц, могут довольно долго существовать и без присутствия стабилизатора. Однако следует помнить, что агрегация в них идёт всё время, хотя и очень медленно из-за больших относительных расстояний между частицами.

3. При получении коллоидных систем с газовой и, в особенности, с жидкой средой важным условием является малая концентрация частиц дисперсной фазы. При больших концентрациях из-за высокой частоты столкновений возможно нарушение агрегативной устойчивостидаже в присутствии стабилизатора. Для грубодисперсных систем с жидкой средой это условие не является обязательным по причине невысокого значения свободной поверхностной энергии, пропорциональной межфазной поверхности раздела (см. п. 1.1), и малой интенсивности броуновского движения. Роль стабилизатора при этом могут играть гидратные (сольватные) оболочки частиц.

Коллоидные и микрогетерогенные системыпо размерам частиц занимают промежуточное положение между обычными гетерогенными и молекулярными системами. Поэтому к получению их ведут два пути: либо дробление крупных кусков вещества до требуемой степени дисперсности ( диспергирование ), либо объединение молекул или ионов в агрегаты коллоидных размеров ( конденсация ). В соответствии с этим существуют диспергационные и конденсационные методы получения лиофобных дисперсных систем.

⇐ Предыдущая19202122232425262728Следующая ⇒

Поделиться: