Грубо дисперсные системы

Грубо дисперсные системы


Грубо дисперсные системыГрубо дисперсные системы образованы частицами больших размеров (>10-6 м) и потому кинетически неустойчивы. В гравитационном поле Земли они довольно быстро разрушаются. Однако, несмотря на свою неустойчивость, грубо дисперсные системы используют в промышленности и сельском хозяйстве.

Рис. Стабилизация суспензии оксида железа (III) в бензоле с помощью ПАВ.

Пыль, дым и туман 

Пыль, дым и туман представляют собой грубо дисперсные системы типа твердое вещество в газе и жидкость в газе. Кинетическая неустойчивость этих систем приводит к их быстрому разрушению. Однако при сильных порывах ветра, понижении температуры воздуха, пожарах и в результате работы промышленных предприятий пыль, дым и туман образуются вновь.

Дымы и туманы применяют в военном деле для маскирования определенных объектов и передвигающихся войсковых подразделений. Из всех известных дымов наивысшей кроющей способностью обладает маскировочный дым, который получается при горении фосфора.

Образование пыли, дыма и тумана является в большинстве случаев нежелательным процессом. Так, длительная работа в шахтах, воздух которых содержит мельчайшие пылинки кремнезема, приводит к опасному и практически неизлечимому заболеванию — силикозу. Тяжелые легочные заболевания вызывают дымы, образованные оксидами некоторых тяжелых металлов. Мелкая пыль, состоящая из частиц органического происхождения (уголь, сахарная пудра, мука), при определенной концентрации в воздухе дает взрывоопасную смесь.

Суспензии

Суспензиями называют взвеси порошков в жидкостях; концентрированные суспензии называют также пастами. Частицы этих дисперсных систем представляют собой мелкие обломки кристаллических или аморфных тел, практически не растворимых в окружающей их среде. Суспензии широко применяют в строительстве, сельском хозяйстве и химической промышленности.

Неустойчивость суспензий выражается в быстром осаждении твердой фазы, скорость которой зависит от природы частиц, их размера, массы и плотности, а также от температуры, плотности и вязкости дисперсионной среды. Частицы дисперсной фазы могут осаждаться независимо друг от друга или первоначально слипаться в агрегаты. В последнем случае суспензия является агрегативно неустойчивой и быстро разрушается.

Стабилизация суспензии сажи в воде с помощью ПАВРис. 2. Стабилизация суспензии сажи в воде с помощью ПАВ

Суспензии, частицы которых защищены оболочкой из молекул окружающей среды, являются агрегативно устойчивыми. Образование прочных сольватных ободочек происходит в том случае, если поверхность частиц хорошо смачивается окружающей жидкостью. Поэтому суспензии гидрофильных минеральных порошков (СаСО3BaSО4, Al2O3) в воде и гидрофобной сажи в бензоле агрегативно устойчивы. Суспензия оксида железа (III) в бензоле является агрегативно неустойчивой, поскольку полярная поверхность частиц не смачивается бензолом. Однако ее можно стабилизировать добавлением какого-нибудь ПАВ, например олеиновой кислоты. Прикрепляясь полярными группами —СООН к поверхности частиц оксида железа, молекулы олеиновой кислоты ориентируются наружу своими неполярными углеводородными радикалами. Получающаяся при этом новая гидрофобная поверхность хорошо смачивается бензолом, и суспензия становится агрегативно устойчивой (рис.). Аналогично можно стабилизировать суспензию сажи в воде. При добавлении ПАВ поверхность частиц сажи гидрофилизируется и окружается гидратной оболочкой (рис.2).

Эмульсии

Эмульсия — это грубо дисперсная система, состоящая из двух практически не смешивающихся жидкостей, одна из которых (дисперсная фаза) распределена в другой (дисперсионной среде) в виде мельчайших капелек, размер которых изменяется обычно в пределах от 0,1 до 50 мкм. Эмульсии принято называть, указывая сначала дисперсную фазу, а затем дисперсионную среду. Например, если говорят «эмульсия масла в воде», то это означает, что масло в виде мельчайших капелек распределено в воде.

Стабилизация эмульсии «вода в масле» и «масло в воде» с помощью ПАВРис. 3. Стабилизация эмульсии «вода в масле» и «масло в воде» с помощью ПАВ (в — водам — масло).

Для эмульсий характерна прежде всего агрегативная неустойчивость. Сталкиваясь друг с другом, капельки дисперсной фазы сливаются и жидкости быстро расслаиваются. Устойчивые дисперсные системы получаются только в присутствии ПАВ (рис. 3), Эмульгирующей способностью обладают очень многие природные органические соединения с большой молекулярной массой, например белки. Ими стабилизирована, например, такая важная природная эмульсия, как молоко.

С помощью высокоэффективных поверхностно — активных веществ можно получать эмульсии с содержанием дисперсной фазы до 99%. В таких концентрированных системах нет отдельных капелек; их форма искажается — из шариков они превращаются в многограннику (рис. 4). Примерами концентрированных эмульсий являются сливочное масло, маргарин, майонез, кремы.

Строение концентрированных эмульсий, стабилизированных ПАВОбычные эмульсии можно стабилизировать с помощью порошков, которые при этом должны иметь размер значительно меньший, чем диаметр капелек, и хорошо смачиваться молекулами дисперсионной среды. Окружая капельки с внешней стороны, твердые частицы предохраняют их от слияния при соударениях. Гидрофильный порошок стабилизирует эмульсию типа «вода в масле», а гидрофобный — эмульсию типа «масло в воде» (рис. 5). Стабилизирующая способность порошков сравнительно невысока.

Рис. 4. Строение концентрированных эмульсий, стабилизированных ПАВ.

В некоторых случаях требуется не стабилизировать, а, наоборот, разрушить эмульсию. С этой проблемой сталкиваются, например, в нефтяной промышленности. Сырая нефть представляет собой устойчивую эмульсию воды в жидких углеводородах. Ее стабилизируют растворенные в дисперсионной среде смолы и асфальтены. Для разрушения нефтяных эмульсий можно использовать самые различные методы: центрифугирование, действие высокого напряжения, добавление электролитов. Наиболее эффективными оказываются, однако, химические методы, например разрушение эмульгаторов серной кислотой.

Пены

 Стабилизация эмульсий порошкамиПеной называют дисперсную систему, состоящую из множества ячеек, заполненных газом. Ячейки отделены друг от друга твердыми или жидкими пленками малой толщины. Устойчивость дисперсных систем зависит только от прочности их пленочного каркаса.

Рис. 5. Стабилизация эмульсий порошками

Пены с твердыми стенками (каучук, пенопласта) устойчивы, они могут быть использованы в качестве теплоизоляционных и звукоизоляционных материалов. Пены, образованные чистой жидкостью, неустойчивы; их время жизни зависит от вязкости жидкости. Чтобы повысить устойчивость таких систем, в жидкость добавляют пенообразователи — вещества, придающие стенкам пузырьков механическую прочность. Такими веществами являются, в частности, мыла и желатин. Примерами стабилизированных пен могут служить пастила, зефир, суфле. Жидкие пены, содержащие углекислый газ, применяются для тушения пожаров в емкостях с бензином и легкими маслами.

Статья на тему Грубо дисперсные системы