Понятие о дисперсных системах (ДС). Терминология и классификация.          

Под коллоидной химией понимают науку о поверхностных явлениях и дисперсные системах. К поверхностным явлениям относятся процессы, происходящие на границе раздела фаз в межфазном поверхностном слое и возникающие в результате взаимодействия контактирующих фаз. Каждое тело ограничено поверхностью, на которой могут развиваться поверхностные явления, поэтому объектами коллоидной химии могут быть тела любого размера. Однако, поверхностные явления сильнее всего проявляются в телах с высокоразвитой поверхностью (раздробленных телах), которая придает им новые важные свойства. В таких телах бóльшая доля вещества находится в коллоидном состоянии. К телам с высокоразвитой поверхностью относятся пленки, нити, капилляры, мелкие частицы. Совокупность этих дисперсных частиц вместе со средой, в которой они распределены, представляет собой дисперсную систему.

Дисперсные системы - наиболее типичные и вместе с тем сложные объекты коллоидной химии, потому что в них проявляется все многообразие поверхностных явлений, формирующих особые свойства этих систем.

Дисперсными системами являются большинство окружающих нас реальных тел, поэтому есть основания называть науку о поверхностных явлениях и дисперсных системах физической химией реальных тел. Все тела, как правило, - это поликристаллические, волокнистые, слоистые, пористые, сыпучие вещества, находящиеся в состоянии суспензий, паст, эмульсий, пен, пыли и т.д. Почвы, нефть, облака, многие продукты промышленных производств, в том числе строительные материалы, металлы, полимеры, бумага, ткани, продукты питания, - все это дисперсные системы, свойства которых изучает коллоидная химия.

3 обязательных условия существования ДС:

1)                 Наличие сплошной дисперсионной среды, основной признак которой непрерывность

2)                 Наличие в ней определенной дисперсной фазы

3)                 Дисперсная фаза должна находится во взвешенном состоянии

Классификация дисперсных систем

Дисперсные системы, рассматриваемые в коллоидной химии, гетерогенны, поэтому состоят как минимум из двух фаз. Одна из них является сплошной и называется дисперсионной средой. Другая фаза раздроблена и распределена в первой; ее называют дисперсной фазой.

 Наиболее общая классификация дисперсных систем основана на определении агрегатного состояния дисперсной фазы и дисперсионной среды. Сочетания трех агрегатных состояний (твердое, жидкое и газообразное) позволяют выделить девять типов дисперсных систем (табл.7). Для краткости их условно обозначают дробью, числитель которой указывает на агрегатное состояние дисперсной фазы, а знаменатель - дисперсионной среды, например обозначение Т/Ж показывает, что система состоит из твердой дисперсной фазы и жидкой дисперсионной среды (твердое в жидкости).

 Таблица 7. Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию фаз

Одно из девяти сочетаний Г/Г не может соответствовать коллоидной системе, так как газы в обычных условиях при любых концентрациях дают истинные растворы (при очень высоких давлениях некоторые газовые системы образуют гетерогенные системы). Однако газовые смеси могут проявлять отдельные свойства гетерогенно-дисперсных систем благодаря непрерывным флуктуациям плотности и концентрации, вызывающим неоднородности в системе. Рассматривая жидкие растворы с молекулярной степенью дисперсности, к гетерогенно-дисперсным системам можно отнести растворы полимеров. Размеры макромолекул могут превышать размеры обычных коллоидных частиц. Эти системы обладают многими свойствами, характерными для типичных гетерогенно-дисперсных систем. Они как бы связывают в единое целое все дисперсные системы и указывают на непрерывность перехода от истинных молекулярных растворов к гетерогенным дисперсным системам.

Все дисперсные системы также можно разделить на два класса по кинетическим свойствам дисперсной фазы: свободнодисперсные системы, в которых дисперсная фаза подвижна, и связнодисперсные системы - системы с твердообразной дисперсионной средой, в которой частицы дисперсной фазы не могут свободно перемещаться.

И еще эти системы классифицируют по степени дисперсности. Свободнодисперсные системы подразделяют на ультрамикрогетерогенные, размер частиц которых лежит в пределах от 10-9 до 10-7 м (от 1 до 100 нм), микрогетерогенные с размером частиц от 10-7 до 10-5 м (от 0,1 до 10 мкм) и грубодисперсные с частицами, размеры которых превышают 10-5 м.

Ультрамикрогетерогенные системы часто называют истинно коллоидными или просто коллоидными, так как раньше только такие системы считались объектом коллоидной химии. Такие частицы обладают определенным агрегатным состоянием.

С ростом числа молекул в частице она постепенно приобретает все свойства фазы. В современной литературе малоконцентрированные свободнодисперсные ультрамикрогетерогенные системы чаще называют «золями» (нем. Sole от лат. solutio - раствор). Среди них различают аэрозоли - золи с газообразной дисперсионной средой; лиозоли - золи с жидкой дисперсионной средой (греч. lios - жидкость). В зависимости от природы среды лиозоли называют гидрозолями (вода), органозолями (органическая среда) или, более конкретно, алкозолями (спирты)  и т. д.

Cвязнодисперсные (структурированные) системы с жидкой дисперсионной средой называют «гелями».

К микрогетерогенным системам относят суспензии (Т/Ж), эмульсии (Ж/Ж), пены (Г/Ж), порошки (Т/Г). Эти системы имеют большое значение в промышленности. Из грубодисперсных систем наиболее распространены системы Т/Г (песок, щебень и др.).

И, наконец, дисперсные системы классифицируют по интенсивности межмолекулярных взаимодействий на границе раздела фаз.

Различают «лиофильные» коллоидные системы, которые характеризуются высокой степенью родственности дисперсной фазы и дисперсионной среды и их сильным взаимодействием, чему соответствуют очень низкие значения межфазного натяжения.

При высоких значениях межфазного натяжения образуются термодинамически неравновесные (неустойчивые) «лиофобные» дисперсные системы. Это обусловлено существенным различием граничащих фаз по составу, свойствам и их слабым взаимодействием.