Характеристика дисперсных систем. Дисперсность

Дисперсные системы гетерогенны. Поэтому между компонентами, составляющими ее, имеется поверхность раздела фаз. В истинных растворах вещество раздроблено до молекул. Поэтому между растворенными веществами и растворителем отсутствует поверхность раздела фаз, т.е. истинные растворы гомогенны.

Дисперсные системы – это такие гетерогенные системы, которые состоят, по крайней мере, из двух фаз. Одна из них – дисперсная фаза – является раздробленной, а другая – дисперсионная среда – представляет собой нераздробленную часть системы, в которой хаотически равномерно распределяется дисперсная фаза.

Раздробленность приводит к резкому увеличению поверхности раздела фаз, а это в свою очередь придает дисперсным системам особые, характерные только для них свойства.

Необходимым условием образования дисперсных систем является нерастворимость или ограниченная взаимная растворимость дисперсной фазы и дисперсионной среды.

Раздробленность дисперсной фазы приводит к резкому увеличению площади поверхности раздела между дисперсной фазой и дисперсионной средой. Для оценки межфазовой границы площадь поверхности раздела фаз S относят к единице массы дисперсной фазы М:

S_уд= S/М, м²/кг. (6.1)

Величина S_уд характеризует удельную поверхность раздела фаз и позволяет количественно определять фактическую границу между дисперсной фазой и дисперсионной средой. Для частиц одного и того же размера удельная поверхность равна поверхности одной частицы S₁, умноженной на число частиц в 1 кг дисперсной фазы n, т.е.

S_уд= S₁n. (6.2)

Число сферических частиц в 1 кг дисперсной фазы:

n = (4 π r³ρ /3^{) – 1}, (6.3)

где ρ – плотность вещества дисперсной фазы, кг/м3;

r — радиус частиц, м.

Учитывая, что поверхность сферических частиц равна 4π r², из формул (6.2) и (6.3) получим:

S_уд= 3/(rρ), или S_уд= 6 /(aρ), (6.4)

где a— диаметр частиц, м.

Аналогичным образом можно выразить удельную поверхность для других частиц правильной формы (кубических, цилиндрических и др.).

Удельная поверхность, определяемая уравнениями (6.1) и (6.4), равна поверхности всех частиц, содержащихся в 1 кг дисперсной фазы и имеет размерность м²/кг.

Иногда удельную поверхность выражают путем отношения площади поверхности частиц к суммарному объему этих частиц, т.е.

Sуд= S/V. (6.5)

Удельная поверхность в соответствии с формулой (6.5) равна поверхности всех частиц (м²), содержащихся в 1 м³дисперсной фазы и измеряется в м^-1.

Определение удельной поверхности в обратных единицах длины связано с таким понятием, как дисперсность D, т.е. с величиной, обратной размеру частиц а:

D = 1/а (6.6)

Для сферических частиц величина а равна диаметру этих частиц. Дисперсность, как и удельная поверхность, обратно пропорциональна размеру частиц. Удельную поверхность в м²/кг можно выразить через дисперсность следующим образом:

Sуд= 6D/ρ (6.7)

Удельная поверхность определяет влияние размеров частиц на поверхностные явления.

Рассмотрим, как изменится удельная поверхность 1 кг сахара в зависимости от того, в каком виде находится этот продукт. В одном пакете сахарного песка массой 1 кг содержится примерно 1, 6∙ 10⁶сахаринок диаметром 1 мм, и их удельная поверхность равна 5 м²/кг. Кусок сахара массой 1 кг имеет поверхность всего 0, 05 м², т.е. в 100 раз меньшую. Если раздробить сахар и превратить его в сахарную пудру с размером частиц 10 мкм, то удельная поверхность сахарной пудры уже составит 500 м²/кг. Таким образом, поверхность 1 кг сахара в зависимости от степени его измельчения будет составлять от 0, 05 до 500 м².

Как известно, единой классификации дисперсных систем не существует. Одним из признаков, по которому возможно осуществить классификацию всех дисперсных систем, является размер частиц дисперсной фазы.

Классификация дисперсных систем по этому признаку приведена в таблице 6, там же указаны в качестве примеров некоторые дисперсные системы. В зависимости от размеров частиц различают высокодисперсные и грубодисперсные системы. Промежуточными среди них являются среднедисперсные системы.

Высокодисперсные системы характеризуются сравнительно небольшими размерами частиц, от 10 ^– 3до 10 ^– 1мкм (или от 1 до 100 нм) и значительной дисперсностью D.

Грубодисперсные системы характеризуются сравнительно большими размерами частиц и незначительной дисперсностью.

Свойства грубодисперсных и высокодисперсных систем во многом отличаются, но общим является наличие границы раздела фаз и раздробленность одной из них, т.е. дисперсность и гетерогенность. Изменение свойств при переходе высокодисперсных систем в грубодисперсные происходит постепенно, через среднедисперсные системы.

Таблица 6

Классификация дисперсных систем в зависимости от размера частиц дисперсной фазы

Высокодисперсные системы, к которым относятся коллоидные растворы, характеризуются значительной дисперсностью – они способны рассеивать свет и опалесцируют. Если коллоидный раствор пронизан проходящим через линзу светом, то сбоку виден светящийся конус. Мельчайшие частички высокодисперсных систем способны самопроизвольно совершать хаотическое броуновское движение и перемещаться (диффундировать) из области большей в область меньшей концентрации. Они проявляют ряд молекулярно-кинетических свойств, присущих только этому классу систем.

Частички высокодисперсных систем под действием гравитации оседают (седиментируют) очень медленно и в отличие от средне-, а тем более грубодисперсных систем, длительное время могут находиться во взвешенном состоянии.

Таким образом, размер частиц (или дисперсность) является одним из важнейших количественных показателей дисперсных систем, определяющих их качественные особенности.

Для дисперсных систем характерен весь спектр размеров частиц, указанных в табл. 6. Значительная часть их является среднедисперсными и грубодисперсными системами. Причем один и тот же продукт может одновременно относиться к различным системам. Так, например, частицы пшеничной муки высшего сорта имеют размер от 1 до 30 мкм, т.е. мука данного сорта одновременно принадлежит к среднедисперсной и грубодисперсной системам. Крупа, зерно, сахар-песок относятся к грубодисперсным системам. Размеры частиц растворимого кофе не превышают обычно 10 мкм, т.е. кофе является среднедисперсной системой.

Размер частиц дисперсной фазы определяет в известной степени потребительские свойства пищевых масс. Так, диаметр частиц какао-

порошка колеблется в пределах 0, 5-20 мкм, некоторых сухих молочных продуктов – 45-180 мкм, а сахара-песка – 400-2500 мкм (0, 4 - 2, 5 мм).

16.

Рассмотрим пример решения задачи по определению дисперсности (в контрольной работе № 2 это задача № 1).

Задача №1: В соусах диаметр капель эмульсии масла зависит от способа приготовления и при ручном взбалтывании составляет 20 мкм. Определить дисперсность, удельную поверхность дисперсной фазы, если плотность масла равна 1, 14∙ 10³кг/м³.

Решение: Дисперсность определим по уравнению (6.6):

D = 1/(20∙ 10 ^{– 6}) = 5∙ 10⁴, м ^{– 1}.

Из формулы (6.7) находим удельную поверхность: