Практическое применение поверхностных явлений и дисперсных систем
Планета Земля, её атмосфера, гидросфера, литосфера, биосфера – гигантские по своим масштабам дисперсные системы. Растения, животные (включая человека), микробы – сложнейшие коллоидные системы. Строительные материалы, медицинские препараты, продукты питания в значительной степени представлены дисперсными системами.
В технологических процессах используют поверхностные явления и дисперсные системы: катализаторы, адсорбенты, эмульсии и суспензии в полимеризации. Промышленное производство муки, крахмала, паст, кремов, мыла, стирального порошка, лекарственных препаратов и других дисперсных материалов осуществляется в громадных масштабах.
Широко используются коагуляционные структуры. К ним относятся гели – структурированные твердообразные дисперсные системы, в каркасе которых содержится жидкая дисперсионная среда. Высушенный гель, из которого удалена дисперсионная среда, переходит в состояние ксерогеля. Уголь, торф, картон, древесина, бумага, ткани, кожа, глина и многие другие материалы относятся к гелям или ксерогелям.
Конденсационно-кристаллизационные структуры образуются в результате химического взаимодействия частиц дисперсной фазы. Твердение воздушных и гидравлических вяжущих веществ завершается кристаллизационным структурообразованием. Например, смешение порошка строительного гипса с водой вызывает формирование на воздухе гидратированной ионной кристаллической структуры CaSO4×2H2O(т) в результате реакции:
CaSO4×0.5H2O(т) + 1.5H2O(ж) ® CaSO4×2H2O(т).
Кристаллическая структура бетона формируется при замешивании цемента с песком и водой.
Ниже будут рассмотрены микрогетерогенные дисперсные системы: аэрозоли, порошки, суспензии, эмульсии, пены, сплавы и композиционные материалы, свойства которых широко используются в практической деятельности человека.
5.1. Получение дисперсных систем
Природные дисперсные системы, такие, как пыль, дым, туман, донный ил, мутная вода, снег, кварцевый песок, образуются в результате испарения, трения, конденсации и других физико-химических процессов, происходящих на планете.
Искусственные дисперсные системы получают двумя путями: диспергационным методом – измельчением твердых и жидких тел в дисперсионной среде и конденсационным методом – образованием в гомогенной среде новой фазы.
Диспергационные методы
Диспергационные методы – способы дробления вещества для получения высоко-, средне- и грубодисперсных систем. Они включают механическое, ультразвуковое и электрическое дробление. Механическое диспергирование осуществляется в дробилках и мельницах путем истирания, удара, дробления или комбинации этих действий (рис. 39, а). Ультразвуковое диспергирование происходит при воздействии ультразвуковых колебаний на смесь нерастворимых друг в друге жидкостей или смеси твердого тела с жидкостью. При прохождении ультразвуковой волны в смеси веществ возникают местные, быстро чередующиеся сжатия и расширения, вызываюшие разрушение частиц вещества.
Электрическое диспергирование позволяет получать высокодисперсные системы (золи). Для получения золей металлов к металлическим электродам, опущенным в воду, подводят постоянный электрический ток, сближают электроды до образования электрической дуги. Так получают, например, золь золота (рис. 39, б).
Рис. 39. Схемы диспергаторов: а) механическое диспергирование; б) электрическое диспергирование
Конденсационные методы
Объединение молекул или ионов в частицы дисперсной фазы и превращение гомогенной в гетерогенную систему происходит в результате физической или химической конденсации. При физической конденсации в газе частицы дисперсной фазы формируются в результате понижения температуры. Так происходит образование частиц твердого углекислого газа при работе углекислотного огнетушителя. Газ, выбрасываемый через форсунку огнетушителя, мгновенно расширяется и охлаждается в воздухе до температур ниже –78оС (адиабатический процесс), превращаясь в аэрозоль.
В случае химической конденсации для получения дисперсных систем используют разнообразные химические реакции, в которых образуются нерастворимые в жидкости частицы (например, частицы AgI) или взвешенные частицы (NH4Cl) в газе:
AgNO3(р-р) + KI(р-р) ® AgI(т)¯ + KNO3(р-р)
NH3(г) + HCl(г) ® NH4Cl(т) ¯
5.2. Аэрозоли
Аэрозоли – средне- и грубодисперсные системы с газовой дисперсионной средой и твердой или жидкой дисперсной фазой (Т/Г или Ж/Г). Это свободнодисперсные системы. Диаметр (d) твердых частиц или капель жидкости в газе изменяется в диапазоне от 10-9 до 10-5 м и более. Например:
пыль (d > 10-5 м),
туман (d = 10-5 – 10-7 м),
дым (d = 10-5 – 10-9 м).
Появление тумана (Ж/Г), дыма, пыли (Т/Г) свидетельствуют о том, что атмосфера насыщена аэрозолями. Смена времен года сопровождается выпадением дождя или снега, которые представляют собой дисперсную фазу. Выхлопные газы авто- и авиатранспорта, тепловых электростанций выбрасываются в воздух в виде аэрозолей.
Табачный дым, попадающий в легкие человека, имеет размеры частиц, лежащие в интервале 10-7 – 10-6 м. Он содержит вещества, обладающие канцерогенными свойствами. Оседая в легких, твердые обуглившиеся частицы табачного дыма представляют серьезную опасность для здоровья (они способны вызвать рак легких). За годы курения розовые легкие курящего человека становятся серыми и никакие фильтры не избавляют их от осадка вредных веществ.
Защита атмосферного воздуха от выбросов аэрозолей промышленных предприятий осуществляется главным образом с помощью центробежных отделителей (циклонов) или электрофильтров (рис. 40, а,б).
Рис. 40. Системы улавливания пыли: а) в циклоне; б) в электрофильтре; 1, 2 – входной и выходной патрубки; 3 – пылевой бункер: 4 – корпус
При очистке газа с помощью циклона (рис. 40, а), насыщенный пылью газ поступает по входному патрубку (1) в корпус циклона (4) и движется со все возрастающей скоростью от периферии к центру. Частицы пыли под действием центробежной силы отбрасываются к стенке и падают в бункер (3), а чистый воздух по внутренней восходящей спирали выходит наружу через выходной патрубок (2).
Улавливание пыли с помощью электрофильтра (рис. 40, б) осуществляется следующим образом. Дым пропускают между электродами с высокой разностью потенциалов, обеспечивающих при коронном разряде большой поток электронов от катода к аноду. Ионизация молекул газа сопровождается адсорбцией отрицательно заряженных ионов на частицах пыли. Частицы осаждаются на аноде и, потеряв заряд, оседают в бункере.
Аэрозоли широко применяются в быту в виде баллончиков, содержащих готовые к распылению лаки и краски, а также пены для бритья, дезодоранты, духи, одеколоны, туалетную воду. В медицине используются ингаляторы для распыления капель лекарства в период приступа удушья у астматиков, а также при заболеваниях носа и горла.
Для пожаротушения используют аэрозольные баллоны, содержащие порошок или углекислый газ. При работе названных устройств аэрозоль образуется в момент применения порошкового или углекислотного огнетушителя.
5.3. Порошки
Порошки – средне- и грубодисперсные системы с высокой концентрацией твердой дисперсной фазы в газе (Т/Г). К порошкам относятся песчаные карьеры, грунтовые дороги, сугробы снега, все сыпучие материалы (табл. 3).
Т а б л и ц а 3
Некоторые порошки, используемые в технике и пищевой
промышленности
| Порошок | d, м | Порошок | d, м |
| Сажа печная | (1 ¸ 3)×10-7 | Мел молотый | (5 ¸ 50)×10-6 |
| Белила (TiO2) | (2 ¸ 7)×10-7 | Крахмал | (1 ¸ 1.5)×10-4 |
| Охра (Fe2O3) | (3 ¸ 15)×10-7 | Мука | (0.5 ¸ 2)×10-4 |
| Глина | (2 ¸ 20)×10-6 | Крупа | >×10-4 |
Порошки нашли широкое применение в производстве пищевых продуктов (крахмал, мука, крупы, растворимый кофе и др.). Размалывание каменного угля до мельчайших частиц (10-9 ¸ 10-7) м порошка необходимо при сжигании каменного угля в форсунках электростанций, работающих на твердом топливе.
Различные поверхности окрашиваются методом напыления. Чем выше степень дисперсности красителя, тем эффектнее выражена яркость окраски, кроющая способность и прочность красителя на окрашенной поверхности. В этом направлении ведутся работы по использованию дисперсных систем, в которых частицы красителя имеют размеры в несколько нанометров (нанотехнологии). Прочность покрытия корпуса автомобиля нанокрасками в высоковольтном поле (200 000 вольт) превосходит все известные способы покрытия.
5.4. Суспензии
Суспензии – средне- и грубодисперсные системы с твердой дисперсной фазой и жидкой дисперсионной средой (Т/Ж) и размером частиц от 10-7 до 10-4 м.
Природные воды (океаны, моря, озера, болота, реки), разнообразные искусственные водоемы содержат твердые частицы в виде осадков (ил), и с позиций коллоидной химии являются суспензиями. К суспензиям относятся влажные почвы и грунты. Многие продукты, которые мы употребляем в пищу, являются суспензиями. Например, томатная паста, готовая к употреблению горчица, паштеты, мясные фарши, шоколад (частицы какао в какао-масле).
В химической промышленности получение многих полимеров осуществляется суспензионной полимеризацией: капли мономера в воде, стабилизированные водорастворимыми ПАВ (желатин, крахмал), при полимеризации превращаются в твердые частицы, размер которых колеблется от 10-6 до 10-3 м. Таким методом получают полистирол, поливинилацетат и др.
К суспензиям относятся готовые к использованию цементные и известковые «растворы», применяемые в строительстве зданий и сооружений, масляные краски.
Высококонцентрированные структурированные суспензии называют пастами. В пастах пространственная сетка из частиц дисперсной фазы заполнена дисперсионной средой. Они обладают вязкостью, упругостью и пластичностью. Например, зубная паста представляет собой карбонат кальция (СаСО3), растертый в порошок и в местах контакта частиц покрытый тончайшей пленкой водного раствора, содержащего различные добавки.
Частицы суспензии не участвуют в тепловом движении. Они обладают седиментационной неустойчивостью, но проявляют большую агрегативную устойчивость по сравнению с лиофобными коллоидными растворами. Агрегативная устойчивость суспензий зависит от среды, в которой она формируется. Хорошо смачивающая поверхность дисперсных частиц жидкая фаза повышает агрегативную устойчивость. Полярные частицы хорошо смачиваются полярными, а неполярные – неполярными жидкостями. На поверхности частиц образуется тончайшая пленка жидкой фазы, которая препятствует агрегированию частиц дисперсной фазы. Например, в бензоле (неполярной среде) мелкие частицы углерода (неполярные частицы) хорошо смачиваются бензолом и не слипаются. В воде (полярной среде) частицы углерода не защищены пленкой жидкости и происходит их агрегирование.
Для повышения агрегативной устойчивости суспензий используют стабилизаторы. Стабилизаторы – вещества, добавление которых в дисперсную систему повышает ее агрегативную устойчивость, т.е. препятствует слипанию частиц. В качестве стабилизаторов широко используются коллоидные растворы ПАВ и растворы ВМС (рис. 41). При стабилизации частиц углерода в воде мыло, имеющее дифильное строение, окружает частицы таким образом, что их гидрофильная часть обращена в сторону воды, а гидрофобная располагается вокруг частицы углерода (рис. 41, а).
Рис. 41. Стабилизация суспензии поверхностно-активным веществом (мылом): а) углерода в воде; б) кварцевого песка (SiO2) в бензоле
И, наоборот, при стабилизации полярных частиц в неполярном растворителе, полярные группы ПАВ располагаются вокруг полярных частиц SiO2, а их неполярные концы обращены в сторону неполярного бензола (рис 41, б). Мыло – поверхностно-активное вещество солюбилизирует (растворяет в мицеллах) частицы углерода в воде и полярные частицы SiO2 в неполярном бензоле, стабилизируя эти дисперсные системы.
В случае высокомолекулярных соединений эффективными стабилизаторами являются некоторые белковые вещества и полисахариды (желатин, крахмал, метоксипропилцеллюлоза), которые также являются поверхностно-активными веществами.
5.5. Эмульсии
Эмульсии – средне- и грубодисперсные системы с жидкой дисперсной фазой и жидкой дисперсионной средой (Ж/Ж), когда одна из жидкостей распределена в другой в виде капель. Такие дисперсные системы образуются из двух взаимно нерастворимых жидкостей. Чаще всего используются эмульсии, в которых одной из жидкостей является вода, а другой нерастворимое в воде органическое вещество. Их обозначают масло в воде (М/В) и вода в масле (В/М), подразумевая под «водой» полярное вещество (включая, разумеется, воду), а под «маслом» - неполярное нерастворимое в воде органическое вещество.
Чтобы придать эмульсии относительную устойчивость используют стабилизаторы, называемые в этом случае эмульгаторами. Поэтому эмульсия – это, как минимум, трехкомпонентная система, состоящая из полярной и неполярной жидкости, одна из которых находится в виде капель, и эмульгатора.
Стабилизация эмульсий осуществляется в результате адсорбции молекул эмульгатора (например, ПАВ) на границе раздела фаз, т. е. на поверхности капель, распределенных в дисперсионной среде (рис. 42).
Рис. 42. Адсорбция молекул эмульгатора (анионогенного ПАВ) на границе раздела фаз в системах: а) масло в воде; б) вода в масле
Ионогенные ПАВ образуют на поверхности капель двойной электрический слой и капли дисперсной фазы не слипаются (сливаются) в силу того, что одинаково заряжены.
Различают прямые эмульсии, в которых дисперсионной средой является полярная среда (В) и обратные эмульсии – эмульсии с неполярной дисперсионной средой (М) (рис. 42, б).
К прямым эмульсиям относятся такие дисперсные системы, как молоко (капли жира в воде, стабилизированные смесями белков), косметические кремы, кровь. В крови дисперсионной средой является водный раствор солей и аминокислот, а дисперсной фазой – эритроциты. Стабилизация дисперсной системы (крови) осуществляется молекулами аминокислот и белков, выполняющими функцию ПАВ.
К обратным эмульсиям относятся, например, сливочное масло и маргарин. В масле и маргарине концентрация дисперсионной среды может достигать 99% по сравнению с 1% воды.
В пищевой промышленности в виде эмульсий выпускаются молоко, сливки, сметана, сливочное масло, маргарин. В промышленных технологических процессах эмульсии используются в качестве проклеивающего вещества при производстве бумаги, для приготовления эмульсионных красок, при бурении нефтяных и газовых скважин.
Эмульсионной полимеризацией – полимеризацией в каплях дисперсной фазы получают каучуки, поливинилхлорид и ряд других полимеров.
5.6. Пены
Пены – грубодисперсные высококонцентрированные системы с газовой дисперсной фазой и жидкой дисперсионной средой (Г/Ж). Они термодинамически неустойчивы, если принять во внимание размер пузырьков газовой фазы. Пузырьки газа могут достигать нескольких сантиметров, а объем газа составлять ¾ объема пены. В некоторых случаях объем пузырьков пены, отнесенный к объему дисперсионной среды, может быть десятикратным (кратность пен). Для высокократных пен характерна ячеистая структура (рис. 43) с пятиугольными гранями, похожая на пчелиные соты. Ячейки с газом разделены тонкими слоями жидкости, содержащими специальные добавки – пенообразователи. Без пенообразователей чистая жидкость пены не образует.
Рис. 43. Схематическое изображение фрагмента структуры пены (Г/Ж) с высокой кратностью
В качестве пенообразователей используются коллоидные растворы анионогенных ПАВ и высокомолекулярные природные соединения (некоторые виды белков).
Существенное стабилизирующее действие на пены и пенообразование оказывают загустители, повышающие вязкость пенообразующего раствора. Среди загустителей широкое применение нашли многоатомные спирты, такие, как глицерин, этиленгликоль. К загустителям относятся такие высокомолекулярные соединения, как крахмал, агар-агар, желатин, образующие при растворении в горячей воде истинные растворы. При охлаждении эти растворы превращаются в плотные студни.
Крахмал, желатин или агар-агар, добавленные в небольших количествах, увеличивают вязкость жидкости и устойчивость пен в несколько раз.
Структурно-механические (реологические) свойства пен такие, как течение и деформация являются их важными характеристиками при использовании в пожаротушении, а также при получении вспененных полимерных материалов (пенопластов).
Отступление. Студни – это концентрированные растворы высокомолекулярных соединений с плотным структурированным каркасом, упругие свойства которого вызваны образованием прочных химических и водородных связей между макромолекулами. Студни образуют растворы таких природных полимеров, как крахмал и агар-агар. Крахмал выделяют из клубней картофеля и злаков, агар-агар – из красных водорослей. Для приготовления студня крахмал или агар-агар растворяют в горячей воде. Образовавшийся истинный раствор при охлаждении до комнатной температуры превращается в плотный студень.
Аналогичные свойства проявляет желатин – высокомолекулярный продукт расщепления белка соединительной ткани животных (коллаген). В горячей воде желатин растворяется, а при охлаждении также образует студень. Еще раз подчеркнем, что упругие свойства студней вызваны образованием прочных химических и водородных связей между макромолекулами. Таким характером межмолекулярного взаимодействия студни отличаются от гелей – структурированных систем, образующихся из золей (высокодисперсных систем) за счет ван-дер-ваальсовых сил. Но есть и общее, что объединяет студни и гели. И те, и другие проявляют такие механические свойства, как упругость, прочность, эластичность.
Большинство студней не восстанавливают свою прежнюю структуру, разрушенную механическим воздействием, т.к. разрушаются водородные связи. Гели восстанавливают свою структуру (тиксотропия), несмотря на механическое воздействие (перемешивание).
Обычно агар-агар, желатин и крахмал широко используются в кондитерской промышленности. Кроме того, агар-агар применяется как питательная среда для выращивания клеток и микроорганизмов.
5.7. Системы с твердой дисперсионной средой
Системы с твердой дисперсионной средой обладают твердостью и другими свойствами, о которых пойдет речь ниже. К ним неприменимо понятие агрегативной устойчивости.
Дисперсные системы (Г/Т) – твердые пены широко применяются в строительстве (пенобетон, керамзит, пеностекло, пенопласты, пористая резина и др.).
Дисперсные системы (Ж/Т) – твердые эмульсии встречаются довольно редко.
Наиболее широко используются дисперсные системы (Т/Т). К ним относятся металлы и сплавы, керамические и бетонные изделия, пластмассы, композиционные материалы (железобетон, эбонит, резина, ситаллы и др.).
Металлы и сплавы имеют кристаллическое строение (рис. 44).
Рис. 44. Строение затвердевшего стального слитка: 1) мелкие кристаллы; 2) столбчатые кристаллы; 3) крупные кристаллы
Расплав при охлаждении переходит из жидкого в твердое состояние. Кристаллизация металла происходит на зародышах – отдельных участках поверхности, которая охлаждается быстрее внутренней части. Процесс твердения продвигается внутрь и завершается в центре металлического слитка. Образуется дисперсная система разнообразных по форме и ориентации кристаллов.
В сплавах формируется микрогетерогенная система, кристаллы которой отличаются физическими и химическими свойствами.
Бетон получают твердением цементного теста, смешанного с различными минеральными наполнителями (крупный речной песок, гравий, щебень). В результате твердения образуется монолитная дисперсная система в виде блоков, плит и других конструкционных материалов.
Керамические материалы получают спеканием глин или смеси порошков неорганических веществ, содержащих разнообразные оксиды металлов и неметаллов (Al2O3, MgO, SiO2, CaO). При изготовлении керамики к глине добавляют воды, размалывают до состояния теста, формуют изделие, сушат, а затем подвергают обжигу. После обжига изделие готово к использованию.
Композиционные материалы – многокомпонентные материалы, состоящие из полимерной, металлической, углеродной основы (матрицы), армированной (содержащей внутренний каркас) наполнителями из волокон, нитевидных кристаллов, тонкодисперсных частиц.
Среди композиционных материалов наибольшее применение нашли полимерные материалы (феноло-формальдегидные смолы, эпоксидные, полиамидные и полиэфирные высокомолекулярные соединения), армированные стеклянными, углеродными, борными волокнами, а также стальной, молибденовой и вольфрамовой проволокой. Например, углепластики используются в качестве конструкционных материалов в авиакосмической технике, автомобилестроении, судостроении, изготовлении спортивных товаров. Углерод-углеродные композиты используются в качестве теплозащитных материалов. В инертной среде они работают при температуре до 2500 0С.
Введение высокодисперсного углерода (дисперсная фаза) в натуральный или синтетический каучук (дисперсионная среда) придает резине (полученной при вулканизации каучука) сочетание свойств твердого тела (упругость, стабильность формы), жидкости (высокая деформируемость при малом объемном сжатии) и газа (повышение упругости вулканизационных сеток с ростом температуры). Благодаря этим качествам автомобильные покрышки выдерживают высокие нагрузки в течение нескольких лет эксплуатации.
Краткий итог темы
1. Природные дисперсные системы, такие, как пыль, дым, туман, донный ил, мутная вода, снег, кварцевый песок, образуются в результате испарения, трения, конденсации и других физико-химических процессов, происходящих на планете.
2. Искусственные дисперсные системы получают двумя путями: диспергационным методом – измельчением твердых и жидких тел в дисперсионной среде и конденсационным методом – образованием в гомогенной среде новой фазы – физической и химической конденсацией.
3. Аэрозоли имеют несомненные преимущества перед другими видами дисперсных систем своей способностью занимать большой объем незначительным количеством вещества. По этой причине они широко используются (в аэрозольной упаковке) как полирующие и чистящие составы, лаки и краски, дезодоранты, медицинские препараты, средства тушения пожаров, в военной и космической технике.
4. Порошки, суспензии, эмульсии, пены, сплавы и композиционные материалы находят широчайшее применение в пищевой, химической промышленности, строительной индустрии, медицине, в качестве средств, используемых в быту.
Термины для запоминания
Аэрозоль – средне- или грубодисперсная система с газовой дисперсионной средой, содержащей твердые частицы (Т/Г) или капли жидкости (Ж/Г).
Гель – структурированная твердообразная дисперсная система, каркас которой заполнен жидкостью.
Композиционные материалы – многокомпонентные материалы, состоящие из полимерной, металлической, углеродной основы (матрицы), армированной наполнителями из волокон, нитевидных кристаллов, тонкодисперсных частиц.
Ксерогель – высушенный (сухой) гель.
Пасты – высококонцентрированные структурированные суспензии, в которых пространственная сетка из частиц дисперсной фазы заполнена дисперсионной средой. Они обладают вязкостью, упругостью и пластичностью.
Пены – грубодисперсные высококонцентрированные системы с газовой дисперсной фазой и жидкой дисперсионной средой (Г/Ж).
Порошки – средне- и грубодисперсные системы с высокой концентрацией твердой дисперсной фазы в газе (Т/Г).
Стабилизаторы – вещества, добавление которых в дисперсную систему препятствует слипанию частиц. В качестве стабилизаторов широко используются коллоидные растворы ПАВ и растворы ВМС.
Студни – концентрированные растворы высокомолекулярных соединений с плотным структурированным каркасом, упругие свойства которого вызваны образованием прочных химических и водородных связей между макромолекулами.
Суспензии – средне- и грубодисперсные системы с твердой дисперсной фазой и жидкой дисперсионной средой (Т/Ж),
Эмульсии – средне и грубодисперсные системы с жидкой дисперсной фазой и жидкой дисперсионной средой (Ж/Ж), одна из жидкостей распределена в другой в виде капель.
Вопросы для проверки знаний
1. Какие дисперсные системы называются суспензиями?
2. Чем пасты отличаются от суспензий?