Повна версія

Головна arrow Природознавство arrow КОЛОЇДНА ХІМІЯ

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   ЗМІСТ   >>

ДИСПЕРСНІ СИСТЕМИ

Кількісні характеристики дисперсних систем

Дисперсні системи - це гетерогенні, переважно мікро- гетерогенні системи, що складаються як мінімум з двох фаз, одна з яких знаходиться в дисперсному (роздробленому) стані. Зазвичай роздроблену (диспергує) частина системи називають дисперсною фазою; безперервну (суцільну), в якій знаходиться роздрібнена фаза, - дисперсійним середовищем.

Основна кількісна характеристика - лінійний (поперечний) розмір часток дисперсної фази. Розмірністю цієї величини в системі СІ є метр, [а] = м, але оскільки мова йде про дуже дрібних частинках, то використовуються приставки мікро-, нано- та інші (дод. Б). Сферичний лінійний розмір - це діаметр (радіус) сфери, для кубічних - довжина ребра куба.

Роздробленість системи кількісно характеризують дисперсностью D - величиною, зворотної лінійного розміру, тобто D = - . Раз

а

мірність дисперсності [D] = м _ | , См -1 , мм 1 та інші.

Дисперсні системи, що мають частки однакового розміру, називаються монодисперсними; з неоднаковими - полідисперсними. Реальні системи, як правило, полідісперсни, їх властивості визначаються ступенем роздробленості речовини, а також характером розподілу часток за розмірами.

Важливим показником дисперсної системи є питома поверхня К0Т0 Р а зазвичай виражається відношенням сумарної по

поверхні розділу дисперсної фази 1 з дисперсійним середовищем 2 (міжфазної поверхні) s j 2 до сумарного обсягу цих частинок V :

Розмірність питомої поверхні [$ ^] = м *, см 1 або мм

Поверхня може бути віднесена не тільки до обсягу частинок, але і до обсягу дисперсійного середовища або системи в цілому. У деяких випадках питому поверхню визначають як міжфазну поверхню по відношенню до маси дисперсної фази т :

тоді її розмірність буде [s = м 2 / кг або см 2 / г.

Розглянуті величини a, D і s ^ пов'язані між собою і для

частинок геометрично правильної форми цей зв'язок має вигляд простих співвідношень. Так, для монодисперсної системи, що складається з сферичних

частинок з діаметром d ( г -радіус):

Для частинок кубічної форми з ребром а :

Наведені співвідношення отримані з геометричних формул, які варто нагадати:

об'єм кулі з радіусом г (d = 2r ):

поверхню кулі: s = 4m ~ = ml ~;

поверхню однієї грані куба з ребром а дорівнює а 2 ;

поверхню куба в цілому 6д 2 .

У загальному вигляді , де до - коефіцієнт форми

частинок.

Для сферичних і кубічних частинок коефіцієнт форми дорівнює 6, для геометрично неправильних частинок він може бути іншим.

Частинки дисперсної фази мають різноманітну форму - сферичну, циліндричну, пластинчасту, округлу і ін. Форма частинок залежить від методу отримання дисперсної системи і від властивостей складових її фаз. Для прикладу на рис. 1.1 показані фотографії частинок глин ряду родовищ Іркутської області - Трошковского (а), Нікольського (б) і Слюдянского (в).

Вид частинок глинистих мінералів йод мікроскопом

Мал. 1.1. Вид частинок глинистих мінералів йод мікроскопом

Фотографії отримані за допомогою скануючого електронного мікроскопа JIB Z 4 500. Видно, що частинки глини мають різні розміри і складну форму: лускату, пластинчасту, пластівчасту зі складним рельєфом поверхні і вкрапленнями. У зразках існують частинки з розмірами від 1 до 60 мкм.

Величина питомої поверхні і багато властивостей дисперсної системи залежать від форми частинок. Наприклад, питома поверхня порошків може коливатися від 0,01 до 10 м 2 / г в залежності від розмірів, форми частинок і мікрогеометрії їх поверхні.

Зі зменшенням лінійних розмірів частинок при дробленні і подрібненні тел, а значить, зі збільшенням ступеня розвиненості їх поверхні питома поверхня істотно зростає (табл. 1.1).

Таблиця 1.1

Питома поверхня кубічних тел

а , см

число частинок

V CM ~ '

1

1

6

110 " 1

10 3

610

МО 4

10 12

610 4

МО " 7

10 21

610 7

Розглянуті кількісні характеристики враховуються при визначенні вільнодисперсні системам - системам з рідкої або газоподібним дисперсійним середовищем.

Связнодісперсние (структуровані) системи відрізняються від вільнодисперсні характером межчастичного взаємодії. У них частки дисперсної фази пов'язані один з одним за рахунок міжмолекулярних сил, утворюючи своєрідні просторові сітки або каркаси. Такі системи називаються пористими тілами.

Для їх кількісних характеристик використовують ті ж самі співвідношення, але лінійний розмір характеризує величину мор. Крім того, геометричною характеристикою связнодісперсних систем служить пористість П , що дорівнює відношенню обсягу пір V n до загального обсягу тіла

При оцінці пористості використовують справжню щільність р і (відношення маси тіла до його об'єму V за винятком обсягу пір) і уявну щільність р до (відношення маси тіла до його об'єму У ^ , включаючи обсяг пір). Пористість можна представити у вигляді співвідношень:

Експериментальне визначення щільності і пористості тел проводять пікнометричним за стандартними методиками.

Якщо пористе тіло має монодисперсні структуру, його питому

поверхню легко оцінити:

Щоб визначити питому поверхню тіла, утвореного сферичними частинками однакового розміру, досить знати тільки радіус частинок. Якщо питома поверхня розраховується на одиницю маси тіла, то треба знати ще й щільність речовини.

Наведені співвідношення справедливі і для визначення параметрів порошків, для яких іноді можна проводити аналогії з пористими тілами. Слід зазначити, що наведені формули спрощені і не враховують поверхню контакту частинок між собою - їх кількість може змінюватися в залежності від характеру і щільності упаковки частинок в структурі пористого тіла або порошку. З їх урахуванням в формулах з'являються коефіцієнти, що враховують частку таких контактів.

Зі зменшенням розмірів частинок поверхню контакту збільшується; для частинок з діаметром більше ~ 100 нм сю можна знехтувати.

Знаючи пористість і питому поверхню, можна оцінити розміри пір в пористих тілах. Якщо пори - сфери з радіусом, пористість

і питома поверхня , де

п - число сферичних пір в одиниці об'єму. Якщо пори мають форму циліндра, то

Питому поверхню вільнодисперсні системи можна розрахувати, використовуючи часткову концентрацію і (число частинок в 1 м 3 ) або п (число частинок в 1 кг речовини):

де Sq - поверхня кулястої частинки дисперсної фази радіусом р

Часткова концентрація може бути, в свою чергу, виражена через обсяг V , і якщо , то в першому випадку ,

при розмірності м ' 1 ; у другому випадку

при розмірності = м 2 / кг.

Знаючи питому поверхню s можна визначити загальну поверхню: . Сферичний поверхню визначиться як , для кубічних - як

Співвідношення геометричних характеристик дисперсної системи представлені в двох невеликих завданнях.

Завдання 1. Колоїдні частинки золота кубічної форми мають дисперсність 10 8 м "Обчисліть довжину нитки, якщо 110 3 кг золота у вигляді таких частинок розташувати один за одним. Щільність золота дорівнює 19 300 кг / м 3 .

Рішення. Сумарний обсяг золота становить , обсяг однієї частки кубічної форми з довжиною ребра а - Vq = а ^. Тоді число частинок золота п в даній масі можна обчислити як або .Так як

, То довжина нитки L буде дорівнює . В ре

док розрахунку виходить:

Розмірність отриманої величини становить

Завдання 2. Дисперсність частинок колоїдного золота дорівнює 10 8 м 1 . Беручи форму частинок кубічної, визначте, яку поверхню вони можуть покрити, якщо укласти їх щільно в один шар. Колоїдних частинок взято 1 • 10 ° кг. Щільність золота дорівнює 19 300 кг / м 3 .

Рішення. Питома поверхня кубічних частинок з довжиною ребра / визначається як , або s ^ = 6 D .

Загальна поверхня, тобто поверхня всіх колоїдних частинок: S = S yd ' V ' rm

Так як поверхня буде покрита тільки однією гранню колоїдних частинок, то . Проводимо розрахунок: . Розмірність отриманої величини становить

Геометричні параметри полідисперсних систем оцінюють по кривим розподілу часток за розмірами, які показують відносне кількість частинок тих чи інших розмірів, діапазон розмірів частинок, що складають систему і ін.

Існують різноманітні методи вивчення дисперсного складу системи (інакше методи дисперсійного аналізу). Їх різноманітність пов'язано з тим, що властивості дисперсних систем істотно відрізняються по агрегатному стані фаз, по межчастичного взаємодії, по дисперсності.

Як приклад в табл. 1.2 наведено гранулометричний склад глин, представлених на мікрофотографіях на рис. 1.1.

Таблиця 1.2

Гранулометричний склад глин

Розмір частинок, мкм, не більше

Склад,%

Трошковское

родовище

Нікольське

родовище

Слюдянскій

родовище

60

100

100

100

40

84,81

92,62

76,72

20

71,00

83,66

56,48

5

25,00

53,32

17,75

2

1,00

28,16

1,50

Деякі методи дисперсійного аналізу дають відомості тільки про середній розмір частинок.

Поняття середнього розміру частинок дисперсної системи вимагає особливого пояснення. Наприклад, в ситового аналізу розмір часток фракції після кожного сита приймається рівним розміру відповідних отворів. У седіменгаціонном аналізі за середній приймається розмір такої частки, яка осідає зі швидкістю, однаковою зі швидкістю осідання частинок монодисперсної системи. У загальному випадку під середнім мається на увазі такий розмір, який дорівнює розміру часток монодисперсної системи, що має з даної полідіспсрсной системою загальні параметри у і Z (х, у і Z-просторово координати).

Повну інформацію про часовий інтервал дисперсності системи представляють інтегральні і диференціальні функції розподілу часток за розмірами. У загальному вигляді диференціальна функція розподілу

має вигляд: . Ця функція являє собою число частинок

Ап з радіусами в інтервалі від до , віднесене до загального

числу частинок всіх розмірів N і величині А / *, тобто частку загального числа частинок, що припадає на частки в розглянутому інтервалі радіусів.

Залежно від можливостей методу дисперсійного аналізу диференціальна функція розподілу може представлятися гістограмами, в яких висота стовпців відображає кількість речовини в заданому інтервалі радіусів (не завжди однакові в різних областях розмірів) або безперервної лінією на графіках при Аг -> 0 (рис. 1.2).

Інтегральна функція розподілу Q (r) пов'язана з диференціальної співвідношенням

і представляє частку загального числа частинок, що припадає на частки з радіусом, більшим деякого значення г . За інтегральним кривим розподілу простіше визначати частку частинок, що припадають на певний інтервал розмірів Аг (вона дорівнює різниці відповідних значень Q (r + Ar) - Q (r ).

Диференціальна крива розподілу

Мал. 1.2. Диференціальна крива розподілу

Залежно від того, які параметри вимірюються в експерименті, використовуються різні функції розподілу (розподіл за розмірами, по поверхні і ін.), В подальшому можливий перерахунок від одних параметрів до інших.

У найпростішому випадку розподіл часток за розмірами представляють у вигляді графіка, з розміром частинок на осі абсцис і їх відносною кількістю (де п - число часток даного розміру, N -

сумарна кількість частинок) - на осі ординат.

Залежно від властивостей дисперсної системи графік функції розподілу часток за розмірами може мати різну форму. Один з найбільш поширених графіків - симетрична крива Гауса, яка характеризує закон нормального розподілу. Крім кривої Гаусса існують інші види кривих розподілу.

Високодисперсні системи (золи) підкоряються молекулярнокінетіческім законам, що дозволяє за експериментальними даними визначати розміри частинок дисперсної фази.

 
<<   ЗМІСТ   >>