8: Характерные типы коллоидных систем и их свойства

Привет, Вы узнаете о том , что такое эмульсия, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое эмульсия, суспензия, пена, аэрозоль , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Коллоидная химия и химия дисперсных систем.

Классификация коллоидных систем (КС)

Коллоиды по природе дисперсных частиц подразделяются на органические и неорганические, по интенсивности взаимодействия дисперсной фазы и дисперсной среды — на лиофильные и лиофобные. По агрегатному состоянию дисперсной среды различают газообразные (аэрозоли), жидкие (лиозоли) и твердые (крио-и солидозоли) коллоидные системы.

1. Аэрозоли. (системы твердое/газообразное и жидкость/газ )

Особенность: большая ∆ρ и потому у них большая скорость седиментации, большая скорость броуновского движения, большая скорость коагуляции. Для них характерны явления термофореза (перемещение частиц ДФ в направлении меньшей температуры), термопреципитации (осаждение ДФ на холодных поверхностях) и фотофореза (перемещение ДФ под действием света).
В аэрозолях частицы ДФ не имеют фиксированного и одинакового заряда. У него может быть даже противоположный знак.
Специфическая группа аэрозолей – порошки.

.

Люди производят аэрозоли для различных целей, в том числе:

• в качестве тестовых аэрозолей для калибровки приборов, проведения исследований и тестирования оборудования для отбора проб и воздушных фильтров;
• доставлять дезодоранты , краски и другие потребительские товары в виде спреев;
• для распространения и применения в сельском хозяйстве
• для медицинского лечения респираторных заболеваний ; и
• в системах впрыска топлива и других технологиях сгорания .

Некоторые устройства для генерации аэрозолей:

• аэрозоль ный спрей
• Насадка-распылитель или небулайзер
• Электрораспыление
• Электронная сигарета
• Вибрационный аэрозольный генератор (VOAG)

Теория распределения частиц в аэрозолях описывает конденсацию на поверхности аэрозоля и испарение с нее. Конденсация массы приводит к увеличению моды распределения частиц по размерам в аэрозоле; наоборот, испарение приводит к уменьшению моды. Нуклеация — это процесс образования массы аэрозоля из конденсации газообразного предшественника, а именно пара . Для чистой конденсации пара требуется пересыщение, то есть парциальное давление , превышающее давление пара .

Конденсация и испарение

2. Эмульсии. (система жидкость/жидкость)

Утворюють рідини різної полярності. Розрізняють пряму (M/В) і обернену (В/М) емульсії.В емульсіях частинки ДФ мають форму кульок. Тому максимально концентрована емульсія має 72,75об.% ДФ (щільна кульова упаковка). Розбавлені емульсії мають < 0,1% ДФ. Стабілізуються емульсії емульгаторами – біполярними ПАР. За рахунок ефективних ПАР, які мають необхідний для системи ГЛБ (для М/В 8-18, для В/М 4-6) , можна отримати
висококонцентровані емульсії (до 99% ДФ). Вони мають сотову структуру, де ДС – це плівка навкруги полігранних частинок ДФ. Змінюючи ПАР, можна обертати емульсії, або отримувати множинні емульсії.
Ідентифікують тип емульсії розбавленням розчинником: прямі (М/В) змішуються з водою, а обернені (В/М) – з маслом.

Микрофотография эмульсии молочного жира (1,5 % молоко)

Тип эмульсии зависит от состава и соотношения ее жидких фаз, от количества и химической природы эмульгатора, от способа эмульгирования и некоторых других факторов.

• Прямые, с каплями неполярной жидкости в полярной среде (типа «масло в воде»)

Для эмульсий типа м/в хорошими эмульгаторами могут служить растворимые в воде мыла (натриевые и калиевые соли жирных кислот). Молекулы этих соединений, адсорбируясь на поверхности раздела фаз, не только снижают поверхностное натяжение на ней, но благодаря закономерной ориентации в поверхностном слое создают в нем пленку, обладающую механической прочностью и защищающей эмульсию от разрушения.

• Обратные, или инвертные (типа «вода в масле»)

Для эмульсии типа в/м хорошими эмульгаторами могут быть нерастворимые в воде мыла (кальциевые, магниевые и алюминиевые соли жирных кислот).

Изменение состава эмульсий или внешнее воздействие могут привести к превращению прямой эмульсии в обратную или наоборот.

тип эмульсии	дисперсная фаза	дисперсионная среда
прямая (м/в)	масло	вода
обратная (в/м)	вода	масло

Также эмульсии разделяются на лиофильные и лиофобные:

• Лиофильные эмульсии образуются самопроизвольно и термодинамически устойчивы. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . К ним относятся т.н. критические эмульсии, образующиеся вблизи критической температуры[уточнить] смешения двух жидких фаз, а также некоторые смазочно-охлаждающие жидкости.
• Лиофобные эмульсии возникают при механическом, акустическом или электрическом эмульгировании (диспергировании), а также вследствие конденсационного образования капель дисперсной фазы в перенасыщенных растворах или расплавах. Они термодинамически неустойчивы и длительно существуют лишь в присутствии эмульгаторов — веществ, облегчающих диспергирование и препятствующих коалесценции (слиянию). Эффективные эмульгаторы — мицеллообразующие ПАВ, растворимые высокомолекулярные вещества, некоторые высокодисперсные твердые тела.

Получение эмульсии
A. две несмешивающиеся жидкости;
В. диспергирование фазы II, образование нестабильной эмульсии;
C. коагуляция частиц фазы II, разделение фаз неустойчивой эмульсии;
D. добавление поверхностно-активного вещества (фиолетовый контур вокруг частиц), стабилизация эмульсии.

Эмульсии образуются двумя путями:

• путем дробления капель.

Этот метод осуществляется путем медленного прибавления диспергируемого вещества в дисперсную систему в присутствии эмульгатора при непрерывном и сильном перемешивании. Главными факторами, от которых зависит степень дисперсности частиц получаемой эмульсии и ее устойчивость, является скорость перемешивания, скорость введения диспергируемого вещества, его количество, природа эмульгатора и его концентрация, температура и pH среды.

• путем образования пленок и их разрыва на мелкие капли.

Механизм образования состоит в следующем. Жидкость, образующая дисперсную фазу (например, масло), при медленном прибавлении к дисперсионной среде образует пленку. Эта пленка разрывается пузырьками воздуха, выходящими из отверстия трубки, которые находятся на дне сосуда. Образуются мелкие единичные капли. Одновременно пузырьки воздуха энергично размешивают всю жидкость и этим самым способствуют дальнейшему эмульгированию. В настоящее время для получения концентрированной эмульсии масла с водой ее подвергают действию ультразвука.

Эмульсии со временем самопроизвольно разрушаются. На практике иногда возникает необходимость ускорить процесс разрушения эмульсий (в случаях, когда наличие эмульсии затрудняет дальнейшую обработку или применение материала). Ускорить процесс разрушения эмульсии можно различными способами:

• Химическое разрушение защитных пленок эмульгатора соответствующим реагентом: основой метода химического расщепления является нейтрализация отрицательного заряда; на этом принципе основано действие органических деэмульгаторов.
• Прибавление эмульгатора, способного вызвать обращение фаз эмульсии и снижающего этим прочность защитной пленки; например, стабилизированная натриевым мылом эмульсия типа в/м — при введении солей кальция — будет находиться в менее стойком состоянии;
• Адсорбционное замещение эмульгатора менее поверхностно-активным веществом, не обладающим способностью образовывать достаточно прочные пленки[источник не указан 610 дней];
• Термическое разрушение — расслоение эмульсий нагреванием;
• Механическое воздействие: например, отделение сливок от обрата с помощью сепаратора;
• Действие электрического тока или электролитов — разрушение эмульсий, стабилизированных электрическим зарядом частиц: эмульсии типа вода/нефть.

Эмульсии широко используют в различных отраслях промышленности:

• Пищевая промышленность (сливочное масло, маргарин, майонез, ликеры);
• Мыловарение;
• Переработка натурального каучука;
• Строительная промышленность (битумные материалы, пропиточные композиции);
• Автомобильная промышленность (получение смазочно-охлаждающих жидкостей);
• Металлообработка (смазочно-охлаждающие жидкости);
• Сельское хозяйство (пестицидные препараты);
• Медицина (производство лекарственных и косметических средств);
• Живопись.

3. Суспензии(взвеси). (система твердое/жидкое)

Характеризуются кратностью – отношением объема пены к объему ДС. Может достигать нескольких тысяч. Высокая объемная концентрация ДФ обусловливает деформацию пузырьков в полиэдрические (сотовые) структуры. Стабилизируются с помощью ПАВ (пенообразователей). В качестве пеногасителей используют спирты (аллиловый, октиловый) или некоторые сложные эфиры.
Образуют пену либо механическим диспергированием газа в жидкости, либо химическим генерированием газа.
Пены широко используются в различных сферах: огнетушители, обогащение руд, строительные материалы, пищевые продукты.

4. Пены (газ/жидкое)

Характеризуются кратностью – отношением объема пены к объему ДС. Может достигать нескольких тысяч. Высокая объемная концентрация ДФ обусловливает деформацию пузырьков в полиэдрические (сотовые) структуры. Стабилизируются с помощью ПАВ (пенообразователей). В качестве пеногасителей используют спирты (аллиловый, октиловый) или некоторые сложные эфиры.
Образуют пену либо механическим диспергированием газа в жидкости, либо химическим генерированием газа.
Пены широко используются в различных сферах: огнетушители, обогащение руд, строительные материалы, пищевые продукты.

Пены по своей природе близки к концентрированным эмульсиям, но дисперсной фазой в них является газ, а не жидкость. Пены получают из растворов поверхностно-активных веществ. Для повышения их устойчивости в растворы ПАВ добавляют высокомолекулярные вещества, повышающие вязкость растворов. В качестве характеристик пены используется комплекс свойств, всесторонне характеризующих пену.

• Пенообразующая способность раствора — количество пены, выражаемое ее объемом (см³) или высотой столба (м), которое образуется из заданного постоянного объема пенообразующего раствора при соблюдении некоторых стандартных условий пенообразования в течение постоянного времени.
• Кратность пены, которая представляет собой отношение объема пены к объему раствора, пошедшего на ее образование.
• Стабильность (устойчивость) пены — ее способность сохранять общий объем, дисперсность и препятствовать вытеканию жидкости (синерезису). Часто в качестве меры стабильности используют время существования («жизни») выделенного элемента пены (отдельного пузырька или пленки) или определенного объема пены.
• Дисперсность пены, которая может быть охарактеризована средним размером пузырьков, распределением их по размерам или поверхностью раздела «раствор-газ» в единице объема пены.

Пены, в отличие от других дисперсных систем, состав которых определяется концентрацией дисперсной фазы, характеризуются содержанием дисперсионной среды.

Пены являются крайне неустойчивыми дисперсными системами, так как плотность жидкости в сотни и даже тысячи раз превышает плотность газа, из которого формируются пузырьки пены. Пены считаются грубодисперсными системами: в момент пенообразования невооруженным глазом видны пузырьки пены. Масса и объем газовой дисперсной фазы непостоянны и быстро изменяются, размеры пузырьков сильно разнятся, поэтому пены можно считать полидисперсными системами. Пены являются типичными лиофобными дисперсными системами.

Пены как дисперсные системы имеют свои особенности, которые определяются свойствами дисперсной фазы, дисперсионной среды и границы раздела фаз между ними, такими как: изменение энергии Гиббса, межфазное поверхностное натяжение, форма пузырьков (сферическая, полиэдрическая).

Пены термодинамически неустойчивы, так как в них протекают процессы, ведущие к изменению строения и разрушению пен. К таким процессам относят:

• утоньшение пленок и их последующий разрыв; в результате увеличивается средний размер ячеек при разрыве пленок в объеме пены или уменьшается высота столба (слоя) пены, если разрываются пленки, отделяющие поверхностные ячейки пены от внешней газовой среды; дисперсность пены падает.
• Диффузионный перенос газа из малых ячеек в более крупные (в полидисперсной пене) или из поверхностных ячеек во внешнюю среду; это приводит к исчезновению поверхностных ячеек и уменьшению высоты столба (слоя) пены.
• Отекание дисперсионной среды под действием силы тяжести (синерезис) в высокостабильных пенах, приводящее к возникновению гидростатически равновесного состояния, в котором кратность слоя пены тем больше, чем выше он расположен; в низкократных пенах синерезис ведет к возникновению под пеной слоя жидкости.

Двухмерная пена

Треугольники Плато между воздушными пузырьками в пене

Для пен, особенно высокократных, характерна ячеистая пленочно-каналовая структура, в которой заполненные газом ячейки разделены тонкими пленками — стенками пузырьков. Три сходящиеся пленки, расположенные под углом 120°, образуют канал (треугольник Плато , канал Плато — Гиббса , канал Гиббса — Плато ; см. рисунок), четыре канала с углом между ними около 109°28′ сходятся в одной точке и образуют узел . Наиболее типичной формой ячейки в монодисперсной пене является пентагональный додекаэдр (двенадцатигранник с пятиугольными гранями), часто с 1-3 дополнительными гранями; среднее число пленок, окружающих ячейку, обычно близко к 14. В низкократной пене форма ячеек близка к сферической и размер пленок мал.

Алюминиевая твердая пена

Системы с твердой дисперсионной средой и газовой дисперсной фазой — Г/Т часто называют твердыми пенами. Твердые пены, так же как и жидкие пены, вследствие большого размера пузырьков газовой фазы обычно относят к микрогетерогенным или даже грубодисперсным системам.

Примером природной твердой пены может служить пемза — пористая, губчато-ноздреватая очень легкая горная порода вулканического происхождения, применяемая как абразив для полировки и шлифования, а также в строительном деле для изготовления пемзобетона. Из искусственных твердых пен можно указать пеностекла и пенобетоны, широко применяемые в качестве строительных и изоляционных материалов. Достоинствами этих материалов являются малая плотность, малая теплопроводность и довольно большая прочность, обусловленная их ячеистой структурой и прочностью дисперсионной среды. Сюда же надо отнести искусственные губчатые материалы, изготовленные на основе полимеров (микропористая резина, различные пенопласты).

Пена в пожаротушении

В ряде случаев практического применения пен важны такие их свойства, как вязкость, теплопроводность, электропроводность, оптические свойства и т. д. Пены находят широкое применение во многих отраслях промышленности и в быту:

• В быту: пенные моющие средства для ванн, чистки ковров и мебели.
• В пожаротушении: при возгорании емкостей с легковоспламеняющимися жидкостями, при тушении пожаров в закрытых помещениях — в подвалах, на судах и в самолетах.
• В строительстве: устройство кровли, гидроизоляция и утепление фундаментов, звукоизоляция стен.
• В горнорудной промышленности: использование пенной флотации для обогащения полезных ископаемых; предотвращение промерзания полигонов для добычи полезных ископаемых открытым способом в условиях Крайнего Севера; изготовление взрывоустойчивых и изолирующих перемычек в шахтах и рудниках.
• В отделке текстильных материалов.
• В кулинарии: кондитерские пены, муссы, торты, бисквиты и др.
• В сфере развлечений: пенные вечеринки, дискотеки, шоу.

Пены с твердыми тонкими стенками (аэрогели, пенопласты) широко используются для изготовления тепло- и звукоизолирующих материалов, спасательных средств, упаковки и др.

5. Пемза

Г/Т
Газообразная
Твердая
Пористые тела: пенополимеры, пемза

6 Жидкость в твердом (грунты, почвы)

Грунт — любая горная порода, почва, осадок и техногенные минеральные образования, рассматриваемые как многокомпонентные динамичные системы и часть геологической среды, изучаемые в связи с инженерно-хозяйственной деятельностью^[1].

Грунты используют в качестве оснований зданий и сооружений, материалов для строительства дорог, насыпей и плотин, среды для размещения подземных сооружений (тоннелей, трубопроводов, хранилищ) и другого. Грунты изучаются в инженерной геологии.

По́чва — природный объект, формирующийся в результате преобразования поверхностных слоев суши при совместном воздействии факторов почвообразования.

Почва состоит из почвенных горизонтов, образующих почвенный профиль, характеризуется плодородием^[1][2]. Многообразие почв отражено в разных типах почв^[3]. Почвы изучает особая наука — почвоведение, а также агрономия, геология, грунтоведение, геохимия и другие научные направления. Почвы и подводные илы образуют особую оболочку Земли — педосферу, которая активно взаимодействует с соседними геосферами.

В. В. Докучаев c образцом почвы

Почвы, существенным образом преобразованные в результате длительного агротехнического воздействия, называются агроземами^[4].

7 Газ в газе Истинный раствор

Газ в газе как коллоидная система не существует. Вот почему:
Коллоидные системы определяются наличием дисперсной фазы (мелкие частицы или капли) и дисперсионной среды.

Для образования коллоида необходимо, чтобы частицы имели границу раздела фаз и были устойчиво распределены в другой среде.

В случае «газ в газе» такой границы нет: газы смешиваются полностью и образуют истинные растворы (например, воздух — смесь азота, кислорода, аргона и др.).

Газ в газе → не коллоид, а истинный раствор (смесь газов).

В истинных растворах растворенное веществ и растворитель измельчены до атомного или молекулярного уровня и равномерно распределены по всему объему раствора.

Коллоидные растворы – золи.

Мицеллы (уменьшительное от лат. mica «частица, крупинка») — это агрегаты поверхностно-активных веществ (ПАВ) в коллоидном растворе (зо́лe), состоящие из большого количества амфифильных молекул. Как пример можно привести мицеллы додецилсульфата в воде. Раствор ПАВ, в котором мицеллы находятся в равновесии с одиночными неассоциированными молекулами — мономерами — называется мицеллярным раствором.

Переход к мицеллообразованию происходит в узком интервале концентраций, и его можно трактовать как фазовый переход 2-го рода. Причиной мицеллообразования в водных растворах является гидрофобный эффект, а в средах из неполярных молекул — взаимное притяжение полярных групп молекул ПАВ. Ниже определенной температуры (точки Крафта) образование мицелл не происходит, а при увеличении концентрации ПАВ наблюдается кристаллизация. При приближении концентрации ПАВ к критической концентрации мицеллообразования происходит резкое изменение свойств раствора: электропроводности, поверхностного натяжения, коэффициента рассеяния света и т. д.

Мицеллярные системы вызывают большой интерес как с точки зрения различных физико-химических технологических приложений (см., например, мицеллярный катализ), так и своеобразия самого механизма мицеллообразования. В частности, этот интерес связан с полиморфизмом мицелл — способностью молекул ПАВ образовывать агрегаты различной формы — сферической, цилиндрической, нитевидной. Одним из важных свойств, вытекающим непосредственно из строения молекул ПАВ, является солюбилизация. Применение свойства солюбилизации — это эмульсионная полимеризация, изготовление пищевых продуктов, получение фармацевтических препаратов^[1].

Исследование, описанное в статье про эмульсия, подчеркивает ее значимость в современном мире. Надеюсь, что теперь ты понял что такое эмульсия, суспензия, пена, аэрозоль и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Коллоидная химия и химия дисперсных систем