Дисперсия (химия)
 | Эта статья нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( декабрь 2013 г. ) |
Материал, содержащий более одной фазы, где по крайней мере одна из фаз состоит из мелкодисперсных фазовых областей, часто в диапазоне коллоидных размеров, диспергированных в сплошной фазе . [1]
Примечание 1 : Изменение определения в ссылке. [2]
Дисперсия – это система, в которой распределенные частицы одного материала диспергированы в сплошной фазе другого материала. Обе фазы могут находиться в одинаковых или разных состояниях вещества .
Дисперсии классифицируются по ряду различных признаков, включая размер частиц по отношению к частицам непрерывной фазы, происходит ли осаждение или нет , а также наличие броуновского движения . Обычно дисперсии частиц, достаточно крупных для осаждения , называются суспензиями , а дисперсии более мелких частиц — коллоидами и растворами.
Структура и свойства
[ редактировать ]Дисперсии не имеют никакой структуры; т.е. предполагается, что частицы (или в случае эмульсий: капли), диспергированные в жидкой или твердой матрице («дисперсионная среда»), статистически распределены. Поэтому для дисперсий обычно теория перколяции предполагается, что правильно описывает их свойства.
Однако теория перколяции может применяться только в том случае, если система, которую она должна описывать, находится в термодинамическом равновесии или близка к нему . Исследований структуры дисперсий (эмульсий) очень мало, хотя они многочисленны по типу и используются во всем мире в бесчисленных приложениях (см. ниже).
Далее будут обсуждаться только такие дисперсии с диаметром дисперсной фазы менее 1 мкм. Чтобы понять образование и свойства таких дисперсий (в том числе эмульсий), необходимо учитывать, что дисперсная фаза имеет «поверхность», которая покрыта («влажная») другой «поверхностью», которая, следовательно, образует границу раздела. (химия) . Обе поверхности должны быть созданы (что требует огромного количества энергии), а межфазное натяжение (разница поверхностного натяжения) не компенсирует затраты энергии, если вообще компенсирует их.
Экспериментальные данные показывают, что дисперсии имеют структуру, сильно отличающуюся от любого вида статистического распределения (которое было бы характеристикой системы, находящейся в термодинамическом равновесии ), но, напротив, демонстрируют структуры, подобные самоорганизации , которая может быть описана неравновесной термодинамикой . [3] По этой причине некоторые жидкие дисперсии превращаются в гели или даже в твердые вещества при концентрации дисперсной фазы выше критической концентрации (зависящей от размера частиц и межфазного натяжения). Также дано объяснение внезапному появлению проводимости в системе дисперсной проводящей фазы в изолирующей матрице.
Описание дисперсии
[ редактировать ]Дисперсия – это процесс, при котором (в случае диспергирования твердых веществ в жидкости) агломерированные частицы отделяются друг от друга и образуется новый интерфейс между внутренней поверхностью жидкой дисперсионной среды и поверхностью дисперсных частиц. Этому процессу способствуют молекулярная диффузия и конвекция . [4]
Что касается молекулярной диффузии, то дисперсия происходит в результате неодинаковой концентрации вносимого вещества по объему среды. Когда дисперсный материал впервые вводится в объемную среду, область, в которую он вводится, имеет более высокую концентрацию этого материала, чем любая другая точка в объеме. Это неравномерное распределение приводит к градиенту концентрации, который приводит к рассеиванию частиц в среде, так что концентрация остается постоянной по всему объему. Что касается конвекции, изменения скорости между путями потока в объеме облегчают распределение дисперсного материала в среде.
Хотя оба явления переноса способствуют диспергированию материала в объеме, механизм диспергирования в первую очередь обусловлен конвекцией в тех случаях, когда в объеме наблюдается значительный турбулентный поток. [5] Диффузия является доминирующим механизмом процесса диспергирования в случаях незначительной турбулентности в объеме или ее отсутствия, когда молекулярная диффузия может способствовать диспергированию в течение длительного периода времени. [4] Эти явления отражаются в обычных событиях реального мира. Молекулы в капле пищевого красителя, добавленной в воду, в конечном итоге рассеиваются по всей среде, где эффекты молекулярной диффузии более очевидны. Однако перемешивание смеси ложкой создаст в воде турбулентные потоки, которые ускорят процесс диспергирования за счет диспергирования с преобладанием конвекции.
Степень дисперсии
[ редактировать ]Термин «дисперсия» также относится к физическому свойству степени, в которой частицы слипаются в агломераты или агрегаты. Хотя эти два термина часто используются взаимозаменяемо, согласно определениям нанотехнологий ISO, агломерат представляет собой обратимую совокупность частиц, слабо связанных, например, силами Ван-дер-Ваальса или физическим перепутыванием, тогда как агрегат состоит из необратимо связанных или слитых частиц, т.е. например через ковалентные связи . [6] Полная количественная оценка дисперсии будет включать размер, форму и количество частиц в каждом агломерате или агрегате, силу межчастичных сил, их общую структуру и их распределение внутри системы. Однако сложность обычно снижается путем сравнения измеренного распределения размеров «первичных» частиц с распределением агломератов или агрегатов. [7] При обсуждении суспензий твердых частиц в жидких средах дзета-потенциал для количественной оценки степени дисперсности чаще всего используют суспензии, обладающие высоким абсолютным значением дзета-потенциала , при этом хорошо дисперсными считают .
Виды дисперсий
[ редактировать ]Раствор представляет собой однородную смесь, в которой дисперсные частицы не осядут , если раствор оставить в покое в течение длительного периода времени.
Коллоид представляет собой гетерогенную смесь, в которой дисперсные частицы имеют размер примерно от 1 нм до 1 мкм по крайней мере в одном направлении или в которой на расстояниях такого порядка обнаруживаются разрывы в системе. [8]
Суспензия – это гетерогенная дисперсия более крупных частиц в среде. В отличие от растворов и коллоидов, если оставить смесь в покое в течение длительного периода времени, взвешенные частицы осядут из смеси.
Хотя суспензии относительно легко отличить от растворов и коллоидов, отличить растворы от коллоидов может оказаться затруднительно, поскольку частицы, диспергированные в среде, могут быть слишком маленькими, чтобы их можно было отличить человеческим глазом. Вместо этого эффект Тиндаля используется для различения растворов и коллоидов. Из-за различных определений растворов, коллоидов и суспензий, представленных в литературе, трудно обозначить каждую классификацию конкретным диапазоном размеров частиц. Международный союз теоретической и прикладной химии пытается предоставить стандартную номенклатуру для коллоидов как частиц в диапазоне размеров, имеющих размер примерно от 1 нм до 1 мкм. [9]
Помимо классификации по размеру частиц, дисперсии можно также маркировать по сочетанию дисперсной фазы и средней фазы, в которой суспендированы частицы. Аэрозоли – это жидкости, диспергированные в газе, золи – твердые вещества в жидкости, эмульсии – это диспергированные жидкости . в жидкостях (точнее, дисперсии двух несмешивающихся жидкостей), а гели — это жидкости, диспергированные в твердых веществах.
| Фазы компонентов | Гомогенная смесь | Гетерогенная смесь | ||
|---|---|---|---|---|
| рассеянный материал | Непрерывный середина | Решение: Эффект рэлеевского рассеяния в видимом свете | Коллоид (более мелкие частицы): Эффект Тиндаля в видимом свете у поверхности | Суспензия (более крупные частицы): нет существенного влияния на видимый свет |
| Газ | Газ | Газовая смесь: воздух ( кислород и другие газы в азоте ) | невозможно | |
| Жидкость | Аэрозоль : туман , туман , пары , лаки для волос , влажный воздух. | Аэрозоль: дождь (также создает радугу за счет преломления капель воды) | ||
| Твердый | Твердый аэрозоль: дым , облака воздуха. , частицы | Твердый аэрозоль: пыль , песчаная буря , ледяной туман , пирокластический поток. | ||
| Газ | Жидкость | Кислород в воде | Пена : взбитые сливки , крем для бритья. | Пузырящаяся пена, кипящая вода, газированные и газированные напитки. |
| Жидкость | Алкогольные напитки ( коктейли ), сиропы | Эмульсии : миниэмульсия , микроэмульсия , молоко , майонез , крем для рук , гидратированное мыло. | нестабильная эмульсия мыльного пузыря (при температуре окружающей среды, с переливающимся эффектом на свету, вызванным испарением воды; суспензия жидкостей все еще поддерживается за счет поверхностного натяжения с газом внутри и снаружи пузыря, а действие поверхностно-активных веществ уменьшается по мере испарения; наконец, пузырь лопнет, когда эмульсии больше не будет, и эффект сдвига мицелл перевесит поверхностное натяжение, потерянное из-за испарения воды из них) | |
| Твердый | Сахар в воде | Соль : пигментированные чернила , кровь. | Грязь ( частицы почвы , глины или ила, взвешенные в воде, лахар , зыбучий песок ), влажная штукатурка / цемент / бетон , меловой порошок, взвешенный в воде, поток лавы (смесь расплавленной и твердой породы), тающее мороженое. | |
| Газ | Твердый | Водород в металлах | Твердая пена: аэрогель , пенопласт , пемза. | |
| Жидкость | Амальгама ( ртуть в золоте ), гексан в парафине. | Гель : агар , желатин , силикагель , опал ; замороженное мороженое | ||
| Твердый | Сплавы , пластификаторы в пластмассах | Твердый раствор: клюквенное стекло. | натуральные камни, засохшая штукатурка/цемент/бетон, застывший мыльный пузырь | |
Примеры дисперсий
[ редактировать ]Молоко является широко цитируемым примером эмульсии , особого типа дисперсии одной жидкости в другой жидкости, при которой эти две жидкости не смешиваются. Молекулы жира, взвешенные в молоке, обеспечивают доставку важных жирорастворимых витаминов и питательных веществ от матери к новорожденному. [10] Механическая, термическая или ферментативная обработка молока изменяет целостность этих жировых шариков и приводит к получению широкого разнообразия молочных продуктов. [11]
Сплав, усиленный оксидной дисперсией (ODS), является примером дисперсии частиц оксида в металлической среде, что улучшает устойчивость материала к высоким температурам. Поэтому эти сплавы имеют ряд применений в атомной энергетике, где материалы должны выдерживать чрезвычайно высокие температуры для поддержания работоспособности. [12]
Деградация прибрежных водоносных горизонтов является прямым результатом проникновения морской воды в водоносный горизонт и ее рассеивания в результате чрезмерного использования водоносного горизонта. Когда водоносный горизонт истощается для использования человеком, он естественным образом пополняется за счет грунтовых вод, поступающих из других областей. В случае прибрежных водоносных горизонтов запасы воды пополняются как от границы суши с одной стороны, так и от границы моря с другой стороны. После чрезмерного сброса соленая вода с морской границы попадет в водоносный горизонт и рассеется в пресноводной среде, угрожая жизнеспособности водоносного горизонта для использования человеком. [13] Было предложено несколько различных решений проблемы проникновения морской воды в прибрежные водоносные горизонты, включая инженерные методы искусственного пополнения запасов и создание физических барьеров на границе моря. [14]
Химические диспергаторы используются при разливах нефти для смягчения последствий разлива и содействия разложению частиц нефти. Диспергаторы эффективно изолируют лужи нефти, находящиеся на поверхности воды, на более мелкие капли, которые рассеиваются в воде, что снижает общую концентрацию нефти в воде и предотвращает любое дальнейшее загрязнение или воздействие на морскую биологию и прибрежную дикую природу. [15]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Сломковский, Станислав; Алеман, Хосе В.; Гилберт, Роберт Г.; Хесс, Майкл; Хорие, Казуюки; Джонс, Ричард Г.; Кубиса, Пшемыслав; Мейзель, Ингрид; Морманн, Вернер; Пенчек, Станислав; Степто, Роберт FT (2011). «Терминология полимеров и процессов полимеризации в дисперсных системах (Рекомендации ИЮПАК 2011 г.)» (PDF) . Чистая и прикладная химия . 83 (12): 2229–2259. doi : 10.1351/PAC-REC-10-06-03 . S2CID 96812603 . Архивировано из оригинала (PDF) 20 октября 2013 г. Проверено 18 июля 2013 г.
- ^ Ричард Дж. Джонс; Эдвард С. Уилкс; В. Вал Метаномски; Ярослав Каховец; Майкл Хесс; Роберт Степто; Тацуки Китаяма, ред. (2009). Сборник терминологии и номенклатуры полимеров (Рекомендации ИЮПАК, 2008 г.) (2-е изд.). Издательство РСК. п. 464. ИСБН 978-0-85404-491-7 .
- ^ NALWA, H (2000), «Индекс для тома 3», Справочник по наноструктурным материалам и нанотехнологиям , Elsevier, стр. 585–591, doi : 10.1016/b978-012513760-7/50068-x , ISBN 9780125137607 , S2CID 183806092
- ^ Перейти обратно: а б Яков., Медведь (2013). Динамика жидкостей в пористых средах . Дуврские публикации. ISBN 978-1306340533 . OCLC 868271872 .
- ^ Маури, Роберто (май 1991 г.). «Дисперсия, конвекция и реакция в пористых средах». Физика жидкостей A: Гидродинамика . 3 (5): 743–756. Бибкод : 1991PhFlA...3..743M . дои : 10.1063/1.858007 . ISSN 0899-8213 .
- ^ Стефаньяк, Александр Б. (2017). «Основные показатели и инструменты для определения характеристик инженерных наноматериалов». В Мэнсфилде, Элизабет; Кайзер, Дебра Л.; Фудзита, Дайсуке; Ван де Вурде, Марсель (ред.). Метрология и стандартизация нанотехнологий . Вайли-ВЧ Верлаг. стр. 151–174. дои : 10.1002/9783527800308.ch8 . ISBN 9783527800308 .
- ^ Пауэрс, Кевин В.; Паласуэлос, Мария; Муджил, Бридж М.; Робертс, Стивен М. (1 января 2007 г.). «Характеристика размера, формы и состояния дисперсности наночастиц для токсикологических исследований». Нанотоксикология . 1 (1): 42–51. дои : 10.1080/17435390701314902 . ISSN 1743-5390 . S2CID 137174566 .
- ^ ИЮПАК. Сборник химической терминологии, 2-е изд. («Золотая книга»). Составлено А.Д. Макнотом и А. Уилкинсоном. Научные публикации Блэквелла, Оксфорд (1997). Онлайн-версия (2019-), созданная С. Дж. Чоком. ISBN 0-9678550-9-8 . https://doi.org/10.1351/goldbook .
- ^ ИЮПАК. Сборник химической терминологии, 2-е изд. («Золотая книга»). Составлено А.Д. Макнотом и А. Уилкинсоном. Научные публикации Блэквелла, Оксфорд (1997). Онлайн-версия (2019-), созданная С. Дж. Чоком. ISBN 0-9678550-9-8 . https://doi.org/10.1351/goldbook .
- ^ Сингх, Харджиндер; Галье, Софи (июль 2017 г.). «Природная сложная эмульсия: жировые шарики молока». Пищевые гидроколлоиды . 68 : 81–89. дои : 10.1016/j.foodhyd.2016.10.011 . ISSN 0268-005X .
- ^ Лопес, Кристель (1 июля 2005 г.). «Сосредоточьтесь на супрамолекулярной структуре молочного жира в молочных продуктах» (PDF) . Размножение, питание, развитие . 45 (4): 497–511. дои : 10.1051/rnd:2005034 . ISSN 0926-5287 . ПМИД 16045897 .
- ^ Национальная лаборатория Ок-Риджа; Соединенные Штаты; Министерство энергетики; Соединенные Штаты; Министерство энергетики; Управление научно-технической информации (1998). Разработка оксидно-дисперсионно-упрочненных ферритных сталей для плавки . Вашингтон, округ Колумбия: США. Департамент энергетики. дои : 10.2172/335389 . OCLC 925467978 . ОСТИ 335389 .
- ^ Фринд, Эмиль О. (июнь 1982 г.). «Вторжение морской воды в непрерывные прибрежные системы водоносных горизонтов». Достижения в области водных ресурсов . 5 (2): 89–97. Бибкод : 1982AdWR....5...89F . дои : 10.1016/0309-1708(82)90050-1 . ISSN 0309-1708 .
- ^ Луюн, Роджер; Момии, Кадзуро; Накагава, Кей (2011). «Влияние подпиточных скважин и барьеров потока на проникновение морской воды». Подземные воды . 49 (2): 239–249. дои : 10.1111/j.1745-6584.2010.00719.x . ISSN 1745-6584 . ПМИД 20533955 . S2CID 205907329 .
- ^ Лессард, Р.Р.; ДеМарко, Дж. (февраль 2000 г.). «Значение диспергаторов разливов нефти». Бюллетень науки и технологий о разливах . 6 (1): 59–68. дои : 10.1016/S1353-2561(99)00061-4 .