Дисперсные системы

ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ, гетерогенные системы, состоящие из двух и более фаз с сильно развитой поверхностью раздела между ними. Дисперсные  системы представляют собой совокупность мелких твёрдых частиц, капель, пузырьков и т. д. (дисперсная фаза), распределённых в однородной фазе (дисперсионной среде). Основным признаком, позволяющим отличить дисперсионную среду от дисперсной фазы, является непрерывность дисперсионной среды. Дисперсные  системы классифицируют по агрегатному состоянию образующих систему фаз (таблица).

В зависимости от размера частиц дисперсные системы подразделяют на грубодисперсные (взвеси), состоящие из частиц размером свыше 1000 нм, и тонкодисперсные (коллоидные системы, коллоиды) с размерами частиц от 1 нм до 1000 нм. В отдельную группу выделяют ультрамикрогетерогенные дисперсные системы (смотри Нанодисперсные коллоидные системы) с размерами частиц от 1 до 100 нм. К частицам с размерами менее 1 нм понятие фазы неприменимо, так как их размеры приближаются к молекулярным. Поэтому системы, состоящие из таких частиц, принято относить к истинным (молекулярным) растворам. Чем ближе размер частиц дисперсной фазы к минимально возможному, тем сильнее проявляются масштабные эффекты, т. е. зависимость различных свойств системы от размера частиц. Если все частицы дисперсной фазы имеют одинаковые размеры, то системы называют монодисперсными; частицы дисперсной фазы неодинакового размера образуют полидисперсные  системы.   Другими   важными характеристиками дисперсной системы являются дисперсность (величина, обратная размеру частиц) и величина межфазной поверхности.

По признаку подвижности дисперсной фазы дисперсные системы могут быть свободно или связнодисперсные. В свободнодисперсных системах частицы дисперсной фазы не связаны между собой и могут перемещаться независимо друг от друга (золи, в том числе аэрозоли, суспензии, эмульсии). В связнодисперсных системах частицы под действием сил различной природы образуют структуру, препятствующую их свободному перемещению (гели, в том числе аэрогели и студни, пены). Наличие структуры придаёт таким системам определённые механические свойства (прочность, сопротивление сдвигу, способность сохранять форму). Самопроизвольное агрегирование и структурообразование в дисперсной системе становится возможным при достижении критической концентрации дисперсной фазы и критического размера частиц; при приближении диаметра частиц к критическому сила межмолекулярного взаимодействия частиц становится соизмеримой с их весом, что предотвращает разрушение дисперсной системы под действием силы тяжести.

По силе межмолекулярного взаимодействия дисперсной фазы с дисперсионной средой дисперсные системы подразделяют на лиофильные и лиофобные. Для первых характерно сильное межфазное взаимодействие и скомпенсированность сил межмолекулярного взаимодействия у поверхности раздела фаз, что выражается в низких значениях энергии образования новой межфазной поверхности (поверхностного натяжения). По этой причине, а также вследствие участия частиц в тепловом движении лиофильные дисперсные системы являются термодинамически устойчивыми, могут существовать неограниченно долго, для них характерно самопроизвольное диспергирование. К таким системам относятся коллоидные растворы ПАВ и высокомолекулярных соединений, эмульсии вблизи критической температуры смешения фаз и др. Лиофобные системы характеризуются слабым межфазным взаимодействием, значительной нескомпенсированностью поверхностных сил (избытком межфазной энергии - высоким поверхностным натяжением). В результате стремления системы уменьшить избыточную поверхностную энергию за счёт сокращения межфазной поверхности может происходить слияние и укрупнение частиц дисперсной фазы (коагуляция или, в случае эмульсий, коалесценция), приводящее к разделению дисперсной системы на составляющие её однородные фазы. Таким образом, лиофобные дисперсные системы являются термодинамически неустойчивыми, для их продолжительного существования необходима специальная стабилизация. В качестве стабилизаторов применяют ПАВ, адсорбирующиеся на поверхности частиц и снижающие поверхностное натяжение на границе раздела фаз. К лиофобным системам относятся золи металлов, оксидов, сульфидов, высокодисперсные эмульсии (кроме критических) и др. Чёткого деления на лиофильные и лиофобные системы не существует: многие реальные системы занимают в такой классификации промежуточное положение.

Связь механических свойств дисперсной системы и их реологии с физико-химическими явлениями на границах раздела образующих их фаз изучает физико-химическая механика. Свойства и закономерности поведения дисперсной системы в динамическом состоянии, т. е. в условиях проведения большинства химико-технологических гетерогенных процессов, исследует физико-химическая динамика. Динамические условия затрудняют самопроизвольное агрегирование дисперсной системы, что выражается в уменьшении критического размера частиц.

Дисперсные  системы образуются в результате диспергирования и конденсации. Дисперсные  системы широко распространены в природе (горные породы, грунты, почвы, атмосферные аэрозоли, растительные и животные ткани и пр.); используются во многих технологических процессах. В виде дисперсных систем  выпускается большинство промышленных продуктов и предметов бытового потребления.

Лит.: Зонтаг Г., Штренге К. Коагуляция и устойчивость дисперсных систем. Л., 1973; Ребиндер П. А. Поверхностные явления в дисперсных системах. Избр. труды: [В 2 т.]. М., 1978-1979; Урьев Н. Б. Высококонцентрированные дисперсные системы. М., 1980; он же. Физико-химическая динамика дисперсных систем // Успехи химии. 2004. Т. 73. № 1; Коагуляционные контакты в дисперсных системах. М., 1982; Дерягин Б. В., Чураев Н. В., Муллер В. М. Поверхностные силы. М., 1985.