Коллоидно-дисперсные системы

Гидроксиды металлов, кремнезем и глины имеют высокое сродство к воде и могут существовать в форме гелей. Молекулы гидроксида алюминия после удаления молекул воды могут связываться в форме неорганических полимерных цепей, которые являются составными частями структуры геля. Частицы некоторых глин при подходящих условиях могут иметь отрицательно заряженные грани и положительно заряженные ребра, при этом притяжение грань – ребро делает легким образование структуры геля типа «карточного домика».

В некоторых  случаях коллоидные дисперсные системы становятся более чувствительными к агрегации при добавлении малых количеств макромолекулярных веществ или ПАВ, которые в б льших количествах действуют как стабилизаторы. Если частицы золя и добавки (например, ионного ПАВ) заряжены противоположно, чувствительность к агрегации появляется при уровне концентрации (и адсорбции) добавки, почти нейтрализующем заряд частиц, тогда как при более высоких концентрациях происходит стабилизация благодаря перезарядке и стерическим эффектам. При малых концентрациях макромолекулы могут вызывать самопроизвольную флокуляцию посредством мостикового механизма, когда одна макромолекула адсорбируется на двух и более частицах.

Агрегация частиц имеет важные следствия для седиментации и течения дисперсных систем. Если осаждающиеся частицы объединяются (склеиваются) друг с другом, объем осадка будет возрастать. Этот эффект важен, например, для улучшения плодородия почв (для аэрации) и качества красок. Результатом агрегации частиц является возрастание вязкости и возможность гелеобразования (желатинизации). Сдвиг (например, перемешивание) агрегированных дисперсных частиц способствует разрушению дисперсии. Если убрать усилие сдвига, агрегатная структура (и вязкость) в некоторых случаях медленно восстанавливается. Это свойство называется тиксотропией. Оно важно для процесса нанесения краски кистью, так как желательно, чтобы краска была текучей при нанесении на поверхность и короткое время после этого, чтобы можно было при необходимости выровнять мазок, но чтобы краска не подтекала.

Эмульсии (новолат. emulsio, от лат. emulgeo — дою, выдаиваю; одной из первых изученных эмульсий было молоко), дисперсные системы, состоящие из мелких капель жидкости (дисперсной фазы), распределенных в другой жидкости (дисперсионной среде). Различают эмульсии прямые, типа «масло в воде», с каплями неполярной жидкости, например минерального масла, в полярной (обычно водной) среде, и обратные, типа «вода в масле», с каплями полярной жидкости в неполярной среде. Встречаются также «множественные» эмульсии, в которых капли дисперсной фазы являются в то же время и дисперсной средой для более мелких капелек. Кроме того, эмульсии делят на лиофильные и лиофобные. Лиофильные эмульсии, образующиеся самопроизвольно при температурах, близких к критической температуре смешения жидких фаз, термодинамически устойчивые обратимые системы. Лиофобные эмульсии, возникающие при механическом, акустическом или электрическом диспергировании одной жидкости в другой либо вследствие выделения новой капельножидкой фазы из пересыщенных растворов или расплавов, термодинамически неустойчивы. Они могут длительно существовать только в присутствии эмульгаторов. Лиофильные эмульсии — высокодисперсные (коллоидные) системы, размер их капель не превышает 10-5 см. Лиофобные эмульсии — грубодисперсные системы (размер капель обычно лежит в пределах 10-5—10-2 см). При достаточно большой разнице в плотностях дисперсной фазы и дисперсионной среды они седиментационно (кинетически) неустойчивы. Седиментация капель эмульсии, хорошо защищенных от коалесценции, приводит к концентрированию капель и образованию сливок или осадка без расслаивания эмульсии на две сплошные жидкие фазы.

Тип и свойства эмульсии зависят от состава и соотношения жидких фаз, количества и химическая природы эмульгатора, способа и температуры эмульгирования и других факторов. Изменение состава эмульсии или внешнего воздействия могут вызвать так называемое обращение фаз — превращение прямой эмульсии в обратную или, наоборот, обратной в прямую. Низкоконцентрированные эмульсии с каплями, перемещающимися свободно и независимо друг от друга в легкоподвижной среде, — типичные жидкости. При повышении концентрации дисперсной фазы свыше 74% по объему (для эмульсии с одинаковым размером капель) вязкость системы резко возрастает, эмульсии желатинируются и приобретают свойства геля. При этом капли, имеющие первоначально сферическую форму, сильно деформируются и приобретают конфигурацию, близкую к многограннику. Содержание дисперсной фазы в высококонцентрированных эмульсии можно довести до 99% по объему; при этом дисперсионная среда сохранится между каплями лишь в виде тонких прослоек, подобных жидким пленкам между пузырьками в пенах.

 Разнообразные по составу и свойствам, эмульсии широко используют в промышленности, сельском хозяйстве, медицине, быту и других областях. Многокомпонентными эмульсии являются многие пищевые продукты (например, молоко, яичный желток), а кроме того, млечные соки растений, сырая нефть. 

В виде эмульсии применяют смазочно-охлаждающие жидкости, некоторые пестициды, косметические средства, лекарства, связующие для эмульсионных красок. В строительстве широко применяют битумные эмульсии

Пены – дисперсии газов, т.е. дисперсные системы с газовой дисперсной фазой и жидкой или твердой дисперсионной средой. Пены в большинстве случаев получаются взбиванием жидкости либо насыщением жидкости газом под давлением с последующим снятием давления. Пены, подобно эмульсиям, термодинамически нестабильны, и для их стабилизации требуется наличие стабилизаторов, которые будут адсорбироваться на границе раздела газ/раствор. Хорошие эмульгаторы – в общем случае также хорошие стабилизаторы пен, поскольку факторы, которые влияют на стабильность эмульсии (исключающую коалесценцию) и на стабильность пен (сохраняющую пузырьки), аналогичны.

Стабильность  жидких пен зависит от способности жидких пленок стекать (с пузырьков) и утончаться без разрыва в результате случайных повреждений. Нестабильные пены типичны для водных растворов низкомолекулярных жирных кислот и спиртов. Присутствие этих слабых ПАВ сдерживает стекание жидкости, и процесс разрыва пленки замедляется, но не прекращается полностью и пузырьки в конечном счете лопаются. Метастабильные пены типичны для водных растворов мыл, детергентов, белков, сапонинов и др. Стекание жидкости происходит до момента достижения равновесия между вандерваальсовым притяжением в сочетании с капиллярными силами, способствующими утоньшению пленки, и отталкиванием двойных электрических слоев, которое противодействует им. Гибкий механизм саморегулирования в значительной степени защищает пленку от случайных повреждений; такие пены могут быть устойчивы в течение долгого времени.

Действие пеногасителей  обычно связано с заменой стабилизаторов на границе газ/раствор на соединение, не обеспечивающее стабильность пены.

Аэрозоли  (от аэро... и золи), системы, состоящие из твёрдых или жидких частиц, взвешенных в газообразной среде. По характеру образования различают диспергационные и конденсационные аэрозоли Диспергационные аэрозоли возникают: 1) при разбрызгивании жидкостей — таковы водяные туманы, образующиеся в водопадах, при морском прибое, в фонтанах и пр., аэрозоли из слизи, образующиеся при кашле и чихании, аэрозоли из инсектицидов, получаемые с помощью аэрозольных баллончиков; 2) при измельчении твёрдых тел и взмучивании порошков — например, пыль, поднимаемая с земли ветром, автомобильными колёсами, при подметании или образующаяся при пересыпании тонких порошков (муки, мела и пр.), в камнедробилках, при разрушении каменных стен, отбивании угля, шлифовании и т. д. Конденсационные аэрозоли появляются при конденсации паров — таковы природные облака, состоящие из водяных капелек или ледяных кристалликов, возникающих при конденсации водяного пара атмосферы, и близкие к облакам наземные туманы. При выплавке металлов пары их сгорают, а продукты горения конденсируются с образованием дыма, состоящего из твёрдых частиц металлических окислов. Примерно так же образуется дым и при горении топлива (в печах, автомобильных моторах), табака, пороха и различных органических веществ, но в этом случае, помимо твёрдых частиц сажи, в дыме содержатся ещё капельки смолистых веществ.

Свойства  аэрозолей определяются природой вещества, из которого состоят частицы, природой газовой среды, а также концентрацией аэрозолей по массе (т. е. общей массой частиц, содержащихся в единице объёма аэрозолей), и счётной концентрацией (числом частиц в единице объёма), размером, формой и зарядом частиц. Все эти величины могут иметь самые различные значения. Так, в безветренную ясную погоду за городом в 1 л воздуха содержится несколько десятков тысяч частиц с общей массой меньше 10-4 мг, а в шахте вблизи работающего угольного комбайна — миллиарды частиц с массой до нескольких десятков мг. Только с поверхности морей и океанов в атмосферу ежегодно поднимается в виде аэрозолей около 1010 т соли. Размер частиц в аэрозолях колеблется примерно от 1 нм до долей мм, например, размеры капелек облаков 5—50 мкм, частиц табачного дыма — десятые доли мкм, в пыли содержатся обычно частицы весьма различных размеров. Частицы диспергационных аэрозолей имеют довольно большие электрические заряды, как положительные, так и отрицательные. В конденсационных аэрозолях, образовавшихся при не очень высокой температуре, частицы не заряжены, но постепенно приобретают небольшие заряды, захватывая лёгкие ионы, всегда присутствующие в газах.

Скорость седиментации (оседания под действием силы тяжести) пропорциональна приблизительно квадрату размера частиц и составляет нескольких десятков см/сек для частиц размером 100 мкм, нескольких мм/сек для частиц в 10 мкм и чрезвычайно мала для частиц меньше 1 мкм. Броуновское движение частиц тем интенсивнее, чем они мельче, и делается заметным лишь в случае частиц меньше 1 мкм. Под действием броуновского движения частицы осаждаются на любых поверхностях, с которыми аэрозоли соприкасаются, под действием же седиментации — лишь на обращенных кверху поверхностях, и на них поэтому всегда гораздо больше пыли, чем на вертикальных стенках. Коагуляция аэрозолей происходит при столкновениях между частицами под действием броуновского движения, неодинаковой скорости седиментации частиц разной величины, нагоняющих друг друга, под влиянием электрических сил и пр. Твёрдые частицы слипаются при столкновениях, а жидкие сливаются, и число «свободных» частиц уменьшается. Скорость коагуляции, т. е. уменьшение числа частиц в единицу времени, пропорциональна квадрату их концентрации. Поэтому при концентрации 1010 в см3 она уменьшается вдвое за 0,7 сек, а при концентрации 106 в см3 — за 12 мин. Испарение частиц наблюдается в аэрозолях из летучих веществ, например при «таянии» облаков. Все эти процессы приводят к разрушению аэрозолей, однако обычно одновременно происходит образование новых частиц упомянутыми выше путями.

Важнейшие оптические свойства аэрозолей — рассеяние и поглощение ими света. При пропускании светового пучка через аэрозоли (например, лучей прожектора через атмосферу ночью или солнечных лучей через щель в затемнённую комнату) наблюдается светящийся конус Тиндаля, тем более яркий, чем выше концентрация и размер частиц. Отдельные рассеивающие свет частицы удобно наблюдать с помощью ультрамикроскопа, однако рассеяние света быстро падает с уменьшением размера частиц и таким путём можно видеть лишь частицы больше 0,1 мкм. Тонкие аэрозоли рассеивают преимущественно короткие световые волны и кажутся поэтому голубоватыми, например дым, выходящий из горящего конца сигарет.

Аэрозоли играют большую положительную роль в жизни человека. Облака — важнейшее звено в круговороте воды в природе; поглощая солнечные лучи и тепловое излучение Земли, они умеряют и жару, и холод. Опыление многих растений, в том числе злаков, осуществляется аэрозолями из цветочной пыльцы. Всё жидкое и почти всё твёрдое топливо сжигается ныне в виде аэрозолей. Борьба с вредителями и болезнями культурных растений и лесов ведётся с помощью аэрозолей. из ядохимикатов. Многие важные технические материалы, например сажу, получают в виде аэрозолей. Большое значение приобретает аэрозольтерапия и аэрозольная иммунизация людей и домашних животных. Аэрозоли успешно применяют для борьбы с градобитием. 

Вместе с тем  некоторые аэрозоли приносят большой вред. Огромную опасность представляют радиоактивные аэрозоли, образующиеся при атомных взрывах, при добыче и переработке расщепляющихся материалов. Пыль, содержащая кремнезём, вызывает тяжёлое заболевание лёгких — силикоз, не менее опасна бериллиевая, свинцовая, хромовая пыль. Поэтому борьба с производственной пылью — одна из важнейших задач промышленной гигиены. Бактериальные аэрозоли, содержащие болезнетворные микроорганизмы и образующиеся при кашле и чихании больных, могут служить источником инфекционных. болезней, в том числе гриппа. Природные туманы препятствуют посадке самолётов. Пыльные бури — настоящее бедствие для жарких, сухих безлесных местностей. Борьба с аэрозольным загрязнением атмосферы в промышленных центрах — одна из важных проблем. Аэрозоли , содержащиеся в атмосфере, часто называют атмосферными аэрозолями.

Мицеллы (новолат. micella, уменьшительное от лат. mica — крошка, крупинка), отдельная частица дисперсной фазы золя, т. е. высокодисперсной коллоидной системы с жидкой дисперсионной средой. Мицелла состоит из ядра кристаллической или аморфной структуры и поверхностного слоя, включающего сольватно связанные молекулы окружающей жидкости. Поверхностный слой мицеллы лиофобного золя (см. Лиофильные и лиофобные коллоиды) образован адсорбированными молекулами или ионами стабилизирующего вещества. В случае лиофобных гидрозолей, стабилизованных электролитами, ядро мицеллы окружено двумя слоями противоположно заряженных ионов, т. н. двойным электрическим слоем. Число положительных и отрицательных зарядов в нём одинаково, и поэтому мицелла в целом электронейтральна.

Непосредственно у поверхности ядра расположены  ионы адсорбционного слоя. В него входят все ионы одного знака и часть  ионов другого знака (противоионы). Остальные противоионы образуют диффузный слой; он окружает мицеллу в виде ионного «облака», плотность которого падает по мере удаления от ядра. Диффузный слой препятствует сближению и агрегированию (сцеплению) частиц в процессе броуновского движения.

В лиофильных золях, коллоидных дисперсиях типа гидрозолей мыл, например олеата натрия или лаурилсульфата калия, мицелла представляет собой ассоциат (объединение) молекул. В каждой такой молекуле длинный углеводородный (гидрофобный) радикал связан с полярной (гидрофильной) группой. При образовании мицеллы несколько десятков или сотен молекул объединяются так, что гидрофобные радикалы образуют ядро (внутреннюю область), а гидрофильные группы — поверхностный слой мицеллы. Если дисперсионной средой является органическая жидкость, ориентация молекул в мицелле может быть обратной: в ядре сосредоточатся полярные группы, тогда как гидрофобные радикалы будут обращены во внешнюю фазу. Изобразив молекулу мицеллообразующего вещества в виде волнистой линии (гидрофобный радикал) с кружочком на конце (гидрофильная группа), можно представить простейшие структурные типы М. схемами: