Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Эта статья о дисперсии в химии. Для других форм дисперсии см. Дисперсия (значения) .
Определение ИЮПАК
Материал, содержащий более одной фазы, где по меньшей мере одна из фаз состоит из тонко разделенных фазовых доменов, часто в диапазоне коллоидных размеров, диспергированных по всей непрерывной фазе . [1] Примечание 1 : изменение определения в исх. [2]

Дисперсия представляет собой систему , в которой распределенные частицы одного материала диспергируют в непрерывной фазе другого материала. Две фазы могут находиться в одном или в разных состояниях материи .

Дисперсии классифицируются множеством различных способов, включая размер частиц по сравнению с частицами непрерывной фазы, независимо от того, происходит ли осаждение , а также наличие броуновского движения . Обычно дисперсии частиц, достаточно больших для осаждения , называют суспензиями , а дисперсии более мелких частиц - коллоидами и растворами.

Структура и свойства [ править ]

Дисперсии не имеют никакой структуры; т.е. частицы (или в случае эмульсий: капли), диспергированные в жидкой или твердой матрице («дисперсионная среда»), считаются статистически распределенными. Поэтому для дисперсий обычно предполагается, что теория перколяции надлежащим образом 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 (включая эмульсии), необходимо учитывать, что дисперсная фаза имеет «поверхность», которая покрыта («мокрая») другой «поверхностью», которая, следовательно, формирует границу раздела. (химия) . Обе поверхности должны быть созданы (что требует огромного количества энергии), а межфазное натяжение (разница поверхностного натяжения) не компенсирует подвод энергии, если вообще не компенсирует.

Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что дисперсии имеют структуру, сильно отличающуюся от любого вида статистического распределения (которое было бы характеристикой системы в термодинамическом равновесии ), но, напротив, отображают структуры, подобные самоорганизации , которую можно описать с помощью неравновесной термодинамики . [3] Это причина того, что некоторые жидкие дисперсии превращаются в гели или даже в твердые тела при концентрации дисперсной фазы выше критической (которая зависит от размера частиц и межфазного натяжения). Также было объяснено внезапное появление проводимости в системе дисперсной проводящей фазы в изолирующей матрице.

Процесс рассеивания [ править ]

Диспергирование - это процесс, при котором (в случае диспергирования твердого вещества в жидкости) агломерированные частицы отделяются друг от друга, и создается новая граница раздела между внутренней поверхностью жидкой дисперсионной среды и поверхностью диспергированных частиц. Этому процессу способствует молекулярная диффузия и конвекция . [4]

Что касается молекулярной диффузии, дисперсия происходит в результате неодинаковой концентрации введенного материала в объеме среды. Когда диспергированный 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 диспергированию частиц в среде, так что концентрация постоянна во всем объеме. Что касается конвекции, изменение скорости между путями потока в объеме способствует распределению диспергированного материала в среде.

Хотя оба явления переноса способствуют диспергированию материала в объеме, механизм диспергирования в основном обусловлен конвекцией в случаях, когда в объеме имеется значительный турбулентный поток. [5] Диффузия является доминирующим механизмом в процессе диспергирования в случаях небольшой турбулентности или ее отсутствия в объеме, когда молекулярная диффузия способна способствовать диспергированию в течение длительного периода времени. [4]Эти явления отражаются в обычных событиях реального мира. Молекулы в капле пищевого красителя, добавленного в воду, в конечном итоге рассредоточатся по всей среде, где эффекты молекулярной диффузии более очевидны. Однако перемешивание смеси ложкой создаст турбулентные потоки в воде, которые ускорят процесс диспергирования за счет диспергирования с преобладанием конвекции.

Степень рассеивания [ править ]

Термин дисперсия также относится к физическому свойству степени слипания частиц в агломераты или агрегаты. Хотя эти два термина часто используются взаимозаменяемо, согласно определениям нанотехнологий ISO, агломерат - это обратимый набор частиц, слабо связанных, например, силами Ван-дер-Ваальса или физическим сцеплением, тогда как агрегат состоит из необратимо связанных или сплавленных частиц, например пример 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 в системе. Однако сложность обычно снижается путем сравнения измеренного распределения размеров «первичных» частиц с таковым для агломератов или агрегатов. [7] При обсуждении суспензий твердых частиц в жидких средах дзета-потенциал чаще всего используется для количественной оценки степени дисперсности, при этом суспензии, обладающие высоким абсолютным значением дзета-потенциала , считаются хорошо диспергированными.

Типы дисперсий [ править ]

Решение описывает однородную смесь , где дисперсные частицы не будут осесть , если раствор оставляют в покое в течение длительного периода времени.

Коллоид представляет собой гетерогенная смесь , где диспергированные частицы имеют , по меньшей мере в одном направлении размером , примерно от 1 нм до 1 мкм или , что в системе разрывов находятся на расстоянии указанного порядка. [8]

Подвески представляет собой гетерогенную дисперсию крупных частиц в среде. В отличие от растворов и коллоидов, если их не трогать в течение длительного периода времени, взвешенные частицы выпадают из смеси.

Хотя суспензии относительно просто отличить от растворов и коллоидов, может быть трудно отличить растворы от коллоидов, поскольку частицы, диспергированные в среде, могут быть слишком маленькими, чтобы их можно было различить человеческим глазом. Вместо этого для различения растворов и коллоидов используется эффект Тиндаля . 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 попытки обеспечить стандартный nomenclatur для коллоидов в виде частиц в диапазоне размеров , имеющих размер примерно от 1 нм до 1 мкм. [9]

Помимо классификации по размеру частиц, дисперсии также могут быть помечены сочетанием дисперсной фазы и средней фазы, в которой взвешены частицы. Аэрозоли - это жидкости, диспергированные в газе, золи - это твердые частицы в жидкостях, эмульсии - это жидкости, диспергированные в жидкостях (точнее, в дисперсии двух несмешивающихся жидкостей), а гели - это жидкости, диспергированные в твердых телах.

Компоненты фазыОднородная смесьГетерогенная смесь
Дисперсный
материал		Непрерывная
среда		Решение: эффект
рэлеевского рассеяния в видимом свете		Коллоид (более мелкие частицы):
эффект Тиндаля на видимом свете у поверхности		Суспензия (более крупные частицы):
не оказывает значительного влияния на видимый свет
ГазГазГазовая смесь: воздух ( кислород и другие газы в азоте )
ЖидкостьАэрозоль : туман , туман , пар , спреи для волос , moisted воздухАэрозоль: дождь (также образует радугу за счет преломления на каплях воды)
ТвердыйТвердый аэрозоль: дым , облако , частицы воздухаТвердый аэрозоль: пыль , песчаная буря , ледяной туман , пирокластический поток.
ГазЖидкостьКислород в водеПена : взбитые сливки , крем для бритьяБурлящая пена, кипящая вода, газированные и газированные напитки
ЖидкостьАлкогольные напитки ( коктейли ), сиропыЭмульсия : миниэмульсия , микроэмульсия , молоко , майонез , крем для рук , гидратированное мыло.нестабильная эмульсия мыльного пузыря (при температуре окружающей среды, с радужным эффектом на свет, вызванным испарением воды; суспензия жидкостей все еще поддерживается поверхностным натяжением с газом внутри и снаружи пузыря, и эффекты поверхностно-активных веществ уменьшаются с испарением; наконец, пузырек лопнет, когда эмульсия больше не будет, и сдвигающий эффект мицелл перевесит поверхностное натяжение, потерянное при испарении из них воды)
ТвердыйСахар в водеSol : пигментные чернила , кровьГрязь ( частицы почвы , глины или ила, взвешенные в воде, лахар , зыбучие пески ), влажная штукатурка / цемент / бетон , порошок мела, взвешенный в воде, поток лавы (смесь расплавленной и твердой породы), тающее мороженое
ГазТвердыйВодород в металлахТвердая пена: аэрогель , пенополистирол , пемза
ЖидкостьАмальгама ( ртуть в золоте ), гексан в парафиновом воскеГель : агар , желатин , силикагель , опал ; замороженное мороженое
ТвердыйСплавы , пластификаторы в пластмассахТвердый золь: клюквенный стаканприродные породы, высушенная штукатурка / цемент / бетон, замороженный мыльный пузырь


Примеры дисперсий [ править ]

Молоко является часто цитируемым примером эмульсии , особого типа дисперсии одной жидкости в другую жидкость, где две жидкости не смешиваются. Молекулы жира, взвешенные в молоке, обеспечивают способ доставки 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 появлению самых разнообразных молочных продуктов. [11]

Сплав, упрочненный дисперсией оксидов (ODS), является примером дисперсии частиц оксида в металлической среде, которая улучшает устойчивость материала к высоким температурам. Поэтому эти сплавы имеют несколько применений в атомной энергетике, где материалы должны выдерживать чрезвычайно высокие температуры для поддержания работы. [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 поступления грунтовых вод из других областей. В случае прибрежных водоносных горизонтов запас воды пополняется как от сухопутной границы с одной стороны, так и от морской границы с другой стороны. После чрезмерного сброса соленая вода с морской границы попадет в водоносный горизонт и рассредоточится 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 морской границе. [14]

Химические диспергаторы используются при разливах нефти для смягчения последствий разлива и ускорения разложения частиц нефти. Диспергаторы эффективно изолируют лужи на нефти, находящейся на поверхности воды, на более мелкие капли, которые рассеиваются в воде, что снижает общую концентрацию нефти в воде, чтобы предотвратить любое дальнейшее загрязнение или воздействие на морскую биологию и прибрежную дикую природу. [15]

Ссылки [ править ]

  1. ^ Сломковский, Станислав; Alemán, José V .; Гилберт, Роберт Дж .; Гесс, Майкл; Хори, Казуюки; Джонс, Ричард Дж .; Кубиса, Пшемыслав; Мейзель, Ингрид; Морманн, Вернер; Пенчек, Станислав; Степто, Роберт FT (2011). «Терминология полимеров и процессов полимеризации в дисперсных системах (Рекомендации IUPAC 2011)» (PDF) . Чистая и прикладная химия . 83 (12): 2229–2259. DOI : 10.1351 / PAC-REC-10-06-03 .
  2. ^ 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.). РСК Publ. п. 464. ISBN 978-0-85404-491-7.
  3. ^ NALWA, Н (2000), "индекс тома 3", Справочник по наноструктурных материалов и нанотехнологий , Elsevier, стр. 585-591, DOI : 10.1016 / b978-012513760-7 / 50068-х , ISBN 9780125137607
  4. ^ a b Яков., Медведь (2013). Динамика жидкостей в пористых средах . Dover Publications. ISBN 978-1306340533. OCLC  868271872 .
  5. ↑ Маури, Роберто (май 1991 г.). «Дисперсия, конвекция и реакция в пористых средах». Физика жидкостей A: Гидродинамика . 3 (5): 743–756. Bibcode : 1991PhFlA ... 3..743M . DOI : 10.1063 / 1.858007 . ISSN 0899-8213 . 
  6. ^ Стефаняк, Александр Б. (2017). «Основные показатели и приборы для характеристики инженерных наноматериалов». В Мэнсфилде, Элизабет; Kaiser, Debra L .; Фудзита, Дайсуке; Ван де Вурде, Марсель (ред.). Метрология и стандартизация нанотехнологий . Wiley-VCH Verlag. С. 151–174. DOI : 10.1002 / 9783527800308.ch8 . ISBN 9783527800308.
  7. ^ Пауэрс, Кевин У .; Палазуэлос, Мария; Moudgil, Brij M .; Робертс, Стивен М. (01.01.2007). «Определение размера, формы и состояния дисперсии наночастиц для токсикологических исследований». Нанотоксикология . 1 (1): 42–51. DOI : 10.1080 / 17435390701314902 . ISSN 1743-5390 . 
  8. ^ ИЮПАК. Сборник химической терминологии, 2-е изд. («Золотая книга»). Составлено AD McNaught и A. Wilkinson. Научные публикации Блэквелла, Оксфорд (1997). Онлайн-версия (2019-), созданная SJ Chalk. ISBN 0-9678550-9-8 . https://doi.org/10.1351/goldbook . 
  9. ^ ИЮПАК. Сборник химической терминологии, 2-е изд. («Золотая книга»). Составлено AD McNaught и A. Wilkinson. Научные публикации Блэквелла, Оксфорд (1997). Онлайн-версия (2019-), созданная SJ Chalk. ISBN 0-9678550-9-8 . https://doi.org/10.1351/goldbook . 
  10. ^ Сингх, Харджиндер; Галлье, Софи (июль 2017 г.). «Природная комплексная эмульсия: жирные шарики молока». Пищевые гидроколлоиды . 68 : 81–89. DOI : 10.1016 / j.foodhyd.2016.10.011 . ISSN 0268-005X . 
  11. ↑ Лопес, Кристель (01.07.2005). «Сосредоточьтесь на супрамолекулярной структуре молочного жира в молочных продуктах» (PDF) . Размножение, питание, развитие . 45 (4): 497–511. DOI : 10,1051 / RND: 2005034 . ISSN 0926-5287 . PMID 16045897 .   
  12. ^ Национальная лаборатория Ок-Ридж; Соединенные Штаты; Министерство энергетики; Соединенные Штаты; Министерство энергетики; Управление научно-технической информации (1998 г.). Разработка оксидно-дисперсионно упрочненных ферритных сталей для плавки . Вашингтон, округ Колумбия: США. Департамент энергетики. DOI : 10.2172 / 335389 . OCLC 925467978 . ОСТИ 335389 .  
  13. ^ Фринд, Эмиль О. (июнь 1982 г.). «Вторжение морской воды в непрерывные системы прибрежных водоносных горизонтов и водоносных горизонтов». Достижения в области водных ресурсов . 5 (2): 89–97. Bibcode : 1982AdWR .... 5 ... 89F . DOI : 10.1016 / 0309-1708 (82) 90050-1 . ISSN 0309-1708 . 
  14. ^ Луюн, Роджер; Момии, Казуро; Накагава, Кей (2011). «Влияние питательных скважин и гидротехнических барьеров на вторжение морской воды». Подземные воды . 49 (2): 239–249. DOI : 10.1111 / j.1745-6584.2010.00719.x . ISSN 1745-6584 . PMID 20533955 .  
  15. ^ Lessard, RR; Демарко, Джи (февраль 2000 г.). «Значение диспергентов при разливе нефти». Бюллетень науки и технологий по разливам . 6 (1): 59–68. DOI : 10.1016 / S1353-2561 (99) 00061-4 .