WikiDer > Дисперсия (химия)

Dispersion (chemistry)
Эта статья о дисперсии в химии. Для других форм дисперсии см. Дисперсия (значения).
ИЮПАК определение
Материал, содержащий более одной фазы, где по крайней мере одна из фаз состоит из мелкодисперсных фазовых доменов, часто в коллоидный размерный ряд, рассредоточенный по непрерывная фаза.[1]Примечание 1: Изменение определения в исх.[2]

А разброс представляет собой систему, в которой распределенные частицы одного материала диспергированы в непрерывном фаза из другого материала. Две фазы могут быть в одной или разных состояния вещества.

Дисперсии классифицируются множеством различных способов, включая размер частиц по отношению к частицам непрерывной фазы, независимо от того, являются ли они осадки происходит, и наличие Броуновское движение. Как правило, дисперсии частиц достаточно большие для осаждение называются подвески, а частицы меньшего размера называются коллоиды и решения.

Структура и свойства

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 теория перколяции предполагается, что они должным образом описывают их свойства.

Однако теория перколяции может применяться только в том случае, если система, которую она должна описывать, находится в или близка к термодинамическое равновесие. 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, образует интерфейс (химия). Обе поверхности должны быть созданы (что требует огромного количества энергии), а межфазное натяжение (разница поверхностного натяжения) не компенсирует подвод энергии, если вообще.

Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что дисперсии имеют структуру, сильно отличающуюся от любого вида статистического распределения (которое может быть характеристикой системы в термодинамическое равновесие), но в отличие от структур отображения, подобных самоорганизация, который можно описать как неравновесная термодинамика.[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 диспергирования

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 распространение и конвекция.[4]

Что касается молекулярной диффузии, диспергирование 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, вариации скорости между путями потока в объеме способствуют 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 незначительной 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, добавляемого 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 дисперсности

Термин дисперсия также относится к физическому свойству степени слипания частиц в агломераты или агрегаты. Хотя эти два термина часто используются как взаимозаменяемые, согласно определениям ISO в области нанотехнологий, агломерат представляет собой обратимый набор частиц, слабо связанных, например, посредством силы Ван дер Ваальса или физическое запутывание, тогда как совокупность состоит из необратимо связанных или сплавленных частиц, например, через ковалентные связи.[6] Полная количественная оценка дисперсии будет включать размер, форму и количество частиц в каждом агломерате или агрегате, силу сил между частицами, 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 подвески твердых частиц в жидких средах, дзета-потенциал чаще всего используется для количественной оценки степени дисперсности, причем суспензии обладают высоким абсолютным значением дзета-потенциал считается хорошо рассредоточенным.

Типы дисперсий

А решение описывает однородную смесь одного материала, диспергированного в другом. Диспергированные частицы не осядут, если раствор оставить в покое в течение длительного периода времени.

А коллоид представляет собой гетерогенную смесь одной фазы с другой, где обычно находятся дисперсные частицы. Подобно растворам, диспергированные частицы не оседают, если раствор оставлять в покое в течение длительного периода времени.

А приостановка представляет собой гетерогенную дисперсию более 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 Эффект Тиндаля используется для различения растворов и коллоидов. Из-за различных описаний растворов, коллоидов и суспензий, представленных в литературе, трудно обозначить каждую классификацию конкретным диапазоном размеров частиц.

В дополнение к классификации по размеру частиц, дисперсии также могут быть маркированы сочетанием дисперсной фазы и средней фазы, в которой частицы находятся во взвешенном состоянии. Аэрозоли жидкости, диспергированные в газе, золи - твердые частицы в жидкостях, эмульсии представляют собой жидкости, диспергированные в жидкостях (более конкретно, дисперсия двух несмешивающихся жидкостей), и гели жидкости, диспергированные в твердых телах.

Компоненты фазыОднородная смесьГетерогенная смесь
Рассредоточенный
материал		Непрерывный
средний		Решение:
Рэлеевское рассеяние влияние на видимый свет		Коллоид (более мелкие частицы):
Эффект Тиндаля на видимом свете у поверхности		Суспензия (более крупные частицы):
не оказывает значительного влияния на видимый свет
ГазГазГазовая смесь: воздуха (кислород и другие газы в азот)
ЖидкостьАэрозоль: туман, туман, пар, лаки для волосвлажный воздухАэрозоль: дождь (также производит радуги преломлением на каплях воды)
ТвердыйТвердый аэрозоль: курить, облако, воздуха частицыТвердый аэрозоль: пыль, песчаная буря, ледяной туман, пирокластический поток
ГазЖидкостьКислород в водыМыло: взбитые сливки, крем для бритьяБурлящая пена, кипящая вода, газированные и газированные напитки
ЖидкостьАлкогольные напитки (коктейли), сэрапыЭмульсия: миниэмульсия, микроэмульсия, молоко, майонез, крем для рук, гидратированный мылонестабильная эмульсия мыльный пузырь (при температуре окружающей среды, с радужным эффектом на свет, вызванным испарением воды; суспензия жидкостей по-прежнему поддерживается поверхностным натяжением с газом внутри и снаружи пузырька, а эффекты поверхностно-активных веществ уменьшаются с испарением; наконец, пузырь лопнет, когда больше не будет эмульсия и эффект сдвига мицеллы перевесит поверхностное натяжение, потерянное в результате испарения из них воды)
ТвердыйСахар в водеSol: пигментированный чернила, кровьГрязь (почва, глина или же ил взвешенные в воде частицы, лахар, зыбучие пески), смачивать штукатурка/цемент/конкретный, мел порошок взвешенный в воде, поток лавы (смесь расплавленной и твердой породы), плавка мороженое
ГазТвердыйВодород в металлыТвердая пена: аэрогель, пенополистирол, пемза
ЖидкостьАмальгама (Меркурий в золото), гексан в парафиновая свечаГель: агар, желатин, силикагель, опал; замороженное мороженое
ТвердыйСплавы, пластификаторы в пластмассыТвердый золь: клюквенный стаканприродные камни, высушенная штукатурка / цемент / бетон, замороженный мыльный пузырь

Примеры дисперсий

Молоко является часто цитируемым примером эмульсия, особый тип дисперсии одной жидкости в другую жидкость, где две жидкости не смешиваются. Молекулы жира, взвешенные в молоке, обеспечивают доставку важных жирорастворимых витаминов и питательных веществ от матери к новорожденному.[8] Механическая, термическая или ферментативная обработка молока влияет на целостность этих жировых шариков и приводит к появлению самых разнообразных молочных продуктов.[9]

Оксидно-дисперсионно-упрочненный сплав (ODS) является примером диспергирования частиц оксида в металлической среде, что 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.[10]

Деградация прибрежных водоносные горизонты 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 районов. 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.[11] 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.[12]

Химические диспергаторы используются в разливы нефти для смягчения последствий разлива и содействия разложению 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.[13]

Рекомендации

  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 Ф. Т. (2011). «Терминология полимеров и процессов полимеризации в дисперсных системах (Рекомендации IUPAC 2011)» (PDF). Чистая и прикладная химия. 83 (12): 2229–2259. Дои: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 IUPAC 2008 г.) (2-е изд.). РСК Publ. п. 464. ISBN 978-0-85404-491-7.
  3. ^ НАЛВА, H (2000), "Указатель к тому 3", Справочник по наноструктурным материалам и нанотехнологиям, Elsevier, стр. 585–591, Дои:10.1016 / b978-012513760-7 / 50068-х, ISBN 9780125137607
  4. ^ а б 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:1991ФФЛА ... 3..743М. Дои: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. Дои: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. Дои:10.1080/17435390701314902. ISSN 1743-5390.
  8. ^ Сингх, Харджиндер; Галлье, Софи (июль 2017 г.). «Природная комплексная эмульсия: жирные шарики молока». Пищевые гидроколлоиды. 68: 81–89. Дои:10.1016 / j.foodhyd.2016.10.011. ISSN 0268-005X.
  9. ^ Лопес, Кристель (01.07.2005). «Акцент на супрамолекулярную структуру молочного жира в молочных продуктах» (PDF). Размножение, питание, развитие. 45 (4): 497–511. Дои:10.1051 / номер: 2005034. ISSN 0926-5287. PMID 16045897.
  10. ^ Национальная лаборатория Окриджа; Соединенные Штаты; Министерство энергетики; Соединенные Штаты; Министерство энергетики; Управление научно-технической информации (1998 г.). Разработка ферритных сталей с оксидным дисперсионным упрочнением для плавки. Вашингтон, округ Колумбия: США. Департамент энергетики. Дои:10.2172/335389. OCLC 925467978. OSTI 335389.
  11. ^ Фринд, Эмиль О. (июнь 1982 г.). «Вторжение морской воды в сплошные прибрежные водоносные горизонты - водоносные системы». Достижения в области водных ресурсов. 5 (2): 89–97. Bibcode:1982AdWR .... 5 ... 89F. Дои:10.1016/0309-1708(82)90050-1. ISSN 0309-1708.
  12. ^ Луюн, Роджер; Момии, Казуро; Накагава, Кей (2011). «Влияние подпиточных скважин и гидротехнических барьеров на проникновение морской воды». Грунтовые воды. 49 (2): 239–249. Дои:10.1111 / j.1745-6584.2010.00719.x. ISSN 1745-6584. PMID 20533955.
  13. ^ Lessard, R.R; Демарко, Джи (февраль 2000 г.). «Значение диспергентов при разливе нефти». Бюллетень по науке и технологиям. 6 (1): 59–68. Дои:10.1016 / S1353-2561 (99) 00061-4.