Коллоидно химические свойства и методы определения дисперсности ндс

Опубликовано: 04.05.2024

При изучении нефтяных систем нельзя ограничиваться только выяснением элементного, группового химического и фракционного составов. Не менее важно в каком состоянии – молекулярном или дисперсном находится данная система в исследуемом интервале внешних условий. Закономерности поведения и физико-химические свойства нефтяной дисперсной системы в молекулярном и дисперсном состоянии даже при одинаковом составе могут существенно меняться.

Уже на стадии транспортировки нефтей необходимо учитывать коллоидно-дисперсные свойства смесей, возможность их расслоения на фазы во избежание образования тяжелых осадков, затрудняющих их перекачку.

Тяжелые нефти, нефтяные остатки, а также такие продукты, как битумы, являются структурированными системами уже при обычных комнатных температурах.

Более легкие нефтепродукты, а также исходные нефти при изменении условий (например, понижении температуры) переходят в коллоидно-дисперсное состояние, приобретают характерные свойства, присущие нефтяным дисперсным системам. Изучение этих свойств дает возможность не только сопоставить нефти и нефтепродукты по этим показателям, но и разработать способы управления ими для интенсификации процессов транспортировки, хранения, переработки нефтяного сырья.

Нефти и нефтяные системы в зависимости от условий (температура, давления) и состава (в первую очередь концентрации и строения высокомолекулярных соединений), а также от состава дисперсионной среды (парафинистая, ароматизированная) могут находиться в виде ньютоновской жидкости (молекулярного раствора) или дисперсной системы.

Признаком дисперсных систем служит дисперсность и различие агрегатных состояний дисперсной фазы и дисперсионной среды, т.е. гетерогенность.

По дисперсности НДС подразделяют на три основные группы:

Грубодисперсные > 10 -5

Среднедисперсные (микрогетерогенные) 10 -5 – 10 -7

Высокодисперсные (ультрамикрогетерогенные) -7

Изменение внешних условий способно менять степень дисперсности НДС.

НДС, состоящие из двух фаз, по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды можно разделить на 8 типов.

Дисперсная фаза	Дисперсионная среда	Тип НДС	Примеры
Жидкость	Газ	Аэрозоли	Капли бензина (или влаги) в природном и попутном газе
Твердое тело	Газ	Аэрозоли	Механические примеси (пылинки) в природном газе
Газ	Жидкость	Газовая эмульсия	Газонасыщенная нефть из скважины
Жидкость	Жидкость	Жидкостная эмульсия	Эмульсии «вода в нефти» или «нефть в воде»
Твердое тело	Жидкость	Золи, суспензии, гели	Механические примеси в нефти из скважин; кристаллы УВ в топливах
Газ	Твердое тело	Отвержденные пены	Нефтяной кокс
Жидкость	Твердое тело	Твердые эмульсии	Нефтяной кокс
Твердое тело	Твердое тело	Твердые НДС	Смесь углерода разной структуры в нефтяных коксах

В большинстве случаев реальные нефтяные системы в процессах добычи, транспортировки, переработки и применения состоят из трех и более фаз. Например, добываемая нефть содержит воду, газ и механические примеси.

НДС могут существовать в природных условиях (нефть и газ) в пластах или образовываться при их транспорте и переработке.

По степени устойчивости все НДС делят на две группы – обратимые и необратимые.

Обратимые НДС – это системы, образующиеся в результате физических превращений, которые путем внешних воздействий (изменением температуры, давления или добавкой растворителя) можно вернуть в первоначальное состояние растворов.

Необратимые НДС – это системы, образующиеся в результате химических превращений с образованием дисперсной фазы, которые внешними воздействиями вернуть в растворенное состояние нельзя.

Формирование дисперсной фазы в нефтяных системах обусловлено склонностью углеводородов и гетероатомных соединений (прежде всего высокомолекулярных) к физическим межмолекулярным взаимодействиям, вызванными в основном силами Ван-дер-Ваальса (взаимодействие между двумя полярными молекулами).

Дисперсионная среда нефтяных дисперсных систем (НДС) состоит из находящихся в различных соотношениях низкомолекулярных соединений (НМС).

В зависимости от совокупности внешних условий НМС могут находиться в составе дисперсионной среды или дисперсной фазы. Например, алканы входят в состав дисперсной фазы при низких температурах и в состав дисперсионной среды – при температурах, превышающих температуру кристаллизации.

В создании дисперсной фазы решающая роль принадлежит высокомолекулярным соединениям. К ним обычно относят парафиновые УВ с числом атомов углерода выше 30, способных к образованию кристаллов, полициклические ароматические и нафтеноароматические соединения, смолы и асфальтены. Также в качестве дисперсной фазы выступает газ, продукты коррозии оборудования, механические примеси, добавки.

При концентрациях выше концентрации насыщения ВМСН образуют ассоциаты. Наименьшее количество ассоциата, которое при данных условиях способно к самостоятельному существованию, называют зародышем или ядром. Вокруг зародышей формируются адсорбционно-сольватные слои за счет нескомпенсированной поверхностной энергии. Эти слои препятствуют коагуляции частиц дисперсной фазы.

По мере роста зародыша за счет ММВ, формируется единица дисперсной фазы, называемая сложной структурной единицей (ССЕ).

1 – дисперсионная среда; 2 – дисперсная фаза; 3 – сольватная оболочка

Ядро ССЕ м.б. образовано твердым веществом, нерастворимой жидкостью или газом.

Формирование ССЕ придает НДС новые свойства, влияющие на технологию добычи и переработки нефти. При добыче нефти нерегулируемые процессы формирования ССЕ (за счет выпадения кристаллов парафина, выделения газовых пузырьков) снижают нефтеотдачу пласта. При транспорте и хранении нефти те же процессы ведут к выпадению осадков и забивке труб и резервуаров.

На различных стадиях наполнения НДС ССЕми могут формироваться свободнодисперсные системы (золи) и связнодисперсные системы (студни и гели).

К основным свойствам свободнодисперсных систем относятся устойчивость, а связнодисперсных - структурно-механическая прочность.

Седиментационная (кинематическая) устойчивость – это способность системы противостоять оседанию или всплыванию частиц под действием силы тяжести, т.е. способность системы не расслаиваться, а оставаться однородной во времени.

Агрегативная устойчивость – это способность частиц дисперсной фазы при столкновении друг с другом или границей раздела фаз сохранять свой первоначальный размер. Коалесценция – процесс слияния (укрупнения) частиц. Флокуляция – слипание частиц с образованием агрегатов частиц.

Устойчивость нефтяных дисперсных систем зависит от многих факторов, важнейшими из которых являются концентрация и химическая природа дисперсной фазы (асфальтенов, карбенов, карбоидов), количественное соотношение смол и углеводородов различных групп в дисперсионной среде.

Наибольшей склонностью к осаждению обладают наиболее высокомолекулярные соединения нефти – асфальтены. Осаждение их (особенно в парафинистой среде) вызывает образование асфальтосмолистопарафинистых осадков (АСПО) на стенках нефтепроводов, усиливает коксообразование в трубах при нагреве нефтей и нефтяных остатков и т.п.

В одних случаях требуется повышать устойчивость (хранение сырья и НП), в других, когда необходимо выделить вторую фазу, наоборот, следует понижать устойчивость (процессы обезвоживания нефти и др.)

Структурно-механическая прочность характеризует способность системы сопротивляться деформации и разрушению под действием приложенной извне механической нагрузки.

Изменяя соотношение структурирующихся и неструктурирующихся компонентов, растворяющую способность и вязкость дисперсионной среды, степень диспергирования ассоциатов, воздействуя на НДС механическим усилием, магнитным, электрическим полем, ультразвуком и т. п., можно управлять процессами физического и химического агрегирования, формировать свойства нефтяных дисперсных систем.

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7

cr = RT / 4 r 2 ,

где r - средний размер частиц, участвующих в движении ( 10-8 м );

- безразмерный множитель ( =30 ).

Таким образом, критерий лиофильности НДС при нормальных условиях определяется неравенством cr » 0,01 мДж/м 2 . Данное неравенство термодинамически обосновано: самопроизвольное образование НДС возможно в том случае, когда удельная свободная межфазная энергия мала, поскольку работа, затрачиваемая на образование новой поверхности, компенсируется выигрышем энергии за счет включения образовавшихся частиц коллоидных размеров в броуновское движение. Ребиндер предложил самопроизвольно образующиеся дисперсии из макрофазы при cr называть лиофильными коллоидными системами. Они являются термодинамически устойчивыми в противоположность термодинамически неустойчивым лиофобным дисперсным системам. Среди дисперсных систем нефтяного происхождения к лиофильным следует прежде всего отнести масляные фракции в процессе селективной очистки, а также остаточные фракции в процессе деасфальтизации - в области критической температуры растворения. Остальные, которых большинство, являются лиофобными со всеми вытекающими последствиями относительно их термодинамической неустойчивости в процессе разделения на макроскопические фазы и невозможности самопроизвольного образования путем диспергирования.

4. Методы определения дисперсности НДС.

Выбор наиболее эффективных параметров внешнего воздействия на нефтяные системы существенно зависит от её исходной дисперсности. Полная характеристика НДС как объекта исследования должна включать сведения о ее химическом составе и достоверную информацию о степени дисперсности и концентрации дисперсных частиц. Такие данные определяют степень развития межфазной поверхности в НДС, а следовательно, молекулярно-кинетические явления и диффузионные процессы, а также интенсивность физико-химических процессов на границе раздела фаз и др.

Методы определения дисперсности НДС условно можно разделить на прямые и косвенные. Так, оптические и дифракционные методы анализа относятся к прямым, поскольку основаны на анализе характеристик излучений, провзаимодействовавших с объектом. Дисперсная фаза и дисперсионная среда НДС, разделенные поверхностью раздела, характеризуются различными физическими постоянными: показателем преломления, диэлектрической проницаемостью и др. Прохождение излучений любой природы через НДС будет сопровождаться поглощением и отражением (рассеянием). Излучения, используемые в анализе, могут быть самой разнообразой природы: электромагнитные волны различных частот - от рентгеновского ( = 0,01 ¸ 10 á ) до видимого ( = 0,4 ¸ 0,7 мкм) и инфракрасного ( = 0,8 ¸ 300 мкм) диапазонов (оптические методы), пучки заряженных частиц - электронов (дифракционные методы).

Косвенные методы анализа позволяют регистрировать дисперсное состояние НДС по изменению её макроскопических параметров: вязкости, диэлектрической проницаемости, поверхностного натяжения, по давлению насыщенного пара растворителя и т. д. Универсальных методик, пригодных для измерения дисперсий любых размеров, не существует. В зависимости от диапазона размеров измеряемых частиц применяется тот или иной метод (рис.9). Выбор конкретной методики определяется типом анализируемой НДС и предполагаемым уровнем её дисперсности.

Размеры частиц можно характеризовать интегральными и дифференциальными параметрами. Интегральные параметры дают усредненные характеристики частиц - радиуса r или диаметра d , удельной поверхности s , среднего объема сферических частиц v и др.

r = firi / n ; s= 4 firi 2 / n ; v= /6( fidi 3 / n ) ,

где fi - частота вероятности появления частиц с радиусом ri в поле зрения; n , ni - общее число измеряемых частиц или число частиц в i -ом интервале размеров; ri - средний размер частиц в i -ом интервале размеров.

В случае полидисперсных частиц наиболее полную и достоверную информацию об ансамбле частиц дают дифференциальные характеристики. Результаты дисперсионного анализа обычно представляют в форме дифференциальных кривых распределения частиц по размерам.

В большинстве известных методов определения дисперсности НДС следует учитывать специфику исследуемого объекта. Она заключается в том, что НДС - это дисперсная система с неполярной дисперсионной средой, при этом степень дисперсности НДС сильно зависит от растворяющей способности дисперсионной среды. Кроме того, следует иметь в виду, что при исследовании остаточных НДС чаще всего наблюдаются искажения ее степени дисперсности в нативном состоянии.

Седиментационные методы.

Именно этот метод впервые был применен для исследования дисперсности асфальтеносодержащих систем

При седиментации оседание частицы происходит под действием силы тяжести (или центробежных сил) и силы вязкого трения, пропорциональной скорости движения. Из условия равенства этих сил при установившемся равномерном движении частиц формула для расчета радиуса имеет вид

где h - вязкость дисперсионной среды; d - d 0 - разность плотностей дисперсной фазы и дисперсионной среды; H - высота сосуда; g - ускорение силы тяжести; t r - время оседания частиц.

Время измеряют по моменту прекращения изменения массы осадка на чашечке динамометра в сосуде, оно соответствует времени оседания всех частиц. Таким образом, определяют радиус монодисперсных частиц НДС. Метод применим и для полидисперсных НДС, в которой частицы дисперсной фазы распределены по некоторому закону f(r). При этом измеряется зависимость массы выпавшего осадка m от времени t :

По значению второй производной относительной массы осадка ( m/mmax ) от времени определить оказывается возможным определить величину f(r) оказывается возможным в любой момент времени.

Седиментационный метод является классическим методом анализа суспензий с размерами частиц от 1 до 100 мкм. При меньших размерах частиц начинают сказываться закономерности броуновского движения. В высокодисперсных НДС вследствие конкуренции процессов седиментации и диффузии устанавливается седиментационно-диффузионное равновесие, т. е. распределение частиц вдоль действия сил гравитации по некоторому закону. Время установления этого равновесия оказывается обратно пропорциональным пятой степени размера измеряемых частиц. Так, для частиц радиусом менее 0,1 мкм оно достигает нескольких лет, что в условиях реального эксперимента неприемлемо. Расширение пределов измерения частиц возможно заменой гравитационного поля центробежным. Создается оно с помощью центрифуг, обеспечивающих ускорение до 105-106 g . Ультрацентрифугирование позволяет определять размеры частиц от десятков ангстрем до долей микрона.

Определение дисперсности кондуктометрическим методом основано на измерении электрического сопротивления в момент прохождения частицей калиброванного микроотверстия 16 (рисДля этого созданы так называемые кондуктометрические счетчики, технические возможности которых весьма неодинаковы; с их помощью можно определять дифференциальные и интегральные характеристики дисперсности НДС в различных интервалах размеров частиц. Причем минимальный размер определяемых частиц (0,6 мкм) ограничивается уровнем шума электронной части прибора.

Между пластинами 2 поддерживается разность потенциалов. Во время измерения емкость 6 откачивается, что обеспечивает всасывание в него жидкости из сосуда 1 . При прохождении частицей калиброванного микроотверстия 11 меняется электрическое сопротивление между электродами и возникают соответствующие электрические импульсы, интенсивность которых пропорциональна размерам частиц, а длительность соответствует времени прохождения частицей межэлектродной области. Таким образом, прохождение некоторого количества частиц сопровождается серией электрических импульсов. Обработка этих импульсов позволяет определить распределение частиц по количеству или объему в зависимости от их размера. Счетчик перед измерением калибруют по эталонам, в качестве которых используют суспензии латексов с монодисперсными частицами. Размеры микрооотверстия 11 варьируют в зависимости от предполагаемого размера частиц исследуемых НДС.

Применение кондуктометрического метода осложнено рядом обстоятельств. Во-первых, достоверные результаты о распределении частиц по размерам можно получить только при их малой концентрации. Увеличение концентрации приводит к возрастанию вероятности попадания в межэлектродную область нескольких частиц одновременно. Следствием этого будет наложение элетрических импульсов и появление погрешности как в определении размеров частиц (показания будут завышены), так и их количества (показания будут занижены). Поэтому при исследовании НДС надо применять растворители: обычно исследуют 20-25% растворы нефтепродуктов в бензоле. Во-вторых, дисперсионная среда должна иметь достаточную электропроводимость. С этой целью добавляют электролит. Добавка электролита (раствор LiCl в бутаноле) обеспечивает за счет диссоциации LiCl Li+ + Cl - проводимость системы. В-третьих, требуется проводить предварительное обеспыливание электролита и растворителя путем фильтрования, обезвоживания и перегонки с последующей проверкой растворителя и электролита на чистоту кондуктометрическим методом. В-четвертых, исследуемая НДС должна быть кинетически устойчивой и в ней должно сохраняться равномерное распределение частиц по объему дисперсионной среды по крайней мере на время проведения анализа, которое составляет до 10 мин.

Гель-проникающая хроматография (ГПХ)

Принцип метода ГПХ заключается в том, что при прохождении раствора исследуемого нефтепродукта через колонку, заполненную твердым гелем, происходит разделение компонентов этого раствора за счет различной способности их проникать в поры геля. Поры в частицах геля имеют неодинаковые размеры. Те молекулы образца, которые слишком велики, чтобы войти в самые крупные поры, не задерживаются гелем. Двигаясь между частицами геля, они первыми выходят из колонки. Самые маленькие молекулы входят во все поры геля, поэтому задерживаются в наибольшей степени и появляются на хроматограмме последними. Молекулы средних размеров могут входить только в некоторые поры, двигаясь по колонке с промежуточной скоростью.

При разделении нефтяных систем с широким интервалом дисперсности используют набор гелей с разными пределами исключения. Выбор геля определяется интервалом его проницаемости, верхний предел которого - исключение, а нижний предел - полная проницаемость. При анализе используют калибровочную кривую, которая отражает размеры молекул стандартных веществ и распределение пор в геле. При исследовании НДС в качестве растворителя обычно применяют бензол.

Результаты ГПХ представляют в виде элюентной кривой с координатами: относительный объем удерживания V отн - диаметр d ,нм. Метод ГПХ находит все более широкое применение в практике исследования дисперсности НДС, однако он тоже не свободен от недостатков, а именно: достаточно трудоемка процедура подготовки и регенерации геля; велика продолжительность анализа (он составляет несколько суток в зависимости от интервала дисперсности НДС); использование растворителя искажает истинные размеры частиц в исходной НДС.

Методы электронной микроскопии относятся к дифракционным. При рассеянии пучков ускоренных электронов частицами дисперсной фазы получаются дифракционные картины. Различные модификации электронных микроскопов позволяют разрешать детали объектов до 0,1 нм. При исследовании малых частиц получают информацию об их внешней форме и структуре. Методом электронной микроскопии изучают мелкокристаллические образцы, при специальной технике подготовки образцов становится возможным исследовать и жидкие НДС. Большие возможности открывает использование криотехники для анализа дисперсного состояния жидких НДС.

Турбидиметрия

Рассеяние света происходит на оптических неоднородностях среды. Такие среды называют мутными. В основе теории рассеяния света в мутных средах лежат следующие предположения:1) размер частиц много меньше длины волны света ( r / 0,1); 2) не происходит поглощения света; 3) форма частиц близка к сферической; 4) концентрация частиц мала, благодаря чему исключена интерференция пучков, рассеянных различными частицами; 5) не происходит вторичного рассеяния.

Если пренебречь поглощением света, то зависимость светорассеяния от длины волны описывается выражением

D =lg I0 / I =const × l - n ,

где n - волновая экспонента, зависящая только от радиуса r частиц дисперсной фазы. Зависимость n(r) определена независимым методом электронной микроскопии для латексов полистирола. По тангенсу угла наклона прямой в координатах ln D - ln определяют значение n , которое используется для определения r . Метод применется для анализа дисперсности нефтей и нефтяных остатков (дополнительно см. описание лабораторной работы №3).

на изучении их молекулярно-кинетических свойств.

В НДС, как и в других дисперсных системах, происходит броуновское движение частиц дисперсной фазы, являющееся результатом теплового движения молекул дисперсионной среды. Если масса частиц дисперсной фазы и её поверхность достаточно велики, удары молекул дисперсионной среды о частицы в среднем компенсируют друг друга, и суммарный импульс оказывается равным нулю. Однако, когда размер частицы приближается к значению 1000 нм, импульс, получаемый ею в одном направлении, не уравновешивается импульсом в противоположном направлении, и такие частицы становятся подвижными.

Согласно количественной теории броуновского движения Эйнштейна - Смолуховского коэффициент поступательной диффузии ССЕ равен

D пост = kT /6 r , а коэффициент вращательной диффузии D вращ = kT /8 r 3.

ЯМР - спектроскопия.

Одним из наиболее универсальных и эффективных методов измерения коэффициентов диффузии частиц в дисперсных системах является метод импульсного ядерного магнитного резонанса, обладающего высокой чувствительностью к характеру молекулярных движений и основанный на явлении спинового эха в присутствии градиентов магнитного поля.

Ядра, входящие в атомы и молекулы, обладают магнитными моментами и спинами. Вся совокупность спинов образует спиновую систему вещества, представляющую собой статистическую систему, “температура” (или энергетическое состояние) которой может отличаться от “температуры” молекулярного окружения, называемого решеткой. В методе ЯМР принимается модель не зависящих друг от друга процессов: обмен энергией внутри спиновой системы и обмен энергией между спиновой системой и решеткой. Спин-решеточное взаимодействие восстанавливает термодинамическое равновесие между спиновой системой и решеткой, а спин-спиновое взаимодействие обеспечивает восстановление термодинамического равновесия внутри спиновой системы. Соответственно процессы восстановления термодинамического равновесия характеризуются временами спин-решеточной релаксации Т 1 и спин-спиновой релаксации Т 2 . Времена Т 1 и Т 2 определяют соответственно коэффициенты поступательной и вращательной диффузии компонентов системы.

Сущность эксперимента с применением метода импульсного ЯМР заключается в следующем. Исследуемая система помещается в сильное магнитное поле. После наступления резонанса исследуют релаксацию системы к равновесному состоянию. По скоростям релаксации определяют значения времен Т 1 и Т 2 . При модификации эксперимента путем наложения на спиновую систему определенной последовательности импульсов с переменным градиентом магнитного поля по отклику системы, называемому спиновым эхо, рассчитывают коэффициенты поступательной диффузии компонентов системы.

При интерпретации результатов исследования многокомпонентных НДС методом импульсного протонного магнитного резонанса исходят из упрощенных представлений о том, что НДС состоят из двух основных компонентов - дисперсной фазы и дисперсионной среды. Дисперсные частицы или ССЕ диффундируют в дисперсионной среде, методом ПМР определяют коэффициенты диффузии именно этих двух основных составляющих НДС.

Диэлектрическая спектроскопия

Возможность применения данного метода обусловлена тем, что в подавляющем большинстве НДС являются диэлектриками, компоненты которых подвержены поляризации с последующей переориентацией. Исходя из того, что время диэлектрической релаксации характеризует вращательную диффузию поляризованной частицы, по формуле Эйнштейна можно оценить ее размер. Метод ВДС применяли для исследования дисперсного строения таких НДС, как масляные фракции нефти, мазуты и смолы пиролиза.

Ограниченные возможности каждого из методов, а также сложность их применения особенно для тяжелых высококонцентрированных систем существенно сдерживают количественное определение макроскопических свойств НДС на основе представлений об их микроструктуре. Пока следует критически относиться к анализу физико-химических свойств НДС на основе их дисперсного строения, установленного разрушающими микроструктуру системы методами. Имеются в виду случаи, когда определяют макроскопические свойства НДС и их дисперсность после соответствующего многократного разбавления НДС растворителями, приводящего к существенному изменению как исходной дисперсности ССЕ, так и их концентрации. Тем не менее на данном этапе развития теории НДС подобные исследования - это одна из единственно доступных возможностей установления взаимосвязи макроскопических и микроскопических свойств НДС.

Понятие и определение

Дисперсные системы представляют собой гетерогенные структуры, внутри которых одно или более веществ распределяются в другом. Они никак не контактируют друг с другом, химические или иные реакции полностью отсутствуют. Нет и смешения. Фактически каждый элемент является самостоятельным, и если его извлечь, он сохраняет свое изначальное состояние.

То вещество, которого больше всего в соединении, называется дисперсной средой, второстепенное — фазой. Частицы между собой не взаимодействуют, даже имеется некая прослойка, которая разделяет их. Поэтому системы являются гетерогенными или неоднородными.

Примеры дисперсных систем встречаются в природе постоянно — морская вода, почва, большинство продуктов питания и т. д. Они могут иметь любое агрегатное состояние. Иногда в среде находится сразу несколько фаз. Тогда их выделяют с помощью центрифуги или методом сепарирования.

Классификация по агрегатному состоянию

Классификация дисперсных систем осуществляется в соответствии с агрегатными состояниями вещества. Их имеется три вида: жидкое, твердое и газообразное. Поэтому разделение происходит на 9 основных категорий, примеры и описание которых можно посмотреть в таблице ниже.

Вид	Среда	Фаза	Пример
Газ х 2	Газ	Газ	Отсутствуют
Жидкость+газ	Газ	Жидкость	Туман, облако
Твердое тело (далее ТТ)+газ	Газ	ТТ	Дым, пыль
Газ+жидкость	Жидкость	Газ	Любая пена
Жидкость х 2	Жидкость	Жидкость	Молоко
ТТ+жидкость	Жидкость	ТТ	Известь, ил
Газ+ТТ	ТТ	Газ	Пемза
Жидкость+твердое тело	ТТ	Жидкость	Грунт
ТТ+ТТ	ТТ	ТТ	Любые композиционные материалы, такие как бетон или цемент

Каждый тип классификации, в свою очередь, имеет свое название. К примеру, газообразные соединения называются преимущественно аэрозолями, за редким исключением. Жидкие вещества — газовые эмульсии или суспензии. Взаимодействия, когда средой является твердое тело, определяются, как сплавы, капиллярные системы или пористые субстанции.

Существующие виды

Фазные частицы могут взаимодействовать между собой. При этом среда остается стабильной, химические реакции с ней отсутствуют. В зависимости от типа интерактивности, формируются виды дисперсных систем:

Свободнодисперсные. Основное и главное свойство такой системы — текучесть. Поэтому сюда относят любые аэрозоли и растворы.
Связнодисперсные. Это твердые или полутвердые системы. К ним относятся все концентрированные пасы или аморфные вещества.

Некоторые субстанции могут быть одновременно двумя видами. Отдельные золи при нормальной температуре являются достаточно текучими, чтобы определить их, как свободнодисперсные. Однако, если градус уменьшается, молекулы соединяются друг с другом сильнее, приобретая характеристики твердого тела. Поэтому переходят в связнодисперсную форму.

Взвеси и их особенности

Те дисперсные системы, фазы в которых можно легко определить невооруженным глазом, называются взвесями. Их характерная черта — непрозрачность. Если необходимо отделить среду и второстепенное вещество, можно воспользоваться рядовыми фильтрами, или процедурой отстаивания. Категорию разделяют на несколько видов:

Эмульсии. В жидком агрегатном состоянии находится фаза и среда, они не взаимодействуют друг с другом и не растворяются. Многие получаются посредством гомогенизации. К ним относят большинство лекарственных препаратов или молоко.
Суспензии. Здесь средой является жидкость, а фазой — твердая структура. Получают посредством пересыпания в жидкость порошка. Структура получается текучая, т. к. фаза крайне мелкая. Если оставлять структуру в неподвижном состоянии, выпадает осадок. Почти все строительные растворы относятся к категории.
Аэрозоли. Взвесь в этом случае располагается в газе. Примеров множество, встречаются как в природе, так и в быту. Например, грозовые или обычные облака, туманы и некоторые виды осадков. Большинство химикатов, производимых для обработки сельскохозяйственных структур, тоже являются аэрозолями.

Взвеси важны в деятельности человека, равно как природных процессах. Почти все производство построено на применении растворов (удобрения, металлы, бумага и пр.). В окружающем мире естественные соединения с водой тоже встречаются постоянно, например, почвообразование или насыщение грунта полезными веществами. В жизнедеятельности всех живых существ они тоже принимают непосредственное участие.

Коллоидные системы

В отличие от взвесей, коллоидные системы невозможно разделить без использования современной техники или специальных препаратов. Без нужного инструмента и невооруженным глазом они выглядят, как однородная субстанция. Из-за этого определить дисперсность становится сложно. Подразделяются на два типа:

Растворы или золи. Главное свойство — прозрачность. Чтобы определить наличие дисперсности, можно пропустить сквозь жидкость направленный пучок света. Тогда появляется «дорожка». Фазные частицы отражают лучи, образуя таковую. В качестве примера можно рассмотреть крахмал, белки, клей, в человеческом организме — лимфа или кровь. Чтобы отделить среду и второстепенное вещество, задействуется техника. Даже при продолжительном отстаивании осадка не образуется.
Гели или студни. Это различные медицинские препараты, кондитерские кремы, желатин и многое другое. Многие изначально являются золями, затем переходят в новое состояние при понижении температуры. Отдельные преобразуются в эластичные твердые вещества, как пластилин или глина для лепки.

Если взвеси играют большую роль в природных процессах, то коллоидные системы являются неотъемлемой частью химии. Чаще всего они добываются посредством смешивания в специальном оборудовании. Без подобной структуры не удалось бы создать множество лекарственных препаратов, удобрений и других полезных материалов.

Высокомолекулярные вещества

Растворы высокомолекулярных веществ бывают двух видов: истинные и коллоидные. Все зависит от разных качеств, таких как тип фазы, среды, температуры и иных условий. У них есть ряд свойств:

Процессы смешения происходят естественно и крайне медленно.
Сначала происходит набухание, а затем смешивание.
Полимерные и истинные растворы отличаются существенно. Те законы, которые характерны для одних (Рауля, Вант-Гоффа), несвойственны другим.
По всей полученной субстанции свойства могут различаться из-за разного направления и/или размеров молекул.
Повышенная вязкость.

Отдельные полимерные растворы образуются самопроизвольно. Когда процесс набухания образуется неорганическим способом, дисперсная система перестает существовать, поскольку фаза полностью растворяется в среде, образуется химическая реакция. Если же он органический, то появляется студень.

Ключевые свойства

Свойства дисперсных систем определяются по одному основному фактору — при их возникновении образуется четкая межфазная граница. Также появляется некоторое значение поверхностной энергии, которая не комбинируется, рассматривается в отдельном порядке по отношению к среде и фазе.

В природе и продуктах жизнедеятельности человека встречаются грубодисперсные системы. Здесь фазу и среду легко можно отличить под стандартным микроскопом, а то и вовсе невооруженным глазом. Но если рассматривать ее в целом, то она представляет собой сложную совокупность коллоидных веществ.

В свою очередь, тонкодисперсные системы являются настолько мелкими, что рассмотреть их можно только в специальный ультразвуковой микроскоп. В некоторых случаях даже при направленном в жидкость луче не появляется характерной «дорожки». Несмотря на существенные различия, свойства везде одинаковы. Они зависят от таких показателей, как:

Степень (количество фаз).
Молекулярный вес.
Размеры частиц.
Агрегатное состояние.
Лиофобная/лиофильная группа.

В жизни человека рассматриваемые системы встречаются постоянно. Такое явление может быть как природным и естественным, так и выводимым в искусственном виде. Многочисленные лекарственные смеси, различные минеральные или химические удобрения, а также производственные процессы построены на дисперсности.

Понятие и определение

То вещество, которого больше всего в соединении, называется дисперсной средой, второстепенное — фазой. Частицы между собой не взаимодействуют, даже имеется некая прослойка, которая разделяет их. Поэтому системы являются гетерогенными или неоднородными.

Классификация по агрегатному состоянию

Вид	Среда	Фаза	Пример
Газ х 2	Газ	Газ	Отсутствуют
Жидкость+газ	Газ	Жидкость	Туман, облако
Твердое тело (далее ТТ)+газ	Газ	ТТ	Дым, пыль
Газ+жидкость	Жидкость	Газ	Любая пена
Жидкость х 2	Жидкость	Жидкость	Молоко
ТТ+жидкость	Жидкость	ТТ	Известь, ил
Газ+ТТ	ТТ	Газ	Пемза
Жидкость+твердое тело	ТТ	Жидкость	Грунт
ТТ+ТТ	ТТ	ТТ	Любые композиционные материалы, такие как бетон или цемент

Существующие виды

Свободнодисперсные. Основное и главное свойство такой системы — текучесть. Поэтому сюда относят любые аэрозоли и растворы.
Связнодисперсные. Это твердые или полутвердые системы. К ним относятся все концентрированные пасы или аморфные вещества.

Взвеси и их особенности

Эмульсии. В жидком агрегатном состоянии находится фаза и среда, они не взаимодействуют друг с другом и не растворяются. Многие получаются посредством гомогенизации. К ним относят большинство лекарственных препаратов или молоко.
Суспензии. Здесь средой является жидкость, а фазой — твердая структура. Получают посредством пересыпания в жидкость порошка. Структура получается текучая, т. к. фаза крайне мелкая. Если оставлять структуру в неподвижном состоянии, выпадает осадок. Почти все строительные растворы относятся к категории.
Аэрозоли. Взвесь в этом случае располагается в газе. Примеров множество, встречаются как в природе, так и в быту. Например, грозовые или обычные облака, туманы и некоторые виды осадков. Большинство химикатов, производимых для обработки сельскохозяйственных структур, тоже являются аэрозолями.

Коллоидные системы

Растворы или золи. Главное свойство — прозрачность. Чтобы определить наличие дисперсности, можно пропустить сквозь жидкость направленный пучок света. Тогда появляется «дорожка». Фазные частицы отражают лучи, образуя таковую. В качестве примера можно рассмотреть крахмал, белки, клей, в человеческом организме — лимфа или кровь. Чтобы отделить среду и второстепенное вещество, задействуется техника. Даже при продолжительном отстаивании осадка не образуется.
Гели или студни. Это различные медицинские препараты, кондитерские кремы, желатин и многое другое. Многие изначально являются золями, затем переходят в новое состояние при понижении температуры. Отдельные преобразуются в эластичные твердые вещества, как пластилин или глина для лепки.

Высокомолекулярные вещества

Процессы смешения происходят естественно и крайне медленно.
Сначала происходит набухание, а затем смешивание.
Полимерные и истинные растворы отличаются существенно. Те законы, которые характерны для одних (Рауля, Вант-Гоффа), несвойственны другим.
По всей полученной субстанции свойства могут различаться из-за разного направления и/или размеров молекул.
Повышенная вязкость.

Отдельные полимерные растворы образуются самопроизвольно. Когда процесс набухания образуется неорганическим способом, дисперсная система перестает существовать, поскольку фаза полностью растворяется в среде, образуется химическая реакция. Если же он органический, то появляется студень.

Ключевые свойства

Степень (количество фаз).
Молекулярный вес.
Размеры частиц.
Агрегатное состояние.
Лиофобная/лиофильная группа.

В жизни человека рассматриваемые системы встречаются постоянно. Такое явление может быть как природным и естественным, так и выводимым в искусственном виде. Многочисленные лекарственные смеси, различные минеральные или химические удобрения, а также производственные процессы построены на дисперсности.

Данное издание создано в помощь студентам вузов, которые хотят быстро подготовиться к экзаменам и сдать сессию без проблем. Пособие составлено с учетом Государственного образовательного стандарта.

1. Возникновение и основные этапы развития коллоидной химии. Предмет и объекты исследований коллоидной химии
2. Основные особенности дисперсных систем. Особенности ультрамикрогетерогенного состояния (наносостояния)
3. Различные типы классификации дисперсных систем. Лиофильные и лиофобные дисперсные системы
4. Дисперсность. Удельная поверхность дисперсных систем, методы ее измерения
5. Коллоиды. Примеры коллоидных систем, их распространенность в природе и значение для современной технологии
6. Оптические методы исследования дисперсных систем (нефелометрия, турбидиметрия)
7. Оптические свойства коллоидов. Статическое рассеяние света. Оптическая анизотропия
8. Поглощение света дисперсными системами, уравнение Бугера-Ламберта-Бера. Определение размеров коллоидных частиц
9. Поверхностные явления. Роль поверхностных явлений в процессах, протекающих в дисперсных системах
10. Поверхность раздела фаз. Свободная поверхностная энергия. Поверхностное натяжение. Адсорбция
11. Термодинамическое описание разделяющей поверхности
12. Адсорбция. Площадь, приходящаяся на одну молекулу в адсорбционном слое
13. Хроматографический адсорбционный анализ

Приведённый ознакомительный фрагмент книги Коллоидная химия. Шпаргалка предоставлен нашим книжным партнёром — компанией ЛитРес.

4. Дисперсность. Удельная поверхность дисперсных систем, методы ее измерения

Основная характеристика дисперсных систем — размеры частиц, или дисперсность. Дисперсные системы делят на грубодисперсные (низкодисперсные) и тонкодисперсные (высокодисперсные), или коллоидные системы (коллоиды). В грубодисперсных системах частицы имеют размер от 10 –4 см и выше, в коллоидных — от 10 –4 до 10 –5 — 10 –7 см. Дисперсность определяется по трем измерениям тела, либо характеризуется величиной, обратной минимальному размеру и названной дисперсностью, либо через удельную площадь поверхности S_уд (отношение межфазной поверхности к объему тела). Количественной характеристикой дисперсности (раздробленности) вещества является степень дисперсности (степень раздробленности D) — величина, обратная размеру дисперсных частиц а: D = 1/a, где а равно диаметру сферических или волокнистых частиц, или длине ребра кубических частиц, или толщине пленок. Все частицы дисперсной фазы имеют одинаковые размеры — монодисперсная система. Частицы дисперсной фазы неодинакового размера — полидисперсная система. Соотношение между поверхностью и объемом характеризует удельная поверхность:

S_уд = S / V.

Для частиц сферической формы она равна:

S_уд = 4 πr 2 / (4 / 3 πr) = 3 / r = 6 / d.

Для частиц кубической формы —

S_уд = 6l 2 / l 3 = 6 / l,

где r — радиус шара; d — его диаметр; l — длина ребра куба.

Дисперсность D связана с удельной поверхностью S_уд:

S_уд = S / V = k / d = kD,

где V — объем дисперсной фазы, мл.

Для сферических частиц уравнение принимает вид:

k — коэффициент формы частиц; d — диаметр частицы, м 2 .

Формула для расчета удельной поверхности (S_уд) системы с шарообразными частицами:

где n — число частиц, м 3 ; S₀ — поверхность каждой частицы.

где n₁ — число частиц, кг; r — плотность вещества, г/см 3 .

Корреляционная спектроскопия рассеянного света: в определенном оптическом объеме V₀, подсчитывают число частиц n. Зная концентрацию частиц С и n, находят объем частицы : = С / (vd),

где d — плотность дисперсной фазы.

Зная объем, можно вычислить радиус частиц:

Зная радиус частиц, можно вычислить удельную поверхность S_уд.

Читайте также:

Коллоидно химические свойства и методы определения дисперсности ндс

Понятие и определение

Классификация по агрегатному состоянию

Существующие виды

Взвеси и их особенности

Коллоидные системы

Высокомолекулярные вещества

Ключевые свойства

Понятие и определение

Классификация по агрегатному состоянию

Существующие виды

Взвеси и их особенности

Коллоидные системы

Высокомолекулярные вещества

Ключевые свойства

Оглавление