Процессы на поверхности раздела фаз Тема1. Общие представления о дисперсных системах 1. 2. 3. 4. Введение. Основные понятия. Дисперсные системы. Классификация дисперсных систем. Роль поверхности в таких системах. 7 Основные понятия и определения • Термодинамическая система (ТД система) – это тело или группа тел, отделённых от окружающей среды границей раздела. Открытая ТД система – обменивается с окружающей средой и веществом, и энергией. Закрытая ТД система – обменивается с окружающей средой только энергией. Изолированная ТД система – обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией. 8 • Фаза – это часть ТД системы, обладающая одинаковыми физическими и химическими свойствами Газ всегда состоит из одной фазы Жидкость может состоять из нескольких жидких фаз разного состава (жидкостная несмешиваемость), но двух разных жидкостей одного состава в равновесии сосуществовать не может. Вещество в твердом состоянии может состоять из нескольких фаз, причем некоторые из них могут иметь одинаковый состав, но различную структуру (полиморфные модификации, аллотропия). *Пример двухфазной системы – поверхность реки в ледоход. 9 • Агрегатное состояние вещества (лат. aggrego 'присоединяю') — состояние одного и того же вещества в определённом интервале температур и давлений, характеризующееся определёнными, неизменными в пределах указанных интервалов, качественными свойствами: – способностью (твёрдое тело) или неспособностью (жидкость, газ, плазма) сохранять объём и форму, – наличием или отсутствием дальнего (твёрдое тело) и ближнего порядка (жидкость), и другими свойствами. твёрдое тело, жидкость и газ плазма, в которую переходят газы при повышении температуры и фиксированном давлении 10 Агрегатное состояние вещества. Фазовые переходы 11 Разные фазы обладают различными вариантами упаковки молекул (для кристаллических фаз, различными кристаллическими решетками), и, следовательно, своими характерными значениями коэффициента сжимаемости, коэффициента теплового расширения и др. Различные фазы могут обладать разными электрическими, магнитными и оптическими свойствами. Кристаллические вещества: атомное разрешение изображения титаната стронция. Яркие атомы — Sr, темнее них Ti. Газ Структура классической одноатомной жидкости. 12 • Химический компонент – это химически индивидуальная часть ТД системы (например: Fe, O2, C …). Различают: одно-, двух-, многокомпонентные системы. Компонентами называют вещества, минимально необходимые для составления данной системы (минимум один). Число компонентов в системе равно числу веществ в ней присутствующих, минус число связывающих эти вещества независимых уравнений. Компонентом называют вещество, которое может быть выделено из данной системы и количество которого можно менять (хотя бы в некоторых пределах) независимо от других. 13 • Гомогенная система – система, состоящая из одной фазы (например: сахар растворённый в воде) • Гетерогенная система – система, состоящая из нескольких фаз (песок + вода). Возникает граница раздела фаз. • Граница раздела (англ. interface) — переходный слой между двумя фазами или поверхность касания двух зерен в поликристаллических материалах 14 Атомы и молекулы на границах раздела проявляют иные свойства, нежели атомы и молекулы в объеме фазы или материала, поскольку находятся в другом окружении. В связи с этим изучение свойств вещества на границах раздела и возникающих там явлений составляет особую область физики и химии. Важность поверхностные эффекты приобретают в наноразмерных материалах, где доля поверхности очень велика и может начать определять свойства материала в целом. 15 • Дисперсные системы – гетерогенные системы из двух или большего числа фаз с сильно развитой поверхностью раздела между ними. Одна из фаз образует непрерывную дисперсионную среду, в которой распределена дисперсная фаза в виде мелких кристаллов, твердых аморфных частиц, капель или пузырьков. Наука о поверхности является пограничной областью знания, которая объединяет физическую химию и физику поверхностных явлений и дисперсных систем. Для объектов науки о поверхности характерны два общих признака: гетерогенность и дисперсность. 16 • Гетерогенность или многофазность, выступает как признак, указывающий на наличие межфазной поверхности, т. е. поверхностного слоя – основного объекта этой науки. • Дисперсность (раздробленность) – второй признак объектов коллоидной науки и науки о поверхности. Она определяется размерами и геометрией тела. 17 Частицы веществ могут иметь самую различную форму: сферическую, цилиндрическую, прямоугольную. Образование различных дисперсий при уменьшении размеров куба по трем его осям: • При значительном уменьшении размера в одном его измерении (по оси у) получается пленка или поверхностный слой, • при уменьшении размеров куба в двух измерениях (по осям х и у) образуются нити или капилляры, • уменьшение его размеров по всем трем измерениям (по осям х, у и z) приводит к образованию мелких частиц. 18 Раздробленность определяется размером тела по той оси, уменьшением которого она достигнута, т. е. наименьшим размером а. Раздробленность часто характеризуют величиной, обратной размеру а, т. е. 1/ а (дисперсность D). Широко применяется и третья характеристика раздробленности – удельная поверхность Sуд, определяемая отношением площади межфазной поверхности к объему тела s/V. Все три характеристики раздробленности связаны между собой: с уменьшением размера а увеличиваются дисперсность D и удельная поверхность Sуд. 19 Классификация дисперсных систем (по академику Ребиндеру П.А.) Наиболее общая классификация дисперсных систем основана на различии в агрегатном состоянии дисперсионной среды и дисперсной фазы – возникают разные типы межфазных границ! Обозн. Дисперсная фаза Дисперсионная среда Название и пример Г/Г Газообразная Газообразная Дисперсная система не образуется Ж/Г Жидкая Газообразная Аэрозоли: туманы, облака Т/Г Твёрдая Газообразная Аэрозоли (пыли, дымы), порошки Г/Ж Газообразная Жидкая Газовые эмульсии и пены Ж/Ж Жидкая Жидкая Эмульсии: нефть, крем, молоко Т/Ж Твёрдая Жидкая Суспензии и золи: пульпа, ил, взвесь, паста Г/Т Газообразная Твёрдая Пористые тела: поролон, пемза Ж/Т Жидкая Твёрдая Капиллярные системы: жидкость в пористых телах, грунт, почва Твёрдая Твёрдые гетерогенные системы: сплавы, бетон, ситаллы, композиционные материалы 20 Т/Т Твёрдая 20 Классификация дисперсных систем По кинетическим свойствам дисперсные системы можно разделить на два класса: • свободнодисперсные, в которых дисперсная фаза подвижна, • связнодисперсные системы – системы с твердой дисперсионной средой, в которой частицы дисперсной фазы связаны и не могут перемещаться. Также системы классифицируют по степени дисперсности. Для свободнодисперсных и связнодисперсных систем классификации по дисперсности имеют существенные отличия. 21 Классификация дисперсных систем по степени раздробленности (дисперсности) Свободнодисперсные системы • Ультрамикрогетерогенные (коллоидные) размер частиц от 10-7 до 10-5 см (от 1 до 100 нм); • Микрогетерогенные размер частиц от 10-5 до 10-3 см (от 0,1 до 10 мкм); • Грубодисперсные частицы превышают размер 10-3 см. 22 Классификация дисперсных систем по степени раздробленности (дисперсности) Связнодисперсные системы, точнее, пористые тела, классифицируют согласно Дубинину М.М. на: • Микропористые с размером пор до 2 нм; • Переходнопористые с размером пор от 2до 200 нм; • Макропористые – выше 200 нм. 23
