Основные сведения о дисперсных системах

Прежде чем перейти непосредственно к классификации и описанию типов упаковок сыпучих тел, обратимся к важнейшим понятиям коллоидной химии, относящимся к системам частиц, а именно, дисперсным системам.

Дисперсная система – гетерогенная, довольно часто много-компонентная система, состоящая из дисперсной фазы и дисперсионной среды. Дисперсную фазу образуют дисперсные частицы. Дисперсионная среда представляет сплошную (непрерывную) фазу, в которой распределены частицы дисперсной фазы. Для дисперсных систем характерны два общих признака: гетерогенность и дисперсность.

Гетерогенность – свойство неоднородности, обусловленной наличием поверхностей раздела фаз.

Поперечный размер частицы (а) – диаметр (d) для сферических частиц, длина ребра (l) для кубических частиц.

Дисперсность (D) – величина, обратная поперечному размеру частицы:

(1)

Дисперсность характеризуется удельной поверхностью (Sуд):

(2)

где So – общая поверхность частиц дисперсной фазы, Vд.ф. – объем дисперсной фазы.

Для систем с кубическими частицами с длиной ребра l:

(3)

Для систем со сферическими частицами с радиусом r (диаметром d):

(4)

Если удельную поверхность отнести к массе дисперсной фазы (mд.ф.), то учитывается плотность вещества. Для сферических частиц с учетом плотности частиц:

(5)

В общем случае:

(6)

где k – коэффициент, зависящий от формы частицы.

Таким образом, удельная поверхность прямо пропорциональна дисперсности, и обратно пропорциональна поперечному размеру частицы.

Объемная концентрация дисперсной фазы (доли единицы или %) в системе рассчитывается по формуле:

(7)

где Vд.с. – общий объем дисперсной системы.

Массовая концентрация дисперсной фазы в системе рассчитывается по формуле:

(8)

Численная концентрация частиц дисперсной фазы:

(9)

где Nчастиц – количество частиц дисперсной фазы.

Число сферических частиц в 1 м³ дисперсной системы равно отношению объема (1 м³) системы к объему одной сферической частицы:

(10)

Число сферических частиц в 1 кг дисперсной системы равно отношению массы (1 кг) к массе одной частицы. Масса одной сферической частицы золя (высокодисперсной коллоидной системы) равна произведению объема сферы на плотность вещества (ρ, кг/м³):

(11)

Тогда, число частиц в 1 кг золя для сферических частиц:

(12)

Рассмотрим основные классификации дисперсных систем [1].

В таблице 1 представлена классификация дисперсных систем по размеру частиц дисперсной фазы.

Таблица 1 – Классификация дисперсных систем по размеру частиц дисперсной фазы

В таблице 2 представлена классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды.

Таблица 2 – Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды

В таблице 3 представлена классификация дисперсных систем по степени взаимодействия дисперсной фазы с дисперсионной средой (по межфазному взаимодействию).

Таблица 3 – Классификация дисперсных систем по межфазному взаимодействию

В таблице 4 представлена классификация дисперсных систем по наличию взаимодействия между частицами дисперсной фазы.

Таблица 4 – Классификация дисперсных систем по наличию взаимодействия между частицами дисперсной фазы

Рассматривая типы упаковок дискретных сред, мы будем оперировать геометрическими характеристиками частиц, не учитывая каких-либо форм химического взаимодействия частиц. Таким образом, далее рассматриваются модельные двухфазные свободнодисперсные системы с твердой дисперсной фазой и газообразной дисперсионной средой, иными словами твердые частицы системы, распределенные в воздушном пространстве, не взаимодействуют между собой. Применение подобных моделей упаковок актуально в технологии композиционных материалов, где аэрозоли с твердой дисперсной фазой являются материалом для производства композиционных сырьевых смесей. К таким дисперсным системам относятся заполнители, наполнители, вяжущие вещества и другие материалы в свободнодисперсном (сухом) состоянии до начала проявления химического взаимодействия (например, процессов гидратации цемента в бетонной смеси). В свою очередь исследование закономерностей формирования упаковок таких дисперсных систем раскрывает возможность прогнозирования свойств композиционного материала на основании морфологических (форма частиц) и размерных (гранулометрия или статистическое распределение частиц по размерам) параметров частиц исходных компонентов сырьевой смеси.

Библиографические ссылки:

[1] – Михеева, Е.В. Поверхностные явления и дисперсные системы. Коллоидная химия. Сборник примеров и задач / Е.В. Михеева, Н.П. Пикула, С.Н. Карбаинова // учебное пособие для студентов ХТФ, ФТФ, ЭЭФ, ИГНД и ИДО. – Томск: Изд-во ТПУ, 2008. – 116 с.