Разпръснат метод. Приготвяне и пречистване на дисперсни системи (ДС). Получаване на золове чрез метод на заместване на разтворителя

Дисперсната система е система, в която едно вещество е разпределено в средата на друго и има фазова граница между частиците и дисперсионната среда. Дисперсните системи се състоят от дисперсна фаза и дисперсионна среда.

Дисперсната фаза представлява частици, разпределени в средата. Неговите признаци: дисперсия и интермитентност.

Дисперсионната среда е материалната среда, в която се намира дисперсната фаза. Неговият знак е непрекъснатост.

Дисперсионен метод. Състои се от механично раздробяване на твърди вещества до определена дисперсия; дисперсия чрез ултразвукови вибрации; електрическа дисперсия под въздействието на променлив и постоянен ток. За получаване на дисперсни системи по метода на дисперсията широко се използват механични устройства: трошачки, мелници, хоросанчета, валяци, мелници за бои, шейкъри. Течностите се пулверизират и разпръскват с помощта на дюзи, мелници, въртящи се дискове и центрофуги. Разпръскването на газовете се извършва главно чрез барботиране през течност. В пенополимери, пенобетон и пеногипс газовете се произвеждат с помощта на вещества, които отделят газ при повишени температури или при химични реакции.

Въпреки широкото разпространение на дисперсионните методи, те не могат да бъдат използвани за получаване на дисперсни системи с размер на частиците -100 nm. Такива системи се получават чрез кондензационни методи.

Кондензационните методи се основават на процеса на образуване на дисперсна фаза от вещества в молекулярно или йонно състояние. Необходимо изискване за този метод е създаването на пренаситен разтвор, от който трябва да се получи колоидна система. Това може да се постигне при определени физични или химични условия.

Физически методи за кондензация:

1) охлаждане на пари от течности или твърди вещества по време на адиабатно разширение или смесването им с голям обем въздух;

2) постепенно отстраняване (изпаряване) на разтворителя от разтвора или замяната му с друг разтворител, в който диспергираното вещество е по-малко разтворимо.

По този начин физическата кондензация се отнася до кондензацията на водна пара върху повърхността на пренасяни във въздуха твърди или течни частици, йони или заредени молекули (мъгла, смог).

Заместването на разтворителя води до образуването на зол, когато към първоначалния разтвор се добави друга течност, която се смесва добре с оригиналния разтворител, но е лош разтворител за разтвореното вещество.

Методите на химическа кондензация се основават на извършване на различни реакции, в резултат на които неразтвореното вещество се утаява от свръхнаситен разтвор.

Химическата кондензация може да се основава не само на обменни реакции, но и на редокс реакции, хидролиза и др.

Дисперсните системи могат да бъдат получени и чрез пептизация, която се състои в превръщане на утайки, чиито частици вече имат колоидни размери, в колоиден „разтвор“. Разграничават се следните видове пептизация: пептизация чрез измиване на утайката; пептизация с ПАВ; химическа пептизация.

От термодинамична гледна точка най-благоприятният метод е дисперсията.

Методи за почистване:

1. Диализа - пречистване на золите от примеси с помощта на полупропускливи мембрани, промити с чист разтворител.

2. Електродиализа – диализа, ускорена от електрическо поле.

3. Ултрафилтрация – пречистване чрез пресоване на дисперсионна среда заедно с нискомолекулни примеси през полупропусклива мембрана (ултрафилтър).

Молекулярно-кинетични и оптични свойства на дисперсните системи: Брауново движение, осмотично налягане, дифузия, седиментационно равновесие, седиментационен анализ, оптични свойства на дисперсните системи.

Всички молекулярно-кинетични свойства се дължат на спонтанното движение на молекулите и се проявяват в Брауново движение, дифузия, осмоза и седиментационно равновесие.

Брауновото движение е непрекъснато, хаотично, еднакво вероятно във всички посоки движение на малки частици, суспендирани в течности или газове, поради влиянието на молекулите на дисперсионната среда. Теорията на Брауновото движение се основава на идеята за взаимодействието на произволна сила, която характеризира ударите на молекулите, зависима от времето сила и сила на триене, когато частиците на дисперсната фаза се движат в диспергираща среда при определена скорост.

В допълнение към постъпателното движение е възможно и въртеливо движение, което е типично за двумерни частици с неправилна форма (нишки, влакна, люспи). Брауновото движение е най-силно изразено в силно дисперсните системи и неговата интензивност зависи от дисперсията.

Дифузията е спонтанното разпространение на вещество от зона с по-висока концентрация към област с по-ниска концентрация. Разграничават се следните видове:

1.) молекулярен

3) колоидни частици.

Скоростта на дифузия в газовете е най-висока, а в твърдите тела е най-малка.

Осмотичното налягане е свръхналягането над разтвора, което е необходимо, за да се предотврати преминаването на разтворителя през мембраната. OD възниква, когато чист разтворител се движи към разтвор или от по-разреден разтвор към по-концентриран, и следователно е свързан с концентрацията на разтвореното вещество и разтворителя. Осмотичното налягане е равно на налягането, което дисперсната фаза (разтвореното вещество) би произвела, ако тя, под формата на газ, при същата температура, заемаше същия обем като колоидната система (разтвор).

Седиментацията е разделяне на дисперсни системи под въздействието на гравитацията с отделяне на дисперсната фаза под формата на утайка. Способността на дисперсните системи да се утаяват е показател за тяхната седиментационна стабилност. Процесите на разделяне се използват, когато е необходимо да се изолира един или друг компонент от някакъв компонент от някакъв естествен или изкуствено получен продукт, който е хетерогенна течна система. В някои случаи от системата се отстранява ценен компонент, в други се отстраняват нежелани примеси. В общественото хранене процесите на разделяне на дисперсни системи са необходими, когато е необходимо да се получат бистри напитки, да се избистри бульонът и да се освободи от частиците месо.

Поведението на светлинен лъч, срещащ по пътя си частици от дисперсната фаза, зависи от съотношението на дължината на вълната на светлината и размера на частиците. Ако размерът на частиците е по-голям от дължината на вълната на светлината, тогава светлината се отразява от повърхността на частиците под определен ъгъл. Това явление се наблюдава при суспензиите. Ако размерът на частиците е по-малък от дължината на вълната на светлината, тогава светлината се разсейва.

Src="http://present5.com/presentation/3/40492240_88526628.pdf-img/40492240_88526628.pdf-1.jpg" alt=">Методи за получаване на дисперсни системи">!}

Src="http://present5.com/presentation/3/40492240_88526628.pdf-img/40492240_88526628.pdf-2.jpg" alt="> Получават се дисперсни системи с необходимия набор от физични и химични свойства (състав, агрегатно състояние,"> Дисперсные системы получают с необходимым набором физических и химических свойств (состав, агрегатное состояние, размер, форма, структура, поверхностные свойства). При получении дисперсных систем решают две важные задачи: получение дисперсных частиц нужного размера и формы; стабилизация дисперсных систем, т. е. сохранение размеров дисперсных частиц в течение достаточно длительного времени (особенно актуальна для наночастиц). Методы получения дисперсных систем делятся на: диспергационные, конденсационные и метод пептизации. 2!}

Src="http://present5.com/presentation/3/40492240_88526628.pdf-img/40492240_88526628.pdf-3.jpg" alt="> Дисперсионни методи Методите включват смилане на големи (макроскопични) проби от дадена"> Диспергационные методы Методы заключаются в измельчении крупных (макроскопических) образцов данного вещества до частиц дисперсных размеров. При диспергировании химический состав и агрегатное состояние вещества обычно не меняются, меняется размер частиц и их форма. Диспергирование происходит, как правило, не самопроизвольно, а с затратой внешней работы, расходуемой на преодоление межмолекулярных сил при дроблении вещества. Диспергационные методы используют в основном для получения грубодисперсных частиц – от 1 мкм и выше - производство цемента (1 млрд. т в год), измельчении руд полезных ископаемых, получение пищевых продуктов и лекарств и т. д. 3!}

Src="http://present5.com/presentation/3/40492240_88526628.pdf-img/40492240_88526628.pdf-4.jpg" alt="> Механизмът за намаляване на твърдостта е, че добавеното вещество (понижител на твърдостта ) се адсорбира в"> Механизм уменьшения твердости заключается в том, что добавляемое вещество (понизитель твердости) адсорбируется в местах дефектов кристаллической решетки твердого тела, что приводит к экранированию сил сцепления, действующими между противоположными поверхностями щели (при адсорбции электролитов возникают силы электростатического отталкивания между одноименно заряженными ионами, ПАВы понижают поверхностное натяжение на границе раздела твердое тело – газ, что облегчает деформирование твердого тела). Добавки помогают не только разрушить материал, но и стабилизируют систему в дисперсном состоянии, т. к. , адсорбируясь на поверхности частиц, мешают их обратному слипанию. 4!}

Src="http://present5.com/presentation/3/40492240_88526628.pdf-img/40492240_88526628.pdf-5.jpg" alt="> Методите на кондензация се основават на свързването на молекули в агрегати от истински решения"> Конденсационные методы основаны на ассоциации молекул в агрегаты из истинных растворов (гомогенных сред). Путем конденсации в зависимости от условий могут быть получены системы любой дисперсности, с частицами любого размера. Эти методы в основном используют для получения дисперсных систем с размерами частиц 10 -8 – 10 -9 м (высокодисперсные и ультрадисперсные), поэтому эти методы широко используют в нанотехнологиях. Конденсационные методы не требуют затраты внешней работы. Появление новой фазы происходит при пересыщении среды, т. е. создании концентраций, превышающих равновесные. 5!}

Src="http://present5.com/presentation/3/40492240_88526628.pdf-img/40492240_88526628.pdf-6.jpg" alt="> Механизмът на кондензация включва етапи: 1. Етап на нуклеация - появата на ядра (центрове"> Механизм конденсации включает стадии: 1. Стадия зародышеобразования - возникновение зародышей (центров кристаллизации) в пересыщенном растворе; зародыши образуются тем легче, чем больше в растворе центров зародышеобразования (чужеродных частиц). 2. Рост зародышей. 3. Формирование слоя стабилизатора (слоя противоионов), определяющего устойчивость полученной дисперсной системы (для дисперсных систем с жидкой дисперсионной средой). 6!}

Src="http://present5.com/presentation/3/40492240_88526628.pdf-img/40492240_88526628.pdf-7.jpg" alt="> Правила за получаване на дисперсни системи чрез кондензационни методи 1. Колкото по-голяма е степен"> Правила получения дисперсных систем конденсационными методами 1. Чем больше степень пересыщения, тем меньше радиус зародыша, тем легче он образуется. 2. Для получения мелких частиц необходимо, чтобы скорость образования зародышей была больше скорости их роста. Пересыщение можно вызвать физическим процессом или проведением химической реакции. Различают физические и химические конденсационные методы. 7!}

Src="http://present5.com/presentation/3/40492240_88526628.pdf-img/40492240_88526628.pdf-8.jpg" alt="> Методи на химическа кондензация Методите се основават на образуването на нова фаза (т.т."> Химические конденсационные методы Методы основаны на образовании новой фазы (м. р. с.) в результате протекания химических реакций. Для получения высокодисперсных золей концентрированный раствор одного компонента добавляют к разбавленному раствору другого компонента при постоянном перемешивании. 8!}

Src="http://present5.com/presentation/3/40492240_88526628.pdf-img/40492240_88526628.pdf-9.jpg" alt="> Примери за химични реакции, използвани за образуване на колоидни системи: 1. Реакции"> Примеры химических реакций, используемых для образования коллоидных систем: 1. Реакции восстановления (получение золей Au, Ag, Pt и др. металлов). Восстановление аурата калия формальдегидом. 2 Na. Au. O 2 + 3 HCOH + Na 2 CO 3 = 2 Au + 3 HCOONa +Na. HCO 3 + H 2 O В результате получается золь золота, стабилизированный ауратом калия. Строение мицеллы этого золя можно представить: 2. Реакции обмена (метод, наиболее часто встречающийся на практике). Получение золя иодида серебра. Ag. NO 3 + KJ(изб.) = Ag. J↓ + KNO 3 Строение мицеллы: 9!}

Src="http://present5.com/presentation/3/40492240_88526628.pdf-img/40492240_88526628.pdf-10.jpg" alt="> Метод на пептизация Пептизацията е метод, базиран на превод в"> Метод пептизации Пептизация – метод, основанный на переводе в коллоидный раствор осадков, первичные размеры которых уже имеют размеры высокодисперсных систем. Суть метода: свежевыпавший рыхлый осадок переводят в золь путем обработки пептизаторами (растворами электролитов, ПАВов, растворителем). 10!}

Src="http://present5.com/presentation/3/40492240_88526628.pdf-img/40492240_88526628.pdf-11.jpg" alt="> Методи за пречистване на дисперсни системи Получените золи често съдържат ниско молекулно тегло примеси (чужди"> Методы очистки дисперсных систем Полученные золи часто содержат низкомолекулярные примеси (чужеродные электролиты), способные разрушать коллоидные системы. Полученные золи во многих случаях приходится очищать. Очищают также и дисперсные системы природного происхождения (латексы, нефть, вакцины, сыворотки и т. д.). Для очистки от примесей используют: диализ, электродиализ, ультрафильтрацию. Диализ – извлечение из золей низкомолекулярных веществ чистым растворителем с помощью полупроницаемой перегородки (мембраны), через которую не проходят коллоидные частицы. Электродиализ – диализ, ускоренный применением внешнего электрического поля. Ультрафильтрация – электродиализ под давлением (гемодиализ). 11!}

Методите на кондензация се основават на процесите на образуване на нова фаза чрез комбиниране на молекули, йони или атоми в хомогенна среда. Тези методи могат да бъдат разделени на физични и химични.

Физическа кондензация. Най-важните физични методи за получаване на дисперсни системи са кондензация от пари и заместване на разтворителя. Най-очевидният пример за кондензация от пара е образуването на мъгла. Когато параметрите на системата се променят, по-специално когато температурата намалява, налягането на парите може да стане по-високо от равновесното налягане на парите над течността (или над твърдото вещество) и в газовата фаза се появява нова течна (твърда) фаза. В резултат на това системата става разнородна - започва да се образува мъгла (дим). По този начин се получават например камуфлажни аерозоли, които се образуват при охлаждане на парите на P2O5, ZnO и други вещества. Лиозолите се получават чрез процеса на съвместна кондензация на пари от вещества, които образуват дисперсна фаза и дисперсионна среда върху охладена повърхност.

Методът за заместване на разтворителя се използва широко, като се основава, подобно на предишния, на такава промяна в параметрите на системата, при която химичният потенциал на компонента в дисперсионната среда става по-висок от равновесния и тенденцията за преминаване към равновесното състояние води до образуването на нова фаза. За разлика от метода на кондензация на пари (промяна на температурата), при метода на заместване на разтворителя съставът на средата се променя. По този начин, ако наситен молекулен разтвор на сяра в етилов алкохол се излее в голям обем вода, тогава полученият разтвор в сместа алкохол-вода вече е свръхнаситен. Пренасищането ще доведе до агрегация на серни молекули с образуването на частици от нова фаза - диспергирана.

Чрез замяна на разтворителя се получават золове на сяра, фосфор, арсен, колофон, целулозен ацетат и много органични вещества чрез изливане на алкохолни или ацетонови разтвори на тези вещества във вода.

Химическа кондензация. Тези методи също се основават на кондензационното отделяне на нова фаза от свръхнаситен разтвор. Но за разлика от физическите методи, веществото, което образува дисперсната фаза, се появява в резултат на химическа реакция. По този начин всяка химическа реакция, която протича с образуването на нова фаза, може да бъде източник на получаване на колоидна система. Нека дадем следните химични процеси като примери.

• 1. Възстановяване. Класически пример за този метод е получаването на златен зол чрез редукция на хлорауринова киселина. Водородният пероксид може да се използва като редуциращ агент (метод на Zsigmondy):
• 2HauCl2+3H2O22Au+8HCl+3O2

Известни са и други редуциращи агенти: фосфор (М. Фарадей), танин (В. Освалд), формалдехид (Р. Зигмонди). Например,

• 2KauO2+3HCHO+K2CO3=2Au+3HCOOK+KHCO3+H2O
• 2. Окисляване. Окислителните реакции са широко разпространени в природата. Това се дължи на факта, че по време на издигането на магмените стопилки и отделените от тях газове, течни фази и подземни води всички подвижни фази преминават от зоната на редукционни процеси на голяма дълбочина към зоните на окислителни реакции близо до повърхността. Илюстрация на този вид процес е образуването на серен зол в хидротермални води с окислители (серен диоксид или кислород):
• 2H2S+O2=2S+2H2O

Друг пример е процесът на окисление и хидролиза на железен бикарбонат:

4Fe(HCO3)2+O2+2H2O4Fe(OH)3+8CO2

Полученият зол от железен хидроксид придава червено-кафяв цвят на природните води и е източник на ръждиво-кафяви отлагания в долните слоеве на почвата.

• 3. Хидролиза. Широко разпространено в природата и важно в технологиите образуване на хидрозоли в процесите на хидролиза на соли. Процесите на хидролиза на сол се използват за пречистване на отпадъчни води (алуминиев хидроксид, получен чрез хидролиза на алуминиев сулфат). Високата специфична повърхност на колоидните хидроксиди, образувани по време на хидролиза, позволява ефективно адсорбиране на примеси - повърхностноактивни молекули и йони на тежки метали.
• 4. Обменни реакции. Този метод най-често се среща на практика. Например, получаване на зол на арсенов сулфид:
• 2H3AsO3+3H2SAs2S3+6H2O,

Получаване на зол от сребърен йодид:

AgNO3+KIAgI+KNO3

Интересното е, че обменните реакции позволяват получаването на золи в органични разтворители. По-специално, реакцията е добре проучена

Hg(CN)2+H2SHgS+2HCN

Извършва се чрез разтваряне на Hg(CN)2 в метилов, етилов или пропилов алкохол и преминаване на сероводород през разтвора.

Реакции, добре известни в аналитичната химия, като производството на утайки от бариев сулфат или сребърен хлорид

Na2SO4 + BaCl2 BaSO4 + 2NaCl

AgNO3 + NaCl AgCl + NaNO3

при определени условия водят до производството на почти прозрачни, леко мътни золове, от които впоследствие може да се получи утаяване.

По този начин, за кондензационното производство на золи е необходимо концентрацията на веществото в разтвора да надвишава разтворимостта, т.е. разтворът трябва да е пренаситен. Тези условия са общи както за образуването на силно диспергиран зол, така и за обикновен седимент от твърда фаза. В първия случай обаче трябва да бъдат изпълнени специални условия, които според теорията, разработена от Weymarn, се състоят в едновременната поява на огромен брой ядра от дисперсна фаза. Ембрионът трябва да се разбира като минимално натрупване на нова фаза, която е в равновесие с околната среда. За да се получи силно дисперсна система, е необходимо скоростта на образуване на ядра да бъде много по-голяма от скоростта на растеж на кристалите. На практика това се постига чрез изливане на концентриран разтвор на един компонент в много разреден разтвор на друг при енергично разбъркване.

Золите се образуват по-лесно, ако по време на тяхното приготвяне в разтворите се въвеждат специални съединения, наречени защитни вещества или стабилизатори. Сапуни, протеини и други съединения се използват като защитни вещества при приготвянето на хидрозоли. Стабилизаторите се използват и при получаването на органозоли.

Има два общи подхода за получаване на дисп. системи – дисперсионни и кондензационни. Дисперсионният метод се основава на смилането на макроскопични частици до наноразмери (1-100 nm).

Механичното смилане не се използва широко поради високата му консумация на енергия. В лабораторната практика се използва ултразвуково смилане. По време на смилането се конкурират два процеса: дисперсия и агрегация на получените частици. Съотношението на скоростите на тези процеси зависи от продължителността на смилане, температурата, естеството на течната фаза и наличието на стабилизатори (най-често повърхностно активни вещества). Чрез избор на оптимални условия е възможно да се получат частици с необходимия размер, но разпределението на размера на частиците може да бъде доста широко.

Най-интересно е спонтанното разпръскване на твърди тела в течна фаза. Подобен процес може да се наблюдава при вещества със слоеста структура. В такива структури има силно взаимодействие между атомите вътре в слоя и слабо v-d-v взаимодействие между слоевете. Например, молибденови и волфрамови сулфиди, които имат слоеста структура, спонтанно се диспергират в ацетонитрил, за да образуват двуслойни частици с нанометров размер. В този случай течната фаза прониква между слоевете, увеличава разстоянието между слоевете и взаимодействието между слоевете отслабва. Под въздействието на топлинни вибрации наночастиците се отделят от повърхността на TV фазата.

Кондензационни методисе делят на физични и химични. Образуването на наночастици става чрез поредица от преходни състояния по време на образуването на междинни ансамбли, водещи до появата на ядро ​​на нова фаза, нейния спонтанен растеж и появата на физична фазова граница. Важно е да се осигури висока скорост на образуване на ембриони и ниска скорост на растеж.

Физичните методи се използват широко за получаване на ултрадисперсни метални частици. Тези методи са по същество дисперсионно-кондензационни методи. В първия етап металът се разпръсква на атоми чрез изпаряване. След това, поради пренасищане на парите, възниква кондензация.

Метод на молекулярния лъчизползвани за получаване на покрития с дебелина около 10 nm. Захранващият материал в камера с диафрагма се нагрява до високи температури във вакуум. Изпарените частици, преминавайки през диафрагмата, образуват молекулен лъч. Интензитетът на лъча и скоростта на кондензация на частиците върху субстрата могат да се променят чрез промяна на температурата и налягането на парите над изходния материал.

Аерозолен методсе състои в изпаряване на метал в разредена атмосфера на инертен газ при ниска температура, последвано от кондензация на парите. По този метод са получени наночастици от Au, Fe, Co, Ni, Ag, Al; техните оксиди, нитриди, сулфиди.

Криохимичен синтезсе основава на кондензацията на метални атоми (или метални съединения) при ниска температура в инертна матрица.

Химическа кондензация. Колоидален разтвор на злато (червено) с размер на частиците е получен през 1857 г. от Фарадей. Този сол е изложен в Британския музей. Неговата стабилност се обяснява с образуването на EDL на границата твърда фаза-разтвор и появата на електростатичен компонент на разделящо налягане.

Често синтезът на наночастици се извършва в разтвор по време на химични реакции. Реакциите на редукция се използват за получаване на метални частици. Като редуциращи агенти се използват алуминий и борохидриди, хипофосфити и др.. Например златен зол с размер на частиците 7 nm се получава чрез редукция на златен хлорид с натриев борохидрид.

Наночастиците от метални соли или оксиди се получават чрез реакции на обмен или хидролиза.

Като стабилизатори се използват естествени и синтетични повърхностноактивни вещества.

Бяха синтезирани наночастици със смесен състав. Например Cd/ZnS, ZnS/CdSe, TiO 2 /SiO 2. Такива наночастици се получават чрез отлагане на молекули от един тип (обвивка) върху предварително синтезирана наночастица от друг тип (ядро).

Основният недостатък на всички методи е широкото разпределение на размера на наночастиците. Един от методите за регулиране на размера на наночастиците е свързан с производството на наночастици в обратни микроемулсии. При обратните микроемулсии дис фазата е вода, а дис средата е масло. Размерът на капките вода (или друга полярна течност) може да варира в широки граници в зависимост от производствените условия и естеството на стабилизатора. Една капка вода играе ролята на реактор, в който се образува нова фаза. Размерът на получената частица е ограничен от размера на капката; формата на тази частица следва формата на капката.

Сол-гел методсъдържа следните етапи: 1. приготвяне на изходен разтвор, обикновено съдържащ метални алкоксиди M(OR)n, където М е силиций, титан, цинк, алуминий, калай, церий и др., R е алкал или арил; 2. образуване на гел поради реакции на полимеризация; 3. сушене; 4. топлинна обработка. Хидролизата се извършва в органични разтворители

M(OR) 4 +4H 2 OM(OH) 4 +4ROH.

След това настъпва полимеризация и образуване на гел

mM(OH) n (MO) 2 +2mH 2 O.

Метод на пептизация.Има пептизация при измиване на утайката, пептизация на утайката с електролит; пептизация с ПАВ; химическа пептизация.

Пептизацията при измиване на утайката се свежда до отстраняване на електролита от утайката, което причинява коагулация. В този случай дебелината на EDL се увеличава, силите на йонно-електростатично отблъскване преобладават над силите на междумолекулно привличане.

Пептизацията на утайката с електролит е свързана със способността на един от електролитните йони да се адсорбира върху частиците, което насърчава образуването на DES върху частиците.

Пептизация с ПАВ. Макромолекулите на повърхностно активното вещество, адсорбирани върху частиците, или им придават заряд (йоногенни повърхностноактивни вещества), или образуват адсорбционно-солватационна бариера, която предотвратява слепването на частиците в утайката.

Химическата пептизация възниква, когато вещество, добавено към системата, реагира с вещество в утайката. В този случай се образува електролит, който образува DES на повърхността на частиците.

1.2. Методи за получаване на дисперсни системи

Известни са два метода за производство на дисперсни системи. В единия от тях твърдите и течните вещества се смилат (диспергират) фино в подходяща дисперсна среда, в другия се предизвиква образуването на частици от дисперсна фаза от отделни молекули или йони.

Наричат ​​се методи за получаване на дисперсни системи чрез смилане на по-големи частици дисперсионно. Наричат ​​се методи, базирани на образуването на частици в резултат на кристализация или кондензация кондензация.

Дисперсионен метод

Този метод съчетава преди всичко механични методи, при които преодоляването на междумолекулните сили и натрупването на свободна повърхностна енергия по време на процеса на дисперсия се извършва поради външна механична работа върху системата. В резултат на това твърдите частици се смачкват, изтриват, смачкват или разцепват.

В лабораторни и промишлени условия разглежданите процеси се извършват в трошачки, воденични камъни и мелници с различни конструкции. Топковите мелници са най-често срещаните. Това са кухи въртящи се цилиндри, в които се зареждат натрошеният материал и стоманени или керамични топки. Докато цилиндърът се върти, топките се търкалят, изтривайки материала, който се смачква. Раздробяването може да възникне и в резултат на удари с топка. Топковите мелници произвеждат системи, чиито размери на частиците са в доста широк диапазон: от 2-3 до 50-70 микрона. Кух цилиндър с топки може да се приведе в кръгово колебателно движение, което насърчава интензивно раздробяване на натоварения материал под въздействието на сложното движение на натрошените тела. Това устройство се нарича вибрационна мелница.

По-фина дисперсия се постига в колоидни мелници с различни конструкции, чийто принцип на работа се основава на развитието на разрушаващи сили в суспензия или емулсия под въздействието на центробежна сила в тясна междина между ротора, въртящ се с висока скорост, и неподвижната част на устройството - статора. Суспендираните големи частици изпитват значителна сила на разрушаване и по този начин се разпръскват.

Може да се постигне висока дисперсия ултразвукова дисперсия. Диспергиращият ефект на ултразвука е свързан с кавитация - образуване и пропадане на кухина в течност. Плъскането на кухини е придружено от появата на кавитационни ударни вълни, които разрушават материала. Експериментално е установено, че дисперсията е в пряка зависимост от честотата на ултразвуковите вибрации. Ултразвуковата дисперсия е особено ефективна, ако материалът е предварително фино смлян. Емулсиите, получени чрез ултразвуков метод, се характеризират с еднакъв размер на частиците на дисперсната фаза.

При раздробяване и смилане материалите се разрушават преди всичко в местата на якостни дефекти (макро- и микропукнатини). Следователно с напредването на смилането силата на частиците се увеличава, което обикновено се използва за създаване на по-здрави материали. В същото време увеличаването на якостта на материалите при тяхното раздробяване води до голям разход на енергия за по-нататъшно разпръскване. Унищожаването на материали може да бъде улеснено чрез използване на ефекта на Rebinder - адсорбционно намаляване на якостта на твърдите вещества. Този ефект е да се намали повърхностната енергия с помощта на повърхностноактивни вещества, което води до по-лесна деформация и разрушаване на твърдото вещество. Редукторите на твърдостта се характеризират с малки количества, които предизвикват ефекта на Rebinder и специфичност на действие. Добавките, които намокрят материала, помагат на средата да проникне в дефектите и с помощта на капилярни сили също улесняват разрушаването на твърдото вещество. Повърхностноактивните вещества не само допринасят за разрушаването на материала, но също така стабилизират диспергираното състояние, тъй като, покривайки повърхността на частиците, те предотвратяват обратното им слепване. Това също помага да се постигне силно разпръснато състояние.

Обикновено не е възможно да се постигне висока дисперсност с помощта на дисперсионния метод. Дисперсни системи, получени чрез дисперсионни методи, са брашно, трици, тесто, пудра захар, какао (зърна, прах), шоколад, пралини, марципанови маси, плодови и горски пюрета, суспензии, емулсии, пенести маси.

Кондензационен метод

Методът на кондензация се основава на процесите на възникване на хетерогенна фаза от хомогенна система чрез комбиниране на молекули, йони или атоми. Прави се разлика между химическа и физическа кондензация.

Химическа кондензация се основава на отделянето на слабо разтворимо вещество в резултат на химическа реакция. За да се получи нова фаза на колоидна степен на дисперсия, е необходим излишък на един от реагентите, използването на разредени разтвори и наличието на стабилизатор в системата.

По време на физическата кондензация се образува нова фаза в газова или течна среда при условия на свръхнаситено състояние на веществото. Кондензацията включва образуването на нова фаза върху съществуващи повърхности (стени на съд, частици от чужди вещества - кондензационни ядра) или върху повърхността на ядра, които възникват спонтанно в резултат на колебания в плътността и концентрацията на вещество в системата. . В първия случай кондензацията се нарича хетерогенна, във втория - хомогенна. По правило кондензацията възниква на повърхността на кондензационни ядра или ядра с много малки размери, така че реактивността на кондензираното вещество е по-голяма от макрофазите в съответствие с уравнението на Келвин за капилярна кондензация. Следователно, за да не се върне кондензираното вещество в първоначалната фаза и да продължи кондензацията, трябва да има свръхнасищане в системата.

1.3. Класификация на дисперсните системи

Дисперсните системи се класифицират по следните критерии:

степен на дисперсия;

агрегатно състояние на дисперсната фаза и дисперсионната среда;

структурни и механични свойства;

естеството на взаимодействието между дисперсната фаза и дисперсионната среда.

Класификация по степен на дисперсия

В зависимост от размера на частиците се разграничават високодисперсни, средно дисперсни и грубо дисперсни системи (Таблица 1.1).

Таблица 1.1

	частици, m	дисперсност
Силно разпръснати (колоидни системи)			Хидрозоли, аерозоли
Средно дисперсно			Разтворимо кафе, пудра захар
Груби	Повече от 10 -5
Верни решения	По-малко от 10 -9

Специфичната повърхност на частиците на дисперсната фаза е максимална в силно диспергирани системи, при преминаване към средно- и грубо диспергирани системи специфичната повърхност намалява (фиг. 1.3). Когато размерът на частиците е по-малък от 10 -9 m, границата между частицата и средата изчезва и се образуват молекулни или йонни разтвори (истински разтвори).

Въз основа на размера на частиците на дисперсната фаза, един и същ продукт може да принадлежи към различни дисперсни системи. Например, частиците на първокласното пшенично брашно са с размер (1-30)10 –6 m, т.е. брашното от този клас едновременно принадлежи към среднодисперсната и грубата система.

Класификация по състояние на агрегат

Дисперсната фаза и дисперсионната среда могат да бъдат във всяко едно от трите агрегатни състояния: твърдо (S), течно (L) и газообразно (G).

Всяка дисперсна система има свое обозначение и име: числителят показва агрегатното състояние на дисперсната фаза, а знаменателят показва дисперсионната среда. Възможни са осем варианта за дисперсни системи (Таблица 1.2), тъй като системата H/H не може да бъде хетерогенна.

Най-общо се наричат ​​всички високодисперсни колоидни системи соли. Към думата sol се добавя префикс за характеризиране на дисперсионната среда. Ако дисперсионната среда е твърда – ксерозоли, течност – лиозоли(хидрозоли), газ – аерозоли.

В допълнение към простите дисперсни системи съществуват и сложни дисперсни системи, които се състоят от три или повече фази.

Например, тестото след месене е сложна дисперсна система, състояща се от твърди, течни и газообразни фази. Може да се представи като система от тип T, G, F/T. Зърната от нишесте, частици от зърнени черупки и набъбнали неразтворими протеини съставляват твърдата фаза. В несвързана вода се разтварят минерални и органични вещества (водоразтворими протеини, декстрини, захари, соли и др.). Някои от протеините, които набъбват за неопределено време, образуват колоидни разтвори. Мазнината в тестото е под формата на капчици. Газообразната среда се образува поради улавянето на въздушни мехурчета по време на месене и по време на процеса на ферментация.

Дисперсионната среда на шоколадовата маса е какаовото масло, а дисперсната фаза се състои от частици пудра захар и какаова маса, т.е. шоколадовата маса без пълнител е сложна дисперсна система T, T/F.

Сложните дисперсни системи включват индустриални аерозоли (смог), състоящи се от твърди и течни фази, разпределени в газообразна среда.

Таблица 1.2

Дисперсивен	Разпръснато	Разпръснато	Име на системата,
			Колоидното състояние е невъзможно
			Течни аерозоли: мъгла, дезодорант
			Твърди аерозоли, прахове: прах, дим, пудра захар, какао на прах, мляко на прах
			Пяна, газови емулсии: газирана вода, бира, пяна (бира, сапун)
			Емулсии: мляко, майонеза
			Золи, суспензии: метални золи, естествени резервоари, какаова маса, горчица
			Твърди дунапрени: пемза, полистиролова пяна, сирене, хляб, газиран шоколад, маршмелоу
			Капилярни системи: масло, плодови пълнежи
			Метални сплави, скъпоценни камъни

Класификация по структурни и механични свойства

Разграничете свободно разпръснатиИ кохезионно разпръснатисистеми.

В свободно диспергираните системи частиците на дисперсната фаза не са свързани помежду си и се движат свободно в целия обем на системата (лиозоли, разредени суспензии и емулсии, аерозоли, почти всички насипни прахове и др.).

В кохезионно дисперсните системи частиците на дисперсната фаза влизат в контакт помежду си, образувайки рамка, която придава структурни и механични свойства на тези системи - здравина, еластичност, пластичност (гелове, желета, твърди пени, концентрирани емулсии и др.). Кохезионно диспергираните хранителни маси могат да бъдат под формата на междинни продукти (тесто, мляно месо) или готови хранителни продукти (извара, масло, халва, мармалад, топено сирене и др.).

Класификация по характер на взаимодействие

дисперсна фаза и дисперсионна среда

Всички дисперсни системи образуват две големи групи – лиофилни и лиофобни:

Лиофилен (хидрофилен) дисперсните системи се характеризират със значително преобладаване на силите на повърхностно взаимодействие на диспергираните и диспергираните фази над кохезионните сили. С други думи, тези системи се характеризират с висок афинитет на дисперсната фаза и дисперсионната среда и, следователно, ниски стойности на повърхностна енергия Жпов Те се образуват спонтанно и са термодинамично стабилни. Свойствата на лиофилните дисперсни системи могат да бъдат проявени от разтвори на колоидни повърхностноактивни вещества (сапуни), разтвори на съединения с високо молекулно тегло (протеини, полизахариди), критични емулсии, микроемулсии и някои золи.

Лиофобни (хидрофобен) – системи, в които междумолекулното взаимодействие между частицата и средата е малко. Такива системи се считат за термодинамично нестабилни. За тяхното формиране са необходими определени условия и външно въздействие. За да се увеличи стабилността, в тях се въвеждат стабилизатори. Повечето хранителни дисперсни системи са лиофобни.

Въпроси и задачи за затвърдяване на материала

Посочете характеристиките на дисперсните системи. Какво представлява дисперсната фаза и дисперсионната среда в следните системи: мляко, хляб, майонеза, масло, тесто?

Какви параметри характеризират степента на фрагментация на дисперсните системи? Как се променя специфичната повърхност при раздробяване на дисперсната фаза?

Изчислете специфичната повърхност (в m2/m3) на кубични захарни кристали с дължина на ръба 210 -3 m.

Диаметърът на маслените капки в сосовете зависи от начина на приготвянето им. При ръчно разклащане е 210 -5 m, а при машинно смесване - 410 -6 m.Определя се дисперсията и специфичната повърхност (m 2 /m 3) на маслените капки за всеки случай. Направете заключение за ефекта на размера на частиците върху специфичната повърхност.

Определете специфичната повърхност на мастните топчета и тяхното количество в 1 kg мляко със съдържание на мазнини 3,2%. Диаметърът на мастните топчета е 8,510 -7 m, плътността на млечната мазнина
900 кг/м3.

Каква е причината за излишната повърхностна енергия?

Какво е повърхностно напрежение? В какви единици се измерва? Назовете факторите, влияещи върху повърхностното напрежение.

Какви са известните методи за производство на дисперсни системи?

По какви критерии се класифицират дисперсните системи? Дайте класификация на дисперсните системи според степента на дисперсност и състоянието на агрегиране на фазите.

На какво основание дисперсните системи се делят на лиофобни и лиофилни? Какви свойства имат тези системи? Дай примери.

Глава2 . ЛИОФИЛИЗИРАНИ ДИСПЕРСНИ СИСТЕМИ

Най-разпространените и широко използвани лиофилни системи в хранително-вкусовата промишленост са разтвори на колоидни ПАВ и високомолекулни съединения.

2.1. Разтвори на колоидни ПАВ

Колоиднаса повърхностноактивни вещества, способни да образуват мицели в разтвори (от латински mica - мъничък) - сътрудници, състоящи се от голям брой молекули (от 20 до 100). Повърхностноактивните вещества с дълга въглеводородна верига, съдържаща 10-20 въглеродни атома, имат способността да образуват мицели.

Поради високата степен на асоцииране на молекулите между мицела и дисперсионната среда се появява интерфейс,
т.е. мицеларните повърхностно активни разтвори са хетерогенни системи. Но въпреки хетерогенността и голямата междинна повърхност, те са термодинамично стабилни. Това се дължи на факта, че молекулите на повърхностно активното вещество в мицелите са ориентирани от полярни групи към полярната среда, което причинява ниско междуфазово напрежение. Следователно повърхностната енергия на такива системи е ниска; това са типични лиофилни системи.

2.1.1. Класификация на колоидни ПАВ

по полярни групи

Според класификацията, приета на III Международен конгрес по ПАВ и препоръчана от Международната организация по стандартизация (ISO) през 1960 г., колоидните ПАВ се разделят на анионни, катионни, нейонни и амфотерни. Понякога се изолират и високомолекулни (полимерни), перфлуорирани и органосилициеви повърхностноактивни вещества, но въз основа на химическата природа на молекулите тези повърхностноактивни вещества могат да бъдат класифицирани в един от горните класове.

Анионните повърхностноактивни вещества съдържат една или повече полярни групи в молекулата и се дисоциират във воден разтвор, за да образуват дълговерижни аниони, които определят тяхната повърхностна активност. Те са по-добри от всички останали групи повърхностноактивни вещества в отстраняването на замърсявания от контактните повърхности, което определя използването им в различни почистващи препарати.

Полярните групи в анионните повърхностноактивни вещества са карбоксилни, сулфатни, сулфонатни и фосфатни.

Голяма група анионни ПАВ са производни на карбоксилни киселини (сапуни). Най-важни са соли на алкални метали на наситени и ненаситени мастни киселини с брой въглеродни атоми 12-18, получени от животински мазнини или растителни масла. Когато се използват при оптимални условия, сапуните са идеални повърхностно активни вещества. Основният им недостатък е чувствителността към твърда вода, което определя необходимостта от създаване на синтетични анионни повърхностноактивни вещества - алкилсулфонати, алкилбензенсулфонати и др.

Анионните вещества съставляват по-голямата част от световното производство на повърхностно активни вещества. Основната причина за популярността на тези повърхностно активни вещества е тяхната простота и ниски производствени разходи.

Катионен са повърхностноактивни вещества, чиито молекули се дисоциират във воден разтвор, за да образуват повърхностноактивен катион с дълга хидрофобна верига и анион - обикновено халогенид, понякога анион на сярна или фосфорна киселина. Те включват амини с различна степен на заместване, кватернерни амониеви бази и други азотсъдържащи бази, кватернерни фосфониеви и третични сулфониеви бази. Катионните повърхностно активни вещества не намаляват толкова повърхностното напрежение, колкото анионните, но имат добра способност да адсорбират върху отрицателно заредени повърхности - метали, минерали, пластмаси, влакна, клетъчни мембрани, което определя използването им като антикорозионни и антистатични агенти, дисперсанти, кондиционери, бактерицидни и добавки, които намаляват слепването на торовете.

Нейонни повърхностноактивни вещества не се дисоциират на йони във вода. Разтворимостта им се дължи на наличието в молекулите на хидрофилни етерни и хидроксилни групи, най-често полиетиленгликоловата верига. Това е най-обещаващият и бързо развиващ се клас повърхностноактивни вещества.

Нейонните повърхностно активни вещества, в сравнение с анионните и катионните, са по-малко чувствителни към соли, които причиняват твърдостта на водата. Този тип ПАВ прави препарата мек, безопасен и екологично чист (биоразградимостта на нейонните ПАВ е 100%). Нейонните повърхностно активни вещества съществуват само в течна или пастообразна форма и следователно не могат да се съдържат в твърди детергенти (сапуни, прахове).

Амфотерните (амфолитични) повърхностноактивни вещества съдържат и двата вида групи в молекулата: киселинни (най-често карбоксилни) и основни (обикновено аминогрупа с различна степен на заместване). В зависимост от pH на околната среда, те проявяват свойства като катионни повърхностно активни вещества (при pH< 4), так и анионактивных (при рН 9-12). При
pH 4-9 те могат да се държат като нейонни съединения.

Този тип повърхностно активно вещество включва много естествени вещества, включително аминокиселини и протеини.

Амфотерните повърхностноактивни вещества се характеризират с много добри дерматологични свойства, омекотяват ефекта на анионните почистващи съставки и затова често се използват във висококачествени шампоани и козметика.

Повече подробности за класификацията на ПАВ и основните представители на всеки клас можете да намерите в.

2.1.2. Критична концентрация на мицели.
Структура и свойства на мицелите на ПАВ. Разтваряне

Концентрацията на повърхностно активното вещество, при която мицелите се появяват в разтвора, се нарича критична концентрация на мицели(KKM). Структурата и свойствата на мицелите на ПАВ се определят от междумолекулните взаимодействия между компонентите на системата.

Повечето експериментални данни показват, че в близост до CMC във водни разтвори мицелите са сферични образувания както в случай на катионни, така и на анионни активни и нейонни повърхностноактивни вещества. Когато мицелите се образуват в полярен разтворител, например вода, въглеводородните вериги на молекулите на повърхностно активното вещество се комбинират в компактно ядро, а хидратираните полярни групи, обърнати към водната фаза, образуват хидрофилна обвивка (фиг. 2.1, А). Диаметърът на такава мицела е равен на удвоената дължина на молекулата на повърхностно активното вещество, а числото на агрегация (броят на молекулите в мицела) варира от 30 до 2000 молекули. Силите на привличане на въглеводородните части на молекулите на повърхностно активното вещество във вода могат да бъдат идентифицирани с хидрофобни взаимодействия; отблъскването на полярните групи ограничава растежа на мицелите. В неполярните разтворители ориентацията на молекулите на повърхностно активното вещество е противоположна, т.е. въглеводородният радикал е обърнат към неполярната течност (фиг. 2.1, b).

Съществува динамично равновесие между молекулите на ПАВ в адсорбционния слой и в разтвора, както и между молекулите на ПАВ, включени в мицелите (фиг. 2.2).

Формата на мицелите и техните размери не се променят в доста широк диапазон на концентрация. Въпреки това, с увеличаване на съдържанието на повърхностноактивно вещество в разтвора, започва да се появява взаимодействие между мицелите и при концентрации, надвишаващи CMC 10 или повече пъти, те стават по-големи, като първо образуват цилиндрични мицели, а след това при по-високи концентрации - пръчковидни, дисковидни. и пластиновидни мицели с изразена анизометрия. При още по-високи концентрации на ПАВ в разтворите се появяват пространствени мрежи и системата става структурирана.

Стойността на CMC е най-важната характеристика на повърхностно активното вещество, зависи от много фактори: дължината и степента на разклоняване на въглеводородния радикал, наличието на примеси, pH на разтвора, съотношението между хидрофилните и хидрофобните свойства на повърхностноактивното вещество . Колкото по-дълъг е въглеводородният радикал и колкото по-слаба е полярната група, толкова по-ниска е стойността на CMC. Когато концентрацията на повърхностно активното вещество е по-висока от критичната, съответстваща на CMC, физикохимичните свойства се променят рязко и се появява пречупване в кривата на свойствата на състава. Следователно повечето методи за определяне на CMC се основават на измерване на всяко физикохимично свойство - повърхностно напрежение, електропроводимост, индекс на пречупване, осмотично налягане и др. - и установяване на концентрацията, при която се наблюдава рязка промяна в това свойство.

По този начин, изотерми на повърхностното напрежение  разтвори на колоидни повърхностно активни вещества, вместо обичайното плавно движение, описано от уравнението на Шишковски, се открива пречупване в CCM (фиг. 2.3). При по-нататъшно увеличаване на концентрацията над CMC стойностите на повърхностното напрежение остават практически непроменени.

Крива на специфичната електропроводимост æ спрямо концентрацията сйонни колоидни повърхностноактивни вещества с CMC има рязко прекъсване (фиг. 2.4).

Едно от характерните свойства на разтворите на колоидни повърхностноактивни вещества, свързано с тяхната мицеларна структура, е солюбилизация– разтваряне в разтвори на колоидни ПАВ на вещества, които обикновено са неразтворими в дадена течност. Механизмът на разтваряне се състои в проникването на неполярни молекули на вещества, добавени към разтвора на повърхностно активното вещество, в неполярното ядро ​​на мицела (фиг. 2.5) или обратно. В този случай въглеводородните вериги p се раздалечават и обемът на мицела се увеличава. В резултат на разтваряне въглеводородните течности се разтварят във водни разтвори на повърхностноактивни вещества: бензин, керосин, както и неразтворими във вода мазнини. Изключително голяма солюбилизираща активност имат жлъчните соли – натриев холат и натриев дезоксихолат, които разтварят и емулгират мазнините в червата.

Разтварянето е важен фактор в детергентното действие на повърхностноактивните вещества. Обикновено замърсителите са хидрофобни и не се намокрят от вода. Следователно, дори при високи температури, почистващият ефект на водата е много малък и за увеличаването му се добавят колоидни повърхностно активни вещества. Когато детергент влезе в контакт със замърсена повърхност, молекулите на повърхностно активното вещество образуват адсорбционен слой върху частиците мръсотия и повърхността, която се почиства. Молекулите на повърхностно активното вещество постепенно проникват между частиците мръсотия и повърхността, като насърчават отделянето на частиците мръсотия (фиг. 2.6). Замърсителят навлиза в мицела и вече не може да се утаи върху повърхността, която трябва да се измие.