Материал, содержащий более чем одну фазу, где по крайней мере одна из фаз состоит из мелкодисперсных фазовых областей, часто в диапазоне коллоидных размеров, диспергированных в сплошной фазе . [1]
Примечание 1 : Изменение определения в ссылке. [2]
Дисперсия – это система, в которой распределенные частицы одного материала диспергированы в сплошной фазе другого материала. Обе фазы могут находиться в одинаковых или разных состояниях вещества .
Дисперсии классифицируются по-разному, включая размер частиц по сравнению с частицами непрерывной фазы, происходит ли осаждение или нет , а также наличие броуновского движения . Обычно дисперсии частиц, достаточно крупных для осаждения, называются суспензиями , а дисперсии более мелких частиц — коллоидами и растворами.
Дисперсии не имеют никакой структуры; т.е. предполагается, что частицы (или в случае эмульсий: капли), диспергированные в жидкой или твердой матрице («дисперсионная среда»), статистически распределены. Поэтому для дисперсий обычно предполагается, что теория перколяции правильно описывает их свойства.
Однако теория перколяции может применяться только в том случае, если система, которую она должна описывать, находится в термодинамическом равновесии или близка к нему . Исследований структуры дисперсий (эмульсий) очень мало, хотя они многочисленны по типу и используются во всем мире в бесчисленных приложениях (см. ниже).
Далее будут обсуждаться только такие дисперсии с диаметром дисперсной фазы менее 1 мкм. Чтобы понять образование и свойства таких дисперсий (включающих эмульсии), необходимо учитывать, что дисперсная фаза имеет «поверхность», которая покрыта («влажная») другой «поверхностью», которая, следовательно, образует границу раздела . (химия) . Обе поверхности должны быть созданы (что требует огромного количества энергии), а межфазное натяжение (разница поверхностного натяжения) не компенсирует затраты энергии, если вообще компенсирует их.
Экспериментальные данные показывают, что дисперсии имеют структуру, сильно отличающуюся от любого вида статистического распределения (которое было бы характеристикой системы, находящейся в термодинамическом равновесии ), но, напротив, демонстрируют структуры, подобные самоорганизации , которая может быть описана неравновесной термодинамикой . [3] Именно по этой причине некоторые жидкие дисперсии превращаются в гели или даже в твердые вещества при концентрации дисперсной фазы выше критической концентрации (которая зависит от размера частиц и межфазного натяжения). Также дано объяснение внезапному появлению проводимости в системе дисперсной проводящей фазы в изолирующей матрице.
Дисперсия – это процесс, при котором (в случае диспергирования твердых веществ в жидкости) агломерированные частицы отделяются друг от друга и образуется новый интерфейс между внутренней поверхностью жидкой дисперсионной среды и поверхностью дисперсных частиц. Этому процессу способствуют молекулярная диффузия и конвекция . [4]
Что касается молекулярной диффузии, то дисперсия происходит в результате неодинаковой концентрации вносимого вещества по объему среды. Когда дисперсный материал впервые вводится в объемную среду, область, в которую он вводится, имеет более высокую концентрацию этого материала, чем любая другая точка в объеме. Это неравномерное распределение приводит к возникновению градиента концентрации, который приводит к рассеиванию частиц в среде, так что концентрация остается постоянной по всему объему. Что касается конвекции, изменения скорости между путями потока в объеме облегчают распределение дисперсного материала в среде.
Хотя оба явления переноса способствуют диспергированию материала в объеме, механизм диспергирования в первую очередь обусловлен конвекцией в тех случаях, когда в объеме наблюдается значительный турбулентный поток. [5] Диффузия является доминирующим механизмом в процессе диспергирования в случаях незначительной турбулентности в объеме или ее отсутствия, когда молекулярная диффузия может способствовать диспергированию в течение длительного периода времени. [4] Эти явления отражаются в обычных реальных событиях. Молекулы капли пищевого красителя, добавленной в воду, в конечном итоге рассеиваются по всей среде, где эффекты молекулярной диффузии более очевидны. Однако перемешивание смеси ложкой создаст в воде турбулентные потоки, которые ускорят процесс диспергирования за счет диспергирования с преобладанием конвекции.
Термин «дисперсия» также относится к физическому свойству степени, в которой частицы слипаются в агломераты или агрегаты. Хотя эти два термина часто используются взаимозаменяемо, согласно определениям нанотехнологий ISO, агломерат представляет собой обратимую совокупность частиц, слабо связанных, например, силами Ван-дер-Ваальса или физическим перепутыванием, тогда как агрегат состоит из необратимо связанных или слитых частиц, т.е. например через ковалентные связи . [6] Полная количественная оценка дисперсии будет включать размер, форму и количество частиц в каждом агломерате или агрегате, силу межчастичных сил, их общую структуру и их распределение внутри системы. Однако сложность обычно снижается путем сравнения измеренного распределения размеров «первичных» частиц с распределением агломератов или агрегатов. [7] При обсуждении суспензий твердых частиц в жидких средах для количественной оценки степени дисперсности чаще всего используют дзета-потенциал , причем хорошо дисперсными считают суспензии, обладающие высоким абсолютным значением дзета-потенциала .
Раствор представляет собой однородную смесь, в которой дисперсные частицы не осядут, если раствор оставить в покое в течение длительного периода времени .
Коллоид представляет собой гетерогенную смесь, в которой дисперсные частицы имеют размер примерно от 1 нм до 1 мкм по крайней мере в одном направлении или в которой на расстояниях такого порядка обнаруживаются разрывы в системе. [8]
Суспензия – это гетерогенная дисперсия более крупных частиц в среде. В отличие от растворов и коллоидов, если оставить смесь в покое в течение длительного периода времени, взвешенные частицы осядут из смеси.
Хотя суспензии относительно легко отличить от растворов и коллоидов, отличить растворы от коллоидов может оказаться затруднительно, поскольку частицы, диспергированные в среде, могут быть слишком маленькими, чтобы их можно было отличить человеческим глазом. Вместо этого эффект Тиндаля используется для различения растворов и коллоидов. Из-за различных определений растворов, коллоидов и суспензий, представленных в литературе, трудно обозначить каждую классификацию конкретным диапазоном размеров частиц. Международный союз теоретической и прикладной химии пытается предоставить стандартную номенклатуру коллоидов как частиц в диапазоне размеров, имеющих размер примерно от 1 нм до 1 мкм. [9]
Помимо классификации по размеру частиц, дисперсии можно также маркировать по сочетанию дисперсной фазы и средней фазы, в которой суспендированы частицы. Аэрозоли – это жидкости, диспергированные в газе, золи – твердые вещества в жидкости, эмульсии – это диспергированные жидкости. в жидкостях (точнее, дисперсии двух несмешивающихся жидкостей), а гели — это жидкости, диспергированные в твердых веществах.
Молоко является широко цитируемым примером эмульсии , особого типа дисперсии одной жидкости в другой жидкости, при которой эти две жидкости не смешиваются. Молекулы жира, взвешенные в молоке, обеспечивают доставку важных жирорастворимых витаминов и питательных веществ от матери к новорожденному. [10] Механическая, термическая или ферментативная обработка молока изменяет целостность этих жировых шариков и приводит к получению широкого разнообразия молочных продуктов. [11]
Сплав, усиленный оксидной дисперсией (ODS), является примером дисперсии частиц оксида в металлической среде, что улучшает устойчивость материала к высоким температурам. Поэтому эти сплавы имеют ряд применений в атомной энергетике, где материалы должны выдерживать чрезвычайно высокие температуры для поддержания работоспособности. [12]
Деградация прибрежных водоносных горизонтов является прямым результатом проникновения морской воды в водоносный горизонт и ее рассеивания в результате чрезмерного использования водоносного горизонта. Когда водоносный горизонт истощается для использования человеком, он естественным образом пополняется за счет грунтовых вод, поступающих из других областей. В случае прибрежных водоносных горизонтов запасы воды пополняются как от границы суши с одной стороны, так и от границы моря с другой стороны. После чрезмерного сброса соленая вода с морской границы попадет в водоносный горизонт и рассеется в пресноводной среде, угрожая жизнеспособности водоносного горизонта для использования человеком. [13] Было предложено несколько различных решений проблемы проникновения морской воды в прибрежные водоносные горизонты, включая инженерные методы искусственного пополнения запасов и создание физических барьеров на границе моря. [14]
Химические диспергаторы используются при разливах нефти для смягчения последствий разлива и содействия разложению частиц нефти. Диспергаторы эффективно изолируют скопления нефти, находящиеся на поверхности воды, на более мелкие капли, которые рассеиваются в воде, что снижает общую концентрацию нефти в воде и предотвращает любое дальнейшее загрязнение или воздействие на морскую биологию и прибрежную фауну. [15]