Системы с частицами приблизительно одинаковых размеров называются монодисперсными; с частицами различных размеров  полидисперсными.

 По агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды все дисперсные системы можно разделить на 8 типов (газы обычно хорошо смешиваются друг с другом и поэтому дисперсные системы, состоящие из газовых частиц в газовой же среде, не существуют). Сокращённо обозначение типа записывают в виде дроби, причём в числителе пишется индекс дисперсной фазы, а в знаменателе  дисперсионной среды, например, Т/Ж (твёрдые частицы в жидкой среде) или Ж/Г (жидкие частицы в газовой среде). Ультрамикрогетерогенные системы с жидкой средой первоначально были названы золями (от solution – раствор). Затем это название было распространено и на системы с другими средами, с соответствующими определениями: солидозоли (золи с твёрдой средой), аэрозоли (золи с воздушной или любой газовой средой). Золи с жидкой дисперсионной средой при этом называют лиозолями. Если же требуется уточнение природы среды, применяются такие термины, как гидрозоли (среда водная) и органозоли (среда – органическая жидкость), а также и более детализированные – этерозоли (эфирная среда), алкозоли (спиртовая среда), бензозоли (бензольная или бензиновая среда) и т. д. Аналогичные обозначения приняты и для суспензий (гидросуспензии, органосуспензии и т. д.).

Агрегатное состояние		Обозначение	Классы	Примеры
ДФ	ДС
Т	Т	Т/Т	1. Твёрдые золи (солидозоли)	Некоторые минералы, цветные стёкла и пластмассы, сплавы
Ж	Т	Ж/Т	Твёрдые эмульсии*	Сливочное масло, маргарин, консистентные смазки
Г	Т	Г/Т	1. Твёрдые пены*	Пенопласты, поролон, пенорезина, хлеб, пористый шоколад
			2. Аэрогели (ксерогели)*	Силикагель, активированный уголь, строительные материалы (кирпич, черепица), керамика, фарфор, фаянс
Т	Ж	Т/Ж	1. Коллоидные растворы (лиозоли)	Некоторые минеральные воды, содержащие сероводород; лекарственные золи (напр., «Протаргол») и др.
			2. Суспензии (взвеси)*	Взвесь глины в воде, некоторые жид­кие лекарственные формы, суспензия BaSO4 для рентгено­ско­пии, жидкие краски, тушь
			3. Пасты*	Глинистый раствор, глиняное и фарфоровое «тесто», мучное тесто
			4. Лиогели*	Почвы; лекарственные гели (напр., “Альмагель”)
Ж	Ж	Ж/Ж	Эмульсии*	Молоко, сливки, сметана, растительные масла, сырая нефть, лекарственные эмульсии
Г	Ж	Г/Ж	1. Газовые эмульсии*	Минеральные воды, газированные напитки
			2. Пены*	Мыльная и пожаротушащая пены, пенные ранозаживляющие лекарства (напр., «Пантенол»), «кислородный коктейль», кондитерские кремы
Т	Г	Т/Г	1) Аэрозоли с твёрдыми частицами (дымы и пыли)	Дым, дымовые завесы, окуривающие составы, пыль, аэрозольные лекарственные и парфюмерные средства, дезодоранты, ядохимикаты, инсектициды и др.
			2) Порошки*	Удобрения, сухие пигменты для изготовления красок, строительные материалы (цемент, гипс), сажа, пищевые продукты (мука, молотый и растворимый кофе, какао, крахмал, сахарная пудра и др.), косметическая пудра, лекарственные порошки и др.
Ж	Г	Ж/Г	Аэрозоли с жидкими частицами (туманы)	Облака, туман, ингаляционные смеси, аэрозольные краски, косметические и парфюмерные средства (напр., лаки для волос) и др.

* грубодисперсные системы

 По подвижности частиц дисперсной фазы (по структуре) дисперсные системы делят на две группы: свободнодисперсные, частицы которых могут перемещаться в среде независимо друг от друга (золи, суспензии, эмульсии, мицеллярные растворы ПАВ, аэрозоли) и связнодисперсные, подвижность частиц в которых сильно затруднена или вообще невозможна. Связнодисперсные системы, в свою очередь, подразделяются на системы с твёрдой дисперсионной средой (твёрдые золи, твёрдые эмульсии) и системы с гелеобразной структурой  гели, а также студни.

Если частицы дисперсной фазы в свободнодисперсных системах достаточно малы, они могут участвовать в броуновском движении.

 По межфазному взаимодействию дисперсные системы с жидкой средой делят на лиофильные и лиофобные. Для лиофильных характерно сильное межфазное взаимодействие вещества дисперсной фазы со средой. Они термодинамически устойчивы и могут образоваться самопроизвольным диспергированием (например, мицеллярные растворы ПАВ, глинистые взвеси, микроэмульсии). Ранее к ним относили и растворы высокомолекулярных веществ, но в настоящее время считается, что они, будучи истинными растворами, не являются дисперсными системами.

Лиофобные системы характеризуются низкой смачиваемостью вещества частиц дисперсной средой, слабым взаимодействием их друг с другом и невозможностью самопроизвольного диспергирования. К этой группе относится подавляющее большинство дисперсных и коллоидных систем.
4.2. Получение
Разнообразие типов и форм дисперсных систем служит причиной многочисленности методов их получения, общих и специальных, порой граничащих с искусством.

Поверхность реальной твёрдой частицы дисперсной фазы состоит из выступов, впадин, участков различной кривизны. Силовое поле, и, следовательно, локальные значения поверхностной энергии различны на этих участках; поэтому две системы одного и того же состава с одинаковой удельной поверхностью могут оказаться энергетически неравноценными. Таким образом, дисперсным, и в том числе, коллоидным системам в значительной мере присущи невоспроизводимость и индивидуальность. Например, даже в хорошо опробованном и совершенно стандартном технологическом процессе, не всегда удается получить равноценные, одинаковые образцы активированного угля, масляных красок, косметических и фармацевтических мазей и т. п.

При любых методах согласно теории, разработанной П. Веймарном, следует соблюдать такие условия получения дисперсных систем:

1. 
   Вещество дисперсной фазы должно быть нерастворимо в веществе дисперсионной среды. При полной взаимной растворимости невозможно образование межфазной поверхности раздела, а при частичной (ограниченной) будет наблюдаться изменение во времени размеров частиц, а также состава дисперсионной среды, причём эти изменения будут различными в зависимости от температуры.
   
2. 
   В системе должен присутствовать стабилизатор. В принципе дисперсные системы агрегативно неустойчивы, т. е. их частицы стремятся к объединению (агрегации). Роль стабилизатора заключается в придании системам агрегативной устойчивости, т. е. в затруднении или невозможности агрегации при случайных столкновениях частиц в результате броуновского движения или перемешивания. Следует отметить, что некоторые системы, в особенности с очень малой концентрацией частиц, могут довольно долго существовать и без присутствия стабилизатора. Однако следует помнить, что агрегация в них идёт всё время, хотя и очень медленно из-за больших относительных расстояний между частицами.
   
3. 
   При получении коллоидных систем с газовой и, в особенности, с жидкой средой важным условием является малая концентрация частиц дисперсной фазы. При больших концентрациях из-за высокой частоты столкновений возможно нарушение агрегативной устойчивости даже в присутствии стабилизатора. Для грубодисперсных систем с жидкой средой это условие не является обязательным по причине невысокого значения свободной поверхностной энергии, пропорциональной межфазной поверхности раздела (см. п. 1.1), и малой интенсивности броуновского движения. Роль стабилизатора при этом могут играть гидратные (сольватные) оболочки частиц.
   

Коллоидные и микрогетерогенные системы по размерам частиц занимают промежуточное положение между обычными гетерогенными и молекулярными системами. Поэтому к получению их ведут два пути: либо дробление крупных кусков вещества до требуемой степени дисперсности (диспергирование), либо объединение молекул или ионов в агрегаты коллоидных размеров (конденсация). В соответствии с этим существуют диспергационные и конденсационные методы получения лиофобных дисперсных систем.

4.2.1. Диспергационные методы
Диспергирование - это дробление и измельчение веществ и материалов, широко используемое в различных областях деятельности, в том числе и в фармацевтической технологии. Следует отметить, что при диспергировании, как правило, получаются грубодисперсные и притом полидисперсные системы. Диспергирование широко используется для приготовления самых разнообразных порошков, используемых в качестве строительных материалов (гипс, цемент, мел, глина, известь и др.), пигментов для изготовления масляных, акварельных, гуашевых и др. красок, туши, наполнителей для пластмасс, бумаги и резины (сажа, мел и др.), пищевых продуктов (мука, крахмал, сахарная пудра, соль, кофе, какао и др.), лекарственных веществ и т. п. Диспергирование материалов часто является побочным явлением при деятельности человека (при бурении горных пород, при сверлении, взрывах, при истирании деталей механизмов, шин автомобилей и т. п.), что, как правило, приводит к нежелательным явлениям в виде загрязнения окружающей среды, потерь ценных веществ, а также ряда болезней. Диспергирование горных пород происходит и в результате различных природных процессов – выветривания, извержения вулканов, осыпей, камнепадов, схода лавин и селей и др.

Газы в жидкостях диспергируются барботированием или интенсивным перемешиванием. Жидкости в газах диспергируются распылением с помощью форсунок, дюз и т. п., в других жидкостях (при эмульгировании) – перемешиванием, встряхиванием или вибрацией, в том числе воздействием ультразвука.

Наиболее часто требуется измельчение твёрдых тел. Твёрдые тела в зависимости от природы веществ, из которых они состоят, могут обладать самыми различными прочностью, твёрдостью, хрупкостью, вязкостью, они могут быть кристаллическими или аморфными и т. п. Это обусловливает большое разнообразие диспергационных методов. Все виды диспергирования твёрдых тел, как ручные, так и механические, используют следующие основные приёмы: раздавливание, раскалывание, разламывание, разрезание, распиливание, истирание и др. Так как при диспергировании возникают новые поверхности, то эти процессы требуют затрат энергии, часто очень значительных. Они связаны с тем, что для разрушения твёрдого тела или жидкости и получения новой поверхности, необходимо преодолеть силы когезии, обусловливающие целостность определённого объёма вещества.

При дроблении и измельчении твёрдые материалы разрушаются в первую очередь в местах прочностных дефектов (макро- и микротрещин). Поэтому по мере измельчения прочность частиц растёт, что ведёт ко всё большему расходу энергии при дальнейшем диспергировании. Разрушение материалов может быть облегчено при использовании эффекта Ребиндера  адсорбционного понижения прочности твёрдых тел. Этот эффект заключается в уменьшении поверхностной энергии с помощью “понизителей твёрдости” (чаще всего ПАВ), в результате чего облегчается деформирование и разрушение твёрдого тела. ПАВ, добавляемые даже в очень малых количествах, не только помогают разрушить материал, но и стабилизируют получающиеся дисперсии, так как, адсорбируясь на поверхности частиц, их молекулы уменьшают возможность обратного объединения (агрегации).

Механическое диспергирование. Для получения дисперсных систем из предварительно измельчённого сырья, широко используются ручные и механические аппараты: дробилки, мельницы, жернова, вальцы, ступки, дезинтеграторы, краскотерки, встряхиватели и др. Часто измельчение проводится в несколько стадий, при которых последовательно получаются всё более мелкие дисперсии. Подробное описание измельчения с помощью этих устройств, как ручных, так и механических, подробно описано в учебниках по фармацевтической технологии.

Наиболее простыми машинами для получения достаточно тонкодисперсных порошков из предварительно раздроблённого сырья являются шаровые мельницы  измельчители ударно-истирающего действия. Они представляют собой стальные барабаны различного объёма, в которые загружаются измельчаемый материал и дробящие тела  шары из прочного тяжёлого материала (обычно из специальных сталей или фарфора). При вращении барабана шары перекатываются внутри него и в результате ударов и истирающего действия исходный материал измельчается. Шаровые мельницы позволяют получить порошки довольно высокой дисперсности, но недостатком их является малая производительность, периодичность действия и значительная степень загрязнённности получаемого порошка веществом, из которого изготовлены шары и стенки барабана. Кроме того, при извлечении порошка из шаровой мельницы неизбежны потери, что существенно при измельчении достаточно дорогих лекарственных веществ.

Дезинтеграторы или коллоидные мельницы - механизмы ударно-центробежного действия, применяемые для измельчения хрупких материалов. Первая коллоидная мельница, сконструированная Плаузоном, представляет собой металлический вертикально стоящий цилиндрический кожух, в котором с частотой 10  20 тыс. об/мин вращается вал с укреплёнными в несколько рядов металлическими пальцами  билами. На внутренней стенке цилиндра укреплены прочные зубья, в пространство между которыми свободно проходят била. Вал с билами и неподвижные зубья конструируются таким образом, что между ними остаётся очень узкий зазор. Предварительно измельчённый материал подаётся сверху в виде водной суспензии. При прохождении бил в зазорах между зубьями в результате гидравлического удара грубодисперсные частицы разрушаются с образованием более мелких. Из нижней части аппарата отбирается суспензия с частицами, по размерам близким к коллоидным.

Существуют и другие типы коллоидных мельниц с измельчающими устройствами в виде конических ротора и статора с узким зазором между ними; в виде вращающихся навстречу друг другу соосных дисков и др. Коллоидные мельницы из всех механических диспергирующих устройств позволяют получать наибольшую степень дисперсности твёрдого вещества.

Ультразвуковое диспергирование жидкостей происходит в результате разрывающих усилий, которые возникают в жидкости при прохождении через неё ультразвуковой волны, а также вследствие кавитации, т. е. образования и спадения полостей. Резкие локальные изменения давления (порядка тысяч атмосфер), происходящие за ничтожно малые промежутки времени (10^4  10^5 с), приводят к разрыву не только жидкостей, но и некоторых непрочных твёрдых тел. Так, ультразвуковым диспергированием получают органозоли хрупких металлов и сплавов, гидрозоли серы, гипса, графита, крахмала, гидроксидов металлов и т. п., а также различные эмульсии.

Самопроизвольное диспергирование. В случае понижения удельной поверхностной энергии на границе раздела фаз, например, в результате действия ПАВ диспергирование может происходить самопроизвольно, лишь благодаря энергии теплового движения. Такое диспергирование наблюдается близ критической температуры растворения (смешения) двух жидкостей, например, при получении из эмульсолов смазочно-охлаждающих жидкостей для металлорежущих станков, при образовании водных дисперсий некоторых гидрофильных минералов, в частности, глин и др.
4.2.2. Конденсационные методы
Несмотря на широкое применение диспергационных методов, они не могут быть использованы для получения систем с высокой степенью дисперсности (ультрамикрогетерогенных). Такие системы с размерами частиц 10^9  10^7 м получают конденсационными методами.

Конденсационные методы получения высокодисперсных систем предполагают образование новой фазы на поверхности зародышей, самопроизвольно возникающих в первоначально гомогенной системе в результате повышения концентрации вещества, нерастворимого в данной среде. Такое повышение концентрации приводит к пересыщению и переходу системы в метастабильное состояние. Пересыщение необходимо для роста зародышей, но в то же время оно не должно быть слишком большим, так как после достижения заданных размеров образующихся частиц рост должен прекратиться. Процессы адгезии и смачивания снижают энергию образования зародышей, и чем сильнее адгезия и смачивание, тем меньшее пересыщение необходимо для конденсации. Появление заряда на поверхности образующихся частиц в результате адсорбции ионов тоже приводит к снижению энергии образования зародышей. Кроме вышеупомянутых условий получения дисперсных систем, при конденсационных методах необходимо, чтобы соблюдалось ещё одно: скорость образования зародышей новой фазы должна превышать скорость роста кристаллов из них.

Конденсационные методы получения дисперсных систем в свою очередь подразделяются на две группы  физические и химические.

Физическая конденсация. Из процессов физической конденсации наиболее важны в практическом отношении конденсация из паров и замена растворителя. Наиболее наглядные примеры конденсации из паров  образование тумана и облаков в атмосфере и дыма при горении различных веществ. При изменении параметров системы, в частности, при понижении температуры давление пара компонента может стать выше равновесного давления его над жидкостью (или над твёрдым телом) и в газовой системе возникает новая конденсированная фаза. В результате система становится гетерогенной,  начинает образовываться туман или дым.

Метод замены растворителя применяется для получения дисперсных систем с жидкой средой. Как и предыдущий, он основан на таком изменении параметров системы, которое приводит к образованию новой фазы. В данном случае для этой цели изменяют состав среды. Так, если насыщенный спиртовый раствор серы влить в большой объём воды, то получающийся спиртоводный раствор оказывается по отношению к сере уже пересыщенным. Это приводит к агрегации её молекул с образованием коллоидных частиц дисперсной фазы коллоидных размеров.

Химическая конденсация. Химические методы тоже основаны на выделении новой фазы из пересыщенного раствора. При этом вещество, образующее дисперсную фазу, получается в результате химической реакции. Для получения коллоидных растворов можно использовать любые типы химических реакций – реакции обмена, замещения, гидролиза, окислительно-восстановительные и др. Необходимый баланс между скоростью возникновения зародышей и скоростью их роста достигается путём сливания разбавленных растворов компонентов при интенсивном перемешивании. Для регулирования свойств образующихся коллоидных растворов, например, для получения гидрозолей с заданным зарядом частиц, применяют различные приёмы, в том числе изменяют соотношение объёмов растворов реагентов.

Существенной особенностью коллоидных растворов, полученных методом химической реакции, является то, что стабилизатором их обычно служит электролит. Так, при реакции обмена между двумя электролитами, стабилизатором будет электролит, взятый в избытке. Возможны случаи, когда электролит-стабилизатор возникает в результате побочной химической реакции, гидролиза и т. п.

4.2.3. Комбинированные методы
Наряду с чисто диспергационными или конденсационными методами получения дисперсных систем существуют и такие, которые сочетают в себе и диспергирование, и конденсацию. Сюда относятся электрические методы, а также группа методов, называемых общим термином «пептизация».

Электрический метод применяется, в основном, для получения золей металлов. Имеются две разновидности этого метода – дуговой и искровой методы. Дуговой метод (Брэдиг, 1898 г.) основан на испарении металла электрода в электрической дуге в водной среде с последующей конденсацией паров в коллоидные частицы. Из-за высокой температуры в пламени электрической дуги метод пригоден только для получения гидрозолей. Более поздний искровой метод (Т. Сведберг, 1906) позволяет более производительно и безопасно получать гидро- и органозоли металлов в колебательном разряде искры высокого напряжения в межэлектродном пространстве. Температура искры невелика и время её существования слишком мало для того, чтобы вызвать воспламенение или взрыв органической жидкости. Искры могут быть получены различными способами – включением в цепь высокочастотного прерывателя, применением переменного тока или пропусканием постоянного тока через металлические опилки. Метод часто называют электрическим диспергированием, хотя нельзя забывать, что в электрическом разряде происходит испарение металла, т. е. переход его в молекулярное (атомное) состояние, а собственно образование коллоидных частиц происходит по механизму конденсации пара при охлаждении в жидкой среде. Электрическое диспергирование позволяет получать коллоидные растворы высокой дисперсности, но его применение ограничивается возможностью получать золи только из электропроводящих материалов, а также большими затратами электроэнергии при промышленном производстве.

С электрическим методом в чём-то сходен метод получения органоолей легкоплавких металлов, предложенный С. З. Рогинским и А. И. Шаль­ни­ковым. В специальном герметическом сосуде с отростками нагреваются помещённые в разные отростки растворитель, который должен стать дисперсионной средой золя (например, бензол), и металл образует частицы дисперсной фазы (например, натрий). Смешавшиеся пары бензола и натрия охлаждаются при соприкосновении с вставленной в сосуд пробиркой с охладителем (жидким воздухом) и намерзают на неё в виде инея. При удалении из пробирки жидкого воздуха «иней» размораживается и превращается в бензозоль натрия, который собирается на дне сосуда.

Пептизация. В коллоидной химии пептизацией называется перевод свежеприготовленных рыхлых (как правило, аморфных) осадков в коллоидный раствор. Иначе говоря, это распад агрегатов частиц в дисперсных системах, т. е. процесс обратный коагуляции (см. п. 6.3).

Термин "пептизация" взят из биохимии, где под ней понимается перевод денатурированного белка в ходе кислотного или щелочного гидролиза в раствор в виде низкомолекулярных соединений  пептидов.

Происходит пептизация при введении в жидкую дисперсионную среду, в которой находится осадок, некоторых электролитов или ПАВ (пептизаторов). Иногда возможно протекание пептизации и при повышении температуры, при удалении коагулянтов в ходе промывания осадка и т. п. Обычно под пептизацией подразумевают только стадию перевода осадка в золь. Но если рассматривать процесс в целом, следует помнить, что имеется и первая стадия – образование осадка. Осадки получают чаще всего химическими реакциями, идущими с образованием нерастворимых веществ, хотя возможны и другие пути их возникновения, например, при коагуляции уже имеющихся коллоидных растворов и др. Существует несколько разновидностей пептизации:

• 
  адсорбционная пептизация происходит при физической адсорбции молекул или ионов пептизатора на поверхности частиц, входящих в состав крупных агрегатов. Адсорбционные слои сольватированных молекул или ионов раздвигают частицы, ослабляют их притяжение друг к другу, и в результате диффузии или перемешивания стабилизированные пептизатором частицы переходят в коллоидный раствор. Разновидностью адсорбционной пептизации является пептизация под действием ПАВ.
  

Пептизация под действием ПАВ является одной из составляющих моющего действия мыл и других детергентов. При адсорбции молекул ПАВ на поверхности мельчайших грязевых частиц происходит ослабление их связей с тканью, кожей рук и т. д., а также друг с другом, что облегчает удаление этих частиц при перемешивании водной среды.

• 
  химическая (диссолюционная) пептизация  получение золя при действии на осадок реагента, который химически реагирует с ним. Такими реагентами могут быть, например, кислоты. В этом случае часть молекул вещества осадка взаимодействует с ним с образованием растворимого соединения, которое, собственно, и будет играть роль пептизатора.
  
• 
  пептизация при отмывании осадка может происходить при промывании на фильтре свежеприготовленных осадков. Её причиной является удаление избытка электролита, вызывающего объединение частиц осадка. Это явление нежелательно во многих случаях, особенно при гравиметрическом анализе, когда в результате пептизации значительная часть определяемой весовой формы теряется в виде коллоидного раствора.
  

При пептизации не наблюдается стехиометрических соотношений между количествами пептизатора и пептизированного осадка. Однако имеется характерная зависимость, называемая правилом осадка (В. Оствальд, Бузаг). Правило заключается в том, что

при постоянном содержании пептизатора с возрастанием взятого для пептизации осадка количество образующегося золя сначала увеличивается, а затем уменьшается.

Это связано с изменением количества пептизатора, приходящегося на одну коллоидную частицу. От количества пептизатора зависит дисперсность частиц в полученном золе. При достаточно большом его количестве образуются отдельные очень малые первичные частицы, при малом – частицы высших порядков, состоящие из нескольких первичных.

4.3. Очистка коллоидных растворов
Свежеприготовленные коллоидные растворы, в особенности, полученные методами химической конденсации, часто содержат значительные количества низкомолекулярных примесей. Эти примеси могут в значительной мере влиять на свойства и поведение коллоидных систем и во многих случаях вызывать нарушение их агрегативной устойчивости. В связи с этим появляется необходимость очистки коллоидных растворов от таких примесей, главным образом, от электролитов. Наиболее распространёнными методами очистки являются диализ и его разновидности – электродиализ и ультрафильтрация.

Диализ основан на неодинаковых скоростях диффузии коллоидных частиц и молекул (ионов) примесей сквозь полупроницаемые мембраны. Простейший прибор для очистки коллоидных растворов  диализатор  представляет собой сосуд, у которого вместо дна имеется широкое отверстие, затянутое какой-либо полупроницаемой мембраной, например, целлофаном, плавательным пузырём рыб, пленкой коллодия и т. п. Этот сосуд, в который помещается очищаемый коллоидный раствор, погружается в большую ёмкость, заполненную чистым растворителем (в случае гидрозолей  водой). Молекулы и ионы, способные проходить сквозь мембрану, диффундируют через неё в растворитель (воду), который в свою очередь под действием осмотических сил проникает внутрь диализатора, слегка разбавляя золь. Движущей силой диализа является градиент концентрации низкомолекулярной примеси по обе стороны мембраны. Малые по сравнению коллоидными частицами размеры пор мембраны препятствуют их выходу из диализатора.

Диализ в обычном диализаторе требует много времени (от нескольких дней до нескольких месяцев). Ускорить его можно различными путями: увеличением площади поверхности мембраны, перемешиванием золя, использованием проточной воды во внешнем сосуде и т. п. Ещё один способ ускорения очистки коллоидов  применение электродиализа, т. е. диализа под действием постоянного тока, проходящего между электродами, один из которых помещён во внутренний сосуд диализатора, а другой - во внешний.

Ультрафильтрация или, иначе, диализ под давлением,  это отделение дисперсной фазы от дисперсионной среды с низкомолекулярными примесями путём фильтрования коллоидных растворов через полупроницаемые мембраны. Обычно ультрафильтрацию проводят под давлением или создавая разрежение под полупроницаемым фильтром. Так как при ультрафильтрации золь теряет часть дисперсионной среды, её убыль восполняется добавлением чистого растворителя. Недостатком ультрафильтрации является трудность предотвращения полного удаления дисперсионной среды из золя, особенно при операциях с малыми объёмами.

Кроме мембранных методов разделения для очистки золей может быть применено ультрацентрифугирование. Этот метод, хотя и является достаточно сложным в аппаратурном оформлении, позволяет достаточно быстро и эффективно очистить даже очень малые объёмы золей. Под действием больших центробежных сил, во много раз превышающих гравитационные, коллоидные частицы собираются в нижней части центрифужной пробирки. Верхний слой дисперсионной среды, обеднённый коллоидными частицами, но содержащий ту же, что и до опыта, концентрацию низкомолекулярной примеси, осторожно отбирается микропипеткой. Остаток коллоидного раствора разбавляется до первоначального объёма чистой дисперсионной средой и в результате концентрация примеси уменьшается.

ГЛАВА 5
ДВОЙНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СЛОЙ.

СТРОЕНИЕ МИЦЕЛЛЫ ЛИОФОБНЫХ ЗОЛЕЙ
В курсе физической химии и при рассмотрении адсорбции электролитов уже упоминалось о существовании на поверхностях раздела твёрдой и жидкой фаз двойного электрического слоя (ДЭС). Существование ДЭС и скачка потенциала на границе раздела фаз играет важную, а иногда и главную роль не только в процессах адсорбции ионов и ионного обмена, но и во многих других явлениях, происходящих в дисперсных системах. К ним относятся электродные процессы, электрокинетические явления, устойчивость и коагуляция дисперсных систем и др.

В практическом отношении наиболее важным случаем является образование ДЭС в водной среде. При этом он может возникнуть двумя различными путями:

• 
  ионизация поверхностных молекул или атомов твёрдого тела с выходом образующихся гидратированных ионов в жидкую среду;
  
• 
  избирательная адсорбция ионов одного знака из жидкой среды на твёрдой поверхности (т. н. потенциалопределяющих ионов) с последующей "эквивалентной адсорбцией" ионов противоположного знака (противоионов) вблизи поверхности.
  

Двойной электрический слой может возникать и на межфазных поверхностях другой природы, - «жидкость – жидкость» (например, на каплях эмульсий) или «жидкость – газ» (например, на пузырьках пен и газовых эмульсий). В этих случаях он обычно образуется при адсорбции на каплях или на пузырьках ионогенных поверхностно-активных веществ.

Для описания явлений, обусловленных существованием двойного электрического слоя, и для правильного их понимания необходимо рассмотреть его строение. И хотя наиболее детально изучено строение ДЭС на поверхностях металлических электродов, основные закономерности строения соблюдаются и в случае других, в том числе и не проводящих электрический ток поверхностей.

5.1. Строение двойного электрического слоя
Теория Г. Гельмгольца. Первую количественную теорию ДЭС разработал Г. Гельмгольц (1879). В то время о существовании ионов в растворах не было известно, и Гельмгольц рассматривал распределение точечных электрических зарядов. Причём все заряды одного знака, связанные с твёрдой поверхностью, он предложил рассматривать как непрерывный поверхностный заряд. Ещё одним допущением явилось представление о жидкой среде, как о непрерывной среде. Эти представления перешли и в более поздние теории строения ДЭС, так как учёт дискретного распределения поверхностных зарядов и молекулярного строения среды приводит к очень сложным уравнениям, зачастую не имеющим решения.

По теории Гельмгольца двойной электрический слой на небольшом участке поверхности можно представить как плоский конденсатор, одна из обкладок которого представляет собой твёрдую поверхность, а другая расположена в жидкости параллельно поверхности на расстоянии молекулярного порядка от неё (рис. 5.1 а). Потенциал , отсчитанный от нулевого уровня, отвечающего достаточно удалённой точке в растворе, связанный с числом зарядов и характеризующий общие свойства ДЭС, называется электротермодинамическим потенциалом. -потенциал в соответствии с теорией пло­ско­го конденсатора при удалении от поверхности уменьшается линейно (рис. 5.1 б). Расстояние  от поверхности, на котором он становится равным нулю, соответствует толщине двойного слоя.

Подобное строение ДЭС возможно только при отсутствии теплового движения ионов, и поэтому теория является в значительной мере схематической.

+  

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 



а б

Рис. 5.1.

а – строение двойного электрического слоя по теории Гельмгольца;

б – падение потенциала в ДЭС – плоском конденсаторе ( - толщина ДЭС)

Несмотря на многие допущения и на относительную простоту представлений, теория Гельмгольца явилась важным шагом в понимании строения межфазной границы. Она имеет не только историческое значение, так как хорошо описывает строение двойного слоя мицелл, находящихся в изоэлектрическом состоянии. Кроме того, на её основе впоследствии было выведено уравнение Гельмгольца – Смолуховского для скорости электрофореза (см. п. 5.6).

Теория Ш. Гуи - Д. М. Чепмена. После работ С. Аррениуса по электролитической диссоциации стала ясна природа носителей электрического заряда, которые формируют двойной электрический слой, - ими являются ионы электролитов. Ионы, непосредственно связанные с твёрдой поверхностью, получили название потенциалопределяющих (или потенциалобразующих) ионов, а ионы, находящиеся в жидкой фазе, и притягивающиеся к поверхности электростатическими силами – противоионов. При рассмотрении строения ДЭС следовало теперь учитывать и тепловое движение ионов, которое стремится равномерно распределить их во всем объёме жидкой фазы. К такому выводу независимо друг от друга пришли Ш. Гуи (1910) и Д. М. Чепмен (1913).

Они предположили, что ДЭС имеет диффузное строение и все противоионы, для простоты рассматриваемые ими, как и Гельмгольцем, в качестве точечных зарядов, находятся в диффузном (размытом) слое (рис. 5.2 а). Падение потенциала в таком слое выражается плавной экспоненциальной кривой (рис. 5.2 б), точка пересечения которой с осью расстояний отвечает толщине двойного слоя .

+  

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 



а б

Рис. 5.2.

а – строение двойного электрического слоя по теории Гуи - Чепмена;

б – падение потенциала в диффузном слое ( - толщина ДЭС)

Поскольку толщина ДЭС определяется кинетической энергией теплового движения противоионов, то при понижении температуры они будут собираться вблизи потенциалопределяющих ионов. При этом ДЭС примет строение, близкое к теоретическому построению Гельмгольца. При повышении температуры, наоборот, тепловое движение будет отбрасывать противоионы на большее расстояние от поверхности, и ДЭС будет расширяться. По современным представлениям теория Гуи – Чепмена даёт достаточно хорошее представление о двойном слое в очень разбавленном растворе электролита, когда толщина плотного слоя намного меньше толщины диффузного слоя противоионов.

Теория О. Штерна. Современная теория строения двойного электрического слоя заложена в работах О. Штерна (1924), который ввёл два новых представления: о конечных размерах гидратированных ионов и о специфической адсорбции ионов. Большой вклад в развитие этой теории внесли Д. Грэм и школа А. Н. Фрумкина.

Согласно теории Штерна слой противоионов состоит из двух частей (рис. 5.3 а). Одна часть находится в непосредственной близости к межфазной поверхности и связана с ней кроме электростатических сил силами специфической адсорбции (плотный слой, «слой Гельмгольца»). Толщина слоя Гельмгольца опре­де­ля­ется размерами гидратированных противоионов и сохраняется неизменной в данной системе. Другая часть противоионов находится в диффузной части ДЭС (диффузный слой, «слой Гуи»), толщина которой зависит от свойств и состава системы, а также от температуры и может быть значительной по сравнению со слоем Гельмгольца.

<предыдущая страница | следующая страница>