Дисперсные системы и промывочные жидкости - ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ

 

 

Из всех дисперсных систем наиболее полно отвечают требо­ваниям, предъявляемым к промывочным жидкостям, коллоид­ные системы. Своеобразие физико-химических свойств коллоид­ных систем (или коллоидных растворов) определяется их разви­той поверхностью раздела на границе твердая фаза — дисперси­онная среда.

По молекулярно-кинетической теории внутреннее сцепление тел обусловлено силами взаимодействия молекул. Внутри тела, например жидкости, эти силы уравновешены: каждая молекула притягивает к себе соседние с такой же силой, с какой сама к ним притягивается. Силы же притяжения поверхностных моле­кул, например расположенных на поверхности раздела жид­кость— воздух, не уравновешены (рис. 1). В результате избытка сил притяжения со стороны жидкости молекулы с границы раз­дела стремятся втянуться внутрь жидкости, поэтому поверхность раздела стремится к уменьшению.

 

clip_image002clip_image002[1]clip_image002[2]clip_image004

     Рис. 1. Схема действия молекулярных сил:

a— на молекулу, находящуюся    внутри жидкости; б — на молекулу, расположенную в поверхностном слое.

 

 

 

Аналогичное явление происходит в любых дисперсных систе­мах. В связи с этим поверхностные молекулы на разделе фаз обладают некоторой некомпенсированной избыточной энергией, называемой поверхностной энергией. Некомпенсированность молекулярных сил в поверхностном слое жидкостей и твердых тел определяет все виды их молекулярного взаимо­действия.

Избыточная поверхностная энергия, приходящаяся на 1 м2 поверхности, т. е. удельная поверхностная энергия, представляет поверхностное (межфазное) натяжение на границе раздела фаз.

Поверхностное натяжение σможно представить как работу образования 1 м2 поверхности, а также как силу, отне­сенную к единице длины контура, ограничивающего поверхность жидкости, и действующую в плоскости, касательной к этой по­верхности в сторону ее сокращения. Поэтому поверхностное на­тяжение измеряется в Дж/м2 или Н/м.

С повышением температуры поверхностное натяжение умень­шается. Поверхностная энергия может изменяться вследствие изменения удельной поверхности и поверхностного натяжения.

Из происходящих на поверхностях раздела фаз явлений, связанных с некомпенсированной поверхностной энергией, важ­ное значение для промывочных жидкостей имеет адсорб­ция— самопроизвольное повышение концентрации растворен­ного вещества на границе раздела фаз по сравнению с концен­трацией этого вещества во всем объеме дисперсной системы.

Вещество, на поверхности которого адсорбируются и удер­живаются молекулы другого вещества, называется адсорбен­том, а вещество, которое удерживается на поверхности адсор­бента,— адсорбтивом. Находящийся в дисперсионной сре­де адсорбтив в результате диффузии стремится равномерно рас­пределиться в объеме жидкости. При этом отдельные молекулы растворенного вещества сталкиваются с поверхностью твердой фазы, и, испытывая с ее стороны большое притяжение, адсорби­руются на ней. Оставшееся в жидкости растворенное вещество снова равномерно распределяется в объеме дисперсионной сре­ды. Происходит накопление вещества на поверхности адсор­бента.

Некоторые молекулы недостаточно прочно удерживаются по­верхностью твердого тела и отрываются от него, происходит яв­ление десорбции. Так происходит до тех пор, пока поверх­ность адсорбента насытится адсорбтивом и между адсорбцией и десорбцией наступит динамическое равновесие. Чем выше кон­центрация адсорбтива, тем выше адсорбция.

При адсорбции молекулы адсорбтива и среды являются кон­курентами. Следовательно, чем хуже адсорбируется среда на адсорбенте, тем лучше будет происходить адсорбция растворен­ного вещества на поверхности твердого тела. В первом прибли­жении можно считать, что чем выше поверхностное натяжение чистой среды, тем меньше способность ее молекул к адсорбции на твердом теле и тем лучше на ней будет адсорбироваться рас­творенное вещество.

Измеряется адсорбция количеством вещества в молях, ад­сорбировавшегося на 1 см2 поверхности, или количеством ад­сорбировавшегося вещества на 1 г адсорбента. Адсорбция со­провождается выделением тепла. Она вызывает изменение по­верхностного натяжения. Установлено, что в коллоидных системах различные растворенные вещества по-разному действуют на поверхностное натяжение.

Вещества, понижающие поверхностное натяжение, называют­ся поверхностно-активными (ПАВ). Они играют боль­шую роль в формировании свойств промывочных жидкостей и тампонажных смесей.

В ряде случаев физический процесс адсорбции сопровожда­ется химическим взаимодействием веществ — хемосорбцией,  которая обычно необратима.

Частицы дисперсной фазы в коллоидных системах в резуль­тате отчасти адсорбции, а отчасти прямого перехода ионов од­ной фазы дисперсной системы в другую заряжаются электриче­ством. Вследствие этого под воздействием разности потенциалов электрического поля в коллоидных системах возникает ряд электрокинетических явлений.

Если приложить разность потенциалов к двум точкам внутри какого-либо объема дисперсной системы, то между этими точ­ками возникнет движение коллоидных частиц и дисперсионной среды. Отрицательно заряженные частицы будут перемещаться к положительному полюсу, а положительно заряженные — к от­рицательному. Происходит явление электрофореза.

Когда пространство между электродами разделено перего­родкой, проницаемой для среды и непроницаемой для частиц, под действием электрического тока среда будет перемещаться в направлении одного из электродов, в то время как дисперсные частицы будут скапливаться и давить на перегородку с противо­положной стороны. Это явление получило название электро­осмоса. Электрофорез и электроосмос играют большую роль в усилении закрепляющего действия на стенки скважин некото­рых промывочных жидкостей и тампонажных смесей.

Большое значение в характеристике дисперсных систем (осо­бенно коллоидных) имеет интенсивность молекулярного взаимо­действия между дисперсионной средой и дисперсной фазой на границе раздела фаз, что определяет явление смачиваемо­сти. Смачивание жидкостью твердого тела можно рассматри­вать как результат действия сил поверхностного натяжения. По интенсивности граничных молекулярных взаимодействий колло­идные дисперсные системы делятся на лиофильные и лио-фобные. Если дисперсионной средой является вода, системы соответственно называются гидрофильными и гидро­фобными.

Гидрофильные коллоидные системы характеризуются относи­тельной устойчивостью — стабильностью во времени. Частицы дисперсной фазы системы прочно связывают молекулы раство­рителя и также прочно их удерживают, т. е. гидрофильным кол­лоидным системам свойственно высокоинтенсивное молекуляр­ное взаимодействие между частицами дисперсной фазы и дис­персионной средой.

Частицы твердой фазы, например глины, в гидрофильной коллоидной системе сравнительно легко диспергируются, т. е. распадаются на элементарные частицы. В результате наруше­ния молекулярных связей поверхность частицы дисперсной фа­зы оказывается заряженной отрицательно. Молекулы воды, яв­ляясь диполями, притягиваются своими положительно заря­женными концами к отрицательно заряженной поверхности твердой частицы. Эта вода прочно связана с поверхностью час­тицы, обладает повышенной плотностью и вязкостью и не отде­ляется от нее даже при центрифугировании, создающем усилия, в тысячу раз превышающие силу тяжести. Так как электромоле­кулярные силы действуют на весьма небольшом расстоянии, толщина пленки не превышает 6•10-6 мм.

Молекулы связанной или адсорбированной воды, составляю­щие так называемую граничную фазу, оказывают притягиваю­щее и ориентирующее влияние на окружающие молекулы и ионы, в результате чего образуется диффузная оболочка (рис. 2). В пределах последней находятся отщепленные от твер­дой частицы и окруженные диполями воды катионы, образую­щие ионные «облака». В отличие от адсорбированной воды гра­ничной фазы воду в пределах диффузной оболочки называют лиосорбированной.

Вода в дисперсной системе, не связанная молекулярными си­лами взаимодействия с твердой поверхностью, называется сво­бодной водой. Чем интенсивнее диспергирована твердая фа­за, тем относительно большее количество связанной воды в си­стеме. Величина диффузного слоя зависит от концентрации со­лей (электролитов), всегда в каком-то количестве находящихся в дисперсионной среде. Если концентрация электролитов мала, то диффузный слой достигает значительной величины. С ростом концентрации электролитов диффузный слой сжимается, прибли­жаясь к границам адсорбционного слоя  (граничной фазы). Электрический заряд поверхности твердой частицы погаша­ется как в слое связанной (адсорбированной) воды, так и в диффузном слое. Отрицательно заряженная поверхность части­цы и катионы в диффузной оболочке совместно образуют двой­ной электрический слой. Падение напряжения на всем интервале между твердой поверхностью частицы и свободной водой назы­вается термодинамическимпотенциалом, а на участке диффузной оболочки — электрокинетическим потенциалом или z-потенциалом. Интенсивность электромолекулярного взаимодействия фаз в коллоидном растворе характеризуется величиной термодинамического потенциала ко­торая    зависит от общего    числа    адсорбированных    частицей ионов.

 

 

clip_image006

 

Рис. 2. Схема молекулярного взаимодействия сил в системе твердая частица — вода:

а - ориентация диполей воды  поверхностью твёрдой частицы; б - схема связанности воды в литосфере; - эпюра изменения молекулярных сил в зависимости от расстояния до поверхности минеральной частицы

         Адсорбированный и диффузный слои образуют вокруг твер­дой частицы гидратнуюоболочку, которая препятствует слипанию частиц между собой. В общем случае дисперсионной средой может быть и не вода. Тогда оболочка вокруг твердой частицы называется сольватной. Частица дисперсной фазы с оболочкой получила название мицеллы.

Гидратная оболочка развита неравномерно. Наибольшая ее толщина по плоским поверхностям частицы, наименьшая — на острых гранях и углах.. Гидратные оболочки характеризуют стабильность дисперсной системы, они предохраняют частицы твер­дой фазы от агрегирования и выпадения из раствора.