Základné podmienky na získanie disperzných systémov. Príprava, stabilizácia a čistenie disperzných systémov

Spôsoby príjmu koloidné roztoky možno rozdeliť aj do dvoch skupín: kondenzačné a disperzné metódy (samostatnou skupinou je peptizačná metóda, o ktorej bude reč neskôr). Ďalšou nevyhnutnou podmienkou na získanie sólov, okrem toho, že sa veľkosti častíc dostanú na koloidné, je v systéme prítomnosť stabilizátorov - látok, ktoré bránia procesu samovoľného zväčšovania koloidných častíc.

Ryža. Klasifikácia výrobných metód rozptýlené systémy(typ systémov je uvedený v zátvorkách)

Disperzné metódy

Disperzné metódy sú založené na drvení pevných látok na častice koloidnej veľkosti a tým na tvorbe koloidných roztokov. Uskutoční sa disperzný proces rôzne metódy: mechanické mletie látky v tzv. koloidné mlyny, striekanie kovov elektrickým oblúkom, drvenie látok pomocou ultrazvuku.

Disperzia môže byť spontánna alebo nespontánna. Spontánna disperzia je charakteristická pre lyofilné systémy a je spojená s nárastom poruchy systému (keď sa z jedného veľkého kusu vytvorí veľa malých častíc). Pri disperzii pri konštantnej teplote musí nárast entropie prevýšiť zmenu entalpie.

AH > TAS; AG > 0.

Dispergačný proces je v tomto prípade typicky nespontánny a je uskutočňovaný vďaka externej energii.

Disperzia je charakterizovaná stupňom disperzie. Je určená pomerom veľkostí východiskového produktu a častíc dispergovanej fázy výsledného systému. Stupeň rozptylu možno vyjadriť takto:

ai = dn/dk; a2 = Bn/Bk; α 3 = V n / V k,

kde d n; d až; Bn; B až; Vn; Vk - priemer, povrch, objem častíc pred a po disperzii.

Stupeň disperzie teda možno vyjadriť veľkosťou (α 1), plochou povrchu (α 2) alebo objemom (α 3) častíc dispergovanej fázy, t.j. môžu byť lineárne, povrchové alebo objemové.

Práca W potrebná na rozptýlenie pevnej látky alebo kvapaliny sa vynaloží na deformáciu telesa Wd a na vytvorenie nového fázového rozhrania W a, ktoré sa meria prácou adhézie. Deformácia je nevyhnutným predpokladom deštrukcie tela. Podľa P.A. Rebinder, práca disperzie je určená vzorcom

W = W a + Wd = σ*ΔB + kV,

kde σ* je hodnota úmerná alebo rovná povrchovému napätiu na rozhraní medzi dispergovanou fázou a disperzným prostredím; ΔB - zvýšenie fázového rozhrania v dôsledku disperzie; V je objem pôvodného telesa pred disperziou; k je koeficient ekvivalentný deformačnej práci na jednotku objemu telesa.

Kondenzačné metódy

Kondenzačné metódy na výrobu dispergovaných systémov zahŕňajú kondenzáciu, desublimáciu a kryštalizáciu. Sú založené na tvorbe novej fázy v podmienkach presýteného stavu látky v plynnom alebo kvapalnom médiu. V tomto prípade systém prechádza od homogénneho k heterogénnemu. Kondenzácia a desublimácia sú charakteristické pre plynné médium a kryštalizácia je charakteristická pre kvapalné médium.

Nevyhnutnou podmienkou kondenzácie a kryštalizácie je presýtenie a nerovnomerné rozloženie látky v disperznom prostredí (kolísanie koncentrácie), ako aj vznik kondenzačných centier alebo zárodkov.

Stupeň presýtenia β pre roztok a paru možno vyjadriť takto:

βf = s/ss, βP = r/ps,

kde p, c sú tlak presýtených pár a koncentrácia látky v presýtenom roztoku; р s je rovnovážny tlak nasýtenej pary nad rovným povrchom; c s je rovnovážna koncentrácia zodpovedajúca vzniku novej fázy.

Na uskutočnenie kryštalizácie sa roztok alebo zmes plynov ochladí.

Kondenzačné metódy na získanie disperzných systémov sú založené na procesoch kryštalizácie, desublimácie a kondenzácie, ktoré sú spôsobené poklesom Gibbsovej energie (ΔG< 0) и протекают самопроизвольно.

Pri nukleácii a tvorbe častíc z presýteného roztoku alebo plynného média sa mení chemický potenciál µ a vzniká rozhranie, ktoré sa stáva nosičom prebytočnej voľnej povrchovej energie.

Práca vynaložená na tvorbu častíc je určená povrchovým napätím σ a rovná sa:

W 1 = 4πr 2 σ,

kde 4πr 2 je povrch guľovitých častíc s polomerom r.

Chemický potenciál sa mení takto:

Δμ = μ i // - μ i /< 0; μ i // >μ i / ,

kde μ i / a μ i // sú chemické potenciály homo a heterogénnych systémov (pri prechode z malých kvapiek na veľké).

Zmena chemického potenciálu charakterizuje prenos určitého počtu mólov látky z jednej fázy do druhej; tento počet n mólov sa rovná objemu častice 4πr 3 /3 vydelenému molárnym objemom Vm:

Práca na vytvorení nového povrchu počas kondenzačného procesu W k sa rovná:

kde W 1 a W 2 sú v tomto poradí práca vynaložená na vytvorenie povrchu častíc a práca na prenos hmoty z homogénneho prostredia do heterogénneho.

K tvorbe dispergovaných systémov môže dôjsť v dôsledku fyzikálnej a chemickej kondenzácie, ako aj pri výmene rozpúšťadla.

Fyzikálna kondenzácia nastáva, keď sa zníži teplota plynného média obsahujúceho pary rôznych látok. Keď sú splnené potrebné podmienky, tvoria sa častice alebo kvapky dispergovanej fázy. Podobný proces prebieha nielen v objeme plynu, ale aj na ochladenom pevnom povrchu, ktorý je umiestnený v teplejšom prostredí plynu.

Kondenzácia je určená rozdielom chemických potenciálov (μ i // - μ i /)< 0, которая изменяется в результате замены растворителя. В отличие от обычной физической конденсации при výmena rozpúšťadla zloženie a vlastnosti disperzného prostredia nezostávajú konštantné. Ak alkohol alebo acetónové roztoky síry, fosforu, kolofónie a niektorých ďalších organickej hmoty nalejte do vody, roztok sa presýti, dôjde ku kondenzácii a vytvoria sa častice dispergovanej fázy. Metóda nahradenia rozpúšťadla je jednou z mála, ktorou je možné získať sóly.

o chemická kondenzácia k tvorbe látky dochádza pri jej súčasnom presýtení a kondenzácii.

Dispergovaný systém je systém, v ktorom je jedna látka distribuovaná v médiu inej látky a medzi časticami a disperzným prostredím existuje fázová hranica. Dispergované systémy pozostávajú z dispergovanej fázy a disperzného média.

Dispergovaná fáza sú častice distribuované v médiu. Jeho znaky: disperzia a prerušovanie.

Disperzné médium je hmotné médium, v ktorom sa nachádza dispergovaná fáza. Jeho znakom je kontinuita.

Disperzná metóda. Pozostáva z mechanického drvenia pevných látok na danú disperziu; disperzia ultrazvukovými vibráciami; elektrická disperzia pod vplyvom striedavého a jednosmerného prúdu. Na získanie disperzných systémov disperznou metódou sa široko používajú mechanické zariadenia: drviče, mlyny, malty, valce, mlynčeky na farby, trepačky. Kvapaliny sa atomizujú a rozprašujú pomocou trysiek, mlynčekov, rotujúcich diskov a odstrediviek. Disperzia plynov sa uskutočňuje hlavne ich prebublávaním cez kvapalinu. V penových polyméroch, penovom betóne a penovej sadre sa plyny vyrábajú pomocou látok, ktoré uvoľňujú plyn pri zvýšených teplotách alebo pri chemických reakciách.

Napriek širokému použitiu disperzných metód ich nemožno použiť na získanie disperzných systémov s veľkosťou častíc -100 nm. Takéto systémy sa získavajú kondenzačnými metódami.

Kondenzačné metódy sú založené na procese tvorby dispergovanej fázy z látok v molekulárnom alebo iónovom stave. Nevyhnutnou požiadavkou tejto metódy je vytvorenie presýteného roztoku, z ktorého by sa mal získať koloidný systém. To sa dá dosiahnuť za určitých fyzikálnych alebo chemických podmienok.

Fyzikálne metódy kondenzácie:

1) ochladzovanie pár kvapalín alebo pevných látok počas adiabatickej expanzie alebo ich zmiešavanie s veľkým objemom vzduchu;

2) postupné odstraňovanie (odparovanie) rozpúšťadla z roztoku alebo jeho nahradenie iným rozpúšťadlom, v ktorom je dispergovaná látka menej rozpustná.

Fyzikálna kondenzácia teda označuje kondenzáciu vodnej pary na povrchu pevných alebo kvapalných častíc, iónov alebo nabitých molekúl (hmla, smog).

Náhrada rozpúšťadla vedie k vytvoreniu sólu, keď sa k pôvodnému roztoku pridá ďalšia kvapalina, ktorá sa dobre mieša s pôvodným rozpúšťadlom, ale je zlým rozpúšťadlom pre rozpustenú látku.

Chemické kondenzačné metódy sú založené na výkone rôzne reakcie, v dôsledku čoho sa z presýteného roztoku vyzráža nerozpustená látka.

Chemická kondenzácia môže byť založená nielen na výmenných reakciách, ale aj na redoxných reakciách, hydrolýze atď.

Dispergované systémy možno získať aj peptizáciou, ktorá spočíva v premene sedimentov, ktorých častice už majú koloidné veľkosti, na koloidný „roztok“. Rozlišujú sa tieto typy peptizácie: peptizácia premývaním sedimentu; povrchná peptizácia - účinných látok; chemická peptizácia.

Z termodynamického hľadiska je najvýhodnejšou metódou disperzia.

Metódy čistenia:

1. Dialýza - čistenie sólov od nečistôt pomocou polopriepustných membrán premývaných čistým rozpúšťadlom.

2. Elektrodialýza – dialýza urýchlená elektrickým poľom.

3. Ultrafiltrácia – čistenie pretláčaním disperzného média spolu s nízkomolekulárnymi nečistotami cez polopriepustnú membránu (ultrafilter).

Molekulárno-kinetické a optické vlastnosti disperzných systémov: Brownov pohyb, osmotický tlak, difúzia, sedimentačná rovnováha, sedimentačná analýza, optické vlastnosti disperzných systémov.

Všetky molekulárno-kinetické vlastnosti sú spôsobené spontánnym pohybom molekúl a prejavujú sa Brownovým pohybom, difúziou, osmózou a sedimentačnou rovnováhou.

Brownov pohyb je nepretržitý, chaotický, rovnako pravdepodobný vo všetkých smeroch pohyb malých častíc suspendovaných v kvapalinách alebo plynoch v dôsledku vplyvu molekúl disperzného média. Teória Brownovho pohybu je založená na myšlienke interakcie náhodnej sily, ktorá charakterizuje dopady molekúl, časovo závislú silu a treciu silu, keď sa častice dispergovanej fázy pohybujú v disperznom prostredí rýchlosťou určitú rýchlosť.

Okrem pohyb vpred je možná aj rotácia, typická pre dvojrozmerné častice nepravidelný tvar(nitky, vlákna, vločky). Brownov pohyb je najvýraznejší vo vysoko disperzných systémoch a jeho intenzita závisí od disperzie.

Difúzia je spontánne šírenie látky z oblasti s vyššou koncentráciou do oblasti s nižšou koncentráciou. Rozlišujú sa tieto typy:

1.)molekulárne

3) koloidné častice.

Rýchlosť difúzie v plynoch je najvyššia a v pevných látkach je najmenšia.

Osmotický tlak je pretlak nad roztokom, ktorý je potrebný na zabránenie prenosu rozpúšťadla cez membránu. OD nastáva, keď sa čisté rozpúšťadlo pohybuje smerom k roztoku alebo od zriedenejšieho roztoku k koncentrovanejšiemu, a preto súvisí s koncentráciou rozpustenej látky a rozpúšťadla. Osmotický tlak sa rovná tlaku, ktorý by vytvorila dispergovaná fáza (rozpustená látka), ak by vo forme plynu pri rovnakej teplote zaberala rovnaký objem ako koloidný systém (roztok).

Sedimentácia je oddeľovanie dispergovaných systémov vplyvom gravitácie so separáciou dispergovanej fázy vo forme sedimentu. Schopnosť disperzných systémov sedimentovať je indikátorom ich sedimentačnej stability. Separačné procesy sa používajú vtedy, keď je potrebné izolovať jednu alebo druhú zložku z niektorej zložky z nejakého prírodného alebo umelo pripraveného produktu, ktorým je heterogénny kvapalný systém. V niektorých prípadoch sa zo systému odstráni cenná zložka, v iných sa odstránia nežiaduce nečistoty. Vo verejnom stravovaní sú procesy oddeľovania rozptýlených systémov potrebné, keď je potrebné získať číre nápoje, vyčistiť vývar a zbaviť ho častíc mäsa.

Správanie sa svetelného lúča, ktorý na svojej dráhe narazí na častice dispergovanej fázy, závisí od pomeru vlnovej dĺžky svetla a veľkosti častíc. Ak je veľkosť častíc väčšia ako vlnová dĺžka svetla, potom sa svetlo odráža od povrchu častíc pod určitým uhlom. Tento jav sa pozoruje v suspenziách. Ak je veľkosť častíc menšia ako vlnová dĺžka svetla, potom sa svetlo rozptýli.

Spôsoby výroby disperzných systémov sú rozdelené do dvoch zásadne odlišných skupín: disperzia a kondenzácia.

Dispergovanie

Výroba disperzných systémov disperznou metódou zahŕňa drvenie a mletie látok. Disperzia môže byť uskutočnená mechanickými, elektrickými, chemickými (peptizáciami) a ultrazvukovými metódami.

V prírode neustále dochádza k mechanickému rozptylu látok – zvetrávaniu hornín, tvorbe ľadovcov a iným procesom. Veľký význam mechanická disperzia sa používa v priemyselných procesoch - úprava rúd, hutnícka výroba pri tvorbe trosky, pri rafinácii ropy, stavebníctve, medicíne, farmácii. V tomto prípade používajú Rôzne druhy a konštrukcie mlynov, ktoré zabezpečujú požadovaný stupeň mletia. Guľové mlyny teda zabezpečujú výrobu hrubých častíc (~ 10 4 m); v koloidných mlynoch sa získavajú jemnejšie častice, napríklad pri drvení cukru, kávy, škrobu, grafitu a chemických činidiel sa používajú koloidné mlyny na získanie vysokého stupňa disperzie látky.

Dispergovanie začína drvením, mletie látky je ďalšou fázou. Job W, vynaložené na rozptýlenie látky, podľa Rehbinderovej rovnice, pozostáva z dvoch pojmov:

Kde W^- práca vynaložená na drvenie; - práca vynaložená na mletie látky; A K a Ako- zmena objemu systému a povrchu rozptýlených častíc v ňom; a - koeficienty proporcionality.

Ak je objem telesa úmerný kocke lineárnej veľkosti a plocha je úmerná jej štvorcu, potom Rehbinderovu rovnicu možno prepísať ako vzťah

kde /Г a sú koeficienty proporcionality.

Pre prvý stupeň rozptylu je dôležitý prvý termín K.a*,

keďže práca vynaložená na deformáciu a drvenie súvisí s veľkosťou pôvodných kusov látky (zvyčajne veľkých a s malým povrchom) a ich mechanickou pevnosťou. V druhom štádiu disperzie je práca úmerná veľkosti výsledného povrchu. Pri veľkých veľkostiach častíc možno zanedbať prácu pri tvorbe povrchu a naopak pri malých veľkostiach prácu objemovej deformácie.

Ak vo všeobecnosti koeficienty proporcionality K^ A TO 2 závisieť

z povahy látky, prostredia, spôsobu drvenia, potom v druhom člene preberá koeficient /C funkciu energie tvorby jednotkového povrchu, tj. povrchové napätie: k^ = K^ c5.

Pri drvení a mletí dochádza k deštrukcii telies v miestach defektov pevnosti - mikrotrhlín, ktoré sa v nich vyskytujú slabé stránky kryštálovej mriežky, pričom sa zvyšuje pevnosť častíc, čo sa využíva na získanie odolnejších materiálov.

Na uľahčenie rozptylu materiálov a zníženie nákladov na energiu sa zvyčajne používajú špeciálne prísady nazývané redukcie pevnosti. Typicky pridanie látok znižujúcich pevnosť v množstve -0,1 % hmotnosti drvených látok znižuje náklady na energiu na získanie disperzných systémov približne o polovicu. Účinok zníženia pevnosti pevných látok v prítomnosti redukčných látok sa nazýva účinok

Rebindera. Je založená na skutočnosti, že k rozvoju mikrotrhlín pod vplyvom sily dochádza ľahšie pri adsorpcii rôznych látok z prostredia, to znamená, že samotné prostredie neničí povrch telies, ale iba uľahčuje deštrukciu. Účinok prísad, ktorými sú najčastejšie povrchovo aktívne látky, spočíva predovšetkým v znížení povrchového napätia a znížení brúsnej práce. Okrem toho aditíva zmáčaním materiálu napomáhajú prenikaniu média do defektov tuhej látky a pomocou kapilárnych síl uľahčujú jej deštrukciu. Rehbinderov efekt je široko používaný v priemysle. Napríklad mletie rudy sa vždy vykonáva v vodné prostredie v prítomnosti povrchovo aktívnej látky; kvalita spracovania dielov na strojoch v prítomnosti emulzie povrchovo aktívnej látky sa prudko zvyšuje, životnosť nástrojov na obrábanie kovov sa zvyšuje a náklady na energiu procesu sa znižujú.

Disperzia je široko používaná pri výrobe emulzií - disperzných systémov, v ktorých je jedna kvapalina dispergovaná v inej kvapaline, to znamená, že obe fázy sú kvapalné (L/L). Nevyhnutnou podmienkou pre tvorbu emulzií je úplná alebo čiastočná nerozpustnosť dispergovanej fázy v disperznom prostredí. Preto sa kvapalné látky tvoriace emulziu musia líšiť polaritou. Zložkou emulzií je zvyčajne voda (polárna fáza). Druhá fáza by mala byť nepolárna alebo mierne rozpustná kvapalina, nazývaná olej bez ohľadu na jej zloženie (benzén, toluén, rastlinné a minerálne oleje).

Emulzie sa delia na dva typy: nazývame priame emulzie O/V (dispergovaná fáza – olej, disperzné médium – voda); reverzné (invertné) - emulzie V/O (disperzie vody v oleji). Príklady emulzií typu I zahŕňajú emulzie vytvorené počas kondenzácie výfukovej pary v motore, potravinové emulzie (mlieko, smotana); Typická emulzia typu II je ropa obsahujúca až 50 % soľanky. Surová ropa je emulzia V/O stabilizovaná povrchovo aktívnymi látkami rozpustnými v oleji (parafíny, asfaltény). Príklady potravinárskych reverzných emulzií zahŕňajú margaríny alebo maslo. Typ emulzie je určený objemovým pomerom fáz: dispergovaná fáza je kvapalina, ktorá je v menších množstvách. Typ možno určiť podľa schopnosti miešať sa s polárnymi a nepolárnymi rozpúšťadlami alebo rozpúšťať polárne alebo nepolárne farbivá, ako aj podľa elektrickej vodivosti (pre vodné disperzné médium je elektrická vodivosť o niekoľko rádov vyššia ako u nevodný).

Emulzie sú v prírode rozšírené a rôzne technologických procesov. Emulzie zohrávajú v ľudskom živote veľkú úlohu, napríklad krv je emulzia, v ktorej sú erytrocyty rozptýlenou fázou.

Rovnomernosť stavu agregácie dvoch susediacich fáz určuje charakteristiky stability emulzií. Sedimentačná stabilita emulzií je pomerne vysoká a čím väčší, tým menší je rozdiel v hustotách dispergovanej fázy a disperzného média. Proces sedimentácie v emulziách môže byť superponovaný procesom flokulácie (agregácie), čo vedie k zväčšovaniu častíc a následne k zvýšeniu rýchlosti ich usadzovania (alebo plávania).

Agregačná stabilita emulzií, podobne ako všetkých dispergovaných systémov, je určená ich lyofilitou alebo lyofóbnosťou. Väčšina emulzií sú lyofóbne systémy. Sú termodynamicky nestabilné a nemôžu sa spontánne vytvárať v dôsledku prítomnosti prebytočnej voľnej energie na medzifázovom povrchu. Táto nestabilita sa prejavuje samovoľným splývaním kvapôčok kvapaliny medzi sebou (koalescenciou), čo môže viesť k úplnému zničeniu emulzie a jej oddeleniu na dve vrstvy. Agregačná stabilita takýchto emulzií je možná len v prítomnosti stabilizátora, ktorý zabraňuje zlučovaniu častíc. Stabilizátorom môže byť zložka systému, ktorá je v nadbytku, alebo látka špeciálne zavedená do systému, v tomto prípade sa stabilizátor nazýva emulgátor. Ako emulgátory sa zvyčajne používajú povrchovo aktívne látky alebo látky s vysokou molekulovou hmotnosťou. Emulgátory môžu byť hydrofilné alebo hydrofóbne. Najbežnejšími hydrofilnými emulgátormi sú sodné (draselné) soli mastných kyselín, ktoré sú rozpustnejšie vo vode ako v uhľovodíkoch. Sú schopné stabilizovať priamu emulziu olej vo vode. Orientácia adsorpčnej vrstvy povrchovo aktívnej látky nastáva v súlade s Rehbinderovým pravidlom: nepolárny radikál je obrátený k nepolárnej kvapaline a polárna skupina je obrátená k polárnej. V priamych emulziách sú polárne časti emulgátora umiestnené na vonkajšej strane kvapôčok oleja a bránia ich vzájomnému priblíženiu. Rovnaké látky v reverzných emulziách sú adsorbované polárnymi skupinami na vnútornom povrchu vodných kvapiek a neinterferujú s ich zlučovaním (obr. 1.3).

Ryža. 1.3. Umiestnenie hydrofilného emulgátora v priamych líniách (A) a inverzne ( 6 ) emulzie

Za určitých podmienok je možný jav nazývaný inverzia - obrátenie fáz emulzie (alebo jednoducho obrátenie emulzie), keď sa pri zmene podmienok alebo zavedení akýchkoľvek činidiel emulzia daného typu zmení na emulziu opačný typ.

Výroba dispergovaných systémov je primárne spojená s výrobou dispergovaných častíc. Je potrebné vyriešiť nasledujúce úlohy:

• 1) distribuovať dispergované častice v disperznom médiu na požadovanú koncentráciu;
• 2) stabilizovať dispergovaný systém, aby sa dostatočne dlho zachovala jeho štruktúra a vlastnosti;
• 3) vyčistite rozptýlený systém od rôznych nečistôt.

Tieto problémy sa riešia v závislosti od špecifík (typu) konkrétneho disperzného systému.

Príprava disperzných systémov

Emulzie. Pretože emulzie sú hrubé systémy, zvyčajne sa pripravujú disperznou metódou. Kvapaliny, ktoré majú vytvoriť emulziu, sa intenzívne miešajú alebo sa podrobujú mechanickým vibráciám alebo ultrazvuku. Na získanie kvapôčok rovnakej veľkosti (t.j. monodisperzný systém) sa uskutoční homogenizácia. Tento proces pozostáva z pretláčania kvapaliny dispergovanej fázy do disperzného média cez malé otvory požadovaného priemeru pod vysokým tlakom. Táto technika sa používa napríklad pri spracovaní mlieka. V dôsledku homogenizácie priemerná veľkosť kvapky tuku sa zmenšujú z približne 1-3 na 0,1-0,2 mikrónov.

Emulzie sa získavajú aj kondenzačnými metódami (zvyčajne nahradením rozpúšťadla).

Samostatnou úlohou je výroba vysoko koncentrovaných emulzií. Patria sem emulzie s koncentráciou dispergovanej fázy vyššou ako 74 obj. %, do 99 obj. %. Kvapky dispergovanej fázy v takýchto emulziách, ktoré majú tvar mnohostranných hranolov, sú oddelené tenkými filmami kvapalného disperzného média.

Koncentrované emulzíny môžu mať mechanické vlastnosti pevné látky - pevnosť a pružnosť.

Špecifickosť prípravy koncentrovaných emulzií spočíva v tom, že dispergovaná fáza sa zavádza do disperzného kvapalného média v malých dávkach za intenzívneho miešania.

Pena. Rovnako ako emulzie, aj peny sú hrubé systémy. Preto sa v mnohých technologických procesoch peny získavajú rovnakými disperznými metódami, aké sa používajú na získanie plynových bublín.

Kondenzačné metódy na výrobu pien sú založené na presýtení roztoku plynu v danej kvapaline so zodpovedajúcou zmenou teploty alebo tlaku. Používajú sa aj chemické reakcie, pri ktorých sa uvoľňuje plyn. Ako príklad uvádzame reakciu, ktorá je základom prípravy peny v hasiacich prístrojoch:

NaHC03 + HCl > NaCl + H20 + C02

Ďalší kondenzačný spôsob výroby pien je založený na použití mikrobiologických procesov.

Koloidné roztoky. Koloidné roztoky (soly) sa získavajú rôznymi kondenzačnými metódami. Na získanie vysoko disperzných sólov je potrebné zabezpečiť splnenie nasledujúcej podmienky: rýchlosť tvorby pevných častíc musí byť mnohonásobne vyššia ako rýchlosť ich rastu. Na splnenie tejto podmienky sa pri výrobe dispergovaných častíc chemickými reakciami často používa nasledujúci spôsob: koncentrovaný roztok jednej zložky sa v malom množstve naleje do veľmi zriedeného roztoku inej zložky za veľmi intenzívneho miešania.

Gély. Vyššie uvedené systémy sú voľne rozptýlené. Výroba koherentne rozptýlených systémov má určité špecifiká. Uvažujme ako príklad prípravu gélov. Zvyčajne sa získavajú z koloidných roztokov (solov). Za určitých podmienok sa dispergované častice zlepia a dochádza ku koagulačnému procesu.

Ak majú častice anizodiametrický tvar (tyčinky, elipsoidy), potom sú spojené prevažne svojimi koncami a tvoria priestorovú štruktúru (sieť), v ktorej bunke je tekuté disperzné médium. Proces premeny sólov na gély sa nazýva tzv prechod sol-na-gel. On má dôležité v nanotechnológii. Gély, podobne ako koncentrované emulzie, teda môžu byť niekedy bikontinuálne disperzné systémy.

Vlastnosti gélov sú veľmi efektívne kontrolované zmenou koncentrácie dispergovanej fázy a tvaru dispergovaných častíc. Ďalším dôležitým faktorom je teplota: jej zvýšenie sťažuje vytváranie kontaktov medzi dispergovanými časticami, a preto sa znižuje pevnosť gélov.

Kondenzačné metódy sú založené na procesoch tvorby novej fázy spojením molekúl, iónov alebo atómov v homogénnom prostredí. Tieto metódy možno rozdeliť na fyzikálne a chemické.

Fyzická kondenzácia. Najdôležitejšími fyzikálnymi metódami na výrobu disperzných systémov sú kondenzácia z pár a nahradenie rozpúšťadla. Väčšina jasný príklad kondenzácia z pár má za následok tvorbu hmly. Pri zmene parametrov systému, najmä pri poklese teploty, môže byť tlak pár vyšší ako rovnovážny tlak pár nad kvapalinou (alebo nad pevnou látkou) a v plynnej fáze sa objaví nová kvapalná (tuhá) fáza. V dôsledku toho sa systém stáva heterogénnym - začína sa vytvárať hmla (dym). Takto sa získavajú napríklad maskovacie aerosóly, ktoré vznikajú ochladzovaním pár P2O5, ZnO a iných látok. Lyosóly sa získavajú procesom spoločnej kondenzácie pár látok, ktoré tvoria dispergovanú fázu a disperzné médium na ochladenom povrchu.

Metóda náhrady rozpúšťadla je široko používaná, založená, podobne ako predchádzajúca, na takej zmene parametrov systému, v ktorej je chemický potenciál zložky v disperznom prostredí vyšší ako rovnovážny a tendencia k prechodu do rovnovážny stav vedie k vytvoreniu novej fázy. Na rozdiel od metódy kondenzácie pár (zmena teploty) sa pri metóde výmeny rozpúšťadla mení zloženie média. Ak sa teda nasýtený molekulárny roztok síry v etylalkohole naleje do veľkého objemu vody, potom je výsledný roztok v zmesi alkohol-voda už presýtený. Presýtenie povedie k agregácii molekúl síry s tvorbou častíc novej fázy - dispergovaných.

Nahradením rozpúšťadla sa získajú sóly síry, fosforu, arzénu, kolofónie, acetátu celulózy a mnohé organické látky naliatím alkoholových alebo acetónových roztokov týchto látok do vody.

Chemická kondenzácia. Tieto metódy sú tiež založené na kondenzačnom oddelení novej fázy z presýteného roztoku. Avšak na rozdiel od fyzikálne metódy, látka, ktorá tvorí dispergovanú fázu, sa objavuje ako výsledok chemickej reakcie. Zdrojom získania koloidného systému teda môže byť akákoľvek chemická reakcia, ku ktorej dochádza pri tvorbe novej fázy. Ako príklad uvedieme nasledujúce chemické procesy.

• 1. Zotavenie. Klasickým príkladom tejto metódy je príprava zlatého sólu redukciou kyseliny chlóraurovej. Peroxid vodíka sa môže použiť ako redukčné činidlo (metóda Zsigmondy):
• 2HauCl2+3H2022Au+8HCl+302

Známe sú aj ďalšie redukčné činidlá: fosfor (M. Faraday), tanín (W. Oswald), formaldehyd (R. Zsigmondy). Napríklad,

• 2KauO2+3HCHO+K2CO3=2Au+3HCOOK+KHCO3+H2O
• 2. Oxidácia. Oxidačné reakcie sú v prírode rozšírené. Je to spôsobené tým, že pri vzostupe magmatických tavenín a plynov, z nich oddelených tekutých fáz a podzemnej vody prechádzajú všetky mobilné fázy zo zóny procesy obnovy vo veľkých hĺbkach do zón oxidačných reakcií blízko povrchu. Ilustráciou tohto druhu procesu je tvorba sólu síry v hydrotermálnych vodách s oxidačnými činidlami (oxid siričitý alebo kyslík):
• 2H2S+02=2S+2H20

Ďalším príkladom je proces oxidácie a hydrolýzy hydrogenuhličitanu železa:

4Fe(HCO3)2+O2+2H204Fe(OH)3+8CO2

Výsledný sól hydroxidu železa dodáva prírodným vodám červenohnedú farbu a je zdrojom hrdzavohnedých usadenín v spodných vrstvách pôdy.

• 3. Hydrolýza. V prírode rozšírený a v technológii dôležitý, tvorba hydrosólov v procesoch hydrolýzy solí. Na čistenie odpadových vôd sa používajú procesy hydrolýzy soli (hydroxid hlinitý získaný hydrolýzou síranu hlinitého). Vysoký špecifický povrch koloidných hydroxidov vznikajúcich pri hydrolýze umožňuje efektívne adsorbovať nečistoty - molekuly povrchovo aktívnych látok a ióny ťažkých kovov.
• 4. Výmenné reakcie. Táto metóda sa najčastejšie vyskytuje v praxi. Napríklad získanie sólu sulfidu arzénu:
• 2H3AsO3+3H2SAs2S3+6H2O,

Príprava sólu jodidu strieborného:

AgNO3+KIAgI+KNO3

Je zaujímavé, že výmenné reakcie umožňujú získať sóly v organických rozpúšťadlách. Najmä reakcia bola dobre študovaná

Hg(CN)2+H2SHgS+2HCN

Uskutočňuje sa rozpustením Hg(CN)2 v metyl, etyl alebo propylalkohole a prechodom sírovodíka cez roztok.

Reakcie dobre známe v analytickej chémii, ako je výroba zrazenín síranu bárnatého alebo chloridu strieborného

Na2S04 + BaCl2 BaS04 + 2NaCl

AgNO3 + NaCl AgCl + NaNO3

za určitých podmienok vedú k produkcii takmer priehľadných, mierne zakalených sólov, z ktorých následne môže dochádzať k zrážaniu.

Pre kondenzačnú produkciu sólov je teda potrebné, aby koncentrácia látky v roztoku presahovala rozpustnosť, t.j. roztok musí byť presýtený. Tieto podmienky sú bežné pre tvorbu vysoko dispergovaného sólu aj bežného sedimentu tuhej fázy. V prvom prípade sa však vyžaduje súlad špeciálne podmienky, ktorá podľa teórie vyvinutej Weymarnom spočíva v súčasnom výskyte obrovského množstva jadier rozptýlenej fázy. Embryo treba chápať ako minimálnu akumuláciu novej fázy, ktorá je v rovnováhe s životné prostredie. Na získanie vysoko dispergovaného systému je potrebné, aby rýchlosť tvorby zárodkov bola oveľa vyššia ako rýchlosť rastu kryštálov. V praxi sa to dosiahne naliatím koncentrovaného roztoku jednej zložky do veľmi zriedeného roztoku inej zložky za intenzívneho miešania.

Soly sa tvoria ľahšie, ak sa pri ich príprave do roztokov zavedú špeciálne zlúčeniny nazývané ochranné látky alebo stabilizátory. Ako ochranné látky pri príprave hydrosólov sa používajú mydlá, bielkoviny a iné zlúčeniny. Pri príprave organosólov sa používajú aj stabilizátory.