Disperze (chemie) - Dispersion (chemistry)
 | tento článek potřebuje další citace pro ověření. (prosinec 2013) (Zjistěte, jak a kdy odstranit tuto zprávu šablony) |
A disperze je systém, ve kterém jsou distribuované částice jednoho materiálu dispergovány kontinuálně fáze jiného materiálu. Obě fáze mohou být stejné nebo odlišné stavy hmoty.
Disperze jsou klasifikovány mnoha různými způsoby, včetně toho, jak velké jsou částice ve vztahu k částicím spojité fáze, ať už jsou či nejsou srážky dojde, a přítomnost Brownův pohyb. Obecně platí, že disperze částic dostatečně velkých pro sedimentace jsou nazývány pozastavení, zatímco jsou nazývány menší částice koloidy a řešení.
Struktura a vlastnosti
Disperze nevykazují žádnou strukturu; tj. částice (nebo v případě emulzí: kapičky) dispergované v kapalné nebo pevné matrici („disperzní médium“) se považují za statisticky distribuované. Proto obvykle pro disperze teorie perkolace se předpokládá, že vhodně popisuje jejich vlastnosti.
Teorii perkolace však lze použít pouze v případě, že systém, který by měl popisovat, je uvnitř nebo blízko termodynamická rovnováha. Existuje jen velmi málo studií o struktuře disperzí (emulzí), i když jsou hojně typové a používají se po celém světě v nesčetných aplikacích (viz níže).
V následujícím bude diskutována pouze taková disperze s průměrem dispergované fáze menším než 1 um. Abychom porozuměli vzniku a vlastnostem takových disperzí (včetně emulzí), je třeba vzít v úvahu, že dispergovaná fáze vykazuje „povrch“, který je pokryt („mokrý“) jiným „povrchem“, který proto tvoří rozhraní (chemie). Musí být vytvořeny oba povrchy (což vyžaduje obrovské množství energie) a mezipovrchové napětí (rozdíl povrchového napětí) nekompenzuje energetický vstup, pokud vůbec.
Experimentální důkazy naznačují, že disperze mají strukturu velmi odlišnou od jakéhokoli druhu statistického rozdělení (což by bylo charakteristikou systému v termodynamická rovnováha ), ale v kontrastu se strukturami zobrazení podobnými sebeorganizace, kterou lze popsat nerovnovážná termodynamika.[3] To je důvod, proč se z některých kapalných disperzí stanou gely nebo dokonce pevné látky při koncentraci dispergované fáze nad kritickou koncentrací (která závisí na velikosti částic a mezifázovém napětí). Rovněž byl vysvětlen náhlý výskyt vodivosti v systému rozptýlené vodivé fáze v izolační matrici.
Proces disperze
Disperze je proces, při kterém (v případě disperze pevné látky v kapalině) se aglomerované částice od sebe oddělují a vytváří se nové rozhraní mezi vnitřním povrchem kapalného disperzního média a povrchem dispergovaných částic. Tento proces usnadňuje molekulární difúze a proudění.[4]
Pokud jde o molekulární difúzi, dochází k disperzi v důsledku nerovnoměrné koncentrace zavedeného materiálu v celém objemovém médiu. Když je dispergovaný materiál poprvé zaveden do objemového média, oblast, ve které je zaveden, má potom vyšší koncentraci tohoto materiálu než kterýkoli jiný bod v objemu. Toto nerovnoměrné rozdělení má za následek koncentrační gradient, který řídí disperzi částic v médiu, takže koncentrace je konstantní v celém objemu. Co se týče konvekce, změny rychlosti mezi cestami toku v objemu usnadňují distribuci rozptýleného materiálu do média.
Ačkoli oba transportní jevy přispívají k disperzi materiálu do objemu, mechanismus disperze je primárně poháněn konvekcí v případech, kdy v objemu dochází k významnému turbulentnímu proudění.[5] Difúze je dominantním mechanismem v procesu disperze v případech malé až žádné turbulence ve velkém, kde je molekulární difúze schopna usnadnit disperzi po dlouhou dobu.[4] Tyto jevy se odrážejí v běžných událostech v reálném světě. Molekuly v kapce potravinářského barviva přidaného do vody se nakonec rozptýlí po celém médiu, kde jsou patrnější účinky molekulární difúze. Míchání směsi lžičkou však způsobí ve vodě turbulentní proudění, které urychlí proces disperze disperzí s převahou konvekce.
Stupeň rozptylu
Termín disperze také označuje fyzikální vlastnost stupně, ve kterém se částice shlukují dohromady do aglomerátů nebo agregátů. Zatímco tyto dva pojmy jsou často používány zaměnitelně, podle definic nanotechnologie ISO, an aglomerát je reverzibilní soubor slabě vázaných částic, například van der Waalsovy síly nebo fyzické zapletení, zatímco an agregát se skládá z nevratně vázaných nebo kondenzovaných částic, například skrz kovalentní vazby.[6] Úplná kvantifikace disperze by zahrnovala velikost, tvar a počet částic v každém aglomerátu nebo agregátu, sílu mezičásticových sil, jejich celkovou strukturu a jejich distribuci v systému. Složitost se však obvykle snižuje porovnáním naměřené distribuce velikosti „primárních“ částic s distribucí aglomerátů nebo agregátů.[7] Při diskusi pozastavení pevných částic v kapalném médiu, zeta potenciál se nejčastěji používá ke kvantifikaci stupně rozptylu, přičemž suspenze mají vysokou absolutní hodnotu zeta potenciál považováno za dobře rozptýlené.
Druhy disperzí
A řešení popisuje homogenní směs jednoho materiálu rozptýleného v jiném. Rozptýlené částice se neusazují, pokud je roztok ponechán nerušeně po delší dobu.
A koloidní je heterogenní směs jedné fáze v jiné, kde jsou obvykle rozptýlené částice. Stejně jako roztoky se dispergované částice neusazují, pokud je roztok ponechán nerušeně po delší dobu.
A suspenze je heterogenní disperze větších částic v médiu. Na rozdíl od roztoků a koloidů, pokud zůstanou nerušeny po delší dobu, suspendované částice se usadí ze směsi.
Ačkoli suspenze lze relativně snadno odlišit od roztoků a koloidů, může být obtížné odlišit roztoky od koloidů, protože částice rozptýlené v médiu mohou být příliš malé na to, aby je bylo možné odlišit lidským okem. Místo toho Tyndallův efekt se používá k rozlišení roztoků a koloidů. Vzhledem k různým uváděným definicím roztoků, koloidů a suspenzí uvedených v literatuře je obtížné označit každou klasifikaci konkrétním rozsahem velikosti částic.
Kromě klasifikace podle velikosti částic mohou být disperze označeny také kombinací dispergované fáze a střední fáze, ve které jsou částice suspendovány. Aerosoly jsou kapaliny rozptýlené v plynu, soly jsou pevné látky v kapalinách, emulze jsou kapaliny dispergované v kapalinách (konkrétně disperze dvou nemísitelných kapalin) a gely jsou kapaliny rozptýlené v pevných látkách.
| Fáze komponent | Homogenní směs | Heterogenní směs | ||
|---|---|---|---|---|
| Rozptýleno materiál | Kontinuální střední | Řešení: Rayleighův rozptyl vliv na viditelné světlo | Koloid (menší částice): Tyndallův efekt na viditelném světle blízko povrchu | Suspenze (větší částice): žádný významný vliv na viditelné světlo |
| Plyn | Plyn | Směs plynů: vzduch (kyslík a další plyny v dusík ) | ||
| Kapalný | Aerosol: mlha, mlha, pára, spreje na vlasy zvlhčený vzduch | Aerosol: déšť (také vyrábí duhy lomem na vodních kapičkách) | ||
| Pevný | Tuhý aerosol: kouř, mrak, vzduch částice | Tuhý aerosol: prach, písečná bouře, ledová mlha, pyroclastický tok | ||
| Plyn | Kapalný | Kyslík v voda | Pěna: šlehačka, pěna na holení | Bublající pěna, vroucí voda, limonády a šumivé nápoje |
| Kapalný | Alkoholické nápoje (koktejly ), sirupy | Emulze: miniemulze, mikroemulze, mléko, majonéza, krém na ruce hydratovaný mýdlo | nestabilní emulze a mýdlová bublina (při teplotě okolí, s duhovým účinkem na světlo způsobené odpařováním vody; suspenze kapalin je stále udržována povrchovým napětím s plynem uvnitř a vně bubliny a účinky povrchově aktivních látek se s odpařováním snižují; nakonec bublina vyskočí, když už nebude emulze a střihový účinek micely převáží povrchové napětí ztracené odpařením vody z nich) | |
| Pevný | Cukr ve vodě | Sol: pigmentovaný inkoust, krev | Bláto (půda, jíl nebo bahno částice suspendované ve vodě, lahar, pohyblivý písek ), mokrý omítka /cement /beton, křída prášek suspendovaný ve vodě, lávový proud (směs roztavené a pevné horniny), tavení zmrzliny | |
| Plyn | Pevný | Vodík v kovy | Pevná pěna: aerogel, polystyren, pemza | |
| Kapalný | Amalgám (rtuť v zlato ), hexan v parafinový vosk | Gel: agar, želatina, silikonový gel, opál; zmrzlé zmrzliny | ||
| Pevný | Slitiny, změkčovadla v plasty | Pevný sol: brusinkové sklo | přírodní kameny, sušená omítka / cement / beton, zmrzlá mýdlová bublina | |
Příklady disperzí
Mléko je běžně citovaným příkladem emulze, specifický typ disperze jedné kapaliny do jiné kapaliny, kde jsou dvě kapaliny nemísitelné. Molekuly tuku suspendované v mléce zajišťují způsob dodávání důležitých vitamínů a živin rozpustných v tucích z matky na novorozence.[8] Mechanické, tepelné nebo enzymatické ošetření mléka ovlivňuje integritu těchto tukových globulí a vede k široké škále mléčných výrobků.[9]
Slitina zesílená oxidovou disperzí (ODS) je příkladem disperze oxidových částic do kovového média, což zlepšuje vysokou teplotní toleranci materiálu. Proto mají tyto slitiny několik aplikací v průmyslu jaderné energie, kde materiály musí vydržet extrémně vysoké teploty, aby udržovaly provoz.[10]
Degradace pobřežních vodonosné vrstvy je přímým důsledkem vniknutí mořské vody do a rozptýlení do zvodnělé vrstvy po nadměrném používání zvodnělé vrstvy. Když je zvodnělá vrstva vyčerpána pro lidské použití, je přirozeně doplňována podzemní vodou pohybující se z jiných oblastí. V případě pobřežních vodonosných vrstev je zásobování vodou doplňováno jak z hranice pevniny na jedné straně, tak z hranice moře na druhé straně. Po nadměrném vypouštění se slaná voda z mořských hranic dostane do vodonosné vrstvy a rozptýlí se ve sladkovodním médiu, což ohrožuje životaschopnost vodonosné vrstvy pro lidské použití.[11] Bylo navrženo několik různých řešení pronikání mořské vody do pobřežních vodonosných vrstev, včetně technických metod umělého doplňování a implementace fyzických bariér na hranici moře.[12]
Chemická dispergační činidla se používají v ropné skvrny ke zmírnění účinků úniku a podpoření degradace ropných částic. Dispergátory účinně izolují bazény naolejované na povrchu vody do menších kapiček, které se rozptylují ve vodě, což snižuje celkovou koncentraci oleje ve vodě, aby se zabránilo další kontaminaci nebo dopadu na mořskou biologii a pobřežní divokou zvěř.[13]
Reference
- ^ Slomkowski, Stanislaw; Alemán, José V .; Gilbert, Robert G .; Hess, Michael; Horie, Kazuyuki; Jones, Richard G .; Kubisa, Przemyslaw; Meisel, Ingrid; Mormann, Werner; Penczek, Stanisław; Stepto, Robert F. T. (2011). „Terminologie polymerů a polymeračních procesů v dispergovaných systémech (doporučení IUPAC 2011)“ (PDF). Čistá a aplikovaná chemie. 83 (12): 2229–2259. doi:10.1351 / PAC-REC-10-06-03.
- ^ Richard G. Jones; Edward S. Wilks; W. Val Metanomski; Jaroslav Kahovec; Michael Hess; Robert Stepto; Tatsuki Kitayama, eds. (2009). Kompendium polymerní terminologie a nomenklatury (doporučení IUPAC 2008) (2. vyd.). RSC Publ. p. 464. ISBN 978-0-85404-491-7.
- ^ NALWA, H (2000), „Index pro svazek 3“, Příručka nanostrukturovaných materiálů a nanotechnologie, Elsevier, str. 585–591, doi:10.1016 / b978-012513760-7 / 50068-x, ISBN 9780125137607
- ^ A b Jacob., Bear (2013). Dynamika tekutin v porézních médiích. Dover Publications. ISBN 978-1306340533. OCLC 868271872.
- ^ Mauri, Roberto (květen 1991). "Disperze, konvekce a reakce v porézním médiu". Fyzika tekutin A: Dynamika tekutin. 3 (5): 743–756. Bibcode:1991PhFlA ... 3..743M. doi:10.1063/1.858007. ISSN 0899-8213.
- ^ Stefaniak, Aleksandr B. (2017). "Hlavní metriky a přístroje pro charakterizaci inženýrských nanomateriálů". V Mansfieldu, Elisabeth; Kaiser, Debra L .; Fujita, Daisuke; Van de Voorde, Marcel (eds.). Metrologie a standardizace nanotechnologií. Wiley-VCH Verlag. str. 151–174. doi:10.1002 / 9783527800308.ch8. ISBN 9783527800308.
- ^ Powers, Kevin W .; Palazuelos, Maria; Moudgil, Brij M .; Roberts, Stephen M. (01.01.2007). "Charakterizace velikosti, tvaru a stavu disperze nanočástic pro toxikologické studie". Nanotoxikologie. 1 (1): 42–51. doi:10.1080/17435390701314902. ISSN 1743-5390.
- ^ Singh, Harjinder; Gallier, Sophie (červenec 2017). "Přírodní komplexní emulze: tukové kuličky mléka". Potravinové hydrokoloidy. 68: 81–89. doi:10.1016 / j.foodhyd.2016.10.011. ISSN 0268-005X.
- ^ Lopez, Christelle (01.07.2005). „Zaměření na supramolekulární strukturu mléčného tuku v mléčných výrobcích“ (PDF). Reprodukce, výživa, vývoj. 45 (4): 497–511. doi:10.1051 / rnd: 2005034. ISSN 0926-5287. PMID 16045897.
- ^ Oak Ridge National Laboratory; Spojené státy; Ministerstvo energetiky; Spojené státy; Ministerstvo energetiky; Úřad pro vědecké a technické informace (1998). Vývoj feritických ocelí zesílených disperzí oxidů pro fúzi. Washington, DC: USA. Katedra energie. doi:10.2172/335389. OCLC 925467978. OSTI 335389.
- ^ Frind, Emil O. (červen 1982). „Pronikání mořské vody do souvislých pobřežních systémů aquifer-aquitard“. Pokroky ve vodních zdrojích. 5 (2): 89–97. Bibcode:1982AdWR .... 5 ... 89F. doi:10.1016/0309-1708(82)90050-1. ISSN 0309-1708.
- ^ Luyun, Roger; Momii, Kazuro; Nakagawa, Kei (2011). "Účinky dobíjení studní a průtokových bariér na narušení mořské vody". Podzemní voda. 49 (2): 239–249. doi:10.1111 / j.1745-6584.2010.00719.x. ISSN 1745-6584. PMID 20533955.
- ^ Lessard, R.R; DeMarco, G (únor 2000). „Význam dispergátorů ropných skvrn“. Bulletin Věda a technika. 6 (1): 59–68. doi:10.1016 / S1353-2561 (99) 00061-4.