Дисперзија (хемија)
Материјал који садржи више од једне фазе,где се најмање једна од фаза састоји од фино раздељених фазних домена, често у опсегу колоидних величина, распршених у непрекидној фази.[1]
Напомена 1: Модификација дефиниције у реф.[2]
Дисперзија је систем у коме су дистрибуиране честице једног материјала распршене у континуираној фази другог материјала. Ове две фазе могу бити у истом или различитим стањима материје.
Дисперзије се класификују на више различитих начина, укључујући величину честица у односу на честице континуалне фазе, да ли долази до таложења или не, и по присуству Брауновог кретања. Генерално, дисперзије честица које су довољно велике за седиментацију називају се суспензијама, док се оне с мањим честицама називају колоиди и раствори.
Структура и својства[уреди | уреди извор]
Дисперзије не испољавају било какав вид структуре; и.е., претпоставља се да су честице (или у случају емулзија: капљице) распршене у течној или чврстој матрици („дисперзионом медијуму”) статистички дистрибуиране. Према томе, за дисперзије се обично претпоставља да теорија перколације на одговарајући начин описује њихова својства.
Међутим, теорија перколације се може применити само ако је систем који треба описати у термодинамичкој равнотежи или близу ње. Спроведен је веома мали број студија о структури дисперзија (емулзија), мада постоји изобиље дисперзионих типова и облика употребе. У даљем тексту су разматране само дисперзије са пречником распршене фазе мањим од 1 µm. Да би се разумело формирање и својства таквих дисперзија (укључујући емулзије), мора се узети у обзир да диспергована фаза испољава „површину”, која је покривена („овлажена”) различитом „површином”, која стога формира интерфејс (хемија). Обе површине морају бити формиране (што захтева велике количине енергије), а међуповршински напон (разлика површинских напона) не компензује за унос енергије, ако уопште и доприноси.
Експериментални докази сугеришу да дисперзије имају структуру која се веома разликује од било које врсте статистичке расподеле (која би била карактеристика система у термодинамичкој равнотежи), већ за разлику од тога манифестују структуре сличне самоорганизацији, које се могу описати неравнотежном термодинамиком.[3] То је разлог зашто се неке течне дисперзије претварају у гелове или чак чврсте материјале при концентрацији дисперговане фазе изнад критичне концентрације (која зависи од величине честица и међуфазне напетости). Такође, објашњено је изненадно појављивање проводљивости у систему дисперговане проводне фазе у изолационој матрици.
Процес дисперзије[уреди | уреди извор]
Дисперзија је процес којим се (у случају дисперговања чврстог материјала у течности) агломериране честице раздвајају једна од друге и ствара се нова веза између унутрашње површине течног дисперзионог медијума и површине диспергованих честица. Овај процес је олакшан молекуларном дифузијом и конвекцијом.[4]
У погледу молекуларне дифузије, дисперзија настаје као резултат неједнаке концентрације уведеног материјала у главном медијуму. Када се дисперзовани материјал први пут унесе у већински медијум, област у којој се уводи тада има вишу концентрацију тог материјала од било које друге тачке у маси. Ова неједнака расподела резултира у градијенту концентрације који покреће дисперзију честица у медију тако да концентрација постане константна по целој маси. У погледу конвекције, варијације у брзини између путева протока у маси олакшавају дистрибуцију дисперзног материјала у медијуму.
Иако оба феномена транспорта доприносе дисперзији материјала у главном медијуму, механизам дисперзије се првенствено покреће конвекцијом у случајевима када постоји значајан турбулентни проток у маси.[5] Дифузија је доминантан механизам у процесу дисперзије у случајевима када је турбуленција у маси мала или је нема, тако да молекуларна дифузија може да омогући распршивање током дугог временског периода.[4] Ови феномени се испољавају у виду заједничких стварних догађаја. Молекули у капи боје која се додаје води ће се коначно распршити по читавом медију, при чему су ефекти молекуларне дифузије очигледнији. Међутим, мешање смеше кашиком ствара турбулентне токове у води који убрзавају процес дисперзије путем конвекцијом доминираног распршивања.
Степен дисперзије[уреди | уреди извор]
Термин дисперзија се такође односи на физичко својство степена у којем се честице сједињују у агломерате или агрегате. Иако се ова два термина често синонимно користе, према дефиницијама ИСО нанотехнологије, агломерат је реверзибилна колекција слабо везаних честица, на пример ван дер Валсовим силама или физичким уплетањем, док је агрегат састављен од неповратно везаних или спојених честица, за пример путем ковалентних веза.[6] Потпуна квантификација дисперзије би укључивала величину, облик и број честица у сваком агломерату или агрегату, јачину сила између честица, њихову укупну структуру и њихову дистрибуцију унутар система. Међутим, комплексност се обично смањује упоређивањем измерене расподеле величине „примарних” честица у односу на агломерате или агрегате.[7] Када се говори о суспензијама чврстих честица у течним медијима, зета потенцијал се најчешће користи за квантификацију степена дисперзије, при чему се суспензије које имају високу апсолутну вредност зета потенцијала сматрају добро диспергованим.
Типови дисперзије[уреди | уреди извор]
Раствор описује хомогену мешавину једног материјала распршеног у други. Дисперговане честице неће се таложити ако се раствор остави да стоји током дужег временског периода. Колоид је хетерогена мешавина једне фазе у другој, где су обично распршене честице у опсегу величина од 1 до 1000 нм. Као и раствори, распршене честице се неће таложити ако се колоидни раствор остави да стоји током дужег временског периода. Суспензија је хетерогена дисперзија већих честица у медију. За разлику од раствора и колоида, ако се суспензија остави да стоји током дужег временског периода, суспендоване честице ће се издвојити из смеше.
Док се суспензије могу релативно једноставно разликовати од раствора и колоида, разлика између раствора и колоида није увек очигледна, јер честице које су распршене у медију могу бити премале да би се разликовале голим оком. Уместо тога, користи се Тиндалов ефекат за разликовање раствора и колоида. Због постојања различитих дефиниција раствора, колоида и суспензија у литератури, тешко је означити сваку класификацију специфичним опсегом величина честица.
Поред класификације према величини честица, дисперзије се могу обележити и комбинацијом дисперговане фазе и медијумске фазе у којој су честице суспендоване. Аеросолови су течности распршене у гасу, солови су чврсте материје у течностима, емулзије су течности дисперговане у течностима (прецизније дисперзија две немешљиве течности), а гелови су течности распршене у чврстим материјама.
| Фазе компоненти | Хомогене смеше | Хетерогене смеше | ||
|---|---|---|---|---|
| Дисперговани материал |
Континуирани медијум |
Раствор: ефекат Рејлијевог расејања видљивом светлу |
Колоид (мале честице): Тиндалов ефекат у видљивој светлости у близини површине |
Суспензија (велике честице): нема значајног утицаја на видљиву светлост |
| Гас | Гас | Гас смеша: ваздух (кисеоник и други гасови у азоту) | ||
| Течност | Аеросол: магла, измаглица, пара, спрејеви за косу, влажан ваздух | Аеросол: киша (такође производи дуге преламањем на капљицама воде) | ||
| Чврст материјал | Чврсти аеросол: дим, облак, ваздушни фини прахови | Чврсти аеросол: прашина, пешчана олуја, ледена магла, пирокластични ток | ||
| Гас | Течност | Кисеоник у води | Пена: шлаг, пена за бријање | Пенушава пена, кипућа вода, газирана и пенушава пића |
| Течност | Алкохолна пића (коктели), сирупи | Емулзија: миниемулзија, макроемулзија, млеко, мајонез, крема за руке, хидратисани сапун | нестабилна емулзија сапунских мехура (при собној температури, с ефектом преливајућих боја на светлу узрокованим испаравањем воде; суспензија течности се и даље одржава површинским напоном са гасом унутар и изван мехура, и сурфакантским ефектима који се умањују услед испаравања; коначно мехур пуца када више нема емулзије, а ефекат смицања мицела надмаши површински напон умањен испаравањем воде из њих) | |
| Чврст материјал | Шећер у води | Сол: пигментисано мастило, крв | Блато (честице тла, глине или муља суспендовне у води, лахар, живи песак), влажни малтер/цемент/бетон, кредни прах суспендован у води, ток лаве (мешавина растопљеног и чврстог камена), топећи сладоледи | |
| Гас | Чврст материјал | Водоник у металима | Чврста пена: аерогел, стиропор, пловућац | |
| Течност | Амалгам (жива у злату), хексан у парафинском воску | Гел: агар, желатин, силикагел, опал; замрзнути сладолед | ||
| Чврст материјал | Легуре, пластификатори у пластикама | Чврсти сол: златно стакло | природни камен, осушени малтер/цемент/бетон, замрзнути мехур сапуна | |
Примери дисперзије[уреди | уреди извор]
Млеко се често наводи као пример емулзије, специфичног типа дисперзије једне течности у другој течности, при чему се две течности не мешају. Молекули масти суспендовани у млеку пружају начин испоруке важних витамина и хранљивих материја растворљивих у мастима од мајке до новорођенчета.[8] Механичка, термална или ензимска обрада млека манипулише интегритет ових глобула масноће и резултира у широком избору млечних производа.[9]
Оксидна дисперзионо ојачана легура (ОДС) је пример дисперзије честица оксида у металном медију, што побољшава толеранцију материјала на високу температуру. Због тога ове легуре имају неколико примена у индустрији нуклеарне енергије, где материјали морају да издрже екстремно високе температуре да остали оперативни.[10]
Деградација приобалних аквифера је директна последица продирања морске воде, и њене дисперзије у аквиферу након прекомерне употребе аквифера. Када је аквиферни слој исцрпљен за људску употребу, природно се допуњава подземном водом која се премешта из других подручја. У случају приобалних аквифера, снабдевање водом се обнавља са копнене границе с једне стране и морске границе с друге стране. Након прекомерног испуштања, слане воде са морске границе улазе у аквифер и распршују се у слатководном медију, угрожавајући одрживост аквифера за људску употребу.[11] Предложено је неколико различитих решења за продор морске воде у приобалне аквифере, укључујући инжењерске методе вештачког пуњења и примену физичких баријера на граници мора.[12]
Хемијски дисперзанти се користе у изливеној нафти како би се ублажили ефекти изливања и промовисала деградација честица нафте. Дисперзанти ефикасно изолују нафтне агломерате на воденој површини у мање капљице које се распршују у воду, што снижава свеукупну концентрацију нафте у води како би се спречило даље контаминирање или утицај на морску биологију и приобалне дивље животиње.[13]
Референце[уреди | уреди извор]
- ^ Сломкоwски, Станислаw; Алемáн, Јосé V.; Гилберт, Роберт Г.; Хесс, Мицхаел; Хорие, Казуyуки; Јонес, Рицхард Г.; Кубиса, Прземyслаw; Меисел, Ингрид; Морманн, Wернер; Пенцзек, Станисłаw; Степто, Роберт Ф. Т. (2011). „Терминологy оф полyмерс анд полyмеризатион процессес ин дисперсед сyстемс (ИУПАЦ Рецоммендатионс 2011)” (ПДФ). Пуре анд Апплиед Цхемистрy. 83 (12): 2229—2259. дои:10.1351/ПАЦ-РЕЦ-10-06-03. Архивирано из оригинала (ПДФ) 20. 10. 2013. г. Приступљено 27. 06. 2019.
- ^ Рицхард Г. Јонес; Едwард С. Wилкс; W. Вал Метаномски; Јарослав Каховец; Мицхаел Хесс; Роберт Степто; Татсуки Китаyама, ур. (2009). Цомпендиум оф Полyмер Терминологy анд Номенцлатуре (ИУПАЦ Рецоммендатионс 2008) (2нд изд.). РСЦ Публ. стр. 464. ИСБН 978-0-85404-491-7.
- ^ НАЛWА, Х (2000), „Индеx фор Волуме 3”, Хандбоок оф Наноструцтуред Материалс анд Нанотецхнологy, Елсевиер, стр. 585—591, ИСБН 9780125137607, дои:10.1016/б978-012513760-7/50068-x
- ^ а б Јацоб., Беар (2013). Дyнамицс оф Флуидс ин Пороус Медиа. Довер Публицатионс. ИСБН 978-1306340533. ОЦЛЦ 868271872.
- ^ Маури, Роберто (мај 1991). „Дисперсион, цонвецтион, анд реацтион ин пороус медиа”. Пхyсицс оф Флуидс А: Флуид Дyнамицс (на језику: енглески). 3 (5): 743—756. Бибцоде:1991ПхФлА...3..743М. ИССН 0899-8213. дои:10.1063/1.858007.
- ^ Стефаниак, Александр Б. (2017). „Принципал Метрицс анд Инструментатион фор Цхарацтеризатион оф Енгинееред Наноматериалс”. Ур.: Мансфиелд, Елисабетх; Каисер, Дебра L.; Фујита, Даисуке; Ван де Воорде, Марцел. Метрологy анд Стандардизатион оф Нанотецхнологy (на језику: енглески). Wилеy-ВЦХ Верлаг. стр. 151—174. ИСБН 9783527800308. дои:10.1002/9783527800308.цх8.
- ^ Поwерс, Кевин W.; Палазуелос, Мариа; Моудгил, Бриј M.; Робертс, Степхен M. (1. 1. 2007). „Цхарацтеризатион оф тхе сизе, схапе, анд стате оф дисперсион оф нанопартицлес фор тоxицологицал студиес”. Нанотоxицологy. 1 (1): 42—51. ИССН 1743-5390. дои:10.1080/17435390701314902.
- ^ Сингх, Харјиндер; Галлиер, Сопхие (јул 2017). „Натуре'с цомплеx емулсион: Тхе фат глобулес оф милк”. Фоод Хyдроцоллоидс. 68: 81—89. ИССН 0268-005X. дои:10.1016/ј.фоодхyд.2016.10.011.
- ^ Лопез, Цхристелле (1. 7. 2005). „Фоцус он тхе супрамолецулар струцтуре оф милк фат ин даирy продуцтс”. Репродуцтион, Нутритион, Девелопмент (на језику: енглески). 45 (4): 497—511. ИССН 0926-5287. ПМИД 16045897. дои:10.1051/рнд:2005034.
- ^ Оак Ридге Натионал Лабораторy; Унитед Статес; Департмент оф Енергy; Унитед Статес; Департмент оф Енергy; Оффице оф Сциентифиц анд Тецхницал Информатион (1998). Девелопмент оф оxиде дисперсион стренгтхенед ферритиц стеелс фор фусион. (на језику: енглески). Wасхингтон, D.C.: Унитед Статес. Депт. оф Енергy. ОЦЛЦ 925467978. дои:10.2172/335389.
- ^ Фринд, Емил О. (јун 1982). „Сеаwатер интрусион ин цонтинуоус цоастал аqуифер-аqуитард сyстемс”. Адванцес ин Wатер Ресоурцес. 5 (2): 89—97. Бибцоде:1982АдWР....5...89Ф. ИССН 0309-1708. дои:10.1016/0309-1708(82)90050-1.
- ^ Луyун, Рогер; Момии, Казуро; Накагаwа, Кеи (2011). „Еффецтс оф Рецхарге Wеллс анд Флоw Барриерс он Сеаwатер Интрусион”. Гроундwатер (на језику: енглески). 49 (2): 239—249. ИССН 1745-6584. ПМИД 20533955. дои:10.1111/ј.1745-6584.2010.00719.x.
- ^ Лессард, Р.Р; ДеМарцо, Г (фебруар 2000). „Тхе Сигнифицанце оф Оил Спилл Дисперсантс”. Спилл Сциенце & Тецхнологy Буллетин (на језику: енглески). 6 (1): 59—68. дои:10.1016/С1353-2561(99)00061-4.
