Диспе́рсные систе́мы, гетерогенные системы, состоящие из двух и более фаз с сильно развитой поверхностью раздела между ними. Дисперсные системы представляют собой совокупность мелких твёрдых частиц, капель, пузырьков и т. д. (дисперсная фаза), распределённых в однородной фазе (дисперсионной среде). Основным признаком, позволяющим отличить дисперсионную среду от дисперсной фазы, является непрерывность дисперсионной среды. Дисперсные системы классифицируют по агрегатному состоянию образующих систему фаз.
Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию образующих фаз
Дисперсная среда | Дисперсная фаза | ||
Твёрдая | Жидкая | Газовая | |
Твёрдая | Большинство минералов, твёрдые золи, некоторые сплавы | Некоторые виды минералов, адсорбентов, катализаторов | Пенопласты, твёрдые пены, пористые тела (активированный уголь, аэрогели, пемза) |
Жидкая | Суспензии, золи, пасты, гели | Эмульсии | Пены, вскипающие жидкости |
Газовая | Аэрозоли (дымы, пыли), порошки | Аэрозоли (туманы, облака) | Не существуют |
В зависимости от размера частиц дисперсные системы подразделяют на грубодисперсные (взвеси), состоящие из частиц размером свыше 1000 нм, и тонкодисперсные (коллоидные системы, коллоиды) с размерами частиц от 1 до 1000 нм. В отдельную группу выделяют ультрамикрогетерогенные дисперсные системы с размерами частиц от 1 до 100 нм. К частицам с размерами менее 1 нм понятие фазы неприменимо, т. к. их размеры приближаются к молекулярным. Поэтому системы, состоящие из таких частиц, принято относить к истинным (молекулярным) растворам. Чем ближе размер частиц дисперсной фазы к минимально возможному, тем сильнее проявляются масштабные эффекты, т. е. зависимость различных свойств системы от размера частиц. Если все частицы дисперсной фазы имеют одинаковые размеры, то системы называют монодисперсными; частицы дисперсной фазы неодинакового размера образуют полидисперсные системы. Другими важными характеристиками дисперсных систем являются дисперсность (величина, обратная размеру частиц) и величина межфазной поверхности.
По признаку подвижности дисперсной фазы дисперсные системы могут быть свободно- или связнодисперсные. В свободнодисперсных системах частицы дисперсной фазы не связаны между собой и могут перемещаться независимо друг от друга (золи, в том числе аэрозоли, суспензии, эмульсии). В связнодисперсных системах частицы под действием сил различной природы образуют структуру, препятствующую их свободному перемещению (гели, в том числе аэрогели и студни, пены). Наличие структуры придаёт таким системам определённые механические свойства (прочность, сопротивление сдвигу, способность сохранять форму). Самопроизвольное агрегирование и структурообразование в дисперсных системах становится возможным при достижении критической концентрации дисперсной фазы и критического размера частиц; при приближении диаметра частиц к критическому сила межмолекулярного взаимодействия частиц становится соизмеримой с их весом, что предотвращает разрушение дисперсной системы под действием силы тяжести.
По силе межмолекулярного взаимодействия дисперсной фазы с дисперсионной средой дисперсные системы подразделяют на лиофильные и лиофобные. Для первых характерно сильное межфазное взаимодействие и скомпенсированность сил межмолекулярного взаимодействия у поверхности раздела фаз, что выражается в низких значениях энергии образования новой межфазной поверхности (поверхностного натяжения). По этой причине, а также вследствие участия частиц в тепловом движении лиофильные дисперсные системы являются термодинамически устойчивыми, могут существовать неограниченно долго, для них характерно самопроизвольное диспергирование. К таким системам относятся коллоидные растворы поверхностно-активных веществ (ПАВ) и высокомолекулярных соединений, эмульсии вблизи критической температуры смешения фаз и др. Лиофобные системы характеризуются слабым межфазным взаимодействием, значительной нескомпенсированностью поверхностных сил (избытком межфазной энергии – высоким поверхностным натяжением). В результате стремления системы уменьшить избыточную поверхностную энергию за счёт сокращения межфазной поверхности может происходить слияние и укрупнение частиц дисперсной фазы (коагуляция или, в случае эмульсий, коалесценция), приводящие к разделению дисперсной системы на составляющие её однородные фазы. Таким образом, лиофобные дисперсные системы являются термодинамически неустойчивыми, для их продолжительного существования необходима специальная стабилизация. В качестве стабилизаторов применяют ПАВ, адсорбирующиеся на поверхности частиц и снижающие поверхностное натяжение на границе раздела фаз. К лиофобным системам относятся золи металлов, оксидов, сульфидов, высокодисперсные эмульсии (кроме критических) и др. Чёткого деления на лиофильные и лиофобные системы не существует: многие реальные системы занимают в такой классификации промежуточное положение.
Связь механических свойств дисперсных систем и их реологии с физико-химическими явлениями на границах раздела образующих их фаз изучает физико-химическая механика. Свойства и закономерности поведения дисперсных систем в динамическом состоянии, т. е. в условиях проведения большинства химико-технологических гетерогенных процессов, исследует физико-химическая динамика. Динамические условия затрудняют самопроизвольное агрегирование дисперсных систем, что выражается в уменьшении критического размера частиц.
Дисперсные системы образуются в результате диспергирования и конденсации. Дисперсные системы широко распространены в природе (горные породы, грунты, почвы, атмосферные аэрозоли, растительные и животные ткани и прочие); используются во многих технологических процессах. В виде дисперсных систем выпускается большинство промышленных продуктов и предметов бытового потребления.