Дисперсные системы и основные их свойства

Дисперсная система – раздробленная система, в которой одно вещество раздроблено (диспергировано) и распределено в другом веществе. Вещество, которое диспергировано, называется дисперсной фазой, а среда, в которой это вещество распределено, - дисперсионной средой.

Системы, состоящие из одной фазы, называются гомогенными. К ним относятся истинные (молекулярные) растворы.

Системы, состоящие из двух и более фаз и имеющие поверхности раздела между фазами, называются гетерогенными. К ним относятся коллоидные растворы, суспензии, эмульсии, пены.

Коллоидные растворы – это системы, в которых частицы дисперсной фазы находятся не в виде отдельных молекул, а в виде агрегатов молекул. Число молекул в агрегатах может достигать нескольких тысяч.

Буровые растворы относятся к гетерогенным системам, у которых дисперсионная среда – нефть, вода, дизтопливо; дисперсная фаза – твердые частицы глины, утяжелителей.

Если коллоидные растворы рассматривать в проходящем свете, то они кажутся совершенно прозрачными, как и истинные растворы. При боковом освещении коллоидных растворов луч света оставляет на своем пути светящуюся полосу, что обусловлено светорассеянием.

Диффузия – это самопроизвольно протекающий в системе процесс выравнивания концентрации молекул, ионов или дисперсных частиц под влиянием тепла. Чем выше температура, тем быстрее идет диффузия. Явление диффузии необратимо, она протекает до полного выравнивания концентраций. Диффузия в большей мере проявляется в истинных растворах.

Седиментационная или кинетическая устойчивость системы –это способность дисперсной системы сохранять равномерное распределение частиц по всему объему.

Агрегативная устойчивость – это устойчивость к сцеплению частиц дисперсной системы.

В дисперсных системах протекают различные процессы. При нахождении в воде частица покрывается слоем воды за счет сил молекулярного притяжения, т.е. образуется гидратная оболочка. Это явление называется смачиванием.

Гидратная оболочка образуется в том случае, если силы притяжения между частицей и водой больше, чем силы притяжения молекул воды друг к другу. Чем больше силы притяжения, тем лучше смачивание. Хорошо смоченные частицы при столкновении не слипаются, т.к. этому мешает гидратная оболочка. При плохом смачивании при столкновении частицы слипаются и выпадают в осадок. Это явление называется коагуляцией (рисунок 23). При введении в дисперсные системы веществ, вызывающих раздробление крупных агрегатов частиц на более мелкие происходит процесс пептизации, т.е. процесс, обратный коагуляции, а вещества его вызывающие – пептизаторами.

Рисунок 23. Образование коагуляции в растворе

Коагуляция может быть:

· гидрофобной – вся поверхность дисперсной фазы гидрофобна и образуются плотные слипшиеся комки;

· гидрофильной – частицы дисперсной фазы неправильной формы, иногда листочки, при встрече они слипаются только в отдельных точках, в результате образуются рыхлые агрегаты.

Рыхлые агрегаты образуются только в мало концентрированных дисперсных системах.

При высокой концентрации частиц в процессе коагуляции образуется структурная сетка. Осадок, образовавшийся в результате седиментации, называют гелем, систему из взвешенных, не слипающихся частиц – золем (рисунок 24).

Рисунок 24. Переход золя в гель

Рисунок 25. Коагуляция частиц

а – малая концентрация частиц, образование агрегатов;

б – высокая концентрация частиц, образование структурной сетки.

Структурная сетка обладает определенной прочностью. Для того, чтобы такая дисперсная система текла, структуру необходимо разрушить – преодолеть прочность сетки. Энергия разрушения расходуется на отрыв частиц друг от друга и разрушение происходит путем перемешивания. После достаточно долгого перемешивания система может полностью потерять прочность и стать обыкновенной жидкостью. Но как только перемешивание прекращают, свободные частицы под влиянием теплового движения начинают сталкиваться и по всему объему систему восстанавливается структурная сетка и ее прочность.

Разрушать структуру путем перемешивания можно сколько угодно раз. Когда перемешивание прекратится, структура восстановится. Такой процесс перехода золя в гель и обратно называют обратимым, а это свойство дисперсных систем – тиксотропией. Чем тиксотропнее дисперсная система, тем быстрее восстанавливается структура после ее разрушения и прекращения перемешивания.

Наука о деформации и течении тел называется реологией, а свойства тел, связанные с течением и деформацией, называются реологическими.

Контрольные вопросы:

1. Какие функции выполняет буровой раствор при вращательном способе бурения?

2. Какие применяются типы промывочных жидкостей?

3. Что такое дисперсная система и каких видов она бывает?

4. Как классифицируются дисперсные системы?

5. Расскажите о классификации дисперсных систем.

6. Какие процессы протекают в дисперсных системах?

7. Что такое тиксотропия?