ФІЗИЧНА І КОЛОЇДНА ХІМІЯ Електронний посібник
Головна Анотація Теоретичні відомості Список використаних джерел Укладачі	СТРУКТУРНО-МЕХАНІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ДИСПЕРСНИХ СИСТЕМ
	9.1. Вільно- і зв’язанодисперсні системи. 9.2. Коагуляційно-тиксотропні та конденсаційно-кристалізаційні структури. 9.1. Вільно- і зв’язанодисперсні системи Дисперсні системи з рідким і твердим дисперсійним середовищем, як всі конденсовані системи, мають певні механічні властивості – в'язкість, пластичність, пружність, міцність. Ці властивості пов'язані зі структурою системи і тому їх називають структурно-механічними. Ще їх називають реологічними, бо реологія – наука про деформацію і текучість матеріалів. Реологічні властивості вільнодисперсних і зв'язнодисперсних систем значно відрізняються. До вільнодисперсних належать безструктурні системи (суспензії, емульсії, аеро- та ліозолі), яких частинки дисперсної фази не зв’язані в одну суцільну мережу і здатні незалежно переміщуватися в дисперсійному середовищі під впливом броунівського руху або сили тяжіння. Рис. 9.1.1. Приклад вільнодисперсних систем: емульсія – соуси; У зв’язанодисперсних системах частинки утворюють просторову структуру, тому вони не можуть вільно переміщуватися. До таких систем належать гелі, капілярно-пористі тіла або діафрагми, а також піна та висококонцентровані емульсії. Рис. 9.1.2. Приклад зв’язанодисперсних систем: гель – жиле; піна – крем Течія вільнодисперсних систем підкоряється тим же закономірностям, що і течія чистого дисперсійного середовища, тільки в'язкість їх вища за в'язкість середовища. Зв'язнодисперсні системи мають деякі властивості твердих тіл – здатність зберігати форму, міцність, пружність, еластичність. Однак структура зв'язнодисперсних систем порівняно легко руйнується і вони набувають здатності до течії. Проміжні реологічні властивості мають структуровані рідини: вони спроможні текти, але не підпорядковуються законам течії звичайних рідин. Структурована рідина – це система з невеликою концентрацією дисперсної фази, але з яскраво вираженою тенденцією частинок до злипання. Вивчення реологічних властивостей дисперсної системи дозволяє визначити характер її структури. Коагуляційні структури утворюються у тому випадку, коли під дією будь-яких причин агрегативна стійкість колоїдної системи знижується, але не зовсім зникає. Перехід колоїдного розчину з вільнодисперсного стану у зв'язанодисперсний називають гелеутворенням, а утворені при цьому структуровані колоїдні системи називають гелями. Якщо колоїдні частинки повністю втрачають агрегативну стійкість, то вони будуть з'єднуватися у великі агрегати, утворюючи густий осад – коагулят, а не пухку структуру колоїдних частин – гель. Гелеутворення може (бути визнано) відбуватись при додаванні, збільшенню концентрації золя, зниженню температури. Зі збільшенням концентрації електроліту знижується агрегативна стійкість, збільшення часткової концентрації золя веде до зростання кількості контактів між частинками, зі зниженням температури знижується інтенсивність броунівського руху та стійкість просторих міцелярних структур збільшується. Рис. 9.1.3. Гелеутворення: 1) частинки дисперсної фази; 2) ділянка поверхні частинок, що втратили фактор стійкості після стабілізації; 3) ділянка поверхні частинок, що мають фактор стійкості; 4) структури, що заповнені дисперсійним середовищем Коагуляційні структури мають властивість відновлюватися після їх руйнування внаслідок будь-якої механічної дії. Цю властивість структурованих систем називають тиксотропією. Гель можливо перевести у золь, внаслідок додавання до нього електроліту – стабілізатора, цей процес називають пептизацією. Під час додавання до гелю електроліту – пептизатора, іони його, сортуючись на частинках, відновлюють подвійний електричний шар на кінцях частинок. Зчеплення між частинками порушається, міцелярна структура руйнується і гель перетворюється у золь. 9.2. Коагуляційно-тиксотропні та конденсаційно-кристалізаційні структури Структуроутворення в дисперсних системах За П.О. Ребіндером, розрізняють два типи структур у колоїдних та мікрогетерогенних системах: коагуляційно-тиксотропні та конденсаційно-кристалізаційні. Коагуляційно-тиксотропні структури виникнуть у дисперсних системах внаслідок сил Ван-дер-Ваальса, які діють між частинками на відстані, що відповідає далекому мінімумі на потенційній залежності, коли між частинками дисперсної фази є проміжки середовища. Ці прошарки зумовлюють відносно невелику міцність і яскраво виражені пластичні властивості структур. Формування коагуляційних структур сприяє анізометрія частинок. На кутах, ребрах, кінцях таких частинок менш розвинені ПЕШ і сольватні прошарки, тому злипання частинок відбувається на цих ділянках. Злипаючись частинки формують просторову сітку, в міжчастинковому просторі цієї сітки міститься дисперсійне середовище (рис. 9.2.1). Рис. 9.2.1. Будова коагуляційної структури: 1) частинки дисперсної фази; 2) дестабілізовані ділянки поверхні; 3) проміжки між частинками, заповнені дисперсійним середовищем Серед харчових продуктів коагуляційна структура характерна для вершкового масла, маргарину, сметани, кефіру, крему, сирих м'ясних та ліверних фаршів, ковбас. Коагуляційні структури виникають у результаті зниження агрегативної стійкості дисперсних систем. Слабкі молекулярні зв’язки між частинками можуть бути розірвані шляхом механічної дії на структуровану систему (перемішування, збовтування). Розрив зв’язків між частинками призводить до руйнування структури. Частинки, які втратили взаємний зв’язок, переходять у стан броунівського руху. Знаходячись в стані броунівського руху, частинки багатократно стикаються між собою; в процесі зіштовхування вони потрапляють одна на одну такими місцями поверхні, де товщина сольватної оболонки невелика, і де сили притягання достатні для того, щоб подолати кінетичну енергію частинок, що рухаються, і викликати їх зчеплення, що призводить до виникнення і поступового розвитку структури. Після припинення механічної дії зруйнована структура через певний час відновлюється. Специфічною властивістю коагуляційних структур є тиксотропія – здатність дисперсійної системи самочинно відновлювати структурну впорядкованість після руйнування внаслідок механічної дії. Зв’язки, зруйновані за механічної дії, відновлюються в результаті успішних зіткнень частинок, що перебувають у броунівському русі. Рис. 9.2.2. Тиксотропія Явище тиксотропії має широке розповсюдження. Тиксотропно-оборотні структури утворюються не тільки в колоїдних системах, але й у високодисперсних суспензіях. Тиксотропні властивості виявляються в суспензіях глин, а також в ґрунтах. Властивість деяких ґрунтів розм’якшуватися під впливом механічної дії зумовлена їх тиксотропністю (такі ґрунти називаються пливунами). Пливуни сильно ускладнюють будівельні та гірські роботи; розріджуючись під дією гідростатичного і гідродинамічного тиску ґрунтової води, вони заповнюють вироблений простір. Тиксотропні властивості глинистих суспензій (так званих глинистих розчинів) широко використовують у техніці під час буріння свердловин. Розмішування таких суспензій під час накачування в свердловини робить їх текучими. Потрапляючи на стінки свердловин, суспензія твердне, тобто перетворюється на структуровану систему; відбувається глинізація свердловин, що попереджає обсипання стінок свердловин і їх обвали. Рис.9.2.3. Приклади тиксотропії Структурована система, яка втратила текучість, утворена в результаті коагуляційного процесу, називається гелем. Наприклад: золь Fe(OH)3 за певних умов переходить у гель. Під час струшування пробірки гель розріджується, тобто переходить у золь. Під час стояння розріджений золь через деякий час знову переходить у гель. Отже, відбувається геле утворення, тобто перехід системи із вільнодисперсного стану в зв’язанодисперсний. Механічна дія, наприклад, перемішування, руйнує гель. У деяких випадках швидкість гелеутворення зростає, якщо посудину із золем повільно обертати. Це явище відкрите Фрейндліхом одержало назву реопексії. Рис. 9.2.4. Реопексна неньютонівська рідина Системи з коагуляційними структурами здатні до синеразису, тобто до самодовільного зменшення розмірів гелю з одночасним виділенням з нього дисперсійного середовища. Конденсаційно-крісталізаційні струкутри притаманні натуральним продуктам (м'ясо і м'ясопродукти). У конденсаційно-кристалізаційних структурах зв'язки між частинками утворені за рахунок головних валентностей. Для цих структур характерні пружнокрихкі властивості. Тиксотропія, пластичність і еластичність в них не спостерігаються. На утворення зв'язків у таких структурах впливає присутність у системі ПАР, що змінюють умови формування кристалів, та їх зрощення. На відміну від зв’язків, зумовлених молекулярними силами і які призводять до утворення оборотних, тиксотропних структур, контакти між частинками, що стикаються, можуть привести до встановлення хімічного зв'язку. В місці контакту атоми, які належали раніше окремим молекулам, зв’язуються хімічним, валентним зв’язком, що відповідає утворенню нової більш складної молекули. Вказаний процес зростання молекул може привести в своєму розвитку до утворення суцільної структури, яка охоплює всю систему. Каркас у такій структурі можна розглядати як одну величезну молекулу, оскільки всі зв’язки тут є хімічними. Укладена в комірках каркасу рідина зв’язана в основній своїй масі механічно. Система набуває твердоподібні властивості та називається студнем. Прикладом системи, що має конденсаційно-кристалізаційну структуру, є морозиво, студень силікатної кислоти. ЦІКАВО ЗНАТИ Вчені створили їстівні пляшки Ooho Як запевняють науковці, розробка дозволить поліпшити екологічну ситуацію в світі. Незвичайна тара буде називатися Ooho. Інноваційні ємності зроблені з водоростей методом гелеутворення. Цей прийом часто використовують у кулінарії. Під час виробництва їстівної тари використовують суміш хлориду кальцію і альгінату натрію, взятого з бурих водоростей. Молекулярна кухня: що це таке? Молекулярна кухня – це нове слово в кулінарії. Засновниками молекулярної кухні вважаються хімік Ерве Тис та фізик ядерник Ніколас Курті. Про такий вид гастрономії почули ще в 1992 роках і з того часу молекулярна кухня стала невід’ємною частиною багатьох відомих та дорогих ресторанів. Страви молекулярної кухні готують не для того, щоб досита нагодувати людину, а довести всім, що приготування їжі може бути мистецтвом. Замість звичайної пательні та каструлі, кулінари молекулярної кухні використовують центрифугу, сухий лід, азот, вакуумне приготування їжі. А замість приправ – спеціальні компоненти, такі як агар-агар, мальтодекстрин (патока), ксантанову смолу, лактат кальцію тощо. Завдяки цьому можна отримати з будь-якого продукту піну, морозиво чи гель. Еспуми Фішкою молекулярної кухні є так звані еспуми, простою мовою – піна. Таку піну можна отримати з різноманітних продуктів, як з овочів та фруктів, так із борщів, супів. До прикладу, один з кухарів на гастрономічному саміті переміг зі стравою з бородінського хліба із сіллю та соняшниковою олією у формі еспуми. Гелі та сфери Страви у вигляді гелю – не новинка для гурманів, оскільки всім здавна відомий желатин і агар-агар. Але створення їстівних гелевих сфер з будь-яким смаком, одночасно і холодних, і гарячих – це щось свіженьке. Приготування такого дива нагадує принцип виготовлення у радянські часи фальшивої чорної та червоної ікри. Питання для самоконтролю 1. Які властивості дисперсної системи називаються реологічними? 2. Чим відрізняються реологічні властивості вільно – і зв’язнодисперсних систем? 3. Які структури утворюються у дисперсних системах? 4. За рахунок яких сил утворюються коагуляційно-тиксотропні та конденсаційно-кристалізаційні структури? 5. У чому полягають явища синерезису та реопексії? 6. У чому полягають явища тиксотропії?
	Попередня тема	На початок	Наступна тема