С. Жайлауов физикалық химия

67-сурет

233

дің өлшемі 0,1 мкм<г<10 мкм. Егер бөлшектердің дисперстік дәре-жесі төмен болса, онда оның радиусы үлкейіп, тұрақтылығы төмен-дейді де тез тұнбаға шөгеді. Суспензиялардың дисперстілігін мик-роскоп, электронды микроскоп сияқты оптикалық немесе седимен-тациялық анализ көмегімен анықтауға болады. Суспензиялар да коллоидты ерітінділер сияқты конденсациялық немесе дисперсиялық тәсіл арқылы алынады. Осы процесс кезінде алынатын бөлшекті дисперстілік дәрежесі қажетті шекте болатындай етіп жүргізеді. Сондай-ақ, суспензиялар да коллоидты ерітінділер тәрізді өзінен өтетін жарықты шашыратады және жұтады, осы тұста ескертетін жай, жарық өткен коллоидты ерітінді мөлдір болып көрінеді. Оның электрокинетикалық қасиеттері коллоидты ерітіндінікіне ұқсас келеді. Сол секілді суспензиядағы бөлшектердің дзета-по-тенциалы зольдегімен шамалас. Егер суспензияға электролит енгізсе, онда онын ұю құбылысы байқалады. Кейбір жағдайда суспензияға беттік активті заттар немесе жоғары молекулалық қосылыстарды қосу арқылы оны тұрақтандыруга болады. Мұнда тиксотропия құбылысы коллоидты ерітіндідегіден гөрі артық.

§ 57. ЭМУЛЬСИЯЛАР

Эмульсиялардағы дисиерсті фазаны құрайтын шар тәрізді бөл-шектердің өлшемі әр түрлі болады: кәдімгі көзге көрінетін бөлшек-тен бастап коллоидтық дәрежедегі дисперстілікке дейін эмульсия-дағы дисперстік фазаның бөлшектері көбінесе 0,1 —10,0 мкм ара-лығында болады. Сондықтан да оларды кәдімгі жай опгакалық микроскоп арқылы байқауға болады. Эмульсиялар да суспензия-лар тәрізді табиғат пен өндірісте кең таралған. Мысалы, сүт, жұ-мыртқаның сары уызы, қүрамында дисперстелген суы бар мұнай,

каучук өсімдіктерінің шырыны, салқын күйдегі металды өң

деуге қолданатын техникалық эмульсиялар және басқалар. Полимер өндірісінде эмульсиялық полимерлеу әдісі қолданылады. Егер полимерлеу тек мономер басқа сұйықта еритін катализатормен тікелей түйіскенде ғана жүретін болса, онда осы шартқа сәйкес жағдай жасалады. Мұндайда өзінде катализаторы бар сұйықпен түйісетін мономердің беткі қабаты біраз артады да, оған орай болатын полимерлеу реакциясының жылдамдығы сонша есе артады.

Дисперстік ортанын ролін су атқарып, дисперстік фаза ретінде — майлар, минералды майлар, бензол, толуол және басқалар қолдапылатын эмульсиялар жиі кездеседі. Суда ерімейтін сұйық-тардың бәрін “май” деп атап, оларды М әрпімен, ал суды В әрпі-мен таңбалайды. Дисперстік фазаның аталуын бөлшектің алымы-на, ал дисперстік ортаны бөлшіне жазады. Мысалы, майдың суда-ғы эмульскясы болып келетін кәдімгі сүтті, сол сияқты бензол немесе толуолдың да судағы эмульсияларын М/В деп белгілейді. Ал судың мұнайдағы және судыц сары майдағы эмульсиялары В/М деп көрсетіледі.

Эмульсиялардың тұрақтылығы. Эмульсиялардың түрақтылығы жайлы көптеген ғылыми-зерттеулер жүргізілген. Сүт тағамдарьш сақтағанда, түрлі салқындатқыш сусындар мен балмұздақты даяр-лағанда эмульсиялардың тұрақтылығы ескеріледі. Кейбір жағдай-ларда эмульсия тұрақтылығы нашарлап, құрамындағы сұйық фа-заларды жеке бөліп алуға тура келеді. Мысалы, мұнайды өңдеуден бұрын, оның құрамындағы эмульскялық бөлшек ретінде таралған суды немесе табиғи каучукті, шырын құрамындағы суды бөлу ка-жет. Сол сиякты май мен судан тұратын сүттен сары майды, кай-мақты бөліп алу үшін, әрине эмульсияны бұзады.

Эмульсиялардың кинетикалық турақтылығы ондағы бөлшектео-діңөлшемімен сипатталады. Эмульсиялардағы бөлшектердің өлше-мі мен массалары коллоидты ерітіндідегіден едәуір артық. Сон-дықтан да эмульсиялардың кинетикалық тұрактылығын сипат-тайтын бөлшек санының (концентрациясының) биіктікке қатынасы коллоидты ерітіндідегіден үлкен. Көптеген эмульсиялардағы дис-персті фазаньщ тығыздығы дисперстік ортаның тығыздығынан аз болатындығын ескерген жөн. Мұндайда эмульсиядағы бөлшек-тер тұнбаға түспестеп, сұйық бетіне қалқып шығуға тырысады. Әрине, осындай кезде дисперстік фазадағы бөлшектердің концен-трациясы оның төменгі жағынан гөрі жоғарысында артықтау бо-латыны даусыз. Мысалы, сүтті сактағанда, әсіресе, қайнатқаннан кейін оның бетінде каймакты кабат пайда болады.

Әдетте, эмульсиялардың дисперстілік дәрежесіне тәуелді бола-тын седиментациялық тепе-теңдік жағдайындағы ауысу жылдам-дығы коллоидты ерітіндідегіден артық. Эмульсиялардың тұракты-лық дәрежесі түрліше мәнде болады, олар агрегативті тұрғыдан тұрақсыз. Эмульсиялык, системаның өздігінен дисперстік фазаға жиналып, ондағы жанасу шегінің пайда болуы, шар тәрізді бөл-шектердің біріне-бірі түйісіп жабысуы арқылы жүреді. Мұндай құ-былысты коалесценция дейді. Демек эмульсияның коалесценциясы

234

ұюмен бірдей. Мысалы, су мен бензолдың бірдей мөлшерін альйі, шайқап араластырса, эмульсия пайда болады. Егер оны шайқауды тоқтатса, бірте-бірте бензол мен судың ұсақ бөлшектері біріге/ке-ліп, екі қабатқа бөлінеді. /

Эмульсия құрамына енетін фаза арасындағы жанасу шектігі беттік керілу жоғарылаған сайын, олардың агрегативті тұраксыз-дық дәрежесі артып, полярлілік дәрежесіндегі айырмашылық кө-бейеді. Жанасу шегіндегі беттік керілу айырмашылығы өте'аз бо-латын екі сұйық фазаны тауып алуға болады. Мысалы, фенол мен су өзара бірі-бірінде шекті араласып ериді. Қалыпты жагдайда фенолдың судағы және фенолдағы ерітінділері құрамдары айтар-лықтай өзгеше болады. Егер осы екі ерітіндіні алып, олардың тем-пературасын жоғарылата бастаса, онда олардың құраыдық мөлше-рі біріне-бірі жақындай түседі де, жанасу шектегі беттік керілу азаяды. Осы қоспа кризистік температурада (65,5°С-та) бір-бірін-де тең араласып ериді және осы сәтте олардың жанасу шегіндегі беткі керілу нөлге тең болады. Мұндай ерітінділерден пайда бол-ган эмульсиялар термодинамикалық тұрғыдан алғанда өте тұрақ-ты және бұл жай олардың агрегативті тұрақтылығын анықтайды.

Эмульсияларды агрегативті тұрақтылығына орай үлкен екі топқа бөледі: сұйытылған және концентрлі. Бүкіл эмульсия көле-міндегі дисперсті фазаның үлесі 0,1%-тең аспайтын болса, оны бі-рінші топқа, яғни сұйытылған эмульсиялар тобына жатқызады. Бұран бу машиналарындағы минералды майлардың конденсатта-ғы эмульсиясы мысал болады. Мүндай эмульсиядағы дисперстік фаза тамшысының бетінде адсорбцияланған иондардың болуы оны коалесценциядан сақтайды. Сондай-ақ, эмульсияның электрокине-тикалық потенциалы айтарлықтай жоғары болса, онда мундай жағдайда да коалесценция процесі жүрмейді. Концентрленген эмульсияларда дисперстік фазаның көлемі үлкен болуы мүмкін. Монодисперсті эмульсиялардағы дисперсті көлеміңе 74%-ін алады. Бірақ, кейде мұндай эмульсиялар әрі полидисперсті, әрі дисперсті фазаны құрастыратын тамшылар түрлі күш әсерінен түрін өзгер-тіп, майысатындықтан, оның көлемі 99%-ке, кейде 99,9%-ке жетеді. Концентрлі эмульсиялар бөлшектің электр заряды болса да тұрақсыз болады. Эмульсиялардың тұрақтылығын арттырып, коалесценция құбылысын болдырмау үшін оларға эмульгатор деп аталатын заттар қосады. Эмульгатор ретінде молекула құрамындағы полюсті және полюссіз тобы айқын көрінетін беттік активті заттар мен жоғары молекулалык қосылыстар қолданылады. Мысалы жоғары молекулалық қосылыс өкілі — белок сұйық фазаның кішкене тамшысыньвд беткі қабатына адсорбцияланады және ол осы сәтте екі жақты байланыстыратын жүқа қабықша түзеді. Ал мұндай қорғаушы қабықшасы жоқ өзге тамшылар бірімен-бірі тү-йіскенде тез бірігеді, яғни коалесценция қүбылысы жүреді. Ендеше сольватты кабат пен кішкене тамшы арасындағы жұқа қабықша оларды өзара бірігіп, коалесценцияланудан сақтайды. Эмульсия-дағы шар тәрізді тамшы үстіне адсорбцияланған беттік активті заттардын, молекулалары өздерінің полюсті жағымен полюссіз

236

сұйыққа, ал полюссіз жағымен полюсті сұйыққа бағытталып орна-гасады. Мұнын нәтижесінде тамшы үстінде екі өлшемді, құрылым-дьіқ кристалл тәрізді қабықша пайда болады. Бұған кәдімгі сабын кө^бікшелері мысал болады. Суды қаншама көпіртсе де, сабын бол-ма\а ондай көбік тұрақсыз және сол сәтте-ақ жойылады. Ал, сабын көбігінен түрлі өлшемдегі шар үрлеуге болады және олар едәуір механикалық әсерге шыдайды.

Күнбағыс майы мен суға гидрофилді тұрақтандырғыш ас тұзын қосып шайқаса, М/В тектегі ақ түсті сұйық эмульсия түзіле-ді. Гидрофилді ас тұзының орнына гидрофоб-ты кальций хлоридін қосса, В/М тектегі ашық сары түсті, түтқыр эмульсия пайда болады. Егер осындай ас тұзымен тұрақтандырылған М/В тектегі эмульсияра кальций хлориді мен ас тұзыньщ сәйкес 5: 1 мөлшерін қосса, онда эмульсия В/М тектегі эмульсияға айналады. Ал кальций хлориді мен ас тұзы мөлшері сәй-

кес 4 : 1 болса, онда эмульсия тұрақсыз бо/ лады. Мұндай майдың орташа тамшысыь да судың бірнеше түйіршіктері пайда лады. Онан әрі осы судың әрбір тамшы-сында май түйіршіктері пайда болуы мум-кін (69-сурет).

Берілген эмульсия тегін анықтауһың бірнеше тәсілі бар. Айталық, берілген эмульсия үлгісінде суда жақсы еритін мысалы, метиленді көк бояуын қосады./Егер эмульсия М/В текте болса, онда микріэскоп арқылы карағанда судың көк бояуымен

қатар майдьщ түссіз тамшысы көрінеді. Ал егер В/М тектегі вмуль-сия болса, онда түссіз май тамшысынын, түсында судың көк/бояуы байқалады. Мұндайда судың барлык тамшыларыньщ бояла беруі шарт емес. Сондай-ақ эмульсия тегін анықтау үшін оньІҢ) электр өткізгіштігін өлшеу де қолданылады. М/В тектегі эмульсиялар электр тогын өткізеді, өйткені ондағы үзіліссіз фаза су. Ал үзіліс-сіз фазасы май болатын В/М тектегі эмульсиялар электр тогын өт-кізбейді.

69-сурет

§ 58. КӨБІКТЕР

Көбіктер — дисперстік фазасы газ, ал дисперстік ортасы суйық болса сұйық көбік, ал дисперстік ортасы қатты зат болса қатты көбік деп аталатын дисперстік системалар.

Сұйық көбіктер. Жоғарыда айтылғандай сұйық көбік дегеніміз дисперстік фазасы газ, ал дисперстік ортасы сұйық болатын дис-перстік системалар екен. Әдетте, дисперстік фазанын, көлемі сұ-йық фаза көлемінен V _с едәуір артық болады. Бүл екі көлемнің қатынасы Ү_г : V _с= 5004-1000 болса, мұндай көбіктегі газ көпіршік-терінің түрі кисық сызықты немесе көпбұрышты болады. Ал У_г:У_е = 1-МО болса, көбік түрі шар тәрізді болады екен. Көбіктер де беткі қабатында артық энергиясы бар системалар сияқты термо-динамикалық түрғыдан алғанда тұраксыз. Қөбіктердің тұрақтылы-ғы берілген көбік бағанасыньщ жартысына дейін бүзылатынға кет-кен уақыт өлшемімен багаланады.

Сұйық көбікті сұйық қүйылған және ауасы бар ыдысты шайкап алады. Осы кездегі сұйық ұсақталып, ауамен араласа келіп, көбік құрайды. Сондай-ақ сұйық арқылы ауаны үрлегенде де көбік пай-да болады. Бұл әдіс флотацияда жиі қолданылады. Көбіктерді коиденсациялық тәсілмен де алуға болады. Кейде химиялық реакция кезінде газ бөлінеді де, ол газды фаза құрайды. Мысалы, өрт сөндіргіштегі сұйық көбік химиялық реакцияға негізделген:

NaHCO+HCI=NaCI+HO+CO

су мен көмірқышқыл газы сұйык, көбікті түзеді. Ондағы су — дисперстік орта да, көміртек (IV) оксиді — дисперстік фаза.

Әдетте таза сұйықтағы көбіктер көпке төзбейді және олар тез жарылып немесе біріге келіп жойылады. Көбіктерді тұрақтандыру мақсатымен сұйыққа белок, танид сияқты жоғары молекулалық қосылыстарды қосады, олар газ — сұйык, жанасу шегіндегі беткі қасіатқа адсорбцияланып, берік қабат құрастырады. Қөбіктерді беттік активті заттарды пайдаланып та тұрақтандыруға болады. Олар газ — сүйык, жанасу шегінде бағыттала адсорбцияланып, берій кабықша түзеді. Қөбікті тұрақтандырушы заттарды көбік тудырушылар деп те атайды.

Өмірдегі, өндірістегі көбіктердің қолданылмалық мәні ерекше, атап айтқанда, минералды майды пайдаланып жүргізген флота-циядан гөрі көбікті қолдану әрі тиімді, әрі арзан. Ұнтақталған кенді Цинералды майды пайдаланып флотациялағанда, оларды су-ға салап, шамалы ғана флотореагент — эмульгаторды қосып ара-ластырады. Осы кезде түрлі силикаттар мен карбонаттар секілді керексіз өнімдер гидрофильді реагент ретінде тұнбаға шөгеді. Ондағы металл сульфидтері тәрізді құнды өнімдер өзіне флотореа-гентті адсорбциялап, гидрофобты сипаты болады. Мүнын, нәтиже-сінде пайдалы өнім сұйық бетіне көтеріледі.

Қөбікті флотация кезінде ұнтакталған кенді сумен және көбік тудырушы заттармен араластырады. Су кұнды өнім бетіне адсорб-цияланған кезде оған гидрофобты сипат бере алатындай флотореа-гентті қосады. Енді осы гидрофобты бөлшектер көбікке жабысып, жоғары көтеріледі. Флотация жүргізілетін астаудьщ төменгі жа-ғында орналасқан трубаның майда тесігінен қысылған ауа жібе-ріледі. Осы кезде пайда болатын көпіршіктер қажетті өнімді өзіне жабыстырып жоғары көтереді, керексіздер тұнбаға шөгеді.

Сол сияқты көбіктер тамақ өнеркәсібінде де кең қолданылады. Мысалы, қант шырынын диффузиялық әдіспен тазалағанда, сұйық тсөбік қолданылады. Олар түрлі кондитерлік кремдер мен зефир-лерді, сүт және шырын коктейльдерін әзірлегенде де пайдаланы-лады.

Көбіктің пайда болуы кейбір процестер үшін зиянды. Техноло-гиялық процестер кезінде пайда болатын мұндай сұйық көбіктерді жоюға тура келеді Көбік сөндіргіштер, көбінесе, көбікті түрақтан-дырғышпен әрекеттесіп, көбікті сөндіреді немесе көбік тұрақтан-дырғыштарды реагентті ортадан ығыстырады.

§ 59. АЭРОЗОЛЬДЕР

Аэрозольдер дегеніміз дисперстік фазасы не сұйық, не қатты дене, ал дисперстік ортасы газ, әдетте, ауа болып келетін дисперстік

239

системалар. Бұған тұман, түтін, шаң сияқтылар мысал болады/ Аэрозольдердщ дисперстілігі коллоидты бөлшектікінен кіші бсь^т ғандықтан, ондағы бөлшектер ірілеу және біркелкі бола бермей; Мысалы, темекі түтініндегі бөлшек өлшемі 0,1 —1,0 мкм, тұрмі тағы түтіндікі — 0,1 —100,0 мкм, тұмандікі (Н₂О)—0,5 мкм.

Аэрозольдерді конденсациялық және диспергациялық тәсілАер-мен алады. Мұнын, арасында диспергациялық әдіс жиі қолданыла-ды: электр өрісінде шашу; Ауа қысымы арқылы тозаңдату; Ульт-радыбыс көмегімен тозаңдату; Сұйықтарды ультрацентрифуга тә-сілі бойынша тозаңдату.

Аэрозольдердің кинетикалық тұрактылығы бөлшектердің/өлше-мімен анықталады. Аэрозоль бөлшектерінің шөгу жылдамдығы дисперсгік ортаның тұтқырлығына тәуелді седиментациялық тең-деу арқылы анықталады. Мысалы, судан 1 сантиметр биіктіктен 10 минутта төмендейтін аэрозоль бөлшегі ауадағы осындай жолды бір секуидта жүреді екен. Олар тұрақсыз болады, өйткені аэрозоль бөлшектері газбен де, сұйықпеи де әрекеттеспейді. Ондағы бөлшектер космостық, гамма-ультракүлгін сәулелер әсерінен за-рядталуы мүмкін. Әйтсе де ондағы заряд шамасы үлкен болмаған-дықтан, ол агрегацияға кедергі жасамайды. Ондағы зарядты жа-санды жолмен арттыруға болады. Азрозоль бөлшектерінде кол-лоидты системалардағыдай диффузиялық қабат болмайды.

Тұмандағы сұйық бөлшектер шар тәрізді болады, ал түтін мен шаңдағылар түрлі заттар мен кристалдардың сынықтарынан тұр-ғандықтан, олар аморфты және әр түрлі пішінді. Олар конденса-ция немесе диспергация негізінде туындауы мүмкін. Конденсация-лық әдіс аэрозольдерді жоғары дисперстілікте және біркелкі етіп алуға мүмкіндік береді. Мысалы, газ күйіндегі хлорлы сутек пен аммиак қоспасынан қатты күйдегі ұнтақты аэрозольді алуға бо-лады: НС1 + NН₃ = NН₄С1. Күкірт (VI) оксидін су буымен аралас-тырғанда сұйық аэрозоль алынады: SОз + Н₂О = Н2SО₄.

Аэрозольдердің пайда болуы беттік әнергияның едәуір артуымен байланысты болғандықтан, ол біраз энергетикалық кедергілерді жеңумен сәйкес келеді. Сондықтан да конденсациялық тәсіл кезінде біршама қаныққандык, яғни тепе-тедсіздік қажет. Мұндай жағдайда буды бірден конденсациялау керек. Табиғаттағы тұман осылайша туындайды. Егер системада ұйтқы заттар болса, аэро-зольдің түзілуі жеңілдейді.

Аэрозольдер коллоидты системалар сияқты жарыкты шашыра-тады және олар Релей теңдеуіне бағынады. Осы кезеңде, дисперсті фаза мен дисперстік орталардың тығыздығы мен сыну көрсеткіш-терінің айырмасы айтарлықтай өзгешелікте болуына байланысты аэрозольдердің оптикалық қасиетінің, әсіресе, жарық шашыратуы-ның ерекше мәнде болатынын ескерген жөн. Оптикалық қасиетке негіздеп түтін пердесін қолданады. Олардын арасында фосфор (V) оксидінің орны ерекше. Оның жарықты шашырату және жұту қа-білеті бірлік өлшем ретінде қабылданған.

Аэрозольдердің қолданбалық орны ерекше мәнді. Аэрозоль

куйіндегі инсектицид есімдіктерді түрлі зиянкестерден қорғайды. Сал сияқты медицина мен парфюмериядағы кейбір дәрі-дәрмектер, препараттар тек аэрозоль күйінде қолданылады.

Қейбір жағдайларда аэрозольдер теріс роль атқарады. Мысалы, металлургия, цемент, химия өндірісі сияқты салаларда әрі ай-наланы қоршаған ортаға зиянды, әрі құнды заттар түтін, шаң, то-зан, қурамында сыртқа шығарылады. Атап айтқанда шамамен тәуліпне он мың тоннадай кенді өңдейтін мыс балқыту заводының мұржасынан көк түтінмен бірге айналаға 26 кг АsSз; 1,9 т Sb2S2; 1,9 т Сu; 2,2 т Рb; 2,8 т Zn; 0,4 т Ві шығады екен.

Соңғы кездері қоршаған ортаны қорғау адамзат денсаулығын сақтаумён тікелей сабақтас болып, ол мемлекеттік, дүниежүзілік мәні бар мәселе болып отыр. Жылу электр станциялары мен це-мент заводтарынын, 2 км радиусында күн жарығы өзінін. 29%-ке дейінгі сәулесін, ал ультракүлгінді бөлігі 65%-ін жоғалтады екен. Ал үлкен қалалардың үстіндегі күн жарығының қуаты 30—40%-ке төмендейді.

Көмір, қант, үн, қағаз сияқты органикалық қосылыстардьвд аэ-розольдары қопарылғыш келеді. Олар оттекпен жеңіл әрекеттесіп, көп мөлшерде жылу бөледі.

Өндірісте шаң-тозаңмен күресу үшін түрлі шан, ұстағыш каме-ралар қолданылады. Аэрозоль ағымы үлкен камераға еніп, көлемі бірнеше есе үлкейіп, жылдамдығын жоғалтады. Осы кезде шаң-тозаңдар шөгеді. Сол секілді түрлі желдеткіш көмегімен аэрозоль-ді кездемеден жасалған сүзгіштер арқылы өткізеді де тазалайды. Циклондарда бұрандалы бағытпен қозғалған аэрозоль бөлшектері қабырғаға қақтығысып, жылдамдығын жоғалтады да төмен шөге-ді. Соңғы кезде электр сүзгіштері де жиі қолданылуда. Аэрозоль тұрақты ток полюсінің арасынан өткенде, ондағы бөлшектер өзіне кері полюске тартылып бейтарапталып, төмен шөгеді (70-сурет). Ол үшін аэрозоль жоғары градиенттегі потен-циалы бар (0,5—1) • 10⁵ В/см ток өрісінен өткізіледі. Осы кезде аэрозоль бөлшектері ион-данады.