分散度

物质被分散的程度

物质的分散度（degree of dispersion）是指物质被分散的程度。系统的界面性质会影响到系统整体的性质，当界面面积较小时，这种影响很小，往往被忽略。当系统被分散的程度越大，系统的表面积就越大，这时表面性质对系统整体性质的影响就不能忽略了。

概念介绍

一种物质或几种物质分散在另一种物质中所形成的系统称为分散系。其中被分散的物质称为分散质（分散相），分散质所处的介质称为分散剂（或分散介质）。

按分散质粒子的大小，可将分散系分成三类：真溶液、胶体分散系和粗分散系。当分散质粒子的直径小于1 nm（相当于分子或离子大小）时所形成的均匀的稳定体系称为真溶液。

当分散质粒子的直径大于100nm时所形成的分散系为粗分散系。粗分散系为多相不稳定体系。

分散质粒子大小介于1~100nm的分散系为胶体分散系。胶体分散系中的分散质粒子通常是众多分子（或离子）的聚集体，为多相体系。

物质的分散程度影响着物质的某些物理化学性质，而物质的分散程度与物质的表面积大小有直接的关系。某一物质被分散得越细，分散程度越高，总表面积就越大，通常用比表面的大小表示物质的分散度。

比表面积am是单位质量的固体所拥有的表面积。

式中，A-物质总表面积，m-物质总质量。

或是单位体积物体所拥有的表面积av。

式中，A-物质总表面积，V-物质总体积。

任何物质都具有表面，物质表面上的质点与内部质点受到的作用力不同。物质内部质点所受合力为0，而表面分子所受合力不为0，合力方向指向物质内部（下图），因而表面的质点都有向内迁移，使表面积减小的趋势。

如果把内部分子拉向表面，就必须吸收能量，克服指向物质内部的力。当这些内部分子转移出来，形成新表面时，这部分能量就转变成表面层分子的势能，因而表面层分子比内部分子的能量高，高出部分的能量称为表面能。显然，物质分散程度越大，比表面越大，表面能就越高。液体和固体都有自动减小表面能的能力。通常以凝聚和吸附的途径来降低物质的表面能。

影响

物质的分散度愈大，其表面积和比表面也愈大，相应的表面吉布斯自由能亦愈大。从热力学观点来看，这类高分散系统就愈不稳定。必然会引起系统的物理化学性质如蒸气压、沸点、熔点及其溶解度的变化，进而出现过冷、过热、过饱和及化学活性改变等各种表面现象。

饱和蒸气压

液体蒸气压的大小决定于液体分子向空间逃逸的倾向，这种倾向不仅与液体的本性和温度有关，而且还与液体的分散度（即曲率半径）有关。若在一块平板玻璃上放置一些大小不等的水滴，然后罩上玻璃罩，放置一段时间后，可以发现小水滴愈来愈小直至消失，而大水滴逐渐变大，这个现象说明半径小的小水滴的蒸气压比半径大的大水滴的蒸气压大。液体饱和蒸气压与曲率半径之间的定量关系可以用热力学方法导出：

式中，pr-半径为r微小液滴的饱和蒸气压；

p0-平面液体的饱和蒸气压；

M-液体摩尔质量；

ρ-液体密度；

σ-纯液体表面张力。

上式称为Kelvin方程，它表明液滴半径愈小，与之呈平衡的蒸气压愈大。

对于凸液面（如液滴），r>0，上式右边为正，则ln（pr/p0）>0，则pr>p0，即P凸>p平；

而对于凹液面（如液体中的小气泡），r<0，则ln（pr/p0）<0，则pr0，即P凹平；

对于平面液体，r=∞，ln（pr/p0）=0，所以pr=p0，即P平=p0。

综上所述，可以得到：在一定温度下，对同一种液体有P凸>p平>p凹，可知有凸面液体的蒸气压恒大于平面液体的蒸气压，且液滴愈小其蒸气压越大。

溶解度影响

分散度对溶解度的影响可以用与微小液滴蒸气压与曲率半径之间的Kelvin方程类似的公式表示为：

式中Cr和C0分别是微小晶体与普通晶体的溶解度，σs-1表示晶体与溶液之间的界面张力，M为晶体物质的摩尔质量，ρ为晶体物质的密度，r为微小晶粒的半径。由上式可知，微小晶体的溶解度大于普通晶体的溶解度，而且晶粒的半径愈小其溶解度也愈大。

新相生成

1.过饱和蒸气（Supersaturated Steam）

按照相平衡条件，将温度降低到露点以下，应当凝结而未凝结为液体的蒸气，称为过饱和蒸气。例如在0℃附近，水蒸气有时要达到5倍于平衡蒸气压的过饱和度，才开始自动凝结。其他如甲醇、乙醇及乙酸乙酯的蒸气也有类似情况。

过饱和蒸气之所以能够存在，是因为蒸气冷凝成液滴，从原有气相要产生一个新相-小液滴。根据Kelvin方程，新产生的小液滴的蒸气压大于平面液体的蒸气压，因此开始时的过饱和度尚未达到微小液滴的饱和状态，新相生成困难。而当蒸气中有灰尘存在或有其他固体粒子作为凝结中心时，可以大大降低其过饱和程度，使液滴核心易于生成及长大，人工降雨就是基于这个道理。

2.过热液体（Superheated Liguid）

过热液体是加热到沸点以上应当沸腾但仍不沸腾的液体。产生过热液体的原因是液体在沸腾时，不仅在液体表面层产生汽化，并且在液体内部要自动地生成极微小的气泡（新相）。此时液面是凹面，其蒸气压小于正常蒸气压，同时，形成小气泡时，还要克服很大的附加压力。因此，要使液体中沸腾产生新相小气泡，就必须充分加热升温而产生过热现象。烧开水时，气泡常常从壶底和壶壁冒出，这是因为壶底和壶壁上附着一些空气泡，可以作为液体蒸发的中心而促使液体沸腾。在实验室中为了防止液体过热引起暴沸现象，常在加热液体中预先加入一些素烧瓷片、泡沸石或是一端封口的毛细管，这些物质多孔表面中的气泡存在可作为新相种子使过热程度降低。

3.过冷液体（Supercooled Liquid）

按相平衡条件，将温度降低到正常凝固点以下，应当凝固而未凝固的液体，称为过冷液体。如纯净的水，有时可冷却到-40℃，仍呈液态而不结冰。通常把正常凝固点瓦与过冷液体的温度之差称为过冷度。即：过冷度=T0-T。

产生过冷现象的主要原因是因为微小晶体的饱和蒸气压远大于普通晶体的饱和蒸气压，如下图10-12所示。

4.过饱和溶液（Super-saturated Solution）

按照相平衡条件，溶液的浓度大于一定温度下物质的饱和浓度尚未析出晶体的溶液，称为过饱和溶液。过饱和溶液的形成是由于微小晶体的溶解度大于普通晶体的溶解度。由于溶液最初析出的晶体粒子都很小，它的溶解度大于普通晶体，来不及长大又溶解了。因此要使微小晶体的新相产生并继续长大，溶液必须有足够的过饱和度。

在生产工艺的结晶操作中，若溶液的过饱和程度太大，将会生成很细小的晶粒，不利于过滤和洗涤，从而影响产品的质量。通常采用向结晶器中投入小晶体作为新相种子的方法，防止溶液的过饱和程度过高，以期获得较大颗粒的晶体。

5.新相生成与介安状态

上述产生的过饱和蒸气、过热液体、过冷液体和过饱和溶液等现象，其共同点是在系统中产生新相较为困难。从热力学的观点看，这是由于最初生成的新相颗粒极其微小，比表面很大，相应的表面吉布斯自由能也很高，使系统处于不稳定状态。虽然实际上它能较长时间存在，但系统并不是处于真正的平衡状态。

通常把这种热力学不稳定而又能长时间存在的状态称为亚稳状态或介安状态。亚稳状态之所以能维持相当长时间，与新相种子难以形成有一定联系。

亚稳状态在日常生活和生产过程中具有重要意义。根据具体情况有时需要保持，有时需要消除这种状态。例如金属的淬火，就是将金属制品从高温下取出，放入水、油或其他介质中迅速冷却，以保持其在高温时的某些结构及特殊性能。而与淬火相反的退火过程，则是消除金属过饱和状态的一种手段，使金属重新结晶消除介安状态而形成稳定组织。例如将白口铁中以亚稳状态存在的Fe3C（硬而脆）退火后缓慢冷却，则渗碳体Fe3C分解为铁和石墨。白口铁高温退火后得到可锻铸铁，改善了产品的机械性能。

影响

分散度的大小不仅影响物质的物理性质，也对物质的化学活性产生显著的影响。煤块很难点燃，但煤粉燃烧却很容易，甚至引起爆炸。而分散为极细粉末的铁、镍、钴、锰具有很强的化学活性，以致在空气中会发生自燃现象。

在高度分散体系中，表面效应不能忽视。整个系统吉布斯自由能变化包括体相部分（为考虑表面特性）和表面效应所多出来的那部分吉布斯自由能变两部分之和，即：

dG总=dG体+dG表

因此，一般而言，反应物的分散度增高，则其化学活性增大，有利于正反应的进行。反之，产物分散度增大则不利于正反应而有利于逆反应的进行。

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