分散（化学）
IUPACの定義

複数の相から構成される材料で、少なくとも1つの相は、連続相全体に分散したコロイドサイズの範囲にある微細な相ドメインで構成されています。[ 1 ]

注1 ：文献[ 2 ]の定義を修正

分散系とは、ある物質の分散粒子が別の物質の連続相中に分散している系である。二つの相は、物質の状態が同じ場合もあれば、異なる場合もある。

分散液は、連続相の粒子に対する粒子の大きさ、沈殿の有無、ブラウン運動の有無など、様々な基準で分類されます。一般的に、沈降するのに十分な大きさの粒子からなる分散液は懸濁液と呼ばれ、より小さな粒子からなる分散液はコロイドや溶液と呼ばれます。

構造と特性

分散液は構造を示さないと広く考えられています。つまり、液体または固体のマトリックス（「分散媒」）中に分散した粒子（エマルジョンの場合は液滴）は統計的に分布していると仮定されます。したがって、分散液の性質は、通常、パーコレーション理論によって適切に説明されると仮定されます。

しかし、パーコレーション理論は、それが記述する系が熱力学的平衡状態にあるか、それに近い場合にのみ適用できる。分散液（エマルジョン）の構造に関する研究はいくつかあるが[ 3 ] 、分散液の種類は豊富で、世界中で無数の用途に利用されている（下記参照）。分散液の複雑な構造を示す実験的証拠に基づき、分散液（一般にコロイド系）を非平衡系として理解することが提案された[ 4 ] 。

以下では、分散相径が1μm未満の分散液についてのみ考察する。このような分散液（エマルジョンを含む）の形成と特性を理解するには、分散相が「表面」を有し、それが別の「表面」によって覆われ（「濡れた」）、それによって界面（化学的性質）が形成されることを考慮する必要がある。両方の表面を形成する必要があり（これには膨大なエネルギーが必要）、界面張力（表面張力の差）は、投入されたエネルギーを補償することはない。

実験的証拠は、分散液が（熱力学的平衡状態にある系の特性である）いかなる統計的分布とも大きく異なる構造を持つことを示唆しているが、それとは対照的に、非平衡熱力学によって記述できる自己組織化に類似した構造を示す。[ 5 ]これが、分散相の濃度が臨界濃度（粒子サイズと界面張力に依存）を超えると、一部の液体分散液がゲル化、あるいは固体化してしまう理由である。また、絶縁性マトリックス中に分散した導電相を持つ系において、導電性が突然現れることも説明されている。

分散の説明

分散とは、（固体が液体中に分散している場合）凝集粒子が互いに分離し、液体分散媒の内表面と分散粒子の表面との間に新たな界面が​​生成されるプロセスである。このプロセスは、分子拡散と対流によって促進される。[ 6 ]

分子拡散に関しては、導入された物質の濃度がバルク媒体全体にわたって不均一である結果として分散が発生します。分散物質が最初にバルク媒体に導入されると、導入された領域はバルク内の他のどの点よりもその物質の濃度が高くなります。この不均一な分布により濃度勾配が生じ、媒体中の粒子の分散が促進され、バルク全体にわたって濃度が一定になります。対流に関しては、バルク内の流路間の速度差が、分散物質の媒体への分散を促進します。

どちらの輸送現象も物質のバルクへの分散に寄与するが、バルク内に大きな乱流がある場合、分散のメカニズムは主に対流によって駆動される。[ 7 ]バルク内に乱流がほとんどないか全くない場合、分子拡散によって長期間にわたって分散が促進される可能性がある場合、拡散は分散プロセスにおける支配的なメカニズムである。[ 6 ]これらの現象は、一般的な現実世界の出来事に反映されている。水に加えられた食品着色料一滴中の分子は、最終的には媒体全体に分散し、分子拡散の影響がより顕著になる。しかし、混合物をスプーンでかき混ぜると、水中に乱流が発生し、対流が支配的な分散によって分散プロセスが加速される。

分散度

分散という用語は、粒子が凝集体または集合体に凝集する度合いを示す物理的特性を指すこともあります。この2つの用語はしばしば互換的に使用されますが、ISOナノテクノロジーの定義によれば、凝集体とは、例えばファンデルワールス力や物理的な絡み合いなどによって弱く結合した粒子の可逆的な集合体であり、集合体は、例えば共有結合などによって不可逆的に結合または融合した粒子で構成されています。[ 8 ] 分散の完全な定量化には、各凝集体または集合体に含まれる粒子のサイズ、形状、数、粒子間力の強さ、それらの全体構造、そしてシステム内での分布が含まれます。しかし、通常、測定された「一次」粒子のサイズ分布を凝集体または集合体のそれと比較することで、複雑さが軽減されます。[ 9 ]液体媒体中の固体粒子の懸濁液について議論する場合、分散度を定量化するためにゼータ電位が最もよく使用され、ゼータ電位の絶対値が高い懸濁液はよく分散していると見なされます。

分散液の種類

溶液とは、溶液を長時間静置しても分散粒子が沈殿しない均質な混合物を指します。

コロイドとは、分散粒子が少なくとも一方向に約1nmから1μmの寸法を持つ、あるいはシステム内でそのオーダーの距離に不連続性が見られる不均一な混合物である。[ 10 ]

懸濁液とは、媒体中に大きな粒子が不均一に分散した状態です。溶液やコロイドとは異なり、長時間放置すると、懸濁粒子は混合物から沈殿します。

懸濁液は溶液やコロイドと比較的簡単に区別できますが、媒体中に分散している粒子が小さすぎて人間の目では区別できない場合があるため、溶液とコロイドの区別が難しい場合があります。そこで、チンダル効果を利用して溶液とコロイドを区別します。文献では溶液、コロイド、懸濁液の定義が多岐にわたるため、それぞれの分類を特定の粒子サイズ範囲で分類することは困難です。国際純正応用化学連合は、コロイドをおよそ1 nmから1 μmの範囲の粒子として標準的な命名法で定義しようと試みています。[ 11 ]

粒子サイズによる分類に加えて、分散液は、分散相と粒子が懸濁している媒質相の組み合わせによっても分類できます。エアロゾルは気体中に分散した液体、ゾルは液体中の固体、エマルジョンは液体中に分散した液体（より具体的には混ざらない 2 つの液体の分散液）、ゲルは固体中に分散した液体です。

コンポーネントフェーズ 均質混合物 不均一混合物
分散物質 連続媒体 解決策：可視光に対する レイリー散乱効果コロイド（より小さな粒子）：表面近くの可視光に対する チンダル効果懸濁液（大きな粒子）：可視光に有意な影響なし
ガスガス 混合ガス：空気（窒素中の酸素とその他のガス） 不可能
液体エアロゾル：霧、ミスト、蒸気、ヘアスプレー、湿った空気 エアロゾル：雨（水滴の屈折によって 虹も発生する）
固体固体エアロゾル：煙、雲、空気中の微粒子固体エアロゾル：砂塵、砂嵐、氷霧、火砕流
ガス 液体 水中の酸素泡：ホイップクリーム、シェービングクリーム泡立つ泡、熱湯、ソーダ、炭酸飲料
液体 アルコール飲料（カクテル）、シロップエマルジョン：ミニエマルジョン、マイクロエマルジョン、牛乳、マヨネーズ、ハンドクリーム、水和石鹸シャボン玉の不安定な乳化状態（常温では、水の蒸発により光に虹彩のような光沢が現れる。泡の内外のガスによる表面張力によって液体の懸濁状態は維持されるが、界面活性剤の効果は蒸発とともに減少する。最終的に乳化状態がなくなり、ミセルのせん断効果が水の蒸発によって失われた表面張力を上回ったときに、シャボン玉ははじける。）
固体 水に溶かした 砂糖ソル：顔料インク、血泥（水中に浮遊する土、粘土、シルト粒子、ラハール、流砂）、湿った石膏／セメント／コンクリート、水中に浮遊するチョークの粉末、溶岩流（溶けた岩石と固い岩石の混合物）、溶けたアイスクリーム
ガス 固体 金属中の水素固体フォーム：エアロゲル、発泡スチロール、軽石
液体 アマルガム（金中の水銀）、パラフィンワックス中のヘキサンゲル：寒天、ゼラチン、シリカゲル、オパール、冷凍アイスクリーム
固体 合金、プラスチック可塑剤固体ゾル：クランベリーガラス天然の岩、乾燥した石膏/セメント/コンクリート、凍ったシャボン玉

分散の例

牛乳は、乳化（エマルジョン）のよく知られた例です。乳化とは、ある液体が別の液体に分散した特殊な状態であり、2つの液体は混ざりません。牛乳に懸濁した脂肪分子は、重要な脂溶性ビタミンや栄養素を母親から新生児に届ける役割を果たします。[ 12 ]牛乳を機械的、熱処理的、あるいは酵素的に処理することで、これらの脂肪球の完全性が調整され、様々な乳製品が生まれます。[ 13 ]

酸化物分散強化合金（ODS）は、金属媒体に酸化物粒子を分散させた合金の一例であり、これにより材料の高温耐性が向上します。そのため、これらの合金は、運転を維持するために材料が極めて高い温度に耐えなければならない原子力産業において、様々な用途に使用されています。[ 14 ]

沿岸帯水層の劣化は、帯水層の過剰利用に伴う海水の浸入と拡散が直接の原因です。帯水層が人間の利用に供されなくなると、他の地域から流入する地下水によって自然に補給されます。沿岸帯水層の場合、水供給は片側の陸地境界と反対側の海域境界の両方から供給されます。過剰流出が発生すると、海域境界からの塩水が帯水層に入り込み、淡水媒体中に拡散し、帯水層の人間利用の可能性を脅かします。[ 15 ]沿岸帯水層への海水浸入に対しては、人工涵養のための工学的手法や海域境界への物理的障壁の設置など、いくつかの異なる解決策が提案されています。[ 16 ]

化学分散剤は、油流出事故において、流出の影響を軽減し、油粒子の分解を促進するために使用されます。分散剤は、水面上の油の塊を効果的に小さな液滴に分離し、水中に分散させます。これにより、水中の油濃度が低下し、海洋生物や沿岸野生生物へのさらなる汚染や影響を防ぎます。[ 17 ]

参考文献

  1. ^ Slomkowski, Stanislaw; Alemán, José V.; Gilbert, Robert G.; Hess, Michael; Horie, Kazuyuki; Jones, Richard G.; Kubisa, Przemyslaw; Meisel, Ingrid; Mormann, Werner; Penczek, Stanisław; Stepto, Robert FT (2011). 「分散系におけるポリマーおよび重合プロセスの用語（IUPAC勧告2011）」（PDF） . Pure and Applied Chemistry . 83 (12): 2229– 2259. doi : 10.1351/PAC-REC-10-06-03 . S2CID  96812603. 2013年10月20日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。2013年7月18日閲覧。
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