分散（化学）

分散系とは、ある物質の分散粒子が別の物質の連続相に分散しているシステムです。2 つの相は、物質の状態が同じ場合も、異なる場合もあります。

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、さまざまな方法で分類されます。一般に、沈降するのに十分な大きさの粒子の分散液は懸濁液と呼ばれ、より小さな粒子の分散液はコロイドや溶液と呼ばれます。

分散液には構造は現れません。つまり、液体または固体マトリックス (「分散媒体」) に分散された粒子 (またはエマルジョンの場合は液滴) は統計的に分布していると考えられます。したがって、分散液の場合、その特性は パーコレーション理論によって適切に説明できると想定されるのが一般的です。

しかし、パーコレーション理論は、それが記述するシステムが熱力学的平衡にあるかそれに近い場合にのみ適用できます。分散液（エマルジョン）の構造に関する研究はごくわずかですが、その種類は豊富で、世界中で無数の用途で使用されています（以下を参照）。

以下では、分散相の直径が 1 μm 未満の分散液についてのみ説明します。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」を示し、それが別の「表面」で覆われ (「濡れている」)、その結果、界面(化学反応)が形成されることを考慮する必要があります。両方の表面を作成する必要があります (膨大なエネルギーが必要)。界面張力 (表面張力の差) は、エネルギー入力を補償しません (補償しない場合もあります)。

実験的証拠は、分散液があらゆる種類の統計的分布（熱力学的平衡にあるシステムの特性）とは非常に異なる構造を持ち、対照的に非平衡熱力学によって説明できる自己組織化に似た構造を示すことを示唆している。^[3]これが、一部の液体分散液が、分散相の濃度が臨界濃度（粒子サイズと界面張力に依存）を超えるとゲルまたは固体に変わる理由である。また、絶縁マトリックス内に分散した導電相のシステムで導電性が突然現れることも説明されている。

分散とは、（固体が液体に分散している場合）凝集粒子が互いに分離し、液体分散媒体の内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。^[4]

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不均一なために分散が発生します。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、媒体内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の変化により、分散物質が媒体に分散しやすくなります。

両方の輸送現象は物質のバルクへの分散に寄与しますが、バルク内に著しい乱流がある場合、分散のメカニズムは主に対流によって駆動されます。^[5]バルク内に乱流がほとんどないかまったくない場合、分子拡散によって長期間にわたって分散を促進できる場合、拡散は分散プロセスにおける支配的なメカニズムです。^[4]これらの現象は、一般的な現実世界のイベントに反映されています。水に加えられた一滴の食品着色料の分子は、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ります。ただし、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ます。

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の物理的特性も指します。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ると、凝集体は、たとえばファンデルワールス力または物理的な絡み合いによって弱く結合した粒子の可逆的な集合体であるのに対し、集合体は、たとえば共有結合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。^[6] 分散を完全に定量化するには、各凝集体または集合体内の粒子のサイズ、形状、および数、粒子間の力の強さ、全体的な構造、およびシステム内での分布を考慮する必要があります。ただし、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サイズ分布と比較することで、複雑さが軽減されます。^[7]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。

溶液とは、溶液を長時間放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の寸法を持つか、システム内でそのオーダーの距離で不連続性が見られる不均一な混合物です。^[8]

懸濁液は、媒体内の大きな粒子の不均一な分散です。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ため、溶液とコロイドを区別するのは難しい場合があります。代わりに、チンダル効果を使用して溶液とコロイドを区別します。文献に記載されている溶液、コロイド、懸濁液の定義はさまざまであるため、特定の粒子サイズ範囲で各分類にラベルを付けるのは難しいです。国際純正応用化学連合は、およそ 1 nm から 1 μm の範囲の大きさの粒子としてコロイドの標準的な命名法を提供しようとしています。^[9]

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、混ざり合わない 2 つの液体の分散)、ゲルは固体中に分散した液体です。

牛乳は、乳化の例としてよく挙げられます。乳化とは、2つの液体が混ざらない状態で、ある液体が別の液体に分散した特殊なタイプのことです。牛乳に浮遊する脂肪分子は、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手段となります。^[10]牛乳を機械的、熱的、または酵素的に処理することで、これらの脂肪球の完全性が操作され、さまざまな乳製品が生まれます。^[11]

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例であり、材料の高温耐性を向上させます。そのため、これらの合金は、動作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でいくつかの用途があります。^[12]

沿岸帯水層の劣化は、帯水層の過剰使用に伴う海水の帯水層への侵入と拡散の直接的な結果である。帯水層が人間の使用に適さなくなると、他の地域から流入する地下水によって自然に補充される。沿岸帯水層の場合、水供給は一方の陸地境界ともう一方の海域境界の両方から補充される。過剰排出後、海域境界からの塩水が帯水層に入り、淡水媒体に拡散し、人間の使用における帯水層の存続を脅かす。^[13]沿岸帯水層への海水侵入に対しては、人工涵養の工学的方法や海域境界で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る。^[14]

化学分散剤は、油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、水面に溜まった油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、水中の油の全体的な濃度が低下し、海洋生物や沿岸の野生生物へのさらなる汚染や影響が防止されます。^[15]