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Dispersion (Stoffgemisch)
Dabei sind ein oder mehrere Stoffe als sogenannte disperse Phase fein verteilt in einem anderen kontinuierlichen Stoff, dem sogenannten Dispersionsmedium.
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Definition und Aufbau
Eine Dispersion ist in der Kolloidchemie und Verfahrenstechnik ein heterogenes Gemisch aus mindestens zwei Stoffen. Diese Stoffe lösen sich nicht oder kaum ineinander und reagieren nicht oder kaum chemisch miteinander. Ein oder mehrere Stoffe sind als disperse Phase fein in einem anderen, kontinuierlichen Stoff verteilt. Dieser umgebende Stoff heißt Dispersionsmedium.
Für die disperse Phase werden auch die Begriffe dispergierte Phase, innere Phase, Nebenphase verwendet. Das Dispersionsmedium heißt auch Dispersionsmittel, Dispergens, kontinuierliche Phase, äußere Phase oder Hauptphase.
Die einzelnen Phasen lassen sich deutlich voneinander abgrenzen. Meist können sie durch physikalische Verfahren wie Filtrieren oder Zentrifugieren wieder getrennt werden. Teilweise trennen sie sich durch Sedimentieren, also durch selbstständiges Absetzen, von allein.
In der Oberflächenchemie wird „Dispersion“ vereinzelt auch anders verwendet: Dort bezeichnet der Begriff als dimensionslose Zahl das Verhältnis der Oberflächenatome zu allen Atomen eines Festkörpers oder Nanoteilchens.
Einteilung nach der Teilchengröße
Disperse Systeme werden anhand der Größe ihrer Teilchen in drei Gruppen eingeteilt:
• Molekulardisperse Systeme haben Teilchen unter 1 nm. Die Grenzen zwischen disperser Phase und Dispersionsmedium sind nicht sichtbar. Eine mechanische Trennung ist durch Nanofiltration möglich. Bei Gasgemischen können Kaskaden von Gaszentrifugen gegebenenfalls eine An- oder Abreicherung bewirken. Beispiele sind echte Lösungen und fluide Phasen.
• Kolloiddisperse Systeme besitzen Teilchen von 1 nm bis 1 µm. Unter einem Ultramikroskop sind die Phasengrenzen sichtbar; außerdem ist die Brownsche Bewegung erkennbar, also die unregelmäßige Bewegung sehr kleiner Teilchen. Flüssige Systeme können durch Ultrazentrifugen oder Ultrafiltration getrennt werden. Ein Beispiel sind Proteinlösungen.
• Grobdisperse Systeme enthalten Teilchen über 1 µm. Die Grenzen zwischen den Phasen sind häufig bereits ohne Mikroskop sichtbar, während die Brownsche Bewegung nicht merklich ist. Bei Flüssigkeiten ist eine Trennung durch Zentrifugieren oder Filtrieren möglich. Milchfettkügelchen sind ein Beispiel.
Haben alle Teilchen ungefähr dieselbe Größe, heißt das System monodispers, homodispers oder isodispers. Bei unterschiedlichen Teilchengrößen spricht man von einem heterodispersen oder polydispersen System.
Einteilung nach Aggregatzuständen
Bei zweiphasigen Dispersionen werden die Aggregatzustände der dispersen Phase und des Dispersionsmediums miteinander kombiniert. Daraus entstehen insgesamt acht Dispersionsarten:
• Flüssigkeit in Flüssigkeit: Emulsion. • Gas in Flüssigkeit: Schaum. • Feststoff in Flüssigkeit: Suspension. • Flüssigkeit in Gas: flüssiges Aerosol oder Nebel. • Feststoff in Gas: festes Aerosol oder Rauch. • Flüssigkeit in Feststoff: durchfeuchteter poröser Festkörper oder fester Schaum. • Gas in Feststoff: trockener poröser Festkörper oder fester Schaum. • Feststoff in Feststoff: feste, gefügedichte Mischung.
Gas in Gas bildet keine weitere Dispersionsart: Eine Gasmischung ist mikroskopisch immer homogen und deshalb keine Dispersion. Das gilt auch dann, wenn makroskopisch Konzentrationsgradienten vorhanden sind.
Die Einordnung der inneren Phase als fest oder flüssig kann manchmal schwierig sein. Fein verteilte feste und flüssige Stoffe zeigen in einem gasförmigen Dispersionsmedium ähnliche Fließeigenschaften.
Typische Arten und Beispiele
Eine Suspension besteht aus einem Festkörper in einer Flüssigkeit. Beispiele sind Kalkmilch, Scheuermilch, naturtrüber Apfelsaft, Marmelade und Gletschermilch. Eine Emulsion verteilt eine Flüssigkeit in einer anderen Flüssigkeit; dazu gehören Milch, Butter, Hautcreme und Lotion. Milch enthält zugleich emulgiertes Milchfett und suspendiertes Kasein und ist damit eine komplexere Dispersion.
Bei einem Aerosol ist ein Feststoff oder eine Flüssigkeit in einem Gas verteilt. Feste Aerosole sind etwa Rauch, Feinstaub in der Luft, Sandstürme, Schneefall, Pulver und Puder. Flüssige Aerosole sind Nebel, Wolken und Regen. Ein Schaum besteht dagegen aus Gas in einer Flüssigkeit, beispielsweise Seifenschaum, ausperlender Sekt, Colaschaum, Löschschaum und Schlagsahne.
Feststoffe können ebenfalls als Dispersionsmedium dienen. Feststoffgemische beziehungsweise Feststoffgemenge sind etwa Granit, Konglomerat, Kies im Beton und Pigmente in ausgehärteten Anstrichen. Flüssigkeitseinschlüsse in Festkörpern finden sich beispielsweise in einem nassen Badeschwamm, als Trübung in Bernstein oder in einem feuchten porösen Backstein. Gas in einem Feststoff bildet einen porösen Körper oder festen Schaum, etwa Schaumstoff, Porenbeton, Metallschaum oder Luftblasen in Eis.
Auch biologische Systeme können Dispersionen sein: Im Blut sind Erythrozyten in einer Flüssigkeit verteilt. Knochen wird als Biokolloid aus Apatit in Kollagen beschrieben. Bei Gelen sind Makromoleküle in einem Lösungsmittel verteilt; Beispiele sind Leime und Gele. Mizellen sind Aggregate in einer Flüssigkeit und treten etwa bei Seife und Farbstoffen auf.
