Wielkość cząstek — definicja, klasyfikacja i rozkład wielkości

Wielkość cząstek — przystępne definicje, klasyfikacja i metody pomiaru rozkładu wielkości ziaren dla gleb, proszków i materiałów sypkich.

• Rozmiar cząsteczek (ogólny) zawiera ogólne definicje pojęcia rozmiaru cząsteczek.
• Rozmiar cząsteczek (wielkość ziarna) zawiera szczegółowe informacje na temat wielkości cząsteczek gleb, proszków, żwiru itp.
• Rozkład wielkości cząsteczek

Definicja

Wielkość cząstek (rozmiar cząsteczek) to miara liniowego wymiaru pojedynczego elementu materiału stałego, ciekłego lub gazowego, zwykle opisywana jako średnica równoważna sferze mającej tę samą objętość lub pole powierzchni. W praktyce rozmiar może odnosić się do:

• średnicy ziarna (dla ziaren nieprzezroczystych),
• średnicy hydrodynamicznej (dla cząstek w zawiesinach),
• często używanych wielkości charakterystycznych: D10, D50, D90 (graniczne frakcje rozkładu), średnia arytmetyczna, mediana, tryb.

Jednostki i skale

Najczęściej stosowane jednostki to mikrometry (µm) i nanometry (nm). Typowe skale/wielkości występujące w różnych obszarach:

• gruboziarnisty żwir: > 2 mm,
• piasek: około 0,063–2 mm,
• muł (silt): około 0,002–0,063 mm (2–63 µm),
• głęboka frakcja ilasta: < 0,002 mm (2 µm),
• kolloidy: ~1 nm–1 µm,
• nanocząstki: zwykle < 100 nm.

Klasyfikacja wielkości cząstek

Klasyfikacja zależy od dziedziny zastosowania. Przykłady systemów klasyfikacji:

• Geomorfologia i gleboznawstwo: klasy: żwir, piasek, muł, ił (glina).
• Przemysł spożywczy i farmaceutyczny: proszki klasyfikuje się ze względu na przyczepność, rozpuszczalność i biozgodność.
• Aerosole i pyły: PM10, PM2.5 — frakcje wędrówki w układzie oddechowym.
• Materiały zaawansowane: nanocząstki i nanomateriały klasyfikuje się ze względu na właściwości powierzchniowe i rozmiar skutkujący specyficznymi efektami kwantowymi.

Metody pomiaru

Dobór metody zależy od zakresu wielkości, kształtu cząstek, stanu (suchy/zawiesina) i wymaganej dokładności. Najczęściej stosowane techniki:

• Sito/sitowy (sieving): dla ziaren większych (~> 40 µm do kilku cm).
• Określanie sedymentacji (metoda Stokesa): dla cząstek zawieszonych, bazuje na prędkości opadania.
• Dyfrakcja laserowa: szeroko stosowana dla zakresu od submikronów do milimetrów; daje rozkład objętościowy.
• Dynamika rozpraszania światła (DLS): dla cząstek w nanometrowym zakresie — mierzy średnicę hydrodynamiczną i indeks polidyspersji.
• Microskopia optyczna / elektronowa (SEM/TEM): pozwala na obrazowanie kształtu i wymiarów pojedynczych cząstek.
• Analiza obrazowa i przetwarzanie obrazu: automatyczne pomiary wielkości i kształtu z fotografii.
• Miareczkowanie i pomiary powierzchni (BET): określanie pola powierzchni właściwej, które może być powiązane z rozmiarem przy znanej geometrii cząstek.

Rozkład wielkości cząstek

Rozkład opisuje, jaką część próbki stanowią cząstki o danej wielkości. Typowe typy rozkładów:

• Jednomodalny: jeden wyraźny pikiem (dominująca wielkość),
• Dwumodalny (bimodalny): dwa piki (dwie grupy wielkości),
• Polidyspersyjny: szeroki zakres rozmiarów bez wyraźnych, oddzielnych pików.

Wizualizacje: histogram (częstość lub objętość per przedział), krzywa skumulowana (np. wykres procentu poniżej danej wielkości). Rozkłady można opisywać statystycznie (średnia, mediana, odchylenie standardowe) lub przy użyciu miar specyficznych dla analiz rozmiarów (D10, D50, D90 — odpowiednio 10%, 50% i 90% skumulowanej masy/objętości poniżej danej wielkości).

Parametry opisowe

• D10, D50, D90: percentyle rozkładu (używane do oceny jednorodności i zakresu rozmiarów).
• Mediana (D50): wielkość, poniżej której znajduje się 50% próbki.
• Średnia arytmetyczna i geometryczna: różne w zależności od sposobu liczenia (liczebność, powierzchnia, objętość).
• Wskaźnik polidyspersji (PDI): miara jednorodności — niska wartość oznacza węższy rozkład.

Znaczenie praktyczne i zastosowania

Wielkość cząstek wpływa na wiele właściwości materiałów i procesów:

• właściwości mechaniczne i przepuszczalność gleby,
• rozpuszczalność i biodostępność leków w farmacji,
• reaktywność chemiczna (powierzchnia właściwa rośnie przy mniejszych cząstkach),
• stabilność zawiesin i emulsji,
• wydajność filtracji i separacji,
• właściwości optyczne i kolory materiałów proszkowych.

Przygotowanie próbki i artefakty pomiarowe

Prawidłowe przygotowanie próbki jest krytyczne: rozproszenie agregatów, odpowiednie rozcieńczenie (dla metod optycznych), usuwanie pęcherzyków powietrza i kontrola warunków środowiskowych (temperatura, pH) mogą znacząco wpłynąć na wyniki. Należy też pamiętać, że różne metody mierzą różne „wielkości” (np. wielkość geometryczna vs. wielkość hydrodynamiczna), co utrudnia bezpośrednie porównanie wyników bez korekt.

Prezentacja wyników

Wyniki zwykle przedstawia się jako:

• histogram rozkładu (częstotliwość/objętość/masa versus wielkość),
• krzywa skumulowana (procent poniżej danej wielkości),
• tablica parametrów (D10, D50, D90, średnie, PDI),
• obrazy mikroskopowe ilustrujące kształt i rozkład.

Pytania i odpowiedzi

P: Co to jest wielkość cząsteczki (ogólnie)?

Q: Do czego odnosi się wielkość cząstek (wielkość ziarna)?

Q: Co zawiera się w pojęciu rozkładu wielkości cząstek?

Q: Jak można zmierzyć wielkość cząstek?

P: Jakie rodzaje materiałów są zazwyczaj badane pod kątem wielkości cząstek?

Szukaj według litery