- Основные понятия о дисперсных системах
- Классификация дисперсных систем
- Свойства коллоидных систем
- знать понятия: дисперсные системы, дисперсная фаза, дисперсионная среда, коллоидная химия, синерезис, коагуляция
- уметь приводить примеры дисперсных систем; классифицировать дисперсные системы
Рис. 1. Египтяне добывают твёрдые породы
Холодный утренний туман, оседающий на землю, причудливой формы облака, столб дыма над костром, взвешенные частицы в воде рек и ручьев — всё это мы видели множество раз, нас постоянно окружают дисперсные системы.
Ещё в глубокой древности человек использовал дисперсные процессы. Египтяне забивали в щели скал деревянные клинья и поливали их водой. Древесина набухала, создавалось огромное давление, которое разрушало самые твёрдые скальные породы.
Основные понятия о дисперсных системах
Дисперсные системы — это системы, в которых одно вещество равномерно распределено в виде частиц внутри другого вещества.
Раздробленное вещество называется дисперсной фазой. Однородное вещество, в котором распределена дисперсная фаза, называется дисперсионной средой.
Например: вода, содержащая глину (частички глины — дисперсная фаза; вода — дисперсионная среда); туман (частички жидкости — дисперсная фаза, воздух — дисперсионная среда); молоко (частички жира — дисперсная фаза, жидкость — дисперсионная среда).
Свойства веществ в дисперсном состоянии значительно отличаются от свойств того же вещества, находящегося в недисперсном состоянии. То есть в виде куска твёрдого тела или некоторого объёма жидкости. Например, золото в соляной кислоте не растворяется, но в высокодисперсном состоянии легко переходит в раствор.
Область химической науки, которая занимается изучением дисперсных систем и поверхностных явлений, называется коллоидной химией.
В дисперсном состоянии может быть любое вещество неорганического и органического происхождения. Поэтому коллоидная химия — это общая связующая основа многих областей науки.
Однако коллоидная химия выделена как самостоятельная научная дисциплина и является примером науки, объединяющей химические и физические подходы к изучению природных (в данном случае коллоидных) явлений.
Пример 1
Определите дисперсные системы:
1) хлеб, 4) шоколад,
2) дистиллированная вода, 5) крем,
3) воздух, 6) природный газ.
Решение
Рассмотрим каждый из вариантов, опираясь на определение дисперсной системы.
В дисперсной системе должно быть «раздробленное вещество», которое распределено внутри однородного.
1. Рассмотрим первый вариант — хлеб. К данному определению хлеб подходит, так как, например, дрожжи и мука равномерно распределяются внутри исходной жидкой фазы — молока или воды.
2. Дистиллированная вода не подходит под определение дисперсного раствора, так как в ней отсутствует растворённое вещество.
3. Воздух — смесь газов, в которой преобладают кислород и азот, также не подходит под определение дисперсной системы.
4. Шоколад — смесь, которая сочетает какао-масло, в котором растворены частички какао и сахара. Данная система подходит под определение и является дисперсной.
5. Крем — смесь двух жидких фаз, одна из которых равномерно распределена в другой. Например глицерин растворяется в основной субстанции крема. Данная система подходит под определение и является дисперсной.
6. Природный газ — смесь компонентов только газовой фазы, что не подходит под определение.
Ответ: 1, 4, 5.
Классификация дисперсных систем
Существует несколько классификаций дисперсных систем:
- по размеру частиц (по степени дисперсности, раздробленности);
- по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды;
- по наличию или отсутствию взаимодействия между частицами дисперсной фазы;
- по интенсивности взаимодействия частиц дисперсной фазы с молекулами дисперсионной среды;
- по термодинамической и кинетической устойчивости дисперсных систем и т. д.
Классификация дисперсных систем по размеру частиц
Количественной характеристикой дисперсности вещества является степень дисперсности (D). Численно она равна числу частиц, которые можно плотно уложить в ряд (или стопку) на протяжении одного сантиметра.
Условно принятые границы размеров частиц с различной степенью раздробленности:
1) грубодисперсные (суспензии, эмульсии, порошки) — размер частиц больше 100 нм;
2) высокодисперсные (коллоидные растворы) — размер частиц от 1 до
100 нм;
3) истинные растворы (водные растворы кислот, щелочей, солей, сахаров, одноатомных и многоатомных спиртов) — размер частиц меньше 1 нм.
Если все частицы дисперсной фазы имеют одинаковые размеры, то такие системы называют монодисперсными.
Частицы дисперсной фазы разного размера образуют полидисперсные системы. В реальных дисперсных системах частицы имеют различные размеры.
Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию
Таблица 1. Типы дисперсных систем
*Чтобы подчеркнуть, что дисперсионной средой является жидкость, их называют лиозолями (от греч. «лиос» — жидкость). Если дисперсионной средой является вода, такие золи называют гидрозолями. Если органическая жидкость — органозолями.
Классификация дисперсных систем по наличию или отсутствию взаимодействия между частицами дисперсной фазы.
Свободнодисперсные. В этих системах частицы дисперсной фазы не имеют контактов, участвуют в беспорядочном тепловом движении, свободно перемещаются под действием силы тяжести. Такие системы текучи.
К свободнодисперсным системам относятся:
— аэрозоли;
— лизоли;
— разбавленные суспензии и эмульсии.
Связнодисперсные. Возникают при контакте частиц дисперсной фазы, которые приводят к образованию структуры в виде каркаса или скелета. Эта структура ограничивает текучесть дисперсионной среды и придаёт ей способность сохранять форму. Именно поэтому связнодисперсные системы твёрдообразные. Подобные структурированные коллоидные системы называются гелями.
К связнодисперсным системам относятся:
- порошки;
- концентрированные эмульсии и суспензии (пасты);
- пены;
- почва, т. к. она образовалась в результате контакта и уплотнения дисперсных частиц почвенных минералов и гумусовых (органических) веществ.
Сплошную массу вещества могут пронизывать поры и капилляры, образующие капиллярнодисперсные системы. К ним относятся: древесина, разнообразные мембраны и диафрагмы, кожа, бумага, картон, ткань.
Пример 2
Установите соответствие между дисперсной системой и её классификацией по агрегатному состоянию. Ответ дайте в виде последовательности цифр, соответствующих буквам по алфавиту.
| ДИСПЕРСНАЯ СИСТЕМА | КЛАССИФИКАЦИЯ |
| A) туман | 1) твёрдое в твёрдом |
| Б) сплавы | 2) жидкость в жидкости |
| B) эмульсии | 3) жидкость в газе |
| Г) золи | 4) газ в жидкости |
| 5) твёрдое в жидкости | |
| 6) твёрдое в газе |
Решение
Рассмотрим каждую из представленных систем.
1. Туман — это газовая смесь, внутри которой распределены капельки жидкости. Это подходит под определение дисперсной системы «жидкость в газе».
2. Сплавы — смесь из двух металлов, где один металл распределён внутри другого. Это подходит под определение дисперсной системы «твёрдое в твёрдом».
3. Эмульсии — смесь двух жидкостей, в которой мельчайшие частички одной из них распределены внутри другой. Это подходит под определение дисперсной системы «жидкость в жидкости».
4. Золи — сложные смеси, в основе которых лежит жидкая или газообразная фаза, внутри которой распределены пузырьки другой жидкости или газа. Это подходит под определение дисперсной системы «твёрдое в жидкости».
Ответ: 3, 1, 2, 5.
Упражнение 1
1. Плазма крови представляет собой дисперсную систему:
1) жидкость в твердом веществе,
2) твёрдое вещество в жидкости,
3) газ в жидкости,
4) жидкость в жидкости.
2. Природной эмульсией является:
1) хрящи,
2) облака,
3) воздух,
4) нефть.
Свойства коллоидных систем
Оптические свойства коллоидных систем
Рис. 2. Явление Тиндаля
Коллоидные системы обладают способностью светорассеивания.
Взаимодействие света с веществом зависит от соотношения длины волны света и размеров частиц, на которые падает световой поток. Если размеры частицы больше длины волны, происходит отражение или преломление света. Если размеры частицы меньше половины длины волны падающего света, происходит рассеивание света в результате дифракции.
Размеры коллоидной частицы меньше половины длины волны падающего света. Поэтому коллоидные частицы не отражают, а рассеивают свет (явление опалесценции).
Светорассеивание характерно и для истинных растворов. Но только в коллоидных системах можно наблюдать явление Тиндаля: при боковом рассмотрении коллоидного раствора, через который проходит световой луч, внутри коллоидной системы наблюдается светящийся конус.
Коллоидные системы широко распространены как в природе (почва, глина, природные воды, драгоценные камни), так и в живых организмах (кровь, лимфа, плазма крови, цитоплазма).
Молекулярно-кинетические свойства коллоидных систем
Молекулярно-кинетические свойства — это те свойства, которые связаны хаотическим тепловым движением частиц, образующих те или иные системы.
К молекулярно-кинетическим свойствам дисперсных систем относят: броуновское движение, диффузию, седиментацию.
Броуновское движение — беспорядочное, хаотичное (подобно рою комаров) движение частиц. Это явление получило название по имени Р. Броуна, который в 1827 г. обнаружил под микроскопом непрерывные колебательные движения пыльцы растений в её взвеси с водой.
Рис. 3. Седиментация
Седиментация — осаждение частиц дисперсной фазы под действием силы тяжести.
Седиментируют только достаточно крупные частицы. Например, частицы кварца размером 5 • 103 нм оседают в воде за 3 ч на 3 см. Седиментации частиц размером 103 нм и менее препятствует броуновское движение.
Синерезис представляет собой самопроизвольное уменьшение объёма студней или гелей, которое сопровождается отделением жидкости — дисперсионной среды.
Рис. 4. Синерезис геля
Коагуляция представляет собой слипание частиц коллоидной системы при их столкновениях в процессе теплового (броуновского) движения, перемешивания или направленного перемещения во внешнем силовом поле. В результате коагуляции происходит образование более крупных частиц — агрегатов, которые являются вторичными и состоят из скопления более мелких, то есть первичных частиц.
Пример 3
Установите соответствие между явлением и его описанием. Ответ дайте в виде последовательности цифр, соответствующих буквам по алфавиту.
| ЯВЛЕНИЕ | ОПИСАНИЕ ЯВЛЕНИЯ |
| А) коагуляция | 1) образование конуса «светящейся дорожки» при пропускании через коллоидный раствор луча света |
| Б) синерезис | 2) слипание коллоидных частиц и выпадение их в осадок |
| В) эффект Тиндаля | 3) самопроизвольное уменьшение объёма геля, сопровождающееся отделением жидкости |
Решение
Рассмотрим представленные явления.
1. Коагуляция представляет собой сгущение частиц, то есть слипание коллоидных частиц с их последующим выпадением в осадок.
2. Синерезис представляет собой уменьшение объёма, например геля, и выделение жидкости, которая является дисперсной средой.
3. Эффект Тиндаля — при прохождении света через неоднородную среду происходит его конусообразное рассеивание.
Ответ: 2, 3, 1.
Упражнение 2
1. Наименьшие частицы дисперсной фазы:
1) в истинных растворах,
2) в коллоидных растворах,
3) во взвесях,
4) в механических смесях.
2. Свёртывание крови — это явление
1) коагуляции, 2) денатурации,
3) осаждения, 4) синерезиса.
Контрольные вопросы
- Что такое дисперсные системы? Чем они отличаются от других смесей и от истинных растворов?
- Какие типы дисперсных систем выделяют по агрегатному состоянию и по дисперсной фазе? Приведите примеры природных и бытовых дисперсных систем каждого типа.
- Какой процесс называется коагуляцией? Какими факторами она может быть спровоцирована?
- Какой процесс называется синерезисом? Какое значение имеет синерезис в пищевой и медицинской промышленности?
Ответы
Упражнение 1
1) 4
2) 4
Упражнение 2
1) 1
2) 1, 4
