К дисперсным системам не относят. Опорный конспект Тема: «Дисперсные системы. Молекулярно-кинетические свойства дисперсных систем

В окружающем нас мире чистые вещества встречаются крайне редко, в основном большинство веществ на земле и в атмосфере – это разнообразные смеси, содержащие более двух компонентов. Частицы размером примерно от 1 нм (несколько молекулярных размеров) до 10 мкм называются дисперсными (лат. dispergo – рассеивать, распылять). Разнообразные системы (неорганические, органические, полимерные, белковые), в которых хотя бы одно из веществ находится в виде таких частиц, называются дисперсными. Дисперсные - это гетерогенные системы, состоящие из двух или более фаз с сильно развитой поверхностью раздела между ними или смесь, состоящая как минимум из двух веществ, которые совершенно или практически не смешиваются друг с другом и не реагируют друг с другом химически. Одна из фаз – дисперсная фаза – состоит из очень мелких частиц, распределенных в другой фазе – дисперсионной среде.

Дисперсная система

По агрегатному состоянию дисперсные частицы могут быть твердыми, жидкими, газообразными, во многих случаях имеют сложное строение. Дисперсионные среды также бывают газообразными, жидкими и твердыми. В виде дисперсных систем существует большинство реальных тел окружающего нас мира: морская вода, грунты и почвы, ткани живых организмов, многие технические материалы, пищевые продукты и др.

Классификация дисперсных систем

Несмотря на многочисленные попытки предложить единую классификацию этих систем, она до сих пор отсутствует. Причина заключена в том, что в любой классификации принимаются в качестве критерия не все свойства дисперсных систем, а только какое-нибудь одно из них. Рассмотрим наиболее распространенные классификации коллоидных и микрогетерогенных систем.

В любой области знаний, когда приходится сталкиваться со сложными объектами и явлениями, для облегчения и установления определенных закономерностей целесообразно классифицировать их по тем или иным признакам. Это относится и к области дисперсных систем; в разное время для них были предложены различные принципы классификации. По интенсивности взаимодействия веществ дисперсионной среды и дисперсной фазы различают лиофильные и лиофобные коллоиды. Ниже кратко изложены другие приемы классификации дисперсных систем.

Классификация по наличию или отсутствию взаимодействия между частицами дисперсной фазы. Согласно этой классификации дисперсные системы делят на свободнодисперсные и связнодисперсные; классификация применима к коллоидным растворам и к растворам высокомолекулярных соединений.

К свободнодисперсным системам относят типичные коллоидные растворы, суспензии, взвеси, разнообразные растворы высокомолекулярных соединений, которые обладают текучестью, как обычные жидкости и растворы.

К связнодисперсным относят так называемые структурированные системы, в которых в результате взаимодействия между частицами возникает пространственная ажурная сетка-каркас, и система в целом приобретает свойство полутвердого тела. Например, золи некоторых веществ и растворы высокомолекулярных соединений при понижении температуры или с ростом концентрации выше известного предела, не претерпевая внешне каких-либо изменений, утрачивают текучесть - желатинируют (застудневают), переходят в состояние геля (студня). Сюда же можно отнести концентрированные пасты, аморфные осадки.

Классификация по дисперсности. Физические свойства вещества не зависят от размеров тела, но при высокой степени измельчения становятся функцией дисперсности. Например, золи металлов обладают различной окраской в зависимости от степени измельчения. Так, коллоидные растворы золота предельно высокой дисперсности имеют пурпурный цвет, менее дисперсные - синий, еще менее -зеленый. Есть основания полагать, что и другие свойства золей одного и того же вещества меняются по мере измельчения: Напрашивается естественный критерий классификации коллоидных систем по дисперсности, т. е. разделение области коллоидного состояния (10 -5 -10 -7 см ) на ряд более узких интервалов. Такая классификация была в свое время предложена, но она оказалась бесполезной, так как коллоидные системы практически всегда полидисперсны; монодисперсные встречаются очень редко. К тому же степень дисперсности может меняться во времени, т. е. зависит от возраста системы.

Дисперсными называют системы, состоящие из множества малых частиц, распре­деленных в жидкой, твердой или газообразной среде.

Понятие «дисперсный» происходит от лат. dispersus - раздробленный, рассеянный.

Для всех дисперсных систем характерны два основных признака: высокая раздробленность (дисперсность) и гетерогенность.

Гетерогенность дисперсных систем проявляется в том, что эти системы состоят из двух (или более) фаз: дисперсной фазы и диспер­сионной среды. Дисперсная фаза - это раздробленная фаза. Она состоит из частиц нерастворимого тонкоизмельченного вещества, распределенных по всему объему дисперсионной среды.

Высокая дисперсность придает веществам новые качественные признаки: повышенную реакционную способность и растворимость, интенсив­ность окраски, светорассеяние и т. п. Большая поверхность раздела создает в этих системах боль­шой запас поверхностной энергии, которая делает их термодинамически неустойчивыми, чрезвычайно реакционноспособными. В них легко протекают самопроиз­вольные процессы, приводящие к снижению запаса поверхностной энергии: адсорбция, коагуляция (слипание дисперсных частиц), образование макроструктур и т. п. Таким образом, самые важные и неотъемлемые черты всякой дисперсной системы - гегетрогенность и высокая дисперсность - полностью определяют свойства и поведе­ние этих систем.

Классификацию дисперсных систем проводят на основе различных признаков, а именно: по размеру частиц, по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды, по характеру взаимо­действия частиц дисперсной фазы между собой и со средой.

2.2. Классификация дисперсных систем

Классификация по размеру частиц (дисперсности)

Дисперсность D является основной характеристикой дисперс­ной системы и мерой раздробленности вещества. Математически дисперсность определяют как величину, обратную размеру частицы:

D = 1/а ,

где а - размер частицы (диаметр или длина ребра), м -1 .

С другой стороны, для характеристики степени раздроблен­ности служит величина удельной поверхности S уд . Удельную поверх­ность находят как отношение поверхности S частицы к ее объему V или массе т: S уд = S / V или S уд = S / m . Если удельную поверх­ность определяют по отношению к массе частицы раздробленного вещества, то ее размерность м 2 /кг, если же по отношению к объему, то размерность совпадает с размерностью дисперсности (м -1).

Физический смысл понятия «удельная поверхность» заключа­ется в том, что это суммарная поверхность всех частиц, общий объем которых составляет 1м 3 или общая масса которых равна 1 кг.

По дисперсности системы подразделяют на типы:

1) грубо-дисперсные (грубые взвеси, суспензии, эмульсии, порошки) с радиусом частиц 10 -4 - 10 -7 м;

2) коллоидно-дисперсные (золи) с размером частиц 10 -7 - 10 -9 м;

3) молекулярные и ионные растворы с размером частиц менее 10 -9 м.

В коллоидных системах дости­гается высшая степень раздробления вещества, при которой еще сохраняются понятия «фаза» и «гетерогенность». Уменьшение раз­мера частиц еще на порядок переводит системы в гомогенные моле­кулярные или ионные растворы.

Дисперсность влияет на все основные свойства дисперсных систем: кинетические, оптические, каталитические и т. д.

Свойства дисперсных систем сопоставлены в табл. 1.2.

Т а б л и ц а 1.2.Свойства дисперсных систем разных типов

Помимо размера частиц большое значение для свойств дисперсных систем имеет геометрическая форма частиц. В зависимости от условий дробления вещества форма частиц дисперсной фазы может быть очень разнообразной. Один м 3 исходного вещества принципиаль­но возможно раздробить на кубики с длиной ребра l = 10 -8 м, вы­тянуть в нить с сечением 10 -8 х 10 -8 м или расплющить в пластину (пленку) толщиной 10 -8 м. В каждом из этих случаев система будет дисперсной со всеми присущими признаками.

Удельная поверхность частиц кубической формы возрастает от исходного значения в 6 м 2 до значения, определяемого по формуле

S уд = S / V = 6l 2 / l 3 = 6 . 10 8 м -1

Для нитей S уд = 4-10 8 м -1 ; для пленки S уд = 2 . 10 8 м -1 .

Частицы кубической, шарообразной или близкой к ним непра­вильной формы характерны для многих коллоидных растворов - золей и более грубодисперсных систем – эмульсий.

Классификация по агрегатному состоянию фаз

Наиболее распространена классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды. Каждая из этих фаз может быть в трех агрегатных состояниях: газообразном, жидком и твердом. Поэтому возможно существо­вание восьми типов коллоидных систем (табл. 1.3). Система «газ в газе» не входит в это число, так как является гомогенной молекуляр­ной, в ней отсутствуют границы раздела. Высокодисперсные коллоидные растворы, относящиеся к типу систем т/ж, носят название золей (от лат. solutio - раствор). Золи, у которых дисперсионной средой является вода, называют гидрозо­лями. Если дисперсионной средой служит органическая жидкость, коллоидный раствор носит название органозоля. Эти последние, в свою очередь, подразделяют на алкозоли, бензозоли, этерозоли и т.п., в которых дисперсионной средой являются соответственно спирт, бензол, эфир и т. д. В зависимости от агрегатного состояния дисперсионной среды различают лиозоли - золи с жидкой дисперсионной средой (от греч. lios - жидкость), аэрозоли - золи с газообразной дисперсионной средой, твердые золи - системы типа т/т. Грубодисперсные системы типа т/ж называют суспензиями, типа ж/ж – эмульсиями.

Таблица 2..2. Основные типы дисперсных систем

Классификация по отсутствию или наличию взаимодей­ствия между частицами дисперсной фазы

По кинетическим свойствам дисперсной фазы все дисперсные системы можно подразделить на два класса: свободно-дисперсные, в которых частицы дисперсной фазы не связаны между собой и мо­гут свободно перемещаться (лиозоли, аэрозоли, суспензии, эмуль­сии), и связно-дисперсные, в которых одна из фаз структурно закре­плена и не может перемещаться свободно. К этому классу относят гели и студни, пены, капиллярно-пористые тела (диафрагмы), твердые растворы и др.

Классификация по степени взаимодействия дисперсной фазы с дисперсионной средой

Для характеристики взаимодействия между веществом дисперс­ной фазы и жидкой дисперсионной средой служат понятия «лиофильность» и «лиофобность». Под взаимодействием фаз дисперсных систем подразумевают процессы сольватации (гидратации), т. е. образова­ние сольватных (гидратных) оболочек из молекул дисперсионной среды вокруг частиц дисперсной фазы. Системы, в которых сильно выражено взаимодействие частиц дисперсной фазы с растворителем, называют лиофильными (по отношению к воде - гидрофильными). Если частицы дисперсной фазы состоят из вещества, слабо взаимо­действующего со средой, системы являются лиофобными (по отно­шению к воде - гидрофобными) . Термин «лиофильный» происходит от греч. 1уо - растворяю и philia - любовь; «лиофобный» от 1уо - растворяю и phobia - ненависть, что означает «не любящий растворения». Хорошо сольватирующиеся лиофильные дисперсные системы образуются путем самопроизвольного диспергирования. Такие си­стемы термодинамически устойчивы. Приме­рами таких систем являются дисперсии некоторых глин и поверх­ностно-активных веществ (ПАВ), растворы высокомолекулярных веществ (ВМВ).

У гидрофобных золей частицы состоят из труднорастворимых соединений, отсутствует или слабо выражено сродство дисперсной фазы к растворителю. Такие частицы плохо сольватированы. Гидрофобные золи являются основным классом коллоидных растворов, у которых ярко выражены гетерогенность и высокая удельная поверхность.

Чистые вещества в природе встречаются очень редко. Смеси разных веществ в различных агрегатных состояниях могут образовывать гетерогенные и гомогенные системы - дисперсные системы и растворы.

То вещество, которое присутствует в меньшем количестве и распределено в объеме другого, называют дисперсной фазой. Она может состоять из нескольких веществ.

Вещество, присутствующее в большем количестве, в объеме которого распределена дисперсная фаза, называют дисперсионной средой. Между ней и частицами дисперсной фазы существует поверхность раздела, поэтому дисперсные системы называют гетерогенными (неоднородными).

И дисперсионную среду, и дисперсную фазу могут представлять вещества, находящиеся в различных агрегатных состояниях - твердом, жидком и газообразном.

В зависимости от сочетания агрегатного состояния дисперсионной среды и дисперсной фазы можно выделить 8 видов таких систем (табл. 11).

Таблица 11
Примеры дисперсных систем

По величине частиц веществ, составляющих дисперсную фазу, дисперсные системы делят на грубодисперсные (взвеси) с размерами частиц более 100 нм и тонкодисперсные (коллоидные растворы или коллоидные системы) с размерами частиц от 100 до 1 нм. Если же вещество раздроблено до молекул или ионов размером менее 1 нм, образуется гомогенная система - раствор. Она однородна (гомогенна), поверхности раздела между частицами дисперсной фазы и средой нет.

Уже беглое знакомство с дисперсными системами и растворами показывает, насколько они важны в повседневной жизни и в природе (см. табл. 11).

Судите сами: без нильского ила не состоялась бы великая цивилизация Древнего Египта; без воды, воздуха, горных пород и минералов вообще бы не существовала живая планета - наш общий дом - Земля; без клеток не было бы живых организмов и т. д.

Классификация дисперсных систем и растворов представлена на схеме 2.

Схема 2
Классификация дисперсных систем и растворов

Взвеси

Взвеси - это дисперсные системы, в которых размер частиц фазы более 100 нм. Это непрозрачные системы, отдельные частицы которых можно заметить невооруженным глазом. Дисперсная фаза и дисперсионная среда легко разделяются отстаиванием. Такие системы разделяют на три группы:

1. эмульсии (и среда, и фаза - нерастворимые друг в друге жидкости). Это хорошо известные вам молоко, лимфа, водоэмульсионные краски и т. д.;
2. суспензии (среда - жидкость, а фаза - нерастворимое в ней твердое вещество). Это строительные растворы (например, «известковое молоко» для побелки), взвешенный в воде речной и морской ил, живая взвесь микроскопических живых организмов в морской воде - планктон, которым питаются гиганты киты, и т. д.;
3. аэрозоли - взвеси в газе (например, в воздухе) мелких частиц жидкостей или твердых веществ. Различают пыли, дымы, туманы. Первые два вида аэрозолей представляют собой взвеси твердых частиц в газе (более крупные частицы в пылях), последний - взвесь мелких капелек жидкости в газе. Например, природные аэрозоли: туман, грозовые тучи - взвесь в воздухе капелек воды, дым - мелких твердых частиц. А смог, висящий над крупнейшими городами мира, также аэрозоль с твердой и жидкой дисперсной фазой. Жители населенных пунктов вблизи цементных заводов страдают от всегда висящей в воздухе тончайшей цементной пыли, образующейся при размоле цементного сырья и продукта его обжига - клинкера. Аналогичные вредные аэрозоли - пыли - имеются и в городах с металлургическими производствами. Дым заводских труб, смоги, мельчайшие капельки слюны, вылетающие изо рта больного гриппом, также вредные аэрозоли.

Аэрозоли играют важную роль в природе, быту и производственной деятельности человека. Скопления облаков, обработка полей химикатами, нанесение лакокрасочных покрытий при помощи пульверизатора, распыление топлива, выработка сухих молочных продуктов, лечение дыхательных путей (ингаляция) - примеры тех явлений и процессов, где аэрозоли приносят пользу.

Аэрозоли - туманы над морским прибоем, вблизи водопадов и фонтанов, возникающая в них радуга доставляет человеку радость, эстетическое удовольствие.

Для химии наибольшее значение имеют дисперсные системы, в которых средой является вода.

Коллоидные системы

Коллоидные системы - это такие дисперсные системы, в которых размер частиц фазы от 100 до 1 нм. Эти частицы не видны невооруженным глазом, и дисперсная фаза и дисперсионная среда в таких системах отстаиванием разделяются с трудом.

Их подразделяют на золи (коллоидные растворы) и гели (студни).

1. Коллоидные растворы , или золи . Это большинство жидкостей живой клетки (цитоплазма, ядерный сок - кариоплазма, содержимое органоидов и вакуолей) и живого организма в целом (кровь, лимфа, тканевая жидкость, пищеварительные соки, гуморальные жидкости и т. д.). Такие системы образуют клеи, крахмал, белки, некоторые полимеры.

Коллоидные растворы могут быть получены в результате химических реакций; например, при взаимодействии растворов силикатов калия или натрия («растворимого стекла») с растворами кислот образуется коллоидный раствор кремниевой кислоты. Золь образуется и при гидролизе хлорида железа (III) в горячей воде. Коллоидные растворы внешне похожи на истинные растворы. Их отличают от последних по образующейся «светящейся дорожке» - конусу при пропускании через них луча света. Это явление называют эффектом Тиндаля. Более крупные, чем в истинном растворе, частицы дисперсной фазы золя отражают свет от своей поверхности, и наблюдатель видит в сосуде с коллоидным раствором светящийся конус. В истинном растворе он не образуется. Аналогичный эффект, но только для аэрозольного, а не жидкого коллоида, вы можете наблюдать в кинотеатрах при прохождении луча света от киноаппарата через воздух кинозала.

Частицы дисперсной фазы коллоидных растворов нередко не оседают даже при длительном хранении из-за непрерывных соударений с молекулами растворителя за счет теплового движения. Они не слипаются и при сближении друг с другом из-за наличия на их поверхности одноименных электрических зарядов. Но при определенных условиях может происходить процесс коагуляции.

Коагуляция - явление слипания коллоидных частиц и выпадения их в осадок - наблюдается при нейтрализации зарядов этих частиц, когда в коллоидный раствор добавляют электролит. При этом раствор превращается в суспензию или гель. Некоторые органические коллоиды коагулируют при нагревании (клей, яичный белок) или при изменении кислотно-щелочной среды раствора.

2. Вторая подгруппа коллоидных систем - это гели , или студни у представляющие собой студенистые осадки, образующиеся при коагуляции золей. К ним относят большое количество полимерных гелей, столь хорошо известные вам кондитерские, косметические и медицинские гели (желатин, холодец, желе, мармелад, торт-суфле «Птичье молоко») и конечно же бесконечное множество природных гелей: минералы (опал), тела медуз, хрящи, сухожилия, волосы, мышечная и нервная ткани и т. д. Историю развития жизни на Земле можно одновременно считать историей эволюции коллоидного состояния вещества. Со временем структура гелей нарушается - из них выделяется вода. Это явление называют синерезисом.

И дисперсионную среду, и дисперсную фазу могут составлять вещества, находящиеся в различных агрегатных состояниях. В зависимости от сочетания состояний дисперсионной среды и дисперсной фазы можно выделить восемь видов таких систем

Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию

Так же в качестве классификационного признака можно выделить такое понятие как размер частиц дисперсной системы:

• - Грубодисперсные (> 10 мкм): сахар-песок, грунты, туман, капли дождя, вулканический пепел, магма и т. п.
• - Среднедисперсные (0,1-10 мкм): эритроциты крови человека, кишечная палочка и т. п.

дисперсный эмульсия суспензия гель

• - Высокодисперсные (1-100 нм): вирус гриппа, дым, муть в природных водах, искусственно полученные золи различных веществ, водные растворы природных полимеров (альбумин, желатин и др.) и т. п.
• - Наноразмерные (1-10 нм): молекула гликогена, тонкие поры угля, золи металлов, полученные в присутствии молекул органических веществ, ограничивающих рост частиц, углеродные нанотрубки, магнитные нанонити из железа, никеля и т. п.

Грубодисперсные системы: эмульсии, суспензии, аэрозоли

По величине частиц вещества, составляющих дисперсную фазу, дисперсные системы делят на грубодисперсные с размерами частиц более 100 нм и тонкодисперсные с размерами частиц от 1 до 100 нм. Если же вещество раздроблено до молекул или ионов размером менее 1 нм, образуется гомогенная система - раствор. Раствор однороден, поверхности раздела между частицами и средой нет, а потому к дисперсным системам он не относится. Грубодисперсные системы делятся на три группы: эмульсии, суспензии и аэрозоли.

Эмульсии - это дисперсные системы с жидкой дисперсионной средой и жидкой дисперсной фазой.

Их можно также разделить на две группы: 1) прямые - капли неполярной жидкости в полярной среде (масло в воде); 2) обратные (вода в масле). Изменение состава эмульсий или внешнее воздействие могут привести к превращению прямой эмульсии в обратную и наоборот. Примерами наиболее известных природных эмульсий являются молоко (прямая эмульсия) и нефть (обратная эмульсия). Типичная биологическая эмульсия - это капельки жира в лимфе.

Из известных в практической деятельности человека эмульсий можно назвать смазочно-охлаждающие жидкости, битумные материалы, пестицидные препараты, лекарственные и косметические средства, пищевые продукты. Например, в медицинской практике широко применяют жировые эмульсии для энергетического обеспечения голодающего или ослабленного организма путем внутривенного вливания. Для получения таких эмульсий используют оливковое, хлопковое и соевое масла. В химической технологии широко используют эмульсионную полимеризацию как основной метод получения каучуков, полистирола, поливинилацетата и др. Суспензии - это грубодисперсные системы с твердой дисперсной фазой и жидкой дисперсионной средой.

Обычно частицы дисперсной фазы суспензии настолько велики, что оседают под действием силы тяжести - седиментируют. Системы, в которых седиментация идет очень медленно из-за малой разности в плотности дисперсной фазы и дисперсионной среды, также называют взвесями. Практически значимыми строительными суспензиями являются побелка («известковое молоко»), эмалевые краски, различные строительные взвеси, например те, которые называют «цементным раствором». К суспензиям относят также медицинские препараты, например жидкие мази - линименты. Особую группу составляют грубодисперсные системы, в которых концентрация дисперсной фазы относительно высока по сравнению с ее небольшой концентрацией в суспензиях. Такие дисперсные системы называют пастами. Например, вам хорошо известные из повседневной жизни зубные, косметические, гигиенические и др.

Аэрозоли - это грубодисперсные системы, в которых дисперсионной средой является воздух, а дисперсной фазой могут быть капельки жидкости (облака, радуга, выпущенный из баллончика лак для волос или дезодорант) или частицы твердого вещества (пылевое облако, смерч)

Коллоидные системы - в них размеры коллоидных частиц достигают до 100 нм. Такие частицы легко проникают через поры бумажных фильтров, однако не проникают через поры биологических мембран растений и животных. Поскольку коллоидные частицы (мицеллы) имеют электрозаряд и сольватные ионные оболочки, благодаря которым они остаются во взвешенном состоянии, они достаточно продолжительное время могут не выпадать в осадок. Ярким примером коллоидной системы являются растворы желатина, альбумина, гуммиарабика, коллоидные растворы золота и серебра.

Коллоидные системы занимают промежуточное положение между грубодисперсными системами и истинными растворами. Они широко распространены в природе. Почва, глина, природные воды, многие минералы, в том числе и некоторые драгоценные камни, - все это коллоидные системы.

Различают две группы коллоидных растворов: жидкие (коллоидные растворы - золи) и гелеобразные (студни - гели).

Большинство биологических жидкостей клетки (уже упомянутые цитоплазма, ядерный сок - кариоплазма, содержимое вакуолей) и живого организма в целом являются коллоидными растворами (золями). Все процессы жизнедеятельности, которые происходят в живых организмах, связаны с коллоидным состоянием материи. В каждой живой клетке биополимеры (нуклеиновые кислоты, белки, гикозаминогликаны, гликоген) находятся в виде дисперсных систем.

Гели - это коллоидные системы, в которых частицы дисперсной фазы образуют пространственную структуру.

Гели могут быть: пищевые - мармелад, зефир, холодец, желе; биологические- хрящи, сухожилия, волосы, мышечная и нервные ткани, тела медуз; косметические- гели для душа, крема; медицинские- лекарства, мази; минеральные - жемчуг, опал, сердолик, халцедон.

Большое значение имеют коллоидные системы для биологии и медицины. В состав любого живого организма входят твердые, жидкие и газообразные вещества, находящиеся в сложном взаимоотношении с окружающей средой. С химической точки зрения организм в целом - это сложнейшая совокупность многих коллоидных систем.

Биологические жидкости (кровь, плазма, лимфа, спинномозговая жидкость и др.) представляют собой коллоидные системы, в которых такие органические соединения, как белки, холестерин, гликоген и многие другие, находятся в коллоидном состоянии. Почему же именно ему природа отдает такое предпочтение? Эта особенность связана, в первую очередь, с тем, что вещество в коллоидном состоянии имеет большую поверхность раздела между фазами, что способствует лучшему протеканию реакций обмена веществ.

Примеры природных и искусственных дисперсных систем. Минералы и горные породы как природные смеси

Вся окружающая нас природа - организмы животных и растений, гидросфера и атмосфера, земная кора и недра представляют собой сложную совокупность множества разнообразных и разнотипных грубодисперсных и коллоидных систем. Облака нашей планеты представляют собой такие же живые сущности, как вся природа, которая нас окружает. Они имеют огромное значение для Земли, так как являются информационными каналами. Ведь облака состоят из капиллярной субстанции воды, а вода, как известно, очень хороший накопитель информации. Круговорот воды в природе приводит к тому, что информация о состоянии планеты и настроении людей накапливается в атмосфере, и вместе с облаками передвигается по всему пространству Земли. Удивительное творение природы- облака, которое доставляет человеку радость, эстетическое удовольствие и просто желание иногда посмотреть на небо.

Туман тоже может быть примером природной дисперсной системы, скопление воды в воздухе, когда образуются мельчайшие продукты конденсации водяного пара (при температуре воздуха выше?10° -- мельчайшие капельки воды, при?10..?15° -- смесь капелек воды и кристалликов льда, при температуре ниже?15° -- кристаллики льда, сверкающие в солнечных лучах или в свете луны и фонарей). Относительная влажность воздуха при туманах обычно близка к 100 % (по крайней мере, превышает 85-90 %). Однако в сильные морозы (?30° и ниже) в населённых пунктах, на железнодорожных станциях и аэродромах туманы могут наблюдаться при любой относительной влажности воздуха (даже менее 50 %) -- за счёт конденсации водяного пара, образующегося при сгорании топлива (в двигателях, печах и т. п.) и выбрасываемого в атмосферу через выхлопные трубы и дымоходы.

Непрерывная продолжительность туманов составляет обычно от нескольких часов (а иногда полчаса-час) до нескольких суток, особенно в холодный период года.

Туманы препятствуют нормальной работе всех видов транспорта (особенно авиации), поэтому прогноз туманов имеет большое народно-хозяйственное значение.

Примером сложной дисперсной системы может служить молоко, основными составными частями которого (не считая воды) являются жир, казеин и молочный сахар. Жир находится в виде эмульсии и при стоянии молока постепенно поднимается кверху (сливки). Казеин содержится в виде коллоидного раствора и самопроизвольно не выделяется, но легко может быть осаждён (в виде творога) при подкислении молока, наприм., уксусом. В естественных условиях выделение казеина происходит при скисании молока. Наконец, молочный сахар находится в виде молекулярного раствора и выделяется лишь при испарении воды.

Многие газы, жидкости и твердые вещества растворяются в воде. Сахар и поваренная соль легко растворяются в воде; углекислый газ, аммиак и многие другие вещества, сталкиваясь с водой, переходят в раствор и теряют свое предыдущее агрегатное состояние. Растворенное вещество определенным способом можно выделить из раствора. Если выпарить раствор поваренной соли, то соль остается в виде твердых кристаллов.

При растворении веществ в воде (или ином растворителе) образуется однородная (гомогенная) система. Таким образом, раствором называется гомогенная система, состоящая из двух или более компонентов. Растворы могут быть жидкими, твердыми и газообразными. К жидким растворам относятся, например, раствор сахара или поваренной соли в воде, спирта в воде и тому подобное. К твердым растворам одного металла в другом относятся сплавы: латунь -- это сплав меди и цинка, бронза -- сплав меди и олова и тому подобное. Газообразным веществом является воздух или вообще любая смесь газов.

Большинство окружающих нас веществ представляют собой смеси различных субстанций, поэтому изучение их свойств играет важную роль в развитии химии, медицины, пищевой промышленности и других отраслей народного хозяйства. В статье рассматриваются вопросы, что такое степень дисперсности, и как она влияет на характеристики системы.

Что такое дисперсные системы?

Прежде чем перейти к обсуждению вопроса о степени дисперсности, необходимо пояснить, к каким системам может применяться это понятие.

Представим себе, что у нас имеются два различных вещества, которые могут отличаться друг от друга химическим составом, например, поваренная соль и чистая вода, или же агрегатным состоянием, например, та же вода в жидком и твердом (лед) состояниях. Теперь необходимо взять и смешать эти две субстанции и интенсивно их перемешать. Какой будет результат? Он зависит от того, прошла при смешивании химическая реакция или нет. Когда речь ведут о дисперсных системах, то полагают, что при их образовании никакой реакции не происходит, то есть исходные вещества сохраняют свое строение на микроуровне и присущие им физические свойства, например, плотность, цвет, электропроводность и другие.

Таким образом, дисперсная система - это механическая смесь, в результате которой два и более вещества смешиваются друг с другом. При ее образовании пользуются понятиями "дисперсионная среда" и "фаза". Первая обладает свойством непрерывности внутри системы и, как правило, находится в ней в большом относительном количестве. Вторая (дисперсная фаза) характеризуется свойством прерывности, то есть в системе она находится в виде мелких частиц, которые ограничены поверхностью, отделяющей их от среды.

Гомогенные и гетерогенные системы

Понятно, что названные две составляющие дисперсной системы будут отличаться по своим физическим свойствам. Например, если бросить в воду песок и размешать его, то понятно, что существующие в воде песчинки, химическая формула которых SiO 2 , ничем не будут отличаться от того состояния, когда они не находились в воде. В таких случаях говорят о гетерогенности. Иными словами, гетерогенная система представляет собой смесь из нескольких (двух и более) фаз. Под последней понимают некоторый конечный объем системы, который характеризуется определенными свойствами. В примере выше имеем две фазы: песок и вода.

Однако размеры частиц дисперсной фазы при их растворении в какой-либо среде могут стать настолько маленькими, что они перестанут проявлять свои индивидуальные свойства. В этом случае говорят о гомогенных или однородных субстанциях. В них хотя и находится несколько компонентов, но все они образуют одну фазу по всему объему системы. Примером гомогенной системы является раствор NaCl в воде. При его растворении из-за взаимодействия с полярными молекулами H 2 O кристалл NaCl распадается на отдельные катионы (Na +) и анионы (Cl -). Они однородно смешиваются с водой, и уже невозможно в такой системе найти границу раздела между растворимым веществом и растворителем.

Размер частиц

Что такое степень дисперсности? Эту величину необходимо рассмотреть подробнее. Что она собой представляет? Она обратно пропорциональна размеру частиц дисперсной фазы. Именно эта характеристика лежит в основе классификации всех рассматриваемых субстанций.

При изучении дисперсных систем студенты часто путаются в их названиях, поскольку полагают, что в основе их классификации также лежит агрегатное состояние. Это неверно. Смеси разных агрегатных состояний действительно имеют разные названия, например, эмульсии - это водяные субстанции, а аэрозоли уже предполагают существование газовой фазы. Однако свойства дисперсных систем зависят главным образом от размера частиц растворенной в них фазы.

Общепринятая классификация

Классификация дисперсных систем по степени дисперсности приведена ниже:

• Если условный размер частиц меньше 1 нм, то такие системы называют настоящими, или истинными растворами.
• Если условный размер частицы лежит в пределах между 1 нм и 100 нм, тогда рассматриваемая субстанция будет называться коллоидным раствором.
• Если же частицы больше 100 нм, то ведут речь о суспензиях или взвесях.

Касательно приведенной классификации проясним два момента: во-первых, приведенный цифры являются ориентировочными, то есть система, в которой размер частиц будет 3 нм, не обязательно является коллоидом, она может представлять собой и истинный раствор. Это можно установить, изучив ее физические свойства. Во-вторых, можно заметить, что в списке используется фраза "условный размер". Связано это с тем, что форма частиц в системе может быть совершенно произвольной, и в общем случае имеет сложную геометрию. Поэтому говорят о некотором среднем (условном) их размере.

Истинные растворы

Как выше было сказано, степень дисперсности частиц в настоящих растворах настолько велика (их размер очень маленький, < 1 нм), что не существует поверхности раздела между ними и растворителем (средой), то есть имеет место однофазная гомогенная система. Для полноты информации напомним, что размер атома составляет порядка одного ангстрема (0,1 нм). Последняя цифра говорит о том, что частицы в настоящих растворах имеют атомные размеры.

Главными свойствами истинных растворов, которые их отличают от коллоидов и суспензий, являются следующие:

• Состояние раствора существует сколь угодно долго в неизменном виде, то есть не образуется осадка дисперсной фазы.
• Растворенную субстанцию нельзя отделить от растворителя путем фильтрации через обычную бумагу.
• Субстанция также не отделяется в результате процесса перехода через пористую мембрану, который называется в химии диализом.
• Отделить от растворителя можно только путем изменения агрегатного состояния последнего, например, путем выпаривания.
• Для можно провести электролиз, то есть пропустить электрический ток, если приложить к системе разность потенциалов (два электрода).
• Они не рассеивают свет.

Примером истинных растворов является смешивание различных солей с водой, например, NaCl (соль поваренная), NaHCO 3 (пищевая сода), KNO 3 (нитрат калия) и другие.

Коллоидные растворы

Это промежуточные системы между настоящими растворами и суспензиями. Тем не менее, они обладают рядом уникальных характеристик. Перечислим их:

• Они сколь угодно долго являются механически стабильными, если не изменяются условия среды. Достаточно нагреть систему или изменить ее кислотность (показатель pH), как коллоид коагулирует (выпадет в осадок).
• Они не разделяются с помощью фильтровальной бумаги, однако, процесс диализ приводит к разделения дисперсной фазы и среды.
• Как и для истинных растворов, для них можно провести электролиз.
• Для прозрачных коллоидных систем характерен так называемый эффект Тиндаля: пропуская луч света через эту систему, можно его увидеть. Связано это с рассеиванием электромагнитных волн видимой части спектра во всех направлениях.
• Способность адсорбировать другие вещества.

Коллоидные системы, благодаря перечисленным свойствам, широко используются человеком в различных сферах деятельности (пищевая промышленность, химия), а также часто встречаются в природе. Примером коллоида является сливочное масло, майонез. В природе это туманы, облака.

Прежде чем переходить к описанию последнего (третьего) класса дисперсных систем, поясним подробнее некоторые из названных свойств для коллоидов.

Какие бывают коллоидные растворы?

Для этого типа дисперсных систем классификацию можно привести, учитывая разные агрегатные состояния среды и растворенной в ней фазы. Ниже дана соответствующая таблица/

Из таблицы видно, что коллоидные субстанции присутствуют повсеместно, как в быту, так и в природе. Отметим, что аналогичную таблицу можно привести также для суспензий, вспоминая, что разница с коллоидами у них заключается только в размере дисперсной фазы. Однако суспензии являются механически нестабильными, поэтому представляют меньший интерес для практики, чем коллоидные системы.

Причина механической стабильности коллоидов

Почему майонез может долго лежать в холодильнике, и взвешенные частицы в нем не выпадают в осадок? Почему растворенные в воде частицы красок со временем не "падают" на дно сосуда? Ответом на эти вопросы будет броуновское движение.

Этот тип движения был открыт в первой половине XIX века английским ботаником Робертом Броуном, который наблюдал под микроскопом, как движутся мелкие частицы пыльцы в воде. С физической точки зрения броуновское движение является проявлением хаотического перемещения молекул жидкости. Его интенсивность увеличивается, если повысить температуру жидкости. Именно этот тип движения заставляет находиться во взвешенном состоянии мелкие частицы коллоидных растворов.

Свойство адсорбции

Дисперсность - это величина, обратная среднему размеру частиц. Поскольку этот размер в коллоидах лежит в пределах от 1 нм до 100 нм, то они обладают очень развитой поверхностью, то есть отношение S/m является большой величиной, здесь S - суммарная площадь раздела между двумя фазами (дисперсионной средой и частицами), m - общая масса частиц в растворе.

Атомы, которые находятся на поверхности частиц дисперсной фазы, обладают ненасыщенными химическими связями. Это означает, что они могут образовывать соединения с другими молекулами. Как правило, эти соединения возникают за счет ван-дер-ваальсовых сил либо водородных связей. Они способны удержать несколько слоев молекул на поверхности коллоидных частиц.

Классическим примером адсорбента является активированный уголь. Он представляет собой коллоид, где дисперсионной средой является твердое тело, а фазой - газ. Удельная площадь поверхности для него может достигать 2500 м 2 /г.

Степень дисперсности и удельная поверхность

Расчет величины S/m является непростой задачей. Дело в том, что частицы в коллоидном растворе имеют различные размеры, форму, а также поверхность каждой частицы обладает уникальным рельефом. Поэтому теоретические методы решения этой задачи приводят к качественным результатам, а не к количественным. Тем не менее, полезно привести от степени дисперсности формулу удельной поверхности.

Если положить, что все частицы системы имеют сферическую форму и одинаковые размеры, тогда в результате незамысловатых расчетов получается такое выражение: S ud = 6/(d*ρ), где S ud - площадь поверхности (удельная), d - диаметр частицы, ρ - плотность вещества, из которого она состоит. Из формулы видно, что частицы самые маленькие и самые тяжелые будут давать наибольший вклад в рассматриваемую величину.

Экспериментальный способ определения S ud заключается в вычислении объема газа, который адсорбируется исследуемым веществом, а также в измерении размера пор (дисперсная фаза) в нем.

Системы лиофильные и лиофобные

Лиофильность и лиофобность - это те характеристики, которые, по сути, обуславливают существование классификации дисперсных систем в том виде, в котором она приведена выше. Оба понятия характеризуют силовую связь между молекулами растворителя и растворяемого вещества. Если эта связь велика, то говорят о лиофильности. Так, все солей в воде являются лиофильными, поскольку их частицы (ионы) электрически связаны с полярными молекулами H 2 O. Если же рассматривать такие системы, как сливочное масло или майонез, то это представители типичных гидрофобных коллоидов, покольку в них молекулы жиров (липидов) отталкиваются от полярных молекул H 2 O.

Важно отметить, что лиофобные (гидрофобные, если растворителем является вода) системы являются термодинамически нестабильными, что их отличает от лиофильных.

Свойства суспензий

Теперь рассмотрим последний класс дисперсных систем - суспензии. Напомним, что они характеризуются тем, что самая маленькая частица в них больше или порядка 100 нм. Какими свойствами они обладают? Ниже дан соответствующий список:

• Они механически нестабильны, поэтому за короткий промежуток времени в них образуется осадок.
• Они являются мутными и непрозрачными для солнечных лучей.
• Фазу от среды можно отделить с помощью фильтровальной бумаги.

Примерами суспензий в природе можно назвать мутную воду в реках или вулканический пепел. Использование человеком суспензий связано, как правило, с медициной (растворы лекарственных препаратов).

Коагуляция

Что можно сказать смесях веществ с различной степенью дисперсности? Частично этот вопрос уже был освещен в статье, поскольку в любой дисперсной системе частицы имеют размер, лежащий в некоторых пределах. Здесь лишь рассмотрим один любопытный случай. Что будет, если смешать коллоид и истинный раствор электролита? Взвешенная система нарушится, и произойдет ее коагуляция. Причина ее заключается во влиянии электрических полей ионов истинного раствора на поверхностный заряд коллоидных частиц.