Дисперсными называют гетерогенные системы, в которых одно вещество в виде очень мелких частиц равномерно распределено в объеме другого.
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.
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. таблицу).
Таблица. Примеры дисперсных систем
| Дисперсионная среда | Дисперсная фаза | Примеры некоторых природных и бытовых дисперсных систем |
| Газ | Жидкость | Туман, попутный газ с капельками нефти, карбюраторная смесь в двигателях автомобилей (капельки бензина в воздухе), аэрозоли |
| Твердое вещество | Пыли в воздухе, дымы, смог, самумы (пыльные и песчаные бури), аэрозоли | |
| Жидкость | Газ | Шипучие напитки, пены |
| Жидкость | Эмульсии. Жидкие среды организма (плазма крови, лимфа, пищеварительные соки), жидкое содержимое клеток (цитоплазма, кариоплазма) | |
| Твердое вещество | Золи, гели, пасты (кисели, студни, клеи). Речной и морской ил, взвешенные в воде; строительные растворы | |
| Твердое вещество | Газ | Снежный наст с пузырьками воздуха в нем, почва, текстильные ткани, кирпич и керамика, поролон, пористый шоколад, порошки |
| Жидкость | Влажная почва, медицинские и косметические средства (мази, тушь, помада и т. д.) | |
| Твердое вещество | Горные породы, цветные стекла, некоторые сплавы |
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.
Если все частицы дисперсной фазы имеют одинаковые размеры, то такие системы называют монодисперсными (рис. 1, а и б). Частицы дисперсной фазы неодинакового размера образуют полидисперсные системы (рис.1, в).
Рис. 1. Свободнодисперсные системы: корпускулярно − (а-в), волокнисто − (г) и пленочно-дисперсные − (д); а, б − монодисперсные; в − полидисперсная система.
Дисперсные системы могут быть свободнодисперсными (рис. 1) и связнодисперсными (рис. 2, а − в) в зависимости от отсутствия или наличия взаимодействия между частицами дисперсной фазы. К свободнодисперсным системам относятся аэрозоли, разбавленные суспензии и эмульсии. Они текучи, в этих системах частицы дисперсной фазы не имеют контактов, участвуют в беспорядочном тепловом движении, свободно перемещаются под действием силы тяжести. Связнодисперсные системы − твердообразны; они возникают при контакте частиц дисперсной фазы, приводящем к образованию структуры в виде каркаса или сетки. Такая структура ограничивает текучесть дисперсной системы и придает ей способность сохранять форму. Порошки, концентрированные эмульсии и суспензии (пасты), пены, гели – примеры связнодисперсных систем. Сплошную массу вещества могут пронизывать поры и капилляры, образующие капиллярно-дисперсные системы (кожа, картон, ткани, древесина).
Рис. 3. Связнодисперсные (а-в) и капиллярно-дисперсные (г, д) системы: гель (а), коагулянт с плотной (б) и рыхлой – арочной (в) структурой.
Дисперсные системы, в соответствии с их промежуточным положением между миром молекул и крупных тел, могут быть получены двумя путями: методами диспергирования, т. е. измельчения крупных тел, и методами конденсации молекулярно- или ионнорастворенных веществ.
Под взаимодействием фаз дисперсных систем подразумевают процессы сольватации (гидратации в случае водных систем), т. е. образование сольватных (гидратных) оболочек из молекул дисперсионной среды вокруг частиц дисперсной фазы. Соответственно, по интенсивности взаимодействия между веществами дисперсной фазы и дисперсионной среды (только для систем с жидкой дисперсионной средой), по предложению Г. Фрейндлиха различают следующие дисперсные системы:
− Лиофильные (гидрофильные, если ДС – вода): мицеллярные растворы ПАВ, критические эмульсии, водные растворы некоторых природных ВМС, например, белков (желатина, яичного белка), полисахаридов (крахмала). Для них характерно сильное взаимодействие частиц ДФ с молекулами ДС. В предельном случае наблюдается полное растворение. Лиофильные дисперсные системы образуются самопроизвольно вследствие процесса сольватации. Термодинамически агрегативно устойчивы.
− Лиофобные (гидрофобные, если ДС – вода): эмульсии, суспензии, золи. Для них характерно слабое взаимодействие частиц ДФ с молекулами ДС. Самопроизвольно не образуются, для их образования необходимо затратить работу. Термодинамически агрегативно неустойчивы (т. е. имеют тенденцию к самопроизвольной агрегации частиц дисперсной фазы), их относительная устойчивость (так называемая метастабильность ) обусловлена кинетическими факторами (т. е. низкой скоростью агрегации).
3. Взвеси.
Взвеси – это дисперсные системы, в которых размер частицы фазы более 100 нм. Это непрозрачные системы, отдельные частицы которых можно заметить невооруженным глазом. Дисперсная фаза и дисперсная среда легко разделяются отстаиванием, фильтрованием. Такие системы разделяются на:
1. Эмульсии (и среда, и фаза – нерастворимые друг в друге жидкости). Из воды и масла можно приготовить эмульсию длительным встряхиванием смеси. Это хорошо известные вам молоко, лимфа, водоэмульсионные краски и т.д.
2. Суспензии (среда – жидкость, фаза – нерастворимое в ней твердое вещество).Чтобы приготовить суспензию, надо вещество измельчить до тонкого порошка, высыпать в жидкость и хорошо взболтать. Со временем частица выпадут на дно сосуда. Очевидно, чем меньше частицы, тем дольше будет сохраняться суспензия. Это строительные растворы, 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. Различаются пыли, дымы, туманы. Первые два вида аэрозолей представляют собой взвеси твердых частиц в газе (более крупные частицы в пылях), последний – взвесь капелек жидкости в газе. Например: 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. Дым заводских труб, смоги, мельчайшие капельки слюны, вылетающих изо рта больного гриппом, также вредные аэролози. Аэрозоли играют важную роль в природе, быту и производственной деятельности человека. Скопление облаков, обработка полей химикатами, нанесение лакокрасочных покрытий при помощи пульверизатора, 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 и жидкие растворы.
Природная вода всегда содержит растворенные вещества. Природные водные растворы участвуют в процессах почвообразования и снабжают растения питательными веществами. Сложные процессы жизнедеятельности, происходящие в организмах человека и животных, также протекают в растворах. Многие технологические процессы в химической и других отраслях промышленности, например получение кислот, металлов, бумаги, соды, удобрений, протекают в растворах.
4. Коллоидные системы.
Коллоидные системы (в переводе с греческого “колла” – клей, “еидос” вид клееподобные) – это такие дисперсные системы, в которых размер частиц фазы от 100 до 1 нм. Эти частицы не видны невооруженным глазом, и дисперсная фаза и дисперсная среда в таких системах отстаиванием разделяются с трудом.
Из курса общей биологии вам известно, что частицы такого размера можно обнаружить при помощи ультрамикроскопа, в котором используется принцип рассеивания света. Благодаря этому коллоидная частица в нем кажется яркой точкой на темном фоне.
Их подразделят 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 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.
Характерное свойство коллоидных растворов – их прозрачность. 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 лесу и в кинотеатрах при прохождении луча света от киноаппарата через воздух кинозала.
Пропускание луча света через растворы:
а – истинный раствор хлорида натрия;
б – коллоидный раствор гидроксида железа (III).
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. Это объясняется тем, что вещества в коллоидном, т.е., в мелкораздробленном, состоянии обладают большой поверхностью. На этой поверхности адсорбируются либо положительно, либо отрицательно заряженные ионы. Например, кремниевая кислота адсорбирует отрицательные ионы SiO 3 2- , которых в растворе много вследствие диссоциации силиката натрия:
Частицы же с одноименными зарядами взаимно отталкиваются и поэтому не слипаются.
Но при определенных условиях может происходить процесс коагуляции. При кипячении некоторых коллоидных растворов происходит десорбция заряженных ионов, т.е. коллоидные частицы теряют заряд. Начинают укрупняться и оседают. Тоже самое наблюдается при приливании какого-либо электролита. В этом случае коллоидная частица притягивает к себе противоположно заряженный ион и ее заряд нейтрализуется.
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. Гели или студни представляют 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, мармелад, хлеб, мясо, джем, желе, мармелад, кисель, сыр, творог, простокваша, торт “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 на Земле можно одновременно считать историей эволюции коллоидного состояния вещества. Со временем структура гелей нарушается (отслаивается) – из них выделяется вода. Это явление называют синерезисом .
Студни − это структурированные системы со свойствами эластичных твердых тел. Студнеобразное состояние вещества можно рассматривать как промежуточное между жидким и твердым состоянием.
Студни высокомолекулярных веществ могут быть получены в основном двумя путями: методом образования студней из растворов полимеров и методом набухания сухих высокомолекулярных веществ в соответствующих жидкостях.
Процесс перехода раствора полимера или золя в студень называется студнеобразованием . Студнеобразование связано с увеличением вязкости и замедлением броуновского движения и заключается в объединении частиц дисперсной фазы в форме сетки или ячеек и связывании при этом всего растворителя.
На процесс студнеобразования существенно влияет природа растворенных веществ, форма их частиц, концентрация, температура, время процесса и примеси других веществ, особенно электролитов.
На основании свойств студни делят на две большие группы:
а) эластичные, или обратимые, получаемые из высокомолекулярных веществ;
б) хрупкие, или необратимые, получаемые из неорганических гидрофобных золей.
Как уже говорилось, студни высокомолекулярных веществ могут быть получены не только методом студнеобразования растворов, но и методом набухания сухих веществ. Ограниченное набухание заканчивается образованием студня и не переходит в растворение, а при неограниченном набухании студень - промежуточная стадия на пути к растворению.
Для студней характерен ряд свойств твердых тел: они сохраняют форму, обладают упругими свойствами и эластичностью. Однако их механические свойства определяются концентрацией и температурой.
При нагревании студни переходят в вязкотекучее состояние. Этот процесс называется плавлением. Он обратим, так как при охлаждении раствор снова образовывает студень.
Многие студни способны разжижаться и переходить в растворы при механическом воздействии (перемешивание, встряхивание). Этот процесс обратим, так как в состоянии покоя через некоторое время раствор образовывает студень. Свойство студней многократно изотермически разжижаться при механических воздействиях и образовывать студень в состоянии покоя называется тиксотропией . К тиксотропным изменениям способны, например, шоколадная масса, маргарин, тесто.
Имея в своем составе огромное количество воды, студни, кроме свойств твердых тел, обладают и свойствами жидкого тела. В них могут протекать различные физико-химические процессы: диффузия, химические реакции между веществами.
Свежеприготовленные студни с течением времени подвергаются изменениям, так как процесс структурирования в студне продолжается. При этом на поверхности студня начинают появляться капельки жидкости, которые, сливаясь, образуют жидкую среду. Образующаяся дисперсионная среда является разбавленным раствором полимера, а дисперсная фаза – студнеобразная фракция. Такой самопроизвольный процесс разделения студня на фазы, сопровождающийся изменением объема студия, называет синерезисом (отмоканием).
Синерезис рассматривается как продолжение процессов, обусловливающих образование студня. Скорость синерезиса различных студней различна и зависит в основном от температуры и концентрации.
Синерезис у студней, образованных полимерами, частично обратим. Иногда достаточно нагревания, чтобы студень, претерпевший синерезис, вернуть в исходное состояние, В кулинарной практике этим способом пользуются, например, для освежения каш, пюре, черствого хлеба. Если при хранении студней возникают химические процессы, то синерезис усложняется и его обратимость теряется, происходит старение студня. При этом студень теряет способность удерживать связанную воду (черствение хлеба). Практическое значение синерезиса довольно велико. Чаще всего синерезис в быту и промышленности нежелателен. Это черствение хлеба, отмокание мармелада, желе, карамели, фруктовых джемов.
5. Растворы высокомолекулярных веществ.
Полимеры, подобно низкомолекулярным веществам, в зависимости от условий получения раствора (природа полимера и растворителя, температура и др.) могут образовывать как коллоидные, так и истинные растворы. В связи с этим принято говорить о коллоидном или истинном состоянии вещества в растворе. Мы не будем касаться систем «полимер – растворитель» коллоидного типа. Рассмотрим только растворы полимеров молекулярного типа. Следует отметить, что вследствие больших размеров молекул и особенностей их строения, растворы ВМС обладают рядом специфических свойств:
1. Равновесные процессы в растворах ВМС устанавливаются медленно.
2. Процессу растворения ВМС, как правило, предшествует процесс набухания.
3. Растворы полимеров не подчиняются законам идеальных растворов, т.е. законам Рауля и Вант-Гоффа.
4. При течении растворов полимеров возникает анизотропия свойств (неодинаковые физические свойства раствора в разных направлениях) за счет ориентации молекул в направлении течения.
5. Высокая вязкость растворов ВМС.
6. Молекулы полимеров, благодаря большим размерам, проявляют склонность к ассоциации в растворах. Время жизни ассоциатов полимеров более длительное, чем ассоциатов низкомолекулярных веществ.
Процесс растворения ВМС протекает самопроизвольно, но в течение длительного времени, и ему часто предшествует набухание полимера в растворителе. Полимеры, макромолекулы которых имеют симметричную форму, могут переходить в раствор, предварительно не набухая. Например, гемоглобин, печеночный крахмал – гликоген при растворении почти не набухают, а растворы этих веществ не обладают высокой вязкостью даже при сравнительно больших концентрациях. В то время, как вещества с сильно асимметрическими вытянутыми молекулами при растворении очень сильно набухают (желатин, целлюлоза, натуральный и синтетические каучуки).
Набухание – это увеличение массы и объема полимера за счет проникновения молекул растворителя в пространственную структуру ВМС.
Различают два вида набухания: неограниченное, заканчивающееся полным растворением ВМС (например, набухание желатины в воде, каучука в бензоле, нитроцеллюлозы в ацетоне) и ограниченное , приводящее к образованию набухшего полимера – студня (например, набухание целлюлозы в воде, желатина в холодной воде, вулканизованного каучука в бензоле).
Дисперсные системы
Чистые
вещества в природе встречаются очень редко. Смеси разных веществ в различных
агрегатных состояниях могут образовывать гетерогенные и гомогенные системы -
дисперсные системы и растворы.
Дисперсными
называют гетерогенные системы, в которых одно вещество в виде очень мелких
частиц равномерно распределено в объеме другого.
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 9 видов таких 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 и средой нет.
Уже беглое знакомство с дисперсными системами и растворами показывает, насколько они важны в повседневной жизни и в природе.
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
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:
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 топлив, 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 и жидкие растворы.
Природная вода всегда содержит растворенные вещества. Природные водные растворы
участвуют в процессах почвообразования и снабжают растения питательными
веществами. Сложные процессы жизнедеятельности, происходящие в организмах
человека и животных, также протекают в растворах. Многие технологические
процессы в химической и других отраслях промышленности, например получение
кислот, металлов, бумаги, соды, удобрений, протекают в растворах.
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 (Ш) 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.
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.
Гели
, или студни,
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 «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
.
Растворы
Раствором называют
гомогенную
систему, состоящую из двух и более веществ.
Растворы всегда однофазны, то есть представляют собой однородный газ, жидкость
или твердое вещество. Это связано с тем, что одно из веществ распределено в
массе другого в виде молекул, атомов или ионов (размер частиц менее 1 нм).
Растворы называют истинными
,
если требуется подчеркнуть их отличие от коллоидных растворов.
Растворителем считают то вещество, агрегатное состояние которого не изменяется
при образовании раствора. Например, вода в водных растворах поваренной соли,
сахара, углекислого газа. Если же раствор образовался при смешении газа с
газом, жидкости с жидкостью и твердого вещества с твердым, растворителем
считают тот компонент, которого больше в растворе. Так, воздух - это раствор
кислорода, благородных газов, углекислого газа в азоте (растворитель). Столовый
уксус, в котором содержится от 5 до 9% уксусной кислоты, представляет собой
раствор этой кислоты в воде (растворитель - вода). Но в уксусной эссенции роль
растворителя играет уксусная кислота, так как ее массовая доля составляет 70-
80%, следовательно, это раствор воды в уксусной кислоте.
При
кристаллизации жидкого сплава серебра и золота можно получить твердые растворы
разного состава.
Растворы
подразделяют на:
молекулярные
- это
водные растворы неэлектролитов - органических веществ (спирта, глюкозы,
сахарозы и т. д.);
молекулярно-ионные
- это
растворы слабых электролитов (азотистой, сероводородной кислот и др.);
ионные
- это растворы
сильных электролитов (щелочей, солей, кислот - NaOH, K 2 S0 4 ,
HN0 3 , НС1О 4).
Раньше существовали две точки зрения на природу растворения и растворов:
физическая и химическая. Согласно первой растворы рассматривали как
механические смеси, согласно второй - как нестойкие химические соединения
частиц растворенного вещества с водой или другим растворителем. Последняя
теория была высказана в 1887 г. Д. И. Менделеевым, который посвятил
исследованию растворов более 40 лет. Современная химия рассматривает
растворение как физико-химический процесс, а растворы как физико-химические
системы.
Более точное определение раствора таково:
Раствор
- гомогенная (однородная) система,
состоящая из частиц растворенного вещества, растворителя и продуктов их
взаимодействия.
Поведение и свойства растворов электролитов, как вы хорошо знаете, объясняет
другая важнейшая теория химии - теория электролитической диссоциации,
разработанная С. Аррениусом, развитая и дополненная учениками Д. И. Менделеева,
и в первую очередь И. А. Каблуковым.
Вопросы для закрепления:
1. Что такое дисперсные системы?
2. При повреждении кожи (ранке) наблюдается свертывание крови
- коагуляция золя. В чем сущность этого процесса? Почему это явление выполняет
защитную функцию для организма? Как называют болезнь, при которой свертывание
крови затруднено или не наблюдается?
3. Расскажите о значении различных дисперсных систем в быту.
4. Проследите эволюцию коллоидных систем в процессе развития
жизни на Земле.
Коллоидная химия - наука, которая изучает методы получения, состав, внутреннюю структуру, химические и физические свойства дисперсных систем. Дисперсные системы - это системы, которые состоят из раздробленных частиц (дисперсная фаза), распределенных в окружающей (дисперсной) среде: газах, жидкостях или твердых телах. Размеры частиц дисперсионной фазы (кристалликов, капелек, пузырьков) отличаются степенью дисперсности, величина которой прямо пропорциональна размеру частиц. Кроме этого, дисперсные частицы различают и по другим признакам, как правило, по дисперсной фазы и среды.
Дисперсные системы и их классификация
Все дисперсионный системы по размеру частиц дисперсионной фазы можно классифицировать на молекулярно-ионные (меньше одного нм), коллоидные (от одного до ста нм), грубодисперсные (более ста нм).
Молекулярно-дисперсные системы. Указанные системы содержат частицы, размер которых не превышает одного нм. К данной группе относятся разнообразные истинные растворы неэлектролитов: глюкозы, мочевины, спирта, сахарозы.
Грубодисперсные системы характеризируются наиболее крупными частицами. К ним относят эмульсии и суспензии. Дисперсные системы, у которых твердое вещество локализируется в жидкой дисперсионной среде (раствор крахмала, глины), называются суспензиями. Эмульсии - это системы, которые получают в результате смешивания двух жидкостей, где одна в виде капелек диспергирована в другой (масло, толуол, бензол в воде или капельки триацилглицеролов (жира) в молоке.
Коллоидные дисперсные системы . В них размеры 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 являются растворы желатина, альбумина, гуммиарабика, золота и серебра.
Позволяет различить гомогенные и гетерогенные дисперсные системы. В гомогенных дисперсных системах частицы фазы измельчены до молекул, атомов и ионов. Примером таких дисперсионных систем может быть раствор глюкозы в воде (молекулярно-дисперсная система) и кухонной соли в воде (ионно-дисперсная система). Они являются Размер молекул дисперсной фазы не превышает одного нанометра.
Дисперсные системы и растворы
Из всех представленных систем и растворов в жизни живых организмов наибольшее значение имеют коллоидные дисперсные системы. Как известно, химической основой существования живого организма является обмен белков в нем. В среднем концентрация белков в организме составляет от 18 до 21 %. Большинство белков растворяются в воде (концентрация которой в организме человека и животных составляет примерно 65 %) и образуют коллоидные растворы.
Различают две группы коллоидных растворов: жидкие (золи) и гелеобразные (гели). 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.
Коллоидные растворы широко распространены и в К таким растворам относят нефть, ткани, пластмассы, Множество пищевых продуктов можно отнести к коллоидным растворам: кефир, молоко и т.д. Большинство лекарственных препаратов (сыворотки, антигены, вакцины) являются коллоидными растворами. К коллоидным растворам относят и краски.
Задание : внимательно прочитайте текст § 11 и заполните таблицу, используя следующий шаблон
п/п | Дисперсные системы |
||
Термин и его определение | Области применения | Примеры |
|
Эмульсия - это дисперсная система с жидкой дисперсионной средой и жидкой дисперсной фазой. | Медицина, практическая деятельность человека (смазочно-охлаждающие жидкости, пестицидные препараты, лекарственные и косметические средства, пищевые продукты) | Капельки жира в лимфе, нефть, молоко, все виды растительных масел (оливковое, соевое, хлопковое). |
|
Суспензия - это грубодисперсная система с твердой дисперсионной фазой и жидкой дисперсионной средой. | Строительство, медицина, бытовая и хоз. промышленность | Штрих, лаки, эмалевые краски, известковое молоко для побелки, жидкие мази, пасты: зубные, косметические, гигиенические. |
|
Аэрозоль - это грубодисперсная система, в которой дисперсионной средой является газ, а дисперсионной фазой капли жидкости (облако, дым) или частицы твердого вещества (пылевое облако, смерч). | Косметика, бытовая и хоз. промышленность | Лак для волос, дезодорант, антиперсперант, духи, лекарственные препараты (распылители). |
|
Золь(коллоид) - это коллоидная система (коллоидный раствор) с жидкой (лиозоль) или газообразной аэрозоль) дисперсионной средой в объеме которой распределена другая (дисперсная) фаза в виде капелек жидкости, пузырьков газа или мелких твердых частиц. | Пищевая промышленность, био жидкости | Плазма крови, лимфа, тканевая жидкость, пищеварительные соки, гуморальная жидкость, яичный белок, клей. |
|
Гель (студень) - это коллоидная система, в которой частицы дисперсной фазы образуют пространственную структуру. | Классификация гелей: Пищевые (сыр, хлеб, мармелад, желе, холодец) Медицинские (мази, паты) Косметические (гели для душа, гели после бритья, кремы, пасты) Минеральные (опал, жемчуг) Биологические (хрящи, сухожилия, волосы, ткани) |
||
Приложение 1
Самостоятельная работа по теме: Дисперсные системы
1. Дисперсная система это:
а) гомогенная система б) гетерогенная система в) верно а и б
2. Туману соответствует дисперсная система: а) ж/г б) ж/ж в) г/ж
3. Нефти соответствует дисперсная система: а) ж/г б) ж/ж в) г/ж
4. Зубной пасте соответствует дисперсная система: а) т/г б) т/т в) т/ж
5. Сплавам соответствует дисперсная система: а) ж/г б) т/т в) г/ж
6. Из перечня выберите лишнее слово и подчеркните его: гель, суспензия, золь
7. Из перечня выберите лишнее слово и подчеркните его: золь, суспензия, аэрозоль
8. Что объединяет данные слова: мармелад, зефир, холодец
9. Что объединяет данные слова: молоко, нефть, подсолнечное масло в воде.
Ответ запишите в виде одного слова__________________________
10. Что объединяет данные слова: лак для волос, дезодорант, пылевое облако.
Ответ запишите в виде одного слова__________________________
Системы, в которых одно вещество, находящееся в диспергированном (измельченном или раздробленном) состоянии, равномерно распределяется в объеме второго вещества, называются дисперсными. (Понятие «дисперсный» происходит от латинскогоdispersus– рассыпанный, рассеянный).
Дисперсные системы, как правило, являются гетерогенными и состоят из двух и более фаз. Сплошную непрерывную фазу в них называют иначе дисперсионной средой , а находящиеся в этой среде дискретные или прерывные частички другого вещества –дисперсной фазой .
Мерой раздробленности дисперсных систем служит либо поперечный размер частиц дисперсной фазы а , либо обратная ему величина –степень дисперсности D , имеющая размерность 1/м или м –1:
Степень дисперсности есть величина, показывающая, какое число частиц можно вплотную уложить на отрезке длиной в 1 м.
Понятие поперечный размер имеет четко выраженный смысл для сферических частиц (а равно диаметруdэтих частиц) и для частиц, имеющих форму куба (а равно длине ребраl куба). Для частиц другой формы (нитевидных, пластинчатых и т.д.) величинаа зависит от направления, в котором производят измерения. В таких случаях очень часто иную форму частиц приравнивают к сферической с определенной величинойd, считая, что эти условные частицы ведут себя в системах точно так же, как и реальные.
Иногда применяется и другая характеристика степени дисперсности – так называемая удельная поверхность S уд. ,которая соответствует общей поверхности (м 2 ) всех частиц дисперсной фазы, имеющих суммарную массу 1 кг или суммарный объем 1 м 3 . В первом случае S уд. имеет размерность м 2 /кг, во втором – 1/м или м –1 .
Таким образом, удельную поверхность можно определить так:
или
где S – суммарная площадь (м 2 ) поверхности частиц дисперсной фазы;
m – общая масса (кг) этих частиц;
V – общий объем (м 3 ) этих частиц.
Существует прямо пропорциональная зависимость между S уд. иD:
где k – коэффициент пропорциональности.
В дисперсных системах частицы дисперсной фазы редко бывают одинакового размера. Их можно получить такими только искусственно, пользуясь специальными приемами. В этом случае образовавшиеся системы называются монодисперсными . Реальные системы чаще всего являютсяполидисперсными и размеры частиц дисперсной фазы в них лежат в определенном интервале.
Все дисперсные системы по величине частиц дисперсной фазы можно условно разделить на 3 группы (табл. 14).
Таблица 14. Классификация дисперсных систем по размерам частиц дисперсной фазы
Границу между этими типами систем нельзя установить точно. Для отдельных систем она может быть сдвинута в ту или иную сторону в зависимости от химической природы вещества дисперсной фазы и дисперсионной среды, и физико-химических свойств самой системы.
Отличительной особенностью истинных растворов является то, что частицы дисперсной фазы в них представляют собой отдельные молекулы или ионы. Вследствие этого в данных системах отсутствует межфазная поверхность и поэтому, в отличие от других дисперсных систем, они являются гомогенными.
В коллоидно-дисперсных системах (или золях) частицы дисперсной фазы образованы несколькими десятками либо сотнями молекул, ионов или атомов, соединенных друг с другом различными связями.
Поперечные размеры таких частиц колеблются от 1 нм до 300-400 нм (1 · 10 –9 ÷ 4 · 10 –7 м). Из-за своих малых размеров они не могут быть визуально обнаружены с помощью светового микроскопа. Характерной особенностью коллоидных систем является их значительная удельная поверхность (табл. 15), вследствие чего их часто называют ультрамикрогетерогенными.
Таблица 15. Изменение площади поверхности при дроблении 1 см 3 вещества
Это приводит к тому, что большая часть всех молекул или атомов вещества дисперсной фазы находится на поверхности его частичек, т.е. на границе раздела фаз. Вследствие этого коллоидные системы приобретают особые свойства, которые резко отличают их от других типов дисперсных систем.
Физико-химические свойства коллоидных систем, процессы, протекающие на поверхности их частиц, изучаются в разделе физической химии, выделившимся в самостоятельную область науки – коллоидную химию .
Название «коллоидная химия » произошло от греческого словаkola – клей иeidos – вид. Его предложил английский ученый Томас Грэм, изучавший во второй половинеXIXвека диффузию из растворов различных веществ через растительные и животные мембраны.
Томас
Грэм
(1805 – 1869),
шотландский химик. Работы Грэма посвящены
диффузии в газах и жидкостях, коллоидной
химии, химии многоосновных кислот. Грэму
принадлежит идея разделения всех веществ
на кристаллоиды и коллоиды. Первые
образуют стойкие растворы и кристаллизуются,
вторые дают нестойкие растворы и легко
коагулируют, образуя студенистый осадок.
Эти работы заложили основы коллоидной
химии. Продолжая исследования газов,
Грэм в конце 1860-х годов открыл явление
окклюзии – поглощения газов
микроскопическими полостями в металлах.
При этом вещества, которые быстро диффундируют в растворе и хорошо проходят через мембрану, были названы им кристаллоидами , т.к. при высаждении они образуют плотные осадки, имеющие кристаллическую структуру.
Вещества, обладающие малой способностью к диффузии в растворе и не проходящие через диализационные мембраны, получили название коллоиды , т.е. клееподобные. Возникновение данного названия связано с тем, что первыми объектами такого типа, исследованными ученым Т. Грэмом, являлись растворы различных высокомолекулярных соединений: полисахаридов, белков, которые при высаждении, как правило, образуют клейкие осадки, имеющие аморфную структуру.
Дальнейшие работы в этой области других ученых: И.Г. Борщова, П.П. Веймарна, Д.И. Менделеева – показали, что одно и то же вещество в зависимости от вида дисперсионной среды может проявлять в растворах как свойства коллоидов, так и свойства кристаллоидов. Так, например, мыло, растворенное в Н 2 О, обладает свойствами коллоида, а раствор мыла в спирте – кристаллоида; поваренная соль, растворенная в Н 2 О, образует истинный раствор, а в бензоле – коллоидный.
Таким образом, нет оснований подразделять химические соединения на два обособленных класса, а можно говорить лишь о кристаллоидном и коллоидном состоянии вещества в растворе.
В кристаллоидном состоянии вещество присутствует в растворах в виде отдельных молекул или ионов, а в коллоидном – в виде раздробленных (диспергированных) мелких частичек, состоящих из определенного числа молекул, ионов либо атомов, равномерно распределенных по всему объему системы.
Растворы высокомолекулярных соединений, несмотря на то, что в большинстве случаев являются истинными, также относятся к предмету исследования коллоидной химии, т.к. во многом схожи по свойствам с коллоидными системами.
Коллоидная химия изучает также дисперсные системы и с более крупными частицами дисперсной фазы по сравнению с золями. Поперечные размеры их лежат, как правило, в интервале 10 –7 м ÷ 10 –5 м. В большинстве случаев такие частицы видны в оптический микроскоп, их удельная поверхность в сотни раз меньше, чем в золях (табл. 15). Данные системы называются микрогетерогенными или грубодисперсными.
Дисперсные системы широко распространены в природе и играют важную практическую роль, чем определяется не только научное, но и народнохозяйственное значение коллоидной химии.
Многие драгоценные камни, различные минералы в недрах Земли, пищевые продукты, дым, облака, пыль, мутная вода в природных водоемах, почва, глина, нефть и т.д. являются коллоидными или грубодисперсными системами.
Большую роль играют коллоидные системы в биохимии и медицине. Важнейшие биологические жидкости: кровь, плазма, лимфа, цитоплазма клеток, спинномозговая жидкость, – представляют собой дисперсные системы, в которых ряд веществ (белки, холестерин и многие другие (табл. 16)) находятся в коллоидном состоянии. С химической точки зрения, человеческий организм в целом есть сложнейшая совокупность дисперсных систем самого разного типа. В связи с этим различные стороны явлений, происходящих в живом организме, их причинно-следственные связи, возможность влияния на них и корректировки извне могут быть поняты лишь по мере познания природы коллоидного состояния вещества.
Таблица 16. Размеры некоторых дисперсных частиц
Многие физические и химические свойства вещества, находящегося в виде дисперсных частиц, значительно отличаются от аналогичных свойств его более крупных образований. Эти различия называют размерными или масштабными эффектами. Они выражены тем сильнее, чем меньше размер дисперсных частиц, и поэтому особенно характерны для частиц нанометрового диапазона (1 · 10 –9 м ÷ 9 · 10 –9 м), так называемых наночастиц .
Особые качества наночастиц (в том числе, наличие у них и квантовых свойств) открывают принципиально новые практические приложения химии, физики, биологии и медицины. В последнее время изучение методов получения, структуры, физических и химических свойств дисперсных частиц и дисперсных систем (разработка так называемых нанотехнологий) относится к актуальным задачам не только коллоидной химии, но и ряда других научных дисциплин.
