Większość otaczających nas substancji to mieszaniny różnych substancji, dlatego badanie ich właściwości odgrywa ważną rolę w rozwoju chemii, medycyny, przemysłu spożywczego i innych sektorów gospodarki. W artykule omówiono zagadnienia, jaki jest stopień rozproszenia i jak wpływa on na charakterystykę systemu.
Co to są systemy rozproszone?
Przed omówieniem stopnia rozproszenia konieczne jest wyjaśnienie, do jakich systemów można zastosować tę koncepcję.
Wyobraźmy sobie, że mamy dwie różne substancje, które mogą różnić się od siebie składem chemicznym, na przykład sól kuchenna i czysta woda, lub stan skupienia, na przykład ta sama woda w stanie ciekłym i stałym (lód) stany. Teraz musisz wziąć i wymieszać te dwie substancje i intensywnie je mieszać. Jaki będzie wynik? Zależy to od tego, czy reakcja chemiczna miała miejsce podczas mieszania, czy nie. Mówiąc o systemach rozproszonych, uważa się, że kiedyw formacji nie zachodzi żadna reakcja, to znaczy substancje wyjściowe zachowują swoją strukturę na poziomie mikro i nieodłączne właściwości fizyczne, takie jak gęstość, kolor, przewodność elektryczna i inne.
Tak więc system rozproszony jest mieszanką mechaniczną, w wyniku której dwie lub więcej substancji miesza się ze sobą. Kiedy powstaje, używane są pojęcia „środka dyspersyjnego” i „fazy”. Pierwszy ma właściwość ciągłości w systemie iz reguły występuje w nim w dużej względnej ilości. Druga (faza rozproszona) charakteryzuje się właściwością nieciągłości, to znaczy w układzie występuje w postaci drobnych cząstek, które są ograniczone powierzchnią oddzielającą je od medium.
Systemy jednorodne i heterogeniczne
Oczywiste jest, że te dwa składniki systemu rozproszonego będą różnić się swoimi właściwościami fizycznymi. Na przykład, jeśli wrzucisz piasek do wody i go zamieszasz, jasne jest, że ziarna piasku znajdujące się w wodzie, których wzór chemiczny to SiO2, nie będą się różnić w żaden sposób od stanu, w którym nie byli w wodzie. W takich przypadkach mówi się o niejednorodności. Innymi słowy, układ heterogeniczny jest mieszaniną kilku (dwóch lub więcej) faz. Ta ostatnia jest rozumiana jako pewna skończona objętość układu, która charakteryzuje się pewnymi właściwościami. W powyższym przykładzie mamy dwie fazy: piasek i wodę.
Jednak wielkość cząstek fazy rozproszonej po rozpuszczeniu w jakimkolwiek medium może stać się tak mała, że przestają wykazywać swoje indywidualne właściwości. W tym przypadku mówi się osubstancje jednorodne lub jednorodne. Chociaż zawierają kilka elementów, wszystkie tworzą jedną fazę w całej objętości systemu. Przykładem układu jednorodnego jest roztwór NaCl w wodzie. Po rozpuszczeniu, w wyniku oddziaływania z cząsteczkami polarnymi H2O, kryształ NaCl rozkłada się na oddzielne kationy (Na+) i aniony (Cl-). Są one jednorodnie wymieszane z wodą i w takim układzie nie jest już możliwe znalezienie granicy faz między substancją rozpuszczoną a rozpuszczalnikiem.
Rozmiar cząstek
Jaki jest stopień rozproszenia? Tę wartość należy rozważyć bardziej szczegółowo. Co ona reprezentuje? Jest odwrotnie proporcjonalna do wielkości cząstek zdyspergowanej fazy. To właśnie ta cecha leży u podstaw klasyfikacji wszystkich rozważanych substancji.
Podczas nauki systemów rozproszonych uczniowie często mylą się w swoich nazwiskach, ponieważ uważają, że ich klasyfikacja również opiera się na stanie skupienia. To nie jest prawda. Mieszaniny o różnych stanach skupienia mają naprawdę różne nazwy, na przykład emulsje to substancje wodne, a aerozole już sugerują istnienie fazy gazowej. Jednak właściwości układów zdyspergowanych zależą głównie od wielkości cząstek rozpuszczonej w nich fazy.
Powszechnie przyjęta klasyfikacja
Klasyfikacja systemów dyspersyjnych według stopnia dyspersji jest podana poniżej:
- Jeżeli warunkowy rozmiar cząstek jest mniejszy niż 1 nm, wtedy takie systemy nazywane są rzeczywistymi lub prawdziwymi rozwiązaniami.
- Jeśli warunkowa wielkość cząstek mieści się w zakresie od 1 nm do100 nm, wtedy dana substancja będzie nazywana roztworem koloidalnym.
- Jeśli cząstki są większe niż 100 nm, mówimy o zawiesinach lub zawiesinach.
W odniesieniu do powyższej klasyfikacji wyjaśnijmy dwie kwestie: po pierwsze podane liczby są orientacyjne, czyli układ, w którym wielkość cząstek wynosi 3 nm, niekoniecznie jest koloidem, może być również prawdziwy rozwiązanie. Można to ustalić, badając jego właściwości fizyczne. Po drugie, możesz zauważyć, że na liście użyto wyrażenia „rozmiar warunkowy”. Wynika to z faktu, że kształt cząstek w układzie może być całkowicie dowolny iw ogólnym przypadku ma złożoną geometrię. Dlatego mówią o jakiejś średniej (warunkowej) ich wielkości.
W dalszej części artykułu przedstawimy krótki opis zauważonych typów systemów rozproszonych.
Prawdziwe rozwiązania
Jak wspomniano powyżej, stopień rozproszenia cząstek w rzeczywistych roztworach jest tak wysoki (ich rozmiar jest bardzo mały, < 1 nm), że nie ma granicy między nimi a rozpuszczalnikiem (medium), czyli jest jednofazowym systemem jednorodnym. Dla kompletności informacji przypominamy, że rozmiar atomu jest rzędu jednego angstremu (0,1 nm). Ostatnia liczba wskazuje, że cząstki w rzeczywistych roztworach mają rozmiar atomowy.
Główne właściwości prawdziwych roztworów, które odróżniają je od koloidów i zawiesin, są następujące:
- Stan roztworu istnieje przez dowolnie długi czas niezmieniony, to znaczy nie tworzy się osad fazy rozproszonej.
- Rozpuszczonysubstancji nie można oddzielić od rozpuszczalnika przez filtrację przez zwykły papier.
- Substancja nie jest również oddzielana w wyniku procesu przechodzenia przez porowatą membranę, co w chemii nazywa się dializą.
- Możliwe jest oddzielenie substancji rozpuszczonej od rozpuszczalnika tylko poprzez zmianę stanu agregacji tego ostatniego, na przykład przez odparowanie.
- W celu uzyskania idealnych rozwiązań można przeprowadzić elektrolizę, to znaczy prąd elektryczny można przepuścić, jeśli do systemu zostanie przyłożona różnica potencjałów (dwie elektrody).
- Nie rozpraszają światła.
Przykładem prawdziwych rozwiązań jest mieszanie różnych soli z wodą, na przykład NaCl (sól kuchenna), NaHCO3 (soda oczyszczona), KNO 3(azotan potasu) i inne.
Roztwory koloidalne
Są to systemy pośrednie między rzeczywistymi rozwiązaniami a zawieszeniami. Mają jednak szereg unikalnych cech. Wymieńmy je:
- Są stabilne mechanicznie przez dowolnie długi czas, jeśli warunki otoczenia się nie zmieniają. Wystarczy podgrzać układ lub zmienić jego kwasowość (wartość pH), gdyż koloid koaguluje (wytrąca).
- Nie są one oddzielane za pomocą bibuły filtracyjnej, jednak proces dializy prowadzi do rozdzielenia fazy rozproszonej i medium.
- Podobnie jak w przypadku prawdziwych roztworów, można je poddać elektrolizie.
- Dla przezroczystych układów koloidalnych charakterystyczny jest tak zwany efekt Tyndalla: przepuszczając wiązkę światła przez ten układ, możesz go zobaczyć. Jest to związane zrozpraszanie fal elektromagnetycznych w widzialnej części widma we wszystkich kierunkach.
- Zdolność do adsorpcji innych substancji.
Układy koloidalne, ze względu na wymienione właściwości, są szeroko stosowane przez człowieka w różnych dziedzinach działalności (przemysł spożywczy, chemia), a także często występują w naturze. Przykładem koloidu jest masło, majonez. W naturze są to mgły, chmury.
Zanim przejdziemy do opisu ostatniej (trzeciej) klasy systemów rozproszonych, wyjaśnijmy bardziej szczegółowo niektóre z nazwanych właściwości koloidów.
Czym są roztwory koloidalne?
Dla tego typu układów zdyspergowanych można podać klasyfikację uwzględniającą różne stany skupienia ośrodka i rozpuszczonej w nim fazy. Poniżej znajduje się odpowiednia tabela/
| Środa/Faza | Gaz | Płyn | Sztywny korpus |
| gaz | wszystkie gazy są nieskończenie rozpuszczalne w sobie, więc zawsze tworzą prawdziwe rozwiązania | aerozol (mgła, chmury) | aerozol (dym) |
| ciecz | pianka (do golenia, bita śmietana) | emulsja (mleko, majonez, sos) | sol (akwarele) |
| ciało stałe | pianka (pumeks, gazowana czekolada) | żel (żelatyna, ser) | sol (rubinowy kryształ, granit) |
Tabela pokazuje, że substancje koloidalne są obecne wszędzie, zarówno w życiu codziennym, jak iw przyrodzie. Zwróć uwagę, że podobną tabelę można podać również dla zawieszeń, pamiętając, że różnica zkoloidy w nich zawarte są tylko w wielkości fazy rozproszonej. Jednak zawiesiny są niestabilne mechanicznie i dlatego mają mniejsze znaczenie praktyczne niż układy koloidalne.
Przyczyna mechanicznej stabilności koloidów
Dlaczego majonez może długo leżeć w lodówce, a zawieszone w nim cząsteczki nie wytrącają się? Dlaczego cząsteczki farby rozpuszczone w wodzie w końcu nie „spadają” na dno naczynia? Odpowiedzią na te pytania będzie ruch Browna.
Ten rodzaj ruchu został odkryty w pierwszej połowie XIX wieku przez angielskiego botanika Roberta Browna, który zaobserwował pod mikroskopem, jak małe cząsteczki pyłku poruszają się w wodzie. Z fizycznego punktu widzenia ruch Browna jest przejawem chaotycznego ruchu cząsteczek cieczy. Jego intensywność wzrasta wraz ze wzrostem temperatury cieczy. To właśnie ten rodzaj ruchu powoduje, że małe cząsteczki roztworów koloidalnych znajdują się w zawiesinie.
Właściwość adsorpcji
Rozproszenie to odwrotność średniej wielkości cząstek. Ponieważ ten rozmiar w koloidach mieści się w zakresie od 1 nm do 100 nm, mają one bardzo rozwiniętą powierzchnię, to znaczy stosunek S / m jest dużą wartością, tutaj S jest całkowitym obszarem granicy faz między dwiema fazami (ośrodek dyspersyjny i cząstek), m - całkowita masa cząstek w roztworze.
Atomy znajdujące się na powierzchni cząstek fazy rozproszonej mają nienasycone wiązania chemiczne. Oznacza to, że mogą tworzyć związki z innymiCząsteczki. Z reguły związki te powstają w wyniku sił van der Waalsa lub wiązań wodorowych. Są w stanie utrzymać kilka warstw cząsteczek na powierzchni cząstek koloidalnych.
Klasycznym przykładem adsorbentu jest węgiel aktywny. Jest to koloid, w którym medium dyspersyjne jest ciałem stałym, a fazą jest gaz. Powierzchnia właściwa może osiągnąć 2500 m2/g.
Stopień rozdrobnienia i powierzchnia właściwa
Obliczanie S/m nie jest łatwym zadaniem. Faktem jest, że cząstki w roztworze koloidalnym mają różne rozmiary, kształty, a powierzchnia każdej cząstki ma wyjątkową rzeźbę. Dlatego teoretyczne metody rozwiązania tego problemu prowadzą do wyników jakościowych, a nie ilościowych. Niemniej jednak przydatne jest podanie wzoru na powierzchnię właściwą ze stopnia dyspersji.
Jeżeli założymy, że wszystkie cząstki układu mają kulisty kształt i taką samą wielkość, to w wyniku prostych obliczeń otrzymujemy następujące wyrażenie: Sud=6/(dρ), gdzie Sud - pole powierzchni (właściwe), d - średnica cząstki, ρ - gęstość substancji, z której się składa. Ze wzoru widać, że najmniejsze i najcięższe cząstki będą miały największy udział w rozważanej wielkości.
Eksperymentalnym sposobem określenia Sud jest obliczenie objętości gazu, który jest zaadsorbowany przez badaną substancję, a także pomiar wielkości porów (fazy rozproszonej) w nim.
Liofilizacja iliofobiczny
Liofilowość i liofobowość – to cechy, które de facto przesądzają o istnieniu klasyfikacji układów rozproszonych w postaci, w jakiej jest ona podana powyżej. Obie koncepcje charakteryzują wiązanie siłowe między cząsteczkami rozpuszczalnika i substancji rozpuszczonej. Jeśli ten związek jest duży, to mówią o liofilowości. Tak więc wszystkie prawdziwe roztwory soli w wodzie są liofilowe, ponieważ ich cząsteczki (jony) są elektrycznie połączone z cząsteczkami polarnymi H2O. Jeśli weźmiemy pod uwagę takie układy jak masło czy majonez, to są to przedstawiciele typowych koloidów hydrofobowych, ponieważ zawarte w nich cząsteczki tłuszczu (lipidów) odpychają cząsteczki polarne H2O.
Ważne jest, aby pamiętać, że systemy liofobowe (hydrofobowe, jeśli rozpuszczalnikiem jest woda) są niestabilne termodynamicznie, co odróżnia je od systemów liofilowych.
Właściwości zawieszeń
Rozważmy teraz ostatnią klasę systemów rozproszonych - zawieszenia. Przypomnijmy, że charakteryzują się tym, że najmniejsza w nich cząstka jest większa lub rzędu 100 nm. Jakie mają właściwości? Odpowiednia lista znajduje się poniżej:
- Są niestabilne mechanicznie, więc w krótkim czasie tworzą osad.
- Są mętne i nieprzezroczyste dla światła słonecznego.
- Fazę można oddzielić od medium za pomocą bibuły filtracyjnej.
Przykłady zawiesin występujących w przyrodzie obejmują mętną wodę w rzekach lub popiół wulkaniczny. Stosowanie zawiesin przez ludzi jest związane, ponieważ:zwykle z lekarstwami (roztwory leków).
Koagulacja
Co można powiedzieć o mieszaninach substancji o różnym stopniu dyspersji? Częściowo ten problem został już omówiony w artykule, ponieważ w dowolnym układzie zdyspergowanym cząstki mają wielkość mieszczącą się w pewnych granicach. Tutaj rozważamy tylko jeden ciekawy przypadek. Co się stanie, jeśli zmieszasz koloid i prawdziwy roztwór elektrolitu? Układ ważony zostanie zerwany i nastąpi jego koagulacja. Jego przyczyna tkwi w wpływie pól elektrycznych prawdziwych jonów roztworów na ładunek powierzchniowy cząstek koloidalnych.
