Повечето от веществата около нас са смеси от различни вещества, така че изучаването на техните свойства играе важна роля в развитието на химията, медицината, хранително-вкусовата промишленост и други сектори на икономиката. Статията разглежда въпросите каква е степента на дисперсия и как тя влияе върху характеристиките на системата.
Какво представляват дисперсните системи?
Преди да обсъдим степента на дисперсия, е необходимо да се изясни към кои системи може да се приложи тази концепция.
Нека си представим, че имаме две различни вещества, които могат да се различават едно от друго по химичен състав, например готварска сол и чиста вода, или по агрегатно състояние, например една и съща вода в течно и твърдо (лед) състояния. Сега трябва да вземете и смесите тези две вещества и да ги смесите интензивно. Какъв ще бъде резултатът? Зависи от това дали химическата реакция е протекла по време на смесването или не. Когато се говори за дисперсни системи, се смята, че когато тепри образуването не протича реакция, тоест изходните вещества запазват структурата си на микро ниво и присъщите си физични свойства, като плътност, цвят, електропроводимост и други.
По този начин дисперсната система е механична смес, в резултат на която две или повече вещества се смесват едно с друго. Когато се формира, се използват понятията "дисперсионна среда" и "фаза". Първият има свойството на непрекъснатост в рамките на системата и като правило се среща в нея в голямо относително количество. Втората (дисперсна фаза) се характеризира със свойството на прекъсване, тоест в системата е под формата на малки частици, които са ограничени от повърхността, която ги отделя от средата.
Хомогенни и хетерогенни системи
Ясно е, че тези два компонента на дисперсната система ще се различават по своите физически свойства. Например, ако хвърлите пясък във водата и го разбъркате, е ясно, че пясъчните зърна, които съществуват във водата, чиято химическа формула е SiO2, няма да се различават по какъвто и да е начин от състоянието когато не са били във водата. В такива случаи се говори за хетерогенност. С други думи, хетерогенната система е смес от няколко (две или повече) фази. Под последното се разбира някакъв краен обем на системата, който се характеризира с определени свойства. В примера по-горе имаме две фази: пясък и вода.
Въпреки това, размерът на частиците от диспергираната фаза, когато се разтварят във всяка среда, може да стане толкова малък, че да престанат да показват своите индивидуални свойства. В този случай се говори захомогенни или хомогенни вещества. Въпреки че съдържат няколко компонента, всички те образуват една фаза в целия обем на системата. Пример за хомогенна система е разтвор на NaCl във вода. Когато се разтваря, поради взаимодействието с полярните молекули H2O, кристалът NaCl се разлага на отделни катиони (Na+) и аниони (Cl-). Те са хомогенно смесени с вода и вече не е възможно да се намери границата между разтвореното вещество и разтворителя в такава система.
Размер на частиците
Каква е степента на дисперсия? Тази стойност трябва да се разгледа по-подробно. Какво представлява тя? Той е обратно пропорционален на размера на частиците на дисперсната фаза. Именно тази характеристика е в основата на класификацията на всички разглеждани вещества.
Когато изучават дисперсни системи, студентите често се бъркат в имената си, защото вярват, че тяхната класификация също се основава на състоянието на агрегиране. Това не е вярно. Смесите от различни агрегатни състояния наистина имат различни имена, например емулсиите са водни вещества, а аерозолите вече предполагат съществуването на газова фаза. Свойствата на дисперсните системи обаче зависят главно от размера на частиците на разтворената в тях фаза.
Общоприета класификация
Класификация на дисперсните системи според степента на дисперсия е дадена по-долу:
- Ако условният размер на частиците е по-малък от 1 nm, тогава такива системи се наричат реални или истински решения.
- Ако условният размер на частиците е между 1 nm и100 nm, тогава въпросното вещество ще бъде наречено колоиден разтвор.
- Ако частиците са по-големи от 100 nm, тогава говорим за суспензии или суспензии.
По отношение на горната класификация, нека изясним две точки: първо, дадените цифри са ориентировъчни, тоест система, в която размерът на частиците е 3 nm, не е непременно колоиден, може да бъде и вярно решение. Това може да се установи чрез изследване на неговите физически свойства. Второ, може да забележите, че списъкът използва фразата "условен размер". Това се дължи на факта, че формата на частиците в системата може да бъде напълно произволна и в общия случай има сложна геометрия. Следователно те говорят за някакъв среден (условен) размер от тях.
По-късно в статията ще дадем кратко описание на отбелязаните типове дисперсни системи.
Истински решения
Както бе споменато по-горе, степента на дисперсия на частиците в реалните разтвори е толкова висока (размерът им е много малък, < 1 nm), че няма интерфейс между тях и разтворителя (средата), т.е. е еднофазна хомогенна система. За пълнота на информацията, припомняме, че размерът на атома е от порядъка на един ангстрьом (0,1 nm). Последното число показва, че частиците в реалните разтвори са атомни по размер.
Основните свойства на истинските разтвори, които ги отличават от колоидите и суспензиите, са както следва:
- Състоянието на разтвора съществува произволно дълго време непроменено, тоест не се образува утайка от дисперсната фаза.
- Разтворенвеществото не може да бъде отделено от разтворителя чрез филтриране през обикновена хартия.
- Веществото също не се отделя в резултат на процеса на преминаване през порестата мембрана, който в химията се нарича диализа.
- Възможно е да се отдели разтворено вещество от разтворител само чрез промяна на състоянието на агрегация на последния, например чрез изпаряване.
- За идеални решения може да се извърши електролиза, тоест може да се пропусне електрически ток, ако към системата се приложи потенциална разлика (два електрода).
- Те не разпръскват светлина.
Пример за истински решения е смесването на различни соли с вода, например NaCl (готварска сол), NaHCO3 (сода за хляб), KNO 3(калиев нитрат) и други.
колоидни разтвори
Това са междинни системи между реални решения и суспензии. Въпреки това, те имат редица уникални характеристики. Нека ги изброим:
- Те са механично стабилни за произволно дълго време, ако условията на околната среда не се променят. Достатъчно е да загреете системата или да промените нейната киселинност (рН стойност), тъй като колоида се коагулира (утаява).
- Те не се разделят с филтърна хартия, но процесът на диализа води до разделяне на диспергираната фаза и средата.
- Както при истинските решения, те могат да бъдат електролизирани.
- За прозрачните колоидни системи е характерен така нареченият ефект на Тиндал: преминавайки лъч светлина през тази система, можете да го видите. Свързано е сразсейване на електромагнитни вълни във видимата част на спектъра във всички посоки.
- Способност за адсорбиране на други вещества.
Колоидните системи, поради изброените свойства, се използват широко от хората в различни области на дейност (хранителна индустрия, химия), а също така често се срещат в природата. Пример за колоид е маслото, майонезата. В природата това са мъгли, облаци.
Преди да преминем към описанието на последния (трети) клас дисперсни системи, нека обясним по-подробно някои от назованите свойства за колоиди.
Какво представляват колоидни разтвори?
За този тип дисперсни системи може да се даде класификация, като се вземат предвид различните агрегатни състояния на средата и фазата, разтворена в нея. По-долу е съответната таблица/
| сряда/фаза | Газ | Течност | Твърдо тяло |
| газ | всички газове са безкрайно разтворими един в друг, така че те винаги образуват истински решения | аерозол (мъгла, облаци) | аерозол (дим) |
| течност | пяна (бръснене, бита сметана) | емулсия (мляко, майонеза, сос) | sol (акварели) |
| твърдо тяло | пяна (пемза, газиран шоколад) | гел (желатин, сирене) | sol (рубинен кристал, гранит) |
Таблицата показва, че колоидни вещества присъстват навсякъде, както в ежедневието, така и в природата. Имайте предвид, че подобна таблица може да се даде и за окачвания, като се помни, че разликата сколоидите в тях е само в размера на дисперсната фаза. Въпреки това, суспензиите са механично нестабилни и следователно представляват по-малко практически интерес от колоидни системи.
Причината за механичната стабилност на колоидите
Защо майонезата може да лежи в хладилника дълго време и суспендираните частици в нея не се утаяват? Защо частиците от боя, разтворени във вода, в крайна сметка не „паднат“на дъното на съда? Отговорът на тези въпроси ще бъде Брауново движение.
Този тип движение е открито през първата половина на 19-ти век от английския ботаник Робърт Браун, който наблюдава под микроскоп как малките поленови частици се движат във вода. От физическа гледна точка Брауновото движение е проява на хаотичното движение на течните молекули. Интензитетът му се увеличава, ако температурата на течността се повиши. Именно този тип движение кара малките частици колоидни разтвори да бъдат в суспензия.
Свойство за адсорбция
Дисперсността е реципрочната стойност на средния размер на частиците. Тъй като този размер в колоидите е в диапазона от 1 nm до 100 nm, те имат много развита повърхност, тоест съотношението S / m е голяма стойност, тук S е общата повърхност на интерфейса между двете фази (дисперсионна среда и частици), m - обща маса на частиците в разтвора.
Атомите, които са на повърхността на частиците на дисперсната фаза, имат ненаситени химични връзки. Това означава, че те могат да образуват съединения с другимолекули. По правило тези съединения възникват поради ван дер Ваалсови сили или водородни връзки. Те са в състояние да задържат няколко слоя молекули върху повърхността на колоидни частици.
Класически пример за адсорбент е активният въглен. Това е колоид, където дисперсионната среда е твърдо вещество, а фазата е газ. Специфичната повърхност за него може да достигне 2500 m2/g.
Степен на финост и специфична повърхност
Изчисляването на S/m не е лесна задача. Факт е, че частиците в колоиден разтвор имат различни размери, форми и повърхността на всяка частица има уникален релеф. Следователно теоретичните методи за решаване на този проблем водят до качествени резултати, а не до количествени. Въпреки това е полезно да се даде формулата за специфичната повърхност от степента на дисперсия.
Ако приемем, че всички частици на системата имат сферична форма и еднакъв размер, тогава в резултат на прости изчисления се получава следният израз: Sud=6/(dρ), където Sud - повърхност (специфична), d - диаметър на частицата, ρ - плътност на веществото, от което се състои. От формулата може да се види, че най-малките и най-тежките частици ще допринесат най-много за разглежданото количество.
Експерименталният начин за определяне на Sud е да се изчисли обемът газ, който се адсорбира от изследваното вещество, както и да се измери размера на порите (дисперсна фаза) в него.
Изсушаване чрез замразяване илиофобия
Лиофилност и лиофобност - това са характеристиките, които всъщност определят съществуването на класификацията на дисперсните системи във вида, в който е дадена по-горе. И двете концепции характеризират силовата връзка между молекулите на разтворителя и разтвореното вещество. Ако тази връзка е голяма, тогава те говорят за лиофилност. И така, всички истински разтвори на соли във вода са лиофилни, тъй като техните частици (йони) са електрически свързани с полярни молекули H2O. Ако разглеждаме такива системи като масло или майонеза, тогава това са представители на типичните хидрофобни колоиди, тъй като мастните (липидни) молекули в тях отблъскват полярните молекули H2O.
Важно е да се отбележи, че лиофобните (хидрофобни, ако разтворителят е вода) са термодинамично нестабилни, което ги отличава от лиофилните.
Свойства на спиранията
Сега разгледайте последния клас дисперсни системи - окачвания. Припомнете си, че те се характеризират с това, че най-малката частица в тях е по-голяма или от порядъка на 100 nm. Какви имоти притежават? Съответният списък е даден по-долу:
- Те са механично нестабилни, така че образуват утайка за кратък период от време.
- Те са облачни и непрозрачни за слънчевата светлина.
- Фаза може да бъде отделена от средата с филтърна хартия.
Примери за суспензии в природата включват кална вода в реки или вулканична пепел. Човешката употреба на суспензии е свързана собикновено с лекарства (лекарствени разтвори).
Коагулация
Какво може да се каже за смеси от вещества с различна степен на дисперсия? Частично този въпрос вече е разгледан в статията, тъй като във всяка дисперсна система частиците имат размер, който се намира в определени граници. Тук разглеждаме само един любопитен случай. Какво се случва, ако смесите колоиден и истински електролитен разтвор? Претеглената система ще бъде счупена и ще настъпи нейната коагулация. Причината му се крие във влиянието на електрическите полета на истинските йони на разтвора върху повърхностния заряд на колоидни частици.
