Majoritatea substanțelor din jurul nostru sunt amestecuri de diverse substanțe, așa că studiul proprietăților acestora joacă un rol important în dezvoltarea chimiei, medicinei, industriei alimentare și a altor sectoare ale economiei. Articolul discută problemele despre care este gradul de dispersie și cum afectează acesta caracteristicile sistemului.
Ce sunt sistemele disperse?
Înainte de a discuta despre gradul de dispersie, este necesar să se clarifice la ce sisteme se poate aplica acest concept.
Să ne imaginăm că avem două substanțe diferite care pot diferi una de ceal altă în compoziția chimică, de exemplu, sare de masă și apă pură, sau în starea de agregare, de exemplu, aceeași apă în lichid și solid (gheață) afirmă. Acum trebuie să luați și să amestecați aceste două substanțe și să le amestecați intens. Care va fi rezultatul? Depinde dacă reacția chimică a avut loc în timpul amestecării sau nu. Când vorbim despre sisteme dispersate, se crede că atunci când acesteanu are loc nicio reacție în formare, adică substanțele inițiale își păstrează structura la nivel micro și proprietățile fizice inerente, cum ar fi densitatea, culoarea, conductibilitatea electrică și altele.
Astfel, un sistem dispersat este un amestec mecanic, în urma căruia două sau mai multe substanțe sunt amestecate între ele. Când se formează, se folosesc conceptele de „mediu de dispersie” și „fază”. Primul are proprietatea de continuitate în cadrul sistemului și, de regulă, se găsește în el într-o cantitate relativ mare. A doua (fază dispersă) se caracterizează prin proprietatea discontinuității, adică în sistem se prezintă sub formă de particule mici, care sunt limitate de suprafața care le separă de mediu.
Sisteme omogene și eterogene
Este clar că aceste două componente ale sistemului dispersat vor diferi în ceea ce privește proprietățile lor fizice. De exemplu, dacă arunci nisip în apă și îl amesteci, este clar că boabele de nisip care există în apă, a căror formulă chimică este SiO2, nu vor diferi. in vreun fel de la stat cand nu erau in apa. În astfel de cazuri, se vorbește de eterogenitate. Cu alte cuvinte, un sistem eterogen este un amestec de mai multe (două sau mai multe) faze. Acesta din urmă este înțeles ca un volum finit al sistemului, care este caracterizat de anumite proprietăți. În exemplul de mai sus, avem două faze: nisip și apă.
Cu toate acestea, dimensiunea particulelor fazei dispersate atunci când sunt dizolvate în orice mediu poate deveni atât de mică încât nu-și mai arată proprietățile individuale. În acest caz, se vorbește despresubstanțe omogene sau omogene. Deși conțin mai multe componente, toate formează o singură fază în întregul volum al sistemului. Un exemplu de sistem omogen este o soluție de NaCl în apă. Când se dizolvă, datorită interacțiunii cu moleculele polare H2O, cristalul de NaCl se descompune în cationi separați (Na+) și anioni (Cl-). Ele sunt amestecate omogen cu apă și nu mai este posibil să se găsească interfața dintre dizolvat și solvent într-un astfel de sistem.
Dimensiunea particulelor
Care este gradul de dispersie? Această valoare trebuie luată în considerare mai detaliat. Ce reprezintă ea? Este invers proporțională cu dimensiunea particulelor fazei dispersate. Această caracteristică stă la baza clasificării tuturor substanțelor luate în considerare.
Când studiază sistemele disperse, studenții devin adesea confuzi în numele lor, deoarece cred că clasificarea lor se bazează și pe starea de agregare. Nu este adevarat. Amestecuri din diferite stări de agregare au într-adevăr denumiri diferite, de exemplu, emulsiile sunt substanțe apoase, iar aerosolii sugerează deja existența unei faze gazoase. Cu toate acestea, proprietățile sistemelor dispersate depind în principal de mărimea particulelor fazei dizolvate în ele.
Clasificare general acceptată
Clasificarea sistemelor de dispersie în funcție de gradul de dispersie este dată mai jos:
- Dacă dimensiunea condiționată a particulei este mai mică de 1 nm, atunci astfel de sisteme se numesc soluții reale sau adevărate.
- Dacă dimensiunea condiționată a particulei se află între 1 nm și100 nm, atunci substanța în cauză va fi numită soluție coloidală.
- Dacă particulele sunt mai mari de 100 nm, atunci vorbim de suspensii sau suspensii.
În ceea ce privește clasificarea de mai sus, să clarificăm două puncte: în primul rând, cifrele date sunt orientative, adică un sistem în care dimensiunea particulelor este de 3 nm nu este neapărat un coloid, poate fi și un adevărat soluţie. Acest lucru poate fi stabilit prin studierea proprietăților sale fizice. În al doilea rând, puteți observa că lista folosește expresia „dimensiune condiționată”. Acest lucru se datorează faptului că forma particulelor din sistem poate fi complet arbitrară și, în general, are o geometrie complexă. Prin urmare, ei vorbesc despre o dimensiune medie (condițională) a acestora.
Mai târziu în articol vom oferi o scurtă descriere a tipurilor notate de sisteme dispersate.
soluții adevărate
După cum sa menționat mai sus, gradul de dispersie a particulelor în soluții reale este atât de mare (dimensiunea lor este foarte mică, < 1 nm) încât nu există nicio interfață între ele și solvent (mediu), adică există este un sistem omogen monofazat. Pentru caracterul complet al informațiilor, reamintim că dimensiunea unui atom este de ordinul unui angstrom (0,1 nm). Ultimul număr indică faptul că particulele din soluțiile reale au dimensiuni atomice.
Principalele proprietăți ale soluțiilor adevărate care le deosebesc de coloizi și suspensii sunt următoarele:
- Starea soluției există pentru o perioadă de timp arbitrar neschimbată, adică nu se formează nici un precipitat al fazei dispersate.
- Dizolvatsubstanța nu poate fi separată de solvent prin filtrare prin hârtie simplă.
- De asemenea, substanța nu este separată ca urmare a procesului de trecere prin membrana poroasă, care se numește dializă în chimie.
- Este posibilă separarea unei substanțe dizolvate dintr-un solvent doar prin modificarea stării de agregare a acestuia din urmă, de exemplu, prin evaporare.
- Pentru soluții ideale, se poate efectua electroliza, adică se poate trece un curent electric dacă se aplică sistemului o diferență de potențial (doi electrozi).
- Nu împrăștie lumina.
Un exemplu de soluții adevărate este amestecarea diferitelor săruri cu apă, de exemplu, NaCl (sare de masă), NaHCO3 (bicarbonat de sodiu), KNO 3(nitrat de potasiu) și altele.
Soluții coloide
Acestea sunt sisteme intermediare între soluțiile reale și suspensii. Cu toate acestea, au o serie de caracteristici unice. Să le enumerăm:
- Sunt stabili din punct de vedere mecanic pentru o perioadă de timp arbitrar, dacă condițiile de mediu nu se schimbă. Este suficient să încălziți sistemul sau să îi schimbați aciditatea (valoarea pH-ului), deoarece coloidul se coagulează (precipită).
- Nu sunt separate folosind hârtie de filtru, totuși, procesul de dializă duce la separarea fazei dispersate și a mediului.
- Ca și în cazul soluțiilor adevărate, acestea pot fi electrolizate.
- Pentru sistemele coloidale transparente, așa-numitul efect Tyndall este caracteristic: trecând un fascicul de lumină prin acest sistem, îl puteți vedea. Este legat deîmprăștierea undelor electromagnetice în partea vizibilă a spectrului în toate direcțiile.
- Abilitatea de a adsorbi alte substanțe.
Sistemele coloidale, datorită proprietăților enumerate, sunt utilizate pe scară largă de oameni în diverse domenii de activitate (industria alimentară, chimie) și se găsesc adesea și în natură. Un exemplu de coloid este untul, maioneza. În natură, acestea sunt ceață, nori.
Înainte de a trece la descrierea ultimei (a treia) clase de sisteme disperse, să explicăm mai detaliat unele dintre proprietățile numite pentru coloizi.
Ce sunt soluțiile coloidale?
Pentru acest tip de sisteme dispersate se poate da clasificarea, tinand cont de diferitele stari agregate ale mediului si faza dizolvata in acesta. Mai jos este tabelul corespunzător/
| miercuri/Faza | gaz | Lichid | corp rigid |
| gaz | toate gazele sunt infinit solubile unele în altele, deci formează întotdeauna soluții adevărate | aerosol (ceață, nori) | aerosol (fum) |
| lichid | spumă (barbierit, frișcă) | emulsie (lapte, maioneză, sos) | sol (acuarele) |
| corp solid | spumă (piatră ponce, ciocolată gazoasă) | gel (gelatină, brânză) | sol (cristal de rubin, granit) |
Tabelul arată că substanțele coloidale sunt prezente peste tot, atât în viața de zi cu zi, cât și în natură. Rețineți că un tabel similar poate fi dat și pentru suspensii, amintindu-ne că diferența cucoloizi în ele este doar în dimensiunea fazei dispersate. Cu toate acestea, suspensiile sunt instabile mecanic și, prin urmare, prezintă un interes mai puțin practic decât sistemele coloidale.
Motivul stabilității mecanice a coloizilor
De ce maioneza poate sta mult timp în frigider, iar particulele în suspensie din ea nu precipită? De ce particulele de vopsea dizolvate în apă nu „cad” în cele din urmă pe fundul vasului? Răspunsul la aceste întrebări va fi mișcarea browniană.
Acest tip de mișcare a fost descoperit în prima jumătate a secolului al XIX-lea de către botanistul englez Robert Brown, care a observat la microscop cum se mișcă particulele mici de polen în apă. Din punct de vedere fizic, mișcarea browniană este o manifestare a mișcării haotice a moleculelor lichide. Intensitatea acestuia crește dacă temperatura lichidului este ridicată. Acest tip de mișcare face ca particulele mici de soluții coloidale să fie în suspensie.
Proprietate de adsorbție
Dispersia este reciproca dimensiunii medii a particulelor. Deoarece această dimensiune în coloizi se află în intervalul de la 1 nm la 100 nm, ei au o suprafață foarte dezvoltată, adică raportul S/m este o valoare mare, aici S este aria totală a interfeței dintre cele două faze (mediu de dispersie). și particule), m - masa totală a particulelor în soluție.
Atomii care se află pe suprafața particulelor fazei dispersate au legături chimice nesaturate. Aceasta înseamnă că pot forma compuși cu alțiimolecule. De regulă, acești compuși apar din cauza forțelor van der Waals sau a legăturilor de hidrogen. Ele sunt capabile să țină mai multe straturi de molecule pe suprafața particulelor coloidale.
Un exemplu clasic de adsorbant este cărbunele activ. Este un coloid, unde mediul de dispersie este un solid, iar faza este un gaz. Suprafața specifică pentru acesta poate ajunge la 2500 m2/g.
Grad de finețe și suprafață specifică
Calculul S/m nu este o sarcină ușoară. Faptul este că particulele dintr-o soluție coloidală au dimensiuni, forme diferite, iar suprafața fiecărei particule are un relief unic. Prin urmare, metodele teoretice de rezolvare a acestei probleme conduc la rezultate calitative, și nu la cele cantitative. Cu toate acestea, este util să se dea formula pentru suprafața specifică din gradul de dispersie.
Dacă presupunem că toate particulele sistemului au o formă sferică și aceeași dimensiune, atunci, în urma unor calcule simple, se obține următoarea expresie: Sud=6/(dρ), unde Sud - aria suprafeței (specifică), d - diametrul particulei, ρ - densitatea substanței din care constă. Din formula se poate observa că particulele cele mai mici și cele mai grele vor contribui cel mai mult la cantitatea luată în considerare.
Modul experimental de a determina Sud este de a calcula volumul de gaz care este adsorbit de substanța studiată, precum și de a măsura dimensiunea porilor (fază dispersată) în el.
Uscare prin congelare șiliofob
Liofilitate și liofobicitate - acestea sunt caracteristicile care, de fapt, determină existența clasificării sistemelor disperse în forma în care este dată mai sus. Ambele concepte caracterizează legătura de forță dintre moleculele de solvent și substanța dizolvată. Dacă această relație este mare, atunci vorbesc despre liofilitate. Deci, toate soluțiile adevărate de săruri în apă sunt liofile, deoarece particulele lor (ionii) sunt conectate electric cu molecule polare H2O. Dacă luăm în considerare astfel de sisteme precum untul sau maioneza, atunci acestea sunt reprezentanți ai coloizilor hidrofobi tipici, deoarece moleculele de grăsime (lipidice) din ele resping moleculele polare H2O.
Este important de reținut că sistemele liofobe (hidrofobe dacă solventul este apă) sunt instabile termodinamic, ceea ce le diferențiază de cele liofile.
Proprietățile suspensiilor
Acum luați în considerare ultima clasă de sisteme dispersate - suspensii. Amintiți-vă că se caracterizează prin faptul că cea mai mică particulă din ele este mai mare decât sau de ordinul a 100 nm. Ce proprietăți au? Lista corespunzătoare este prezentată mai jos:
- Sunt instabile din punct de vedere mecanic, deci formează sedimente într-o perioadă scurtă de timp.
- Sunt tulburi și opace la lumina soarelui.
- Faza poate fi separată de mediu cu hârtie de filtru.
Exemplele de suspensii din natură includ apa noroioasă din râuri sau cenușa vulcanică. Utilizarea umană a suspensiilor este asociată cade obicei cu medicamente (soluții medicamentoase).
Coagulare
Ce se poate spune despre amestecurile de substanțe cu diferite grade de dispersie? Parțial, această problemă a fost deja tratată în articol, deoarece în orice sistem de dispersie particulele au o dimensiune care se află în anumite limite. Aici luăm în considerare doar un caz curios. Ce se întâmplă dacă amesteci un coloid și o soluție de electrolit adevărat? Sistemul ponderat va fi rupt, iar coagularea lui va avea loc. Motivul său constă în influența câmpurilor electrice ale ionilor de soluție adevărată asupra sarcinii de suprafață a particulelor coloidale.
