диспергирани съединения. Физикохимия на дисперсните системи дефиниция на дисперсни системи. Методи за изразяване на концентрацията на разтвори

разпръснатохетерогенни системи, в които едно вещество под формата на много малки частици е равномерно разпределено в обема на друго.

Веществото, което присъства в по-малко количество и е разпределено в обема на друго, се нарича диспергирана фаза. Може да се състои от няколко вещества.

Вещество, което присъства в по-голямо количество, в чийто обем е разпределена дисперсната фаза, се нарича дисперсионна среда. Между него и частиците на дисперсната фаза има граница, поради което дисперсните системи се наричат хетерогенни (нееднородни).

Както дисперсната среда, така и дисперсната фаза могат да бъдат представени от вещества в различни агрегатни състояния - твърди, течни и газообразни.

В зависимост от комбинацията от агрегатното състояние на дисперсионната среда и дисперсната фаза могат да се разграничат 8 вида такива системи.

Според размера на частиците на веществата, които изграждат дисперсната фаза, дисперсните системи се делят на груби(спиране) с размери на частиците над 100 nm и фино диспергирани(колоидни разтвори или колоидни системи) с размери на частиците от 100 до 1 nm. Ако веществото е фрагментирано на молекули или йони с размер по-малък от 1 nm, се образува хомогенна система - решение. Той е хомогенен (хомогенен), няма интерфейс между частиците на дисперсната фаза и средата.

Дори бегло запознаване с дисперсните системи и решения показва колко важни са те в ежедневието и в природата (виж таблицата).

Таблица. Примери за дисперсни системи

Дисперсионна среда	Дисперсна фаза	Примери за някои природни и битови дисперсни системи
Газ	Течност	Мъгла, свързан газ с маслени капки, карбураторна смес в автомобилни двигатели (бензинови капки във въздуха), аерозоли
Твърди	Прах във въздуха, дим, смог, симуми (прашни и пясъчни бури), аерозоли
Течност	Газ	Газирани напитки, пяна
Течност	емулсии. Телесни течности (кръвна плазма, лимфа, храносмилателни сокове), течно съдържание на клетки (цитоплазма, кариоплазма)
Твърди	Соли, гелове, пасти (желета, желета, лепила). Речна и морска тиня, суспендирана във вода; минохвъргачки
Твърди	Газ	Снежна кора с въздушни мехурчета в нея, пръст, текстилни тъкани, тухли и керамика, порест каучук, газиран шоколад, прахове
Течност	Мокра почва, медицински и козметични продукти (мехлеми, спирала, червило и др.)
Твърди	Скали, цветни стъкла, някои сплави

Съдете сами: без тиня от Нил не би възникнала велика цивилизация древен Египет; без вода, въздух, скали и минерали изобщо нямаше да съществува жива планета - нашата общ дом− Земя; без клетки не би имало живи организми и т.н.

Ако всички частици на дисперсната фаза имат еднакъв размер, тогава такива системи се наричат монодисперсни (фиг. 1, а и б). Частиците на дисперсната фаза с различен размер образуват полидисперсни системи (фиг. 1, в).

Ориз. 1. Свободно диспергирани системи: корпускулярни - (а-в), влакнести - (г) и филмово-дисперсни - (д); a, b - монодисперсен; в - полидисперсна система.

Дисперсните системи могат да бъдат свободно разпръснати(фиг. 1) и кохерентно разпръснати(фиг. 2, а - в) в зависимост от липсата или наличието на взаимодействие между частиците на дисперсната фаза. Свободно диспергираните системи включват аерозоли, разредени суспензии и емулсии. Те са течни, в тези системи частиците на дисперсната фаза нямат контакти, участват в произволно топлинно движение, движат се свободно под действието на гравитацията. Кохезионно-дисперсните системи са твърди; те възникват, когато частиците на дисперсната фаза влязат в контакт, което води до образуването на структура под формата на рамка или мрежа. Такава структура ограничава течливостта на дисперсната система и й дава способността да запази формата си. Прахове, концентрирани емулсии и суспензии (пасти), пени, гелове са примери за кохезионно диспергирани системи. Твърдата маса на веществото може да бъде проникната от пори и капиляри, които образуват капилярно-диспергирани системи (кожа, картон, тъкани, дърво).

Ориз. 3. Кохезионно-дисперсна (а-в) и капилярно-дисперсна (г, д) системи: гел (а), коагулант с плътна (б) и рехаво - дъговидна (в) структура.

Дисперсните системи, в съответствие с тяхното междинно положение между света на молекулите и големите тела, могат да бъдат получени по два начина: чрез дисперсионни методи, т.е. смилане на големи тела, и чрез методи на кондензация на молекулярни или йонни вещества.

Под взаимодействието на фазите на дисперсните системи се разбират процесите на солватация (хидратация в случай на водни системи), т.е. образуването на солватни (хидратни) обвивки от молекулите на дисперсионната среда около частиците на дисперсната фаза. Съответно, според интензивността на взаимодействие между веществата на дисперсната фаза и дисперсионната среда (само за системи с течна дисперсионна среда), по предложение на G. Freindlich, се разграничават следните дисперсни системи:

− Лиофилен (хидрофилни, ако DS е вода): разтвори на мицеларни повърхностноактивни вещества, критични емулсии, водни разтворинякои естествени спирали, например протеини (желатин, яйчен белтък), полизахариди (нишесте). Те се характеризират със силно взаимодействие на DF частици с DS молекули. В граничния случай се наблюдава пълно разтваряне. Лиофилните дисперсни системи се образуват спонтанно поради процеса на солватация. Термодинамично агрегативно стабилен.

− Лиофобни (хидрофобни, ако DS е вода): емулсии, суспензии, золи. Те се характеризират със слабо взаимодействие на DF частици с DS молекули. Те не се образуват спонтанно, за образуването им е необходима работа. Термодинамично агрегативно нестабилни (т.е. те са склонни към спонтанно агрегиране на частици от дисперсната фаза), тяхната относителна стабилност (т.нар. метастабилност) се дължи на кинетични фактори (т.е. ниска скорост на агрегиране).

3. Претеглете.

окачване са дисперсни системи, в които размерът на частиците на фазата е повече от 100 nm. Това са непрозрачни системи, чиито отделни частици могат да се видят с просто око. Дисперсната фаза и дисперсната среда лесно се разделят чрез утаяване, филтриране. Такива системи са разделени на:

1. емулсии (както средата, така и фазата са течности, неразтворими една в друга). От вода и масло можете да приготвите емулсия, като сместа се разклаща дълго време. Това са добре познатите ви млечни, лимфни, бои на водна основа и др.

2. Суспензии (средата е течност, фазата е твърдо вещество, неразтворимо в нея).За да се приготви суспензия, веществото трябва да се смила на фин прах, да се изсипе в течност и да се разклати добре. С течение на времето частицата ще падне на дъното на съда. Очевидно колкото по-малки са частиците, толкова по-дълго ще издържи суспензията. Това са строителни разтвори, речна и морска тиня, суспендирана във вода, жива суспензия от микроскопични живи организми в морска вода- планктон, с който се хранят гиганти - китове и др.

3. Аерозоли суспензии в газ (например във въздух) на малки частици от течности или твърди вещества. Прахове, димове, мъгли се различават. Първите два вида аерозоли са суспензии на твърди частици в газ (по-големи частици в прахове), последният е суспензия на течни капчици в газ. Например: мъгла, гръмотевични облаци - суспензия от водни капчици във въздуха, дим - малки твърди частици. И надвисналият смог главни градовесвета, също аерозол с твърда и течна дисперсна фаза. Жители селищав близост до циментовите заводи страдат от най-финия циментов прах, който винаги виси във въздуха, който се образува по време на смилането на циментовите суровини и продукта от неговото изпичане - клинкер. Димът от фабрични тръби, смогът, най-малките капчици слюнка, излитащи от устата на болен от грип, също са вредни аерозоли. Аерозолите играят важна роля в природата, ежедневието и човешките производствени дейности. Натрупване на облак, химическо третиране на полета, пръскане с боя, третиране на дихателните пътища (вдишване) са примери за явления и процеси, при които аерозолите са полезни. Аерозоли - мъгла над морския прибой, близо до водопади и фонтани, дъгата, която възниква в тях, доставя на човек радост, естетическо удоволствие.

За химията най-висока стойностимат дисперсни системи, в които средата е вода и течни разтвори.

естествена водавинаги съдържа разтворени вещества. Природните водни разтвори участват в процесите на почвообразуване и снабдяват растенията с хранителни вещества. Сложните жизнени процеси, протичащи в човешките и животинските организми, протичат и в разтвори. Много технологични процеси в химическата и други индустрии, като производството на киселини, метали, хартия, сода, торове, протичат в разтвори.

4. Колоидни системи.

колоидни системи (в превод от гръцки "кола" - лепило, "ейдос" нещо като лепило) – това са дисперсни системи, в които размерът на частиците на фазата е от 100 до 1 nm. Тези частици не се виждат с просто око и дисперсната фаза и дисперсната среда в такива системи се разделят чрез утаяване трудно.

Знаете от курса си по обща биология, че частици с такъв размер могат да бъдат открити с помощта на ултрамикроскоп, който използва принципа на разсейване на светлината. Поради това колоидната частица в него изглежда като ярка точка на тъмен фон.

Те се делят на золи (колоидни разтвори) и гелове (желе).

1. Колоидни разтвори, или соли. Това е по-голямата част от течностите на жива клетка (цитоплазма, ядрен сок - кариоплазма, съдържанието на органели и вакуоли). И живият организъм като цяло (кръв, лимфа, тъканна течност, храносмилателни сокове и др.) Такива системи образуват адхезиви, нишесте, протеини и някои полимери.

В резултат на това могат да се получат колоидни разтвори химична реакция; например, когато разтвори на калиеви или натриеви силикати („разтворимо стъкло“) взаимодействат с киселинни разтвори, се образува колоиден разтвор на силициева киселина. Солът се образува и по време на хидролизата на железен (III) хлорид в гореща вода.

Характерно свойство на колоидните разтвори е тяхната прозрачност. Колоидните разтвори външно са подобни на истинските разтвори. Те се отличават от последните по получената „светеща пътека“ - конус, когато лъч светлина преминава през тях. Това явление се нарича ефект на Тиндал. По-големи, отколкото в истинския разтвор, частиците на дисперсната фаза на зола отразяват светлината от повърхността си и наблюдателят вижда светещ конус в съд с колоиден разтвор. Не се образува в истински разтвор. Подобен ефект, но само за аерозол, а не за течен колоид, може да се наблюдава в гората и в кината, когато лъч светлина от филмова камера преминава през въздуха на киносалона.

Прокарване на лъч светлина през разтвори:

а - истински разтвор на натриев хлорид;

b – колоиден разтвор на железен (III) хидроксид.

Частиците от дисперсната фаза на колоидните разтвори често не се утаяват дори при дългосрочно съхранение поради непрекъснати сблъсъци с молекули на разтворителя поради топлинно движение. Те не се слепват дори когато се приближават един към друг поради наличието на едно и също име на повърхността им. електрически заряди. Това се обяснява с факта, че веществата в колоидно, т.е. във фино раздробено състояние, имат голяма повърхност. На тази повърхност се адсорбират положително или отрицателно заредени йони. Например силициевата киселина адсорбира отрицателни йони SiO 3 2-, които са изобилни в разтвора поради дисоциацията на натриевия силикат:

Частици с еднакъв заряд се отблъскват и следователно не се слепват.

Но при определени условия може да възникне процесът на коагулация. При кипене на някои колоидни разтвори се получава десорбция на заредени йони, т.е. колоидните частици губят своя заряд. Започват да се сгъстяват и утаяват. Същото се наблюдава при добавяне на какъвто и да е електролит. В този случай колоидната частица привлича противоположно зареден йон и неговият заряд се неутрализира.

Коагулация - явлението слепване на колоидните частици и тяхното утаяване - наблюдава се при неутрализиране на зарядите на тези частици, при добавяне на електролит към колоидния разтвор. В този случай разтворът се превръща в суспензия или гел. Някои органични колоиди коагулират при нагряване (лепило, яйчен белтък) или при промяна киселинно-алкална средарешение.

2. Гелове или желета са желатинови утайки, образувани по време на коагулацията на золите. Те включват голям бройполимерни гелове, сладкарски, козметични и медицински гелове, така добре познати на вас (желатин, желе, мармалад, хляб, месо, сладко, желе, мармалад, желе, сирене, извара, кисело мляко, торта "Птиче мляко") и, разбира се, безкраен брой естествени гелове: минерали (опал), тела на медузи, хрущяли, сухожилия, косми, мускулна и нервна тъкан и др. Историята на развитието на Земята може едновременно да се разглежда като история на еволюцията на колоидното състояние на материята. С течение на времето структурата на геловете се нарушава (отлепва) – от тях се отделя вода. Това явление се нарича синерезис .

желе са структурирани системи със свойства на еластични твърди тела. Желатиновото състояние на материята може да се счита за междинно между течно и твърдо състояние.

Желета от макромолекулни вещества могат да бъдат получени главно по два начина: чрез метода на образуване на желета от полимерни разтвори и чрез метода на набъбване на сухи макромолекулни вещества в съответните течности.

Процесът на преход на полимерен разтвор или зол в желе се нарича образуване на желе . Желирането е свързано с увеличаване на вискозитета и забавяне на брауновото движение и се състои в комбиниране на частици от дисперсната фаза под формата на решетка или клетки и свързване на целия разтворител.

Процесът на желиране се влияе значително от природата на разтворените вещества, формата на техните частици, концентрацията, температурата, времето на процеса и примесите на други вещества, особено електролити. .

Въз основа на свойствата си желетата се разделят на две големи групи:

а) еластични или обратими, получени от макромолекулни вещества;

б) крехък или необратим, получен от неорганични хидрофобни золи.

Както вече беше споменато, желета от макромолекулни вещества могат да бъдат получени не само чрез метода на желиране на разтвори, но и чрез метода на набъбване на сухи вещества. Ограниченото набъбване завършва с образуването на желе и не се превръща в разтваряне, а при неограничено набъбване желето е междинен етап по пътя към разтварянето.

Желето се характеризира с редица свойства на твърдите вещества: те запазват формата си, имат еластични свойства и еластичност. Механичните им свойства обаче се определят от концентрацията и температурата.

При нагряване желетата преминават във вискозно състояние. Този процес се нарича топене. Обратимо е, защото при охлаждане разтворът отново образува желе.

Много желета могат да се втечнят и да преминат в разтвори при механично действие (разбъркване, разклащане). Този процес е обратим, тъй като в покой след известно време разтворът образува желе. Свойството на желето да се втечнява многократно изотермично при механични въздействия и да образува желе в покой се нарича тиксотропия . Например, шоколадова маса, маргарин, тесто са способни на тиксотропни промени.

Имайки в състава си огромно количество вода, желетата, освен свойствата на твърди тела, имат и свойствата на течно тяло. В тях могат да протичат различни физични и химични процеси: дифузия, химични реакции между веществата.

Прясно приготвеното желе подлежи на промяна във времето, тъй като процесът на структуриране в желето продължава. В същото време на повърхността на желето започват да се появяват капчици течност, които, сливайки се, образуват течна среда. Получената дисперсионна среда е разреден полимерен разтвор, а дисперсната фаза е желатинова фракция. Такъв спонтанен процес на разделяне на желето на фази, придружен от промяна на обема, наричат от студиото. синерезис (накисване).

Синерезисът се разглежда като продължение на процесите, които причиняват образуването на желе. Скоростта на синерезис на различните желета е различна и зависи главно от температурата и концентрацията.

Синерезата в желетата, образувани от полимери, е частично обратима. Понякога нагряването е достатъчно, за да се върне желето, което е претърпяло синерезис, в първоначалното му състояние.В кулинарната практика този метод се използва например за освежаване на зърнени храни, картофено пюре, остарял хляб. Ако по време на съхранението на желето възникнат химични процеси, тогава синерезисът се усложнява и неговата обратимост се губи, настъпва стареене на желето. В този случай желето губи способността си да задържа свързана вода (застоял хляб). Практическото значение на синерезиса е доста голямо. Най-често синерезисът в бита и индустрията е нежелан. Това е застояването на хляба, накисването на мармалад, желе, карамел, плодови конфитюри.

5. Разтвори на високомолекулни вещества.

Полимерите, като вещества с ниско молекулно тегло, в зависимост от условията за получаване на разтвор (естеството на полимера и разтворителя, температурата и т.н.), могат да образуват както колоидни, така и истински разтвори. В тази връзка е обичайно да се говори за колоидно или истинско състояние на вещество в разтвор. Няма да засягаме колоидни системи "полимер-разтворител". Нека разгледаме само разтвори на полимери от молекулен тип. Трябва да се отбележи, че поради големия размер на молекулите и особеностите на тяхната структура, HMS разтворите имат редица специфични свойства:

1. Равновесните процеси в HMS разтворите се установяват бавно.

2. Процесът на разтваряне на спиралата, като правило, се предшества от процеса на подуване.

3. Полимерните разтвори не се подчиняват на законите на идеалните разтвори, т.е. законите на Раул и ван'т Хоф.

4. По време на потока от полимерни разтвори възниква анизотропия на свойствата (неравномерно физични свойстваразтвор в различни посоки) поради ориентацията на молекулите по посока на потока.

5. Висок вискозитет на разтворите на IUD.

6. Поради големия си размер полимерните молекули са склонни да се свързват в разтвори. Животът на полимерните асоциати е по-дълъг от този на асоциатите на нискомолекулни вещества.

Процесът на разтваряне на HMC протича спонтанно, но за дълго време и често се предшества от набъбване на полимера в разтворителя. Полимерите, чиито макромолекули имат симетрична форма, могат да преминат в разтвор без предварително набъбване. Например хемоглобинът, чернодробното нишесте - гликогенът почти не набъбват при разтваряне и разтворите на тези вещества нямат висок вискозитет дори при относително високи концентрации. Докато веществата със силно асиметрични удължени молекули набъбват много силно при разтваряне (желатин, целулоза, естествен и синтетичен каучук).

Подуването е увеличаване на масата и обема на полимера поради проникването на молекули на разтворителя в пространствената структура на IUD.

Има два вида подуване: неограничен,завършвайки с пълното разтваряне на спиралата (например, набъбване на желатин във вода, каучук в бензен, нитроцелулоза в ацетон) и ограничен, което води до образуване на набъбнал полимер - желе (например набъбване на целулоза във вода, желатин в студена вода, вулканизиран каучук в бензен).

Класификацията на дисперсните системи може да се извърши въз основа на различни свойства: чрез дисперсия, чрез състояние на агрегация на фазите, чрез взаимодействие на дисперсна фаза и дисперсна среда, чрез взаимодействие между частиците.

Класификация по дисперсия

Зависимостта на специфичната повърхност от дисперсията Ssp = f(d) се изразява графично с равностранна хипербола (фиг.).

От графиката се вижда, че с намаляване на напречните размери на частиците, специфичната повърхност се увеличава значително. Ако куб с размер на ръба 1 cm се натроши до кубични частици с размери d = 10 -6 cm, стойността на общата междинна повърхност ще се увеличи от 6 cm 2 до 600 m 2.

При d ≤ 10 -7 cm хиперболата се прекъсва, тъй като частиците се намаляват до размера на отделните молекули и хетерогенната система става хомогенна, в която няма повърхностна повърхност. Според степента на дисперсност дисперсните системи се делят на:

груби системи, d ≥ 10 -3 cm;
микрохетерогенни системи, 10 -5 ≤ d ≤ 10 -3 cm;
колоидно-дисперсни системи или колоидни разтвори, 10 -7 ≤ d ≤ 10 -5 cm;
истински разтвори, d ≤ 10 -7 cm.

Трябва да се подчертае, че частиците на дисперсната фаза в колоидните разтвори имат най-голяма специфична повърхност.

Класификация според агрегатното състояние на фазите

Класификацията според състоянието на агрегиране на фазите е предложена от Волфганг Оствалд. По принцип са възможни 9 комбинации. Нека ги поставим под формата на таблица.

Агрегатно състояние на дисперсната фаза	Агрегатно състояние на дисперсна среда	Легенда	Име на системата	Примери
Ж	Ж	г/г	аерозоли	Земна атмосфера
и	Ж	w/g		мъгла, слоеста облачност
телевизия	Ж	телевизия/g		дим, прах, перести облаци
Ж	и	g/f	газови емулсии, пени	газирана вода, сапунена пяна, терапевтичен кислороден коктейл, бирена пяна
и	и	w/w	емулсии	мляко, масло, маргарин, кремове и др.
телевизия	и	телевизия/ш	лиозоли, суспензии	лиофобни колоидни разтвори, суспензии, пасти, бои и др. д.
Ж	телевизия	g/телевизор	твърда пяна	пемза, твърди дунапрени, полистирол, пенобетон, хляб, порести тела в газ и др. д.
и	телевизия	g телевизор	твърди емулсии	вода в парафин, природни минерали с течни включвания, порести тела в течност
телевизия	телевизия	телевизор/телевизор	твърди золи	стомана, чугун, цветни стъкла, скъпоценни камъни: Au sol в стъкло - рубинено стъкло (0,0001%) (1 t стъкло - 1 g Au)

Класификация според взаимодействието на дисперсната фаза и дисперсната среда (според взаимодействието между повърхностите).

Тази класификация е подходяща само за системи с течна дисперсионна среда. G. Freindlich предложи да се разделят дисперсните системи на два типа:

лиофобни, при които дисперсната фаза не е в състояние да взаимодейства с дисперсионната среда и следователно да се разтвори в нея; те включват колоидни разтвори, микрохетерогенни системи;
лиофилни, при които дисперсната фаза взаимодейства с дисперсионната среда и при определени условия може да се разтвори в нея, те включват разтвори на колоидни повърхностноактивни вещества и разтвори на IUD.

Класификация по междучастично взаимодействие

Според тази класификация дисперсните системи се разделят на:

свободно диспергирани (безструктурни);
свързани разпръснати (структурирани).

В свободно диспергираните системи частиците на дисперсната фаза не са свързани една с друга и могат да се движат независимо в дисперсионната среда.

В кохерентно дисперсните системи частиците на дисперсната фаза са свързани помежду си чрез междумолекулни сили, образувайки своеобразни пространствени мрежи или рамки (структури) в дисперсионната среда. Частиците, които образуват структурата, не са способни на взаимно изместване и могат да извършват само колебателни движения.

Списък на използваната литература

Гелфман М. И., Ковалевич О. В., Юстратов В. П.колоидна химия. 2-ро изд., ст. - Санкт Петербург: Издателство "Лан", 2004. - 336 с.: ил. ISBN 5-8114-0478-6 [стр. 8-10]

Дисперсионните системи могат да бъдат разделени според размера на частиците на дисперсионната фаза. Ако размерът на частиците е по-малък от един nm, това са молекулярно-йонни системи, от един до сто nm - колоидни и повече от сто nm - грубо диспергирани. Групата на молекулярно-дисперсните системи е представена от разтвори. Това са хомогенни системи, които се състоят от две или повече вещества и са еднофазни. Те включват газ, твърдо вещество или разтвори. От своя страна тези системи могат да бъдат разделени на подгрупи:
- Молекулярна. Кога органична материя, като глюкоза, се комбинират с неелектролити. Такива разтвори бяха наречени истински, за да могат да бъдат разграничени от колоидните. Те включват разтвори на глюкоза, захароза, алкохол и др.
- Молекулярно-йонни. В случай на взаимодействие между слаби електролити. Тази група включва киселинни разтвори, азотни, сероводородни и други.
- Йонни. Свързване на силни електролити. Ярки представители са разтвори на основи, соли и някои киселини.

колоидни системи

Колоидните системи са микрохетерогенни системи, в които размерите на колоидните частици варират от 100 до 1 nm. Те може да не се утаяват дълго време поради солватната йонна обвивка и електрическия заряд. Разпределени в среда, колоидните разтвори запълват равномерно целия обем и се разделят на золи и гелове, които от своя страна са утайки под формата на желе. Те включват разтвор на албумин, желатин, колоидни разтвори на сребро. Аспик, суфле, пудинги са ярки колоидни системи, които се срещат в ежедневието.

Груби системи

Непрозрачни системи или суспензии, в които фините съставки и частици се виждат с просто око. По време на утаяването дисперсната фаза лесно се отделя от дисперсната среда. Те се делят на суспензии, емулсии, аерозоли. Системи, в които твърдо вещество с по-големи частици се поставят в течна дисперсионна среда, се наричат суспензии. Те включват водни разтвори на нишесте и глина. За разлика от суспензиите, емулсиите се получават чрез смесване на две течности, при което едната се разпределя на капки в другата. Пример за емулсия е смес от масло и вода, капчици мазнина в млякото. Ако малки твърди или течни частици са разпределени в газ, те са аерозоли. Аерозолът е по същество суспензия в газ. Един от представителите на течен аерозол е мъглата - това е голям брой малки водни капчици, окачени във въздуха. Аерозол в твърдо състояние - дим или прах - многократно натрупване на малки твърди частици, също суспендирани във въздуха.

Колоидната химия е наука, която изучава методите за получаване, състава, вътрешната структура, химичните и физичните свойства на дисперсните системи. Дисперсните системи са системи, които се състоят от фрагментирани частици (дисперсна фаза), разпределени в околната (дисперсна) среда: газове, течности или твърди вещества. Размерите на частиците на дисперсната фаза (кристали, капчици, мехурчета) се различават по степен на дисперсност, чиято стойност е право пропорционална на размера на частиците. В допълнение, диспергираните частици се отличават и с други характеристики, като правило, с дисперсната фаза и среда.

Дисперсни системи и тяхната класификация

Всички дисперсионни системи според размера на частиците на дисперсионната фаза могат да бъдат класифицирани като молекулярно-йонни (по-малко от един nm), колоидни (от един до сто nm), груби (повече от сто nm).

Молекулярно диспергирани системи.Тези системи съдържат частици, чийто размер не надвишава един nm. Тази група включва различни истински разтвори на неелектролити: глюкоза, урея, алкохол, захароза.

Груби системихарактеризиращ се с най-големите частици. Те включват емулсии и суспензии. Дисперсните системи, в които твърдото вещество е локализирано в течна дисперсионна среда (разтвор на нишесте, глина), се наричат суспензии. Емулсиите са системи, които се получават чрез смесване на две течности, като едната се диспергира под формата на капчици в друга (масло, толуен, бензен във вода или капчици триацилглицероли (мазнини) в млякото).

Колоидно-дисперсни системи. Размерите им достигат до 100 nm. Такива частици лесно проникват през порите на хартиените филтри, но не проникват през порите на биологичните мембрани на растенията и животните. Тъй като колоидните частици (мицели) имат електрически заряд и солватни йонни обвивки, поради което остават в суспендирано състояние, те могат да не се утаят за достатъчно дълго време. Ярък пример са разтвори на желатин, албумин, гума арабика, злато и сребро.

Позволява да се прави разлика между хомогенни и хетерогенни дисперсни системи. В хомогенните диспергирани системи фазовите частици се смилат до молекули, атоми и йони. Пример за такива дисперсионни системи може да бъде разтвор на глюкоза във вода (молекулярна дисперсна система) и кухненска сол във вода (йонна дисперсна система). Те са Размерът на молекулите на дисперсната фаза не надвишава един нанометър.

Дисперсни системи и решения

От всички представени системи и решения в живота на живите организми най-голямо значение имат колоидно-дисперсните системи. Както знаете, химическата основа за съществуването на живия организъм е обменът на протеини в него. Средно концентрацията на протеини в тялото е от 18 до 21%. Повечето протеини се разтварят във вода (концентрацията на която при хора и животни е приблизително 65%) и образуват колоидни разтвори.

Има две групи колоидни разтвори: течни (золове) и гелообразни (гелове). Всички жизнени процеси, протичащи в живите организми, са свързани с колоидното състояние на материята. Във всяка жива клетка има биополимери ( нуклеинова киселина, протеини, гликозаминогликани, гликоген) са под формата на диспергирани системи.

Колоидните разтвори са широко разпространени и в такива разтвори включват масло, тъкани, пластмаси.Много хранителни продукти могат да бъдат приписани на колоидни разтвори: кефир, мляко и др. Повечето лекарства (серуми, антигени, ваксини) са колоидни разтвори. Колоидните разтвори също включват бои.

Чистите вещества са много редки в природата. Смеси от различни вещества в различно агрегатно състояние могат да образуват разнородни и хомогенни системи - дисперсни системи и разтвори.

Веществото, което присъства в по-малко количество и е разпределено в обема на друго, се нарича дисперсна фаза. Може да се състои от няколко вещества.

В зависимост от комбинацията от агрегатното състояние на дисперсионната среда и дисперсната фаза могат да се разграничат 8 вида такива системи (таблица 11).

Таблица 11
Примери за дисперсни системи

Според размера на частиците на веществата, които изграждат дисперсната фаза, дисперсните системи се делят на груби (суспензии) с размер на частиците над 100 nm и фино диспергирани (колоидни разтвори или колоидни системи) с размер на частиците от 100 до 1 nm. . Ако веществото се фрагментира до молекули или йони с размери по-малки от 1 nm, се образува хомогенна система - разтвор. Той е хомогенен (хомогенен), няма интерфейс между частиците на дисперсната фаза и средата.

Дори бегло запознаване с дисперсните системи и разтвори показва колко важни са те в бита и природата (виж таблица 11).

Съдете сами: без нилската тиня великата цивилизация на Древен Египет не би се състояла; без вода, въздух, скали и минерали изобщо нямаше да има жива планета – нашият общ дом – Земята; без клетки не би имало живи организми и т.н.

Класификацията на дисперсните системи и разтвори е показана на схема 2.

Схема 2
Класификация на дисперсни системи и разтвори

окачване

Суспензиите са дисперсни системи, в които размерът на частиците на фазата е повече от 100 nm. Това са непрозрачни системи, чиито отделни частици могат да се видят с просто око. Дисперсната фаза и дисперсионната среда лесно се разделят чрез утаяване. Такива системи са разделени на три групи:

емулсии (както средата, така и фазата са течности, неразтворими една в друга). Това са добре познатите ви млечни, лимфни, бои на водна основа и др.;
суспензии (средата е течност, а фазата е твърдо вещество, неразтворимо в нея). Това са строителни разтвори (например „варово мляко“ за варосване), речна и морска тиня, суспендирана във вода, жива суспензия от микроскопични живи организми в морска вода - планктон, с който се хранят гигантските китове и др .;
аерозоли - суспензии в газ (например във въздух) на малки частици от течности или твърди вещества. Правете разлика между прах, дим, мъгла. Първите два вида аерозоли са суспензии на твърди частици в газ (по-големи частици в прахове), последният е суспензия на малки течни капчици в газ. Например естествени аерозоли: мъгла, гръмотевични облаци - суспензия от водни капчици във въздуха, дим - малки твърди частици. И смогът, надвиснал над най-големите градове в света, също е аерозол с твърда и течна диспергирана фаза. Жителите на населени места в близост до циментови заводи страдат от най-финия циментов прах, винаги висящ във въздуха, който се образува по време на смилането на циментовите суровини и продукта от неговото изпичане - клинкер. Подобни вредни аерозоли - прах - се срещат и в градове с металургична промишленост. Димът от фабрични тръби, смогът, най-малките капчици слюнка, излитащи от устата на болен от грип, също са вредни аерозоли.

Аерозолите играят важна роля в природата, ежедневието и човешките производствени дейности. Натрупване на облак, химическо третиране на полета, пръскане с боя, пръскане с гориво, сухи млечни продукти, респираторно третиране (вдишване) са примери за явления и процеси, при които аерозолите са полезни.

Аерозоли - мъгла над морския прибой, близо до водопади и фонтани, дъгата, която възниква в тях, доставя на човек радост, естетическо удоволствие.

За химията най-голямо значение имат дисперсните системи, в които водата е среда.

колоидни системи

Колоидните системи са такива дисперсни системи, в които размерът на частиците на фазата е от 100 до 1 nm. Тези частици не се виждат с просто око и дисперсната фаза и дисперсионната среда в такива системи се разделят чрез утаяване трудно.

Те се делят на золи (колоидни разтвори) и гелове (желе).

1. Колоидни разтвори, или соли. Това е по-голямата част от течностите на жива клетка (цитоплазма, ядрен сок - кариоплазма, съдържанието на органели и вакуоли) и жив организъм като цяло (кръв, лимфа, тъканна течност, храносмилателни сокове, хуморални течности и др.). Такива системи образуват адхезиви, нишесте, протеини и някои полимери.

Колоидните разтвори могат да се получат в резултат на химични реакции; например, когато разтвори на калиеви или натриеви силикати („разтворимо стъкло“) взаимодействат с киселинни разтвори, се образува колоиден разтвор на силициева киселина. Солът се образува и по време на хидролизата на железен (III) хлорид в гореща вода. Колоидните разтвори външно са подобни на истинските разтвори. Те се отличават от последните по получената "светеща пътека" - конус, когато лъч светлина преминава през тях. Това явление се нарича ефект на Тиндал. По-големи, отколкото в истинския разтвор, частиците на дисперсната фаза на зола отразяват светлината от повърхността си и наблюдателят вижда светещ конус в съд с колоиден разтвор. Не се образува в истински разтвор. Подобен ефект, но само за аерозол, а не за течен колоид, може да се наблюдава в кината, когато лъч светлина от филмова камера преминава през въздуха на киносалона.

Коагулация- явлението слепване на колоидните частици и тяхното утаяване - наблюдава се при неутрализиране на зарядите на тези частици, при добавяне на електролит към колоидния разтвор. В този случай разтворът се превръща в суспензия или гел. Някои органични колоиди коагулират при нагряване (лепило, яйчен белтък) или при промяна на киселинно-алкалната среда на разтвора.

2. Втора подгрупа колоидни системи- Това гелове, или желета y представляващи желатинови утайки, образувани по време на коагулацията на золите. Те включват голям брой полимерни гелове, сладкарски, козметични и медицински гелове, така добре познати на вас (желатин, аспик, желе, мармалад, торта суфле от птиче мляко) и, разбира се, безкраен брой естествени гелове: минерали (опал) , тела на медузи, хрущяли, сухожилия, косми, мускулна и нервна тъкан и др. Историята на развитието на живота на Земята може едновременно да се разглежда като история на еволюцията на колоидното състояние на материята. С течение на времето структурата на геловете се нарушава - от тях се отделя вода. Това явление се нарича синерезис.