Дисперсниминазивають гетерогенні системи, у яких одна речовина у вигляді дуже дрібних частинок рівномірно розподілена в обсязі іншої.
Та речовина, яка присутня у меншій кількості та розподілена в обсязі іншої, називають дисперсною фазою. Вона може складатися з кількох речовин.
Речовина, присутня у більшій кількості, в обсязі якої розподілена дисперсна фаза, називають дисперсійним середовищем. Між нею та частинками дисперсної фази існує поверхня розділу, тому дисперсні системи називають гетерогенними (неоднорідними).
І дисперсійне середовище, і дисперсну фазу можуть представляти речовини, що знаходяться в різних агрегатних станах – твердому, рідкому та газоподібному.
Залежно від поєднання агрегатного стану дисперсійного середовища та дисперсної фази можна виділити 8 видів таких систем.
За величиною частинок речовин, що становлять дисперсну фазу, дисперсні системи ділять на грубодисперсні(Зважи) з розмірами частинок понад 100 нм та тонкодисперсні(колоїдні розчини або колоїдні системи) із розмірами частинок від 100 до 1 нм. Якщо речовина роздроблена до молекул або іонів розміром менше 1 нм, утворюється гомогенна система − розчин. Вона однорідна (гомогена), поверхні розділу між частинками дисперсної фази та середовищем немає.
Вже знайомство з дисперсними системами і розчинами показує, наскільки вони важливі в повсякденному житті і в природі (див. таблицю).
Таблиця. Приклади дисперсних систем
| Дисперсійне середовище | Дисперсна фаза | Приклади деяких природних та побутових дисперсних систем |
| Газ | Рідина | Туман, попутний газ з крапельками нафти, карбюраторна суміш у двигунах автомобілів (крапельки бензину в повітрі), аерозолі |
| Тверда речовина | Пили в повітрі, дими, смог, самуми (пильні та піщані бурі), аерозолі | |
| Рідина | Газ | Шипучі напої, піни |
| Рідина | Емульсії. Рідкі середовища організму (плазма крові, лімфа, травні соки), рідкий вміст клітин (цитоплазма, каріоплазма) | |
| Тверда речовина | Золі, гелі, пасти (киселі, колодці, клеї). Річковий та морський мул, зважені у воді; будівельні розчини | |
| Тверда речовина | Газ | Сніг наст з бульбашками повітря в ньому, грунт, текстильні тканини, цегла і кераміка, поролон, пористий шоколад, порошки |
| Рідина | Вологий ґрунт, медичні та косметичні засоби (мазі, туш, помада тощо) | |
| Тверда речовина | Гірські породи, кольорові стекла, деякі сплави |
Судіть самі: без нільського мулу не відбулася б велика цивілізація Стародавнього Єгипту; без води, повітря, гірських порід та мінералів взагалі б не існувала жива планета – наш спільний будинок− Земля; без клітин був би живих організмів тощо.
Якщо всі частинки дисперсної фази мають однакові розміри, такі системи називають монодисперсними (рис. 1, а і б). Частинки дисперсної фази неоднакового розміру утворюють полідисперсні системи (рис.1, в).
Мал. 1. Вільнодисперсні системи: корпускулярно − (а-в), волокнисто − (г) та плівково-дисперсні − (д); а, б – монодисперсні; в – полідисперсна система.
Дисперсні системи можуть бути вільнодисперсними(рис. 1) та зв'язнодисперсними(рис. 2, а − в) залежно від відсутності чи наявності взаємодії між частинками дисперсної фази. До вільнодисперсних систем відносяться аерозолі, розбавлені суспензії та емульсії. Вони текучи, у цих системах частки дисперсної фази немає контактів, беруть участь у безладному тепловому русі, вільно переміщаються під впливом сили тяжкості. Зв'язнодисперсні системи – твердоподібні; вони виникають при контакті частинок дисперсної фази, що призводить до утворення структури каркаса або сітки. Така структура обмежує плинність дисперсної системи та надає їй здатності зберігати форму. Порошки, концентровані емульсії та суспензії (пасти), піни, гелі – приклади складнодисперсних систем. Суцільну масу речовини можуть пронизувати пори та капіляри, що утворюють капілярно-дисперсні системи (шкіра, картон, тканини, деревина).
Мал. 3. Зв'язнодисперсні (а-в) та капілярно-дисперсні (г, д) системи: гель (а), коагулянт із щільною (б) та пухкою – арочною (в) структурою.
Дисперсні системи, відповідно до їх проміжного положення між світом молекул і великих тіл, можуть бути отримані двома шляхами: методами диспергування, тобто подрібнення великих тіл, і методами конденсації молекулярно або іоннорозчинених речовин.
Під взаємодією фаз дисперсних систем мають на увазі процеси сольватації (гідратації у разі водних систем), тобто утворення сольватних (гідратних) оболонок із молекул дисперсійного середовища навколо частинок дисперсної фази. Відповідно, за інтенсивністю взаємодії між речовинами дисперсної фази та дисперсійного середовища (тільки для систем з рідким дисперсійним середовищем), за пропозицією Г. Фрейндліха розрізняють такі дисперсні системи:
− Ліофільні (гідрофільні, якщо ДС – вода): міцелярні розчини ПАР, критичні емульсії, водні розчинидеяких природних ВМС, наприклад, білків (желатину, яєчного білка), полісахаридів (крохмалю). Їх характерне сильне взаємодія частинок ДФ з молекулами ДС. У граничному випадку спостерігається повне розчинення. Ліофільні дисперсні системи утворюються спонтанно внаслідок процесу сольватації. Термодинамічно агрегативно стійкі.
− Ліофобні (гідрофобні, якщо ДС – вода): емульсії, суспензії, золі. Їх характерно слабке взаємодія частинок ДФ з молекулами ДС. Мимоволі не утворюються, для їх утворення необхідно витратити роботу. Термодинамічно агрегативно нестійкі (тобто мають тенденцію до мимовільної агрегації частинок дисперсної фази), їх відносна стійкість (так звана метастабільність) обумовлена кінетичними факторами (тобто низькою швидкістю агрегації).
3. Зважи.
Зважи – це дисперсні системи, у яких розмір частинки фази понад 100 нм. Це непрозорі системи, окремі частки яких можна побачити неозброєним оком. Дисперсна фаза та дисперсне середовище легко поділяються відстоюванням, фільтруванням. Такі системи поділяються на:
1. Емульсії (і середовище, і фаза - нерозчинні один в одному рідини). З води та олії можна приготувати емульсію тривалим струшуванням суміші. Це добре відомі вам молоко, лімфа, водоемульсійні фарби тощо.
2. Суспензії (Середовище - рідина, фаза - нерозчинна в ній тверда речовина). Щоб приготувати суспензію, треба речовину подрібнити до тонкого порошку, висипати в рідину і добре збовтати. Згодом частка випаде на дно судини. Очевидно, що менше частинки, тим довше зберігатиметься суспензія. Це будівельні розчини, зважений у воді річковий і морський мул, жива завись мікроскопічних живих організмів морській воді- Планктон, яким харчуються гіганти - кити, і т.д.
3. Аерозолі суспензії в газі (наприклад, у повітрі) дрібних частинок рідин або твердих речовин. Розрізняються пилу, дими, тумани. Перші два види аерозолів є суспензією твердих частинок у газі (більші частинки в пилах), останній – завис крапельок рідини в газі. Наприклад: туман, грозові хмари – завись у повітрі крапельок води, дим – дрібних твердих частинок. А зміг, що висить над найбільшими містамисвіту, також аерозоль з твердою та рідкою дисперсною фазою. Мешканці населених пунктівпоблизу цементних заводів страждають від тонкого цементного пилу, що завжди висить у повітрі, що утворюється при розмелі цементної сировини і продукту його випалу - клінкеру. Дим заводських труб, смоги, дрібні крапельки слини, що вилітають з рота хворого на грип, а також шкідливі аеролозі. Аерозолі відіграють важливу роль у природі, побуті та виробничій діяльності людини. Накопичення хмар, обробка полів хімікатами, нанесення лакофарбових покриттів за допомогою пульверизатора, лікування дихальних шляхів (інгаляція) – приклади тих явищ і процесів, де аерозолі приносять користь. Аерозолі – тумани над морським прибоєм, поблизу водоспадів і фонтанів, веселка, що виникає в них, доставляє людині радість, естетичне задоволення.
Для хімії найбільше значеннямають дисперсні системи, в яких середовищем є вода та рідкі розчини.
Природна водазавжди містить розчинені речовини. Природні водні розчини беруть участь у процесах ґрунтоутворення та постачають рослини поживними речовинами. Складні процеси життєдіяльності, що відбуваються в організмах людини та тварин, також протікають у розчинах. Багато технологічних процесів у хімічній та інших галузях промисловості, наприклад отримання кислот, металів, паперу, соди, добрив, протікають у розчинах.
4. Колоїдні системи.
Колоїдні системи (у перекладі з грецького “колла” – клей, “єїдос” вид клеєподібні) – це дисперсні системи, в яких розмір частинок фази від 100 до 1 нм. Ці частинки не видно неозброєним оком, і дисперсна фаза та дисперсне середовище в таких системах відстоюванням поділяються насилу.
З курсу загальної біології вам відомо, що частки такого розміру можна знайти за допомогою ультрамікроскопа, в якому використовується принцип розсіювання світла. Завдяки цьому колоїдна частка в ньому здається яскравою точкою на темному тлі.
Їх поділять на золі (колоїдні розчини) та гелі (студні).
1. Колоїдні розчини, або золі. Це більшість рідин живої клітини (цитоплазма, ядерний сік – каріоплазма, вміст органоїдів та вакуолей). І живого організму загалом (кров, лімфа, тканинна рідина, травні соки і т.д.) Такі системи утворюють клеї, крохмаль, білки, деякі полімери.
Колоїдні розчини можуть бути отримані в результаті хімічних реакцій; наприклад, при взаємодії розчинів силікатів калію або натрію (розчинного скла) з розчинами кислот утворюється колоїдний розчин кремнієвої кислоти. Золь утворюється при гідролізі хлориду заліза (III) у гарячій воді.
Характерна властивість колоїдних розчинів – їхня прозорість. Колоїдні розчини зовні схожі на дійсні розчини. Їх відрізняють від останніх по доріжці, що утворюється, – конусу при пропусканні через них променя світла. Це явище називають ефектом Тіндаля. Більші, ніж у істинному розчині, частинки дисперсної фази золю відбивають світло від своєї поверхні, і спостерігач бачить у посудині з колоїдним розчином конус, що світиться. У істинному розчині не утворюється. Аналогічний ефект, але тільки для аерозольного, а не рідкого колоїду, ви можете спостерігати в лісі та кінотеатрах при проходженні променя світла від кіноапарата через повітря кінозалу.
Пропускання променя світла через розчини:
а – дійсний розчин хлориду натрію;
б - колоїдний розчин гідроксиду заліза (III).
Частинки дисперсної фази колоїдних розчинів нерідко не осідають навіть при тривалому зберіганні через безперервні зіткнення з молекулами розчинника за рахунок теплового руху. Вони не злипаються і при зближенні один з одним через наявність на їх поверхні однойменних електричних зарядів. Це пояснюється тим, що речовини в колоїдному, тобто в дрібнороздробленому стані мають велику поверхню. На цій поверхні адсорбуються або позитивно або негативно заряджені іони. Наприклад, кремнієва кислота адсорбує негативні іони SiO 3 2- яких в розчині багато внаслідок дисоціації силікату натрію:
Частки ж із однойменними зарядами взаємно відштовхуються і тому не злипаються.
Але за певних умов може відбуватися процес коагуляції. При кип'ятінні деяких колоїдних розчинів відбувається десорбція заряджених іонів, тобто. колоїдні частки втрачають заряд. Починають укрупнюватись і осідають. Те саме спостерігається при приливанні будь-якого електроліту. І тут колоїдна частка притягує себе протилежно заряджений іон та її заряд нейтралізується.
Коагуляція - явище злипання колоїдних частинок і випадання їх в осад - спостерігається при нейтралізації зарядів цих частинок, коли колоїдний розчин додають електроліт. При цьому розчин перетворюється на суспензію або гель. Деякі органічні колоїди коагулюють при нагріванні (клей, яєчний білок) або зміні кислотно-лужного середовищарозчину.
2. Гелі або колодці являють собою драглисті опади, що утворюються при коагуляції золів. До них відносять велика кількістьполімерних гелів, настільки добре відомі вам кондитерські, косметичні та медичні гелі (желатин, холодець, мармелад, хліб, м'ясо, джем, желе, мармелад, кисіль, сир, сир, кисле молоко, торт "Пташине молоко") і звичайно ж безліч природних гелів: мінерали (опал), тіла медуз, хрящі, сухожилля, волосся, м'язова та нервова тканини і т.д. Історію розвитку Землі можна одночасно вважати історією еволюції колоїдного стану речовини. Згодом структура гелів порушується (відшаровується) – із них виділяється вода. Це явище називають синерезисом .
Колодязі − це структуровані системи з властивостями еластичних твердих тіл. Студоподібний стан речовини можна розглядати як проміжний між рідким і твердим станом.
Колодязі високомолекулярних речовин можуть бути отримані в основному двома шляхами: методом утворення колодців з розчинів полімерів та методом набухання сухих високомолекулярних речовин у відповідних рідинах.
Процес переходу розчину полімеру або золю в холодець називається студнеутворенням . Студнеутворення пов'язане зі збільшенням в'язкості та уповільненням броунівського руху і полягає в об'єднанні частинок дисперсної фази у формі сітки або осередків та зв'язуванні при цьому всього розчинника.
На процес студнеутворення істотно впливає природа розчинених речовин, форма їх частинок, концентрація, температура, час процесу та домішки інших речовин, особливо електролітів .
На підставі властивостей колодця ділять на дві великі групи:
а) еластичні, або оборотні, одержувані з високомолекулярних речовин;
б) тендітні, або незворотні, що отримуються з неорганічних гідрофобних золів.
Як мовилося раніше, колодці високомолекулярних речовин може бути отримані як методом студнеобразования розчинів, а й методом набухання сухих речовин. Обмежене набухання закінчується утворенням холодця і не переходить у розчинення, а при необмеженому набуханні холодець - проміжна стадія на шляху до розчинення.
Для холодців характерний ряд властивостей твердих тіл: вони зберігають форму, мають пружні властивості і еластичність. Однак їх механічні властивості визначаються концентрацією та температурою.
При нагріванні колодці переходять у в'язкотекучий стан. Цей процес називається плавленням. Він оборотний, оскільки при охолодженні розчин знову утворює холодець.
Багато холодців здатні розріджуватися і переходити в розчини при механічному впливі (перемішування, струшування). Цей процес оборотний, тому що в стані спокою через деякий час розчин утворює холодець. Властивість холодців багаторазово ізотермічно розріджуватися при механічних впливах і утворювати холодець у стані спокою називається тиксотропією . До тиксотропних змін здатні, наприклад, шоколадна маса, маргарин, тісто.
Маючи у своєму складі величезну кількість води, холоди, крім властивостей твердих тіл, мають і властивості рідкого тіла. Вони можуть протікати різні фізико-хімічні процеси: дифузія, хімічні реакції між речовинами.
Свіжоприготовлені колодці з часом піддаються змінам, оскільки процес структурування в колодці продовжується. При цьому на поверхні холодець починають з'являтися крапельки рідини, які, зливаючись, утворюють рідке середовище. Дисперсійне середовище, що утворюється, є розведеним розчином полімеру, а дисперсна фаза – студнеобразная фракція. Такий мимовільний процес поділу колодця на фази, що супроводжується зміною обсягу студія, називає синерезисом (відмокання).
Синерезис сприймається як продовження процесів, що зумовлюють освіту колодець. Швидкість синьорезису різних холодців різна і залежить в основному від температури та концентрації.
Синерезис у холодців, утворених полімерами, частково звернемо. Іноді достатньо нагрівання, щоб холодець, що зазнав синерезису, повернути у вихідний стан. У кулінарній практиці цим способом користуються, наприклад, для освіження каш, пюре, черствого хліба. Якщо при зберіганні холодців виникають хімічні процеси, то синерезис ускладнюється і його оборотність втрачається, відбувається старіння холодця. При цьому холодець втрачає здатність утримувати зв'язану воду (черствіння хліба). Практичне значення синьорезису досить велике. Найчастіше синерезис у побуті та промисловості небажаний. Це черствіння хліба, відмокання мармеладу, желе, карамелі, фруктових джемів.
5. Розчини високомолекулярних речовин.
Полімери, подібно до низькомолекулярних речовин, в залежності від умов отримання розчину (природа полімеру і розчинника, температура та ін) можуть утворювати як колоїдні, так і справжні розчини. У зв'язку з цим прийнято говорити про колоїдний або дійсний стан речовини в розчині. Ми не стосуватимемося систем «полімер – розчинник» колоїдного типу. Розглянемо лише розчини полімерів молекулярного типу. Слід зазначити, що внаслідок великих розмірів молекул та особливостей їх будови, розчини ВМС мають ряд специфічних властивостей:
1. Рівноважні процеси у розчинах ВМС встановлюються повільно.
2. Процесу розчинення ВМС, зазвичай, передує процес набухання.
3. Розчини полімерів підпорядковуються законам ідеальних розчинів, тобто. законам Рауля та Вант-Гоффа.
4. При перебігу розчинів полімерів виникає анізотропія властивостей (неоднакові Фізичні властивостірозчину в різних напрямках) за рахунок орієнтації молекул у напрямку течії.
5. Висока в'язкість розчинів ВМС.
6. Молекули полімерів, завдяки великим розмірам, виявляють схильність до асоціації у розчинах. Час життя асоціатів полімерів триваліший, ніж асоціатів низькомолекулярних речовин.
Процес розчинення ВМС протікає мимовільно, але протягом тривалого часу, і часто передує набухання полімеру в розчиннику. Полімери, макромолекули яких мають симетричну форму, можуть переходити в розчин, попередньо не набухаючи. Наприклад, гемоглобін, печінковий крохмаль – глікоген при розчиненні майже не набухають, а розчини цих речовин не мають високої в'язкості навіть при порівняно великих концентраціях. У той час, як речовини з сильно асиметричними витягнутими молекулами при розчиненні дуже набрякають (желатин, целюлоза, натуральний і синтетичні каучуки).
Набухання – це збільшення маси та обсягу полімеру за рахунок проникнення молекул розчинника у просторову структуру ВМС.
Розрізняють два види набухання: необмежену,закінчується повним розчиненням ВМС (наприклад, набухання желатину у воді, каучуку в бензолі, нітроцелюлози в ацетоні) та обмежене, що призводить до утворення набряклого полімеру - холодець (наприклад, набухання целюлози у воді, желатину холодній воді, вулканізований каучук в бензолі).
Класифікація дисперсних систем може бути проведена на основі різних властивостей: по дисперсності, по агрегатному стану фаз, взаємодії дисперсної фази і дисперсного середовища, міжчастковому взаємодії.
Класифікація з дисперсності
Залежність величини питомої поверхні від дисперсності Sуд = f(d) графічно виражається рівносторонньою гіперболою (рис.).З графіка видно, що із зменшенням поперечних розмірів частинок величина питомої поверхні значно зростає. Якщо кубик з розміром ребра 1 см подрібнити до кубічних частинок розмірами d = 10 -6 см, величина загальної міжфазної поверхні зросте з 6 см 2 до 600 м 2 .
При d ≤ 10 -7 см гіпербола обривається, тому що частинки зменшуються до розмірів окремих молекул, і гетерогенна система стає гомогенною, де міжфазна поверхня відсутня. За ступенем дисперсності дисперсні системи поділяються на:
- грубодисперсні системи, d? 10 -3 см;
- мікрогетерогенні системи, 10 -5 ≤ d ≤ 10 -3 см;
- колоїдно-дисперсні системи або колоїдні розчини, 10 -7 ≤ d ≤ 10 -5 см;
- дійсні розчини, d ≤ 10 -7 см.
Класифікація по агрегатному стану фаз
Класифікація по агрегатному стану фаз була запропонована Вольфгангом Оствальдом. Загалом можливо 9 комбінацій. Подаємо їх у вигляді таблиці.| Агрегатний стан дисперсної фази | Агрегатний стан дисперсного середовища | Умовне позначення | Назва системи | Приклади |
| г | г | г/г | аерозолі | атмосфера Землі |
| ж | г | ж/г | туман, шаруваті хмари | |
| тв | г | тв/г | дими, пилу, перисті хмари | |
| г | ж | г/ж | газові емульсії, піни | газована вода, мильна піна, лікувальний кисневий коктейль, пива |
| ж | ж | ж/ж | емульсії | молоко, вершкове масло, маргарин, креми і т.д. |
| тв | ж | тв/ж | ліозолі, суспензії | ліофобні колоїдні розчини, суспензії, пасти, фарби та ін. буд. |
| г | тв | г/тв | тверді піни | пемза, тверді піни, пінопласт, пінобетон, хліб, пористі тіла у газі іт. буд. |
| ж | тв | ж ТВ | тверді емульсії | вода в парафіні, природні мінерали з рідкими включеннями, пористі тіла в рідині |
| тв | тв | тв/тв | тверді золі | сталь, чавун, кольорове скло, дорогоцінне каміння: золь Аі в склі — рубінове скло (0,0001%) (1т скла — 1г Au) |
Класифікація по взаємодії дисперсної фази та дисперсного середовища (за міжфазною взаємодією).
Ця класифікація придатна лише для систем з рідким дисперсійним середовищем. Г. Фрейндліх запропонував підрозділити дисперсних систем на два види:- ліофобні, в них дисперсна фаза не здатна взаємодіяти з дисперсійним середовищем, а отже, і розчинятися в ній, до них відносяться колоїдні розчини, мікрогетерогенні системи;
- ліофільні, в них дисперсна фаза взаємодіє з дисперсійним середовищем і за певних умов здатна в ній розчинятися, до них відносяться розчини колоїдних ПАР та розчини ВМС.
Класифікація з міжчасткової взаємодії
Відповідно до цієї класифікації дисперсні системи поділяють на:- вільнодисперсні (безструктурні);
- зв'язнодисперсні (структуровані).
У зв'язнодисперсних системах частинки дисперсної фази пов'язані один з одним за рахунок міжмолекулярних сил, утворюючи в дисперсійному середовищі своєрідні просторові сітки або каркаси (структури). Частинки, що утворюють структуру, не здатні до взаємного переміщення і можуть здійснювати лише коливальні рухи.
Список використаної літератури
- Гельфман М. І., Ковалевич О. Ст, Юстратов В. П.Колоїдна хімія. 2-ге вид., стер. – СПб.: Видавництво “Лань”, 2004. – 336 с.: іл. ISBN 5-8114-0478-6 [с. 8-10]
Дисперсійні системи можна поділити за розміром частинок дисперсійної фази. Якщо розмір частинок становить менше одного нм – це молекулярно-іонні системи, від одного до ста нм – колоїдні, і понад сто нм – грубодисперсні. Групу молекулярно-дисперсних систем представляють розчини. Це однорідні системи, які складаються із двох або більше речовин і є однофазними. До них відносяться газ, тверда речовина чи розчини. У свою чергу, ці системи можна розділити на підгрупи:
- Молекулярні. Коли органічні речовини, такі як глюкоза, що з'єднуються з неелектролітами. Такі розчини назвали істинними для того, щоби можна було відрізняти від колоїдних. До них відносяться розчини глюкози, сахарози, спиртові та інші.
- Молекулярно-іонні. У разі взаємодії між собою слабких електролітів. До цієї групи входять кислотні розчини, азотисті, сірководневі та інші.
- Іонні. Поєднання сильних електролітів. Яскраві представники – це розчини лугів, солей та деяких кислот.
Колоїдні системи
Колоїдні системи – це мікрогетерогенні системи, в яких розміри колоїдних частинок варіюють від 100 до 1 нм. Вони тривалий час можуть не випадати в осад за рахунок сольватної іонної оболонки та електричного заряду. При розподілі в середовищі колоїдні розчини заповнюють рівномірно весь об'єм і діляться на золі та гелі, які у свою чергу являють собою опади у вигляді колодця. До них відносяться розчин альбуміну, желатину, колоїдні розчини срібла. Холодець, суфле, пудинги - це яскраві колоїдні системи, що зустрічаються в повсякденному житті.
Грубодисперсні системи
Непрозорі системи або суспензії, в яких дрібні інгредієнти частинки видно неозброєним оком. У процесі відстоювання дисперсна фаза легко відокремлюється від дисперсного середовища. Вони поділяються на суспензії, емульсії, аерозолі. Системи, в яких у рідкому дисперсійному середовищі розміщуються тверда речовина з більшими частинками, називаються суспензіями. До них відносяться водні розчини крохмалю та глини. На відміну від суспензій, емульсії утворюються в результаті змішування двох рідин, в яких одна крапельками розподіляється в іншій. Прикладом емульсії є суміш олії з водою, крапельки жиру в молоці. Якщо дрібні тверді або рідкі частинки розподіляються в газі - це аерозолі. По суті, аерозоль - це суспензія в газі. Одним із представників аерозолю на основі рідини є туман – це велика кількість дрібних водяних крапельок, зважених у повітрі. Твердотільний аерозоль - дим або пил - множина дрібних твердих частинок також зважених у повітрі.
Колоїдна хімія – наука, яка вивчає методи отримання, склад, внутрішню структуру, хімічні та фізичні властивості дисперсних систем. Дисперсні системи - це системи, які складаються з роздроблених частинок (дисперсна фаза), розподілених у навколишньому (дисперсному) середовищі: газах, рідинах або твердих тілах. Розміри частинок дисперсійної фази (кристаликів, крапельок, бульбашок) відрізняються ступенем дисперсності, величина якої прямо пропорційна розміру частинок. Крім цього, дисперсні частинки розрізняють і за іншими ознаками, як правило, за дисперсною фазою та середовищем.
Дисперсні системи та їх класифікація
Усі дисперсійні системи за розміром частинок дисперсійної фази можна класифікувати на молекулярно-іонні (менше одного нм), колоїдні (від одного до ста нм), грубодисперсні (більше ста нм).
Молекулярно-дисперсні системи.Зазначені системи містять частинки, розмір яких не перевищує одного нм. До цієї групи належать різноманітні справжні розчини неелектролітів: глюкози, сечовини, спирту, сахарози.
Грубодисперсні системихарактеризуються найбільшими частинками. До них відносять емульсії та суспензії. Дисперсні системи, у яких тверда речовина локалізується у рідкому дисперсійному середовищі (розчин крохмалю, глини), називаються суспензіями. Емульсії - це системи, які отримують в результаті змішування двох рідин, де одна у вигляді крапель диспергована в іншій (олія, толуол, бензол у воді або крапельки триацилгліцеролів (жиру) у молоці).
Колоїдні дисперсні системи. Вони розміри досягають до 100 нм. Такі частинки легко проникають через пори паперових фільтрів, проте не проникають через пори біологічних мембран рослин та тварин. Оскільки колоїдні частинки (міцели) мають електрозаряд і сольватні іонні оболонки, завдяки яким вони залишаються у зваженому стані, досить тривалий час можуть не випадати в осад. Яскравим прикладом є розчини желатину, альбуміну, гуміарабіку, золота та срібла.
Дозволяє розрізнити гомогенні та гетерогенні дисперсні системи. У гомогенних дисперсних системах частинки фази подрібнені до молекул, атомів та іонів. Прикладом таких дисперсійних систем може бути розчин глюкози у воді (молекулярно-дисперсна система) та кухонної солі у воді (іонно-дисперсна система). Вони є розмір молекул дисперсної фази не перевищує одного нанометра.
Дисперсні системи та розчини
З усіх представлених систем та розчинів у житті живих організмів найбільше значення мають колоїдні дисперсні системи. Як відомо, хімічною основою існування живого організму є обмін білків у ньому. У середньому концентрація білків у організмі становить від 18 до 21 %. Більшість білків розчиняються у воді (концентрація якої в організмі людини та тварин становить приблизно 65 %) та утворюють колоїдні розчини.
Розрізняють дві групи колоїдних розчинів: рідкі (золі) та гелеподібні (гелі). Усі процеси життєдіяльності, які у живих організмах, пов'язані з колоїдним станом матерії. У кожній живій клітині біополімери ( нуклеїнові кислоти, білки, гікозаміноглікани, глікоген) знаходяться у вигляді дисперсних систем.
Колоїдні розчини широко поширені і до таких розчинів відносять нафту, тканини, пластмаси, Безліч харчових продуктів можна віднести до колоїдних розчинів: кефір, молоко і т.д. Більшість лікарських засобів (сироватки, антигени, вакцини) є колоїдними розчинами. До колоїдних розчинів відносять і фарби.
Чисті речовини у природі зустрічаються дуже рідко. Суміші різних речовин у різних агрегатних станах можуть утворювати гетерогенні та гомогенні системи - дисперсні системи та розчини.
Ті речовини, які присутні в меншій кількості і розподілені в обсязі іншого, називають дисперсною фазою. Вона може складатися з кількох речовин.
Речовина, що є у більшій кількості, в обсязі якої розподілена дисперсна фаза, називають дисперсійним середовищем. Між нею та частинками дисперсної фази існує поверхня розділу, тому дисперсні системи називають гетерогенними (неоднорідними).
І дисперсійне середовище, і дисперсну фазу можуть представляти речовини, що знаходяться в різних агрегатних станах - твердому, рідкому та газоподібному.
Залежно від поєднання агрегатного стану дисперсійного середовища та дисперсної фази можна виділити 8 видів таких систем (табл. 11).
Таблиця 11
Приклади дисперсних систем
За величиною частинок речовин, що становлять дисперсну фазу, дисперсні системи ділять на грубодисперсні (суспензії) з розмірами частинок більше 100 нм і тонкодисперсні (колоїдні розчини або колоїдні системи) з розмірами частинок від 100 до 1 нм. Якщо речовина роздроблена до молекул або іонів розміром менше 1 нм, утворюється гомогенна система - розчин. Вона однорідна (гомогена), поверхні розділу між частинками дисперсної фази та середовищем немає.
Вже знайомство з дисперсними системами і розчинами показує, наскільки вони важливі в повсякденному житті і в природі (див. табл. 11).
Судіть самі: без нільського мулу не відбулася б велика цивілізація Стародавнього Єгипту; без води, повітря, гірських порід і мінералів взагалі не існувала жива планета - наш спільний будинок - Земля; без клітин був би живих організмів тощо.
Класифікація дисперсних систем та розчинів представлена на схемі 2.
Схема 2
Класифікація дисперсних систем та розчинів
Зважи
Суспензії - це дисперсні системи, в яких розмір частинок фази більше 100 нм. Це непрозорі системи, окремі частки яких можна побачити неозброєним оком. Дисперсна фаза та дисперсійне середовище легко поділяються відстоюванням. Такі системи поділяють на три групи:
- емульсії (і середовище, і фаза - нерозчинні один в одному рідини). Це добре відомі вам молоко, лімфа, водоемульсійні фарби тощо;
- суспензії (середовище - рідина, а фаза - нерозчинна в ній тверда речовина). Це будівельні розчини (наприклад, «вапняне молоко» для побілки), зважений у воді річковий і морський мул, жива завис мікроскопічних живих організмів у морській воді - планктон, яким харчуються гіганти кити, і т. д.;
- аерозолі - суспензії в газі (наприклад, у повітрі) дрібних частинок рідин або твердих речовин. Розрізняють пилу, дими, тумани. Перші два види аерозолів є суспензією твердих частинок у газі (більші частинки в пилах), останній - завись дрібних крапельок рідини в газі. Наприклад, природні аерозолі: туман, грозові хмари - завись у повітрі крапельок води, дим - дрібних твердих частинок. А зміг, що висить над найбільшими містами світу, також аерозоль із твердою та рідкою дисперсною фазою. Жителі населених пунктів поблизу цементних заводів страждають від тонкого цементного пилу, що завжди висить у повітрі, що утворюється при розмелі цементної сировини і продукту його випалу - клінкеру. Аналогічні шкідливі аерозолі – пилу – є й у містах із металургійними виробництвами. Дим заводських труб, смоги, дрібні крапельки слини, що вилітають з рота хворого на грип, а також шкідливі аерозолі.
Аерозолі відіграють важливу роль у природі, побуті та виробничій діяльності людини. Скупчення хмар, обробка полів хімікатами, нанесення лакофарбових покриттів за допомогою пульверизатора, розпилення палива, вироблення сухих молочних продуктів, лікування дихальних шляхів (інгаляція) – приклади тих явищ та процесів, де аерозолі приносять користь.
Аерозолі - тумани над морським прибоєм, поблизу водоспадів і фонтанів, веселка, що виникає в них, доставляє людині радість, естетичне задоволення.
Для хімії найбільше значення мають дисперсні системи, у яких середовищем є вода.
Колоїдні системи
Колоїдні системи - це дисперсні системи, в яких розмір частинок фази від 100 до 1 нм. Ці частинки не видно неозброєним оком, і дисперсна фаза та дисперсійне середовище в таких системах відстоюванням поділяються насилу.
Їх поділяють на золі (колоїдні розчини) та гелі (студні).
1. Колоїдні розчини, або золі. Це більшість рідин живої клітини (цитоплазма, ядерний сік – каріоплазма, вміст органоїдів та вакуолей) та живого організму в цілому (кров, лімфа, тканинна рідина, травні соки, гуморальні рідини тощо). Такі системи утворюють клеї, крохмаль, білки, деякі полімери.
Колоїдні розчини можуть бути одержані в результаті хімічних реакцій; наприклад, при взаємодії розчинів силікатів калію або натрію (розчинного скла) з розчинами кислот утворюється колоїдний розчин кремнієвої кислоти. Золь утворюється при гідролізі хлориду заліза (III) у гарячій воді. Колоїдні розчини зовні схожі на дійсні розчини. Їх відрізняють від останніх по «доріжці, що світиться» - конусу при пропусканні через них променя світла. Це явище називають ефектом Тіндаля. Більші, ніж у істинному розчині, частинки дисперсної фази золю відбивають світло від своєї поверхні, і спостерігач бачить у посудині з колоїдним розчином конус, що світиться. У істинному розчині не утворюється. Аналогічний ефект, але тільки для аерозольного, а не рідкого колоїду, ви можете спостерігати в кінотеатрах під час проходження світлового променя від кіноапарата через повітря кінозалу.
Частинки дисперсної фази колоїдних розчинів нерідко не осідають навіть при тривалому зберіганні через безперервні зіткнення з молекулами розчинника за рахунок теплового руху. Вони не злипаються і при зближенні один з одним через наявність на їх поверхні однойменних електричних зарядів. Але за певних умов може відбуватися процес коагуляції.
Коагуляція- явище злипання колоїдних частинок і випадання в осад - спостерігається при нейтралізації зарядів цих частинок, коли в колоїдний розчин додають електроліт. При цьому розчин перетворюється на суспензію або гель. Деякі органічні колоїди коагулюють при нагріванні (клей, яєчний білок) або зміні кислотно-лужного середовища розчину.
2. Друга підгрупа колоїдних систем- це гелі, або колодціу являють собою драглисті опади, що утворюються при коагуляції золів. До них відносять велику кількість полімерних гелів, настільки добре відомі вам кондитерські, косметичні та медичні гелі (желатин, холодець, желе, мармелад, торт-суфле «Пташине молоко») і звичайно ж безліч природних гелів: мінерали (опал), тіла медуз , Хрящі, сухожилля, волосся, м'язова та нервова тканини і т. д. Історію розвитку життя на Землі можна одночасно вважати історією еволюції колоїдного стану речовини. Згодом структура гелів порушується – з них виділяється вода. Це називають синерезисом.
