Дисперсионные системы можно разделить по размеру частиц дисперсионной фазы. Если размер частиц составляет меньше одного нм – это молекулярно - ионные системы, от одного до ста нм - коллоидные, и более ста нм - грубодисперсные. Группу молекулярно дисперсных систем представляют растворы. Это однородные системы, которые состоят из двух или более веществ и являются однофазными. К ним относятся газ, твердое вещество или растворы. В свою очередь эти системы можно разделить на подгруппы:
- Молекулярные. Когда органические вещества, такие как глюкоза, соединяются с неэлектролитами. Такие растворы назвали истинными для того, чтобы можно было отличать от коллоидных. К ним относятся растворы глюкозы, сахарозы, спиртовые и другие.
- Молекулярно-ионные. В случае взаимодействия между собой слабых электролитов. В эту группу входят кислотные растворы, азотистые, сероводородные и другие.
- Ионные. Соединение сильных электролитов. Яркие представители - это растворы щелочей, солей и некоторых кислот.
Коллоидные системы
Коллоидные системы - это микрогетерогенные системы, в которых размеры коллоидных частиц варьируют от 100 до 1 нм. Они длительное время могут не выпадать в осадок за счет сольватной ионной оболочки и электрического заряда. При распределении в среде коллоидные растворы заполняют равномерно весь объем и делятся на золи и гели, которые в свою очередь представляют собой осадки в виде студня. К ним относятся раствор альбумина, желатина, коллоидные растворы серебра. Холодец, суфле, пудинги - это яркие коллоидной систем, встречающихся в повседневной жизни.
Грубодисперсные системы
Непрозрачные системы или взвеси, в которых мелкие ингредиенты частицы видны невооруженным глазом. В процессе отстаивания дисперсная фаза легко отделяется от дисперсной среды. Они подразделяются на суспензии, эмульсии, аэрозоли. Системы, в которых в жидкой дисперсионной среде размещаются твердое вещество с более крупными частицами, называются суспензиями. К ним относятся водные растворы крахмала и глины. В отличие от суспензий, эмульсии получаются в результате смешивания двух жидкостей, в которых одна капельками распределяется в другой. Примером эмульсии является смесь масла с водой, капельки жира в молоке. Если мелкие твердые или жидкие частицы распределяется в газе - это аэрозоли. По сути аэрозоль - это суспензия в газе. Одним из представителей аэрозоля на основе жидкости является туман - это большое количество мелких водяных капелек, взвешенных в воздухе. Твердотельный аэрозоль – дым или пыль - множественное скопление мелких твердых частиц также взвешенных в воздухе.
Чистые вещества в природе встречаются очень редко. Смеси разных веществ в различных агрегатных состояниях могут образовывать гетерогенные и гомогенные системы - дисперсные системы и растворы.
То вещество, которое присутствует в меньшем количестве и распределено в объеме другого, называют дисперсной фазой. Она может состоять из нескольких веществ.
Вещество, присутствующее в большем количестве, в объеме которого распределена дисперсная фаза, называют дисперсионной средой. Между ней и частицами дисперсной фазы существует поверхность раздела, поэтому дисперсные системы называют гетерогенными (неоднородными).
И дисперсионную среду, и дисперсную фазу могут представлять вещества, находящиеся в различных агрегатных состояниях - твердом, жидком и газообразном.
В зависимости от сочетания агрегатного состояния дисперсионной среды и дисперсной фазы можно выделить 8 видов таких систем (табл. 11).
Таблица 11
Примеры дисперсных систем
По величине частиц веществ, составляющих дисперсную фазу, дисперсные системы делят на грубодисперсные (взвеси) с размерами частиц более 100 нм и тонкодисперсные (коллоидные растворы или коллоидные системы) с размерами частиц от 100 до 1 нм. Если же вещество раздроблено до молекул или ионов размером менее 1 нм, образуется гомогенная система - раствор. Она однородна (гомогенна), поверхности раздела между частицами дисперсной фазы и средой нет.
Уже беглое знакомство с дисперсными системами и растворами показывает, насколько они важны в повседневной жизни и в природе (см. табл. 11).
Судите сами: без нильского ила не состоялась бы великая цивилизация Древнего Египта; без воды, воздуха, горных пород и минералов вообще бы не существовала живая планета - наш общий дом - Земля; без клеток не было бы живых организмов и т. д.
Классификация дисперсных систем и растворов представлена на схеме 2.
Схема 2
Классификация дисперсных систем и растворов
Взвеси
Взвеси - это дисперсные системы, в которых размер частиц фазы более 100 нм. Это непрозрачные системы, отдельные частицы которых можно заметить невооруженным глазом. Дисперсная фаза и дисперсионная среда легко разделяются отстаиванием. Такие системы разделяют на три группы:
- эмульсии (и среда, и фаза - нерастворимые друг в друге жидкости). Это хорошо известные вам молоко, лимфа, водоэмульсионные краски и т. д.;
- суспензии (среда - жидкость, а фаза - нерастворимое в ней твердое вещество). Это строительные растворы (например, «известковое молоко» для побелки), взвешенный в воде речной и морской ил, живая взвесь микроскопических живых организмов в морской воде - планктон, которым питаются гиганты киты, и т. д.;
- аэрозоли - взвеси в газе (например, в воздухе) мелких частиц жидкостей или твердых веществ. Различают пыли, дымы, туманы. Первые два вида аэрозолей представляют собой взвеси твердых частиц в газе (более крупные частицы в пылях), последний - взвесь мелких капелек жидкости в газе. Например, природные аэрозоли: туман, грозовые тучи - взвесь в воздухе капелек воды, дым - мелких твердых частиц. А смог, висящий над крупнейшими городами мира, также аэрозоль с твердой и жидкой дисперсной фазой. Жители населенных пунктов вблизи цементных заводов страдают от всегда висящей в воздухе тончайшей цементной пыли, образующейся при размоле цементного сырья и продукта его обжига - клинкера. Аналогичные вредные аэрозоли - пыли - имеются и в городах с металлургическими производствами. Дым заводских труб, смоги, мельчайшие капельки слюны, вылетающие изо рта больного гриппом, также вредные аэрозоли.
Аэрозоли играют важную роль в природе, быту и производственной деятельности человека. Скопления облаков, обработка полей химикатами, нанесение лакокрасочных покрытий при помощи пульверизатора, распыление топлива, выработка сухих молочных продуктов, лечение дыхательных путей (ингаляция) - примеры тех явлений и процессов, где аэрозоли приносят пользу.
Аэрозоли - туманы над морским прибоем, вблизи водопадов и фонтанов, возникающая в них радуга доставляет человеку радость, эстетическое удовольствие.
Для химии наибольшее значение имеют дисперсные системы, в которых средой является вода.
Коллоидные системы
Коллоидные системы - это такие дисперсные системы, в которых размер частиц фазы от 100 до 1 нм. Эти частицы не видны невооруженным глазом, и дисперсная фаза и дисперсионная среда в таких системах отстаиванием разделяются с трудом.
Их подразделяют на золи (коллоидные растворы) и гели (студни).
1. Коллоидные растворы , или золи . Это большинство жидкостей живой клетки (цитоплазма, ядерный сок - кариоплазма, содержимое органоидов и вакуолей) и живого организма в целом (кровь, лимфа, тканевая жидкость, пищеварительные соки, гуморальные жидкости и т. д.). Такие системы образуют клеи, крахмал, белки, некоторые полимеры.
Коллоидные растворы могут быть получены в результате химических реакций; например, при взаимодействии растворов силикатов калия или натрия («растворимого стекла») с растворами кислот образуется коллоидный раствор кремниевой кислоты. Золь образуется и при гидролизе хлорида железа (III) в горячей воде. Коллоидные растворы внешне похожи на истинные растворы. Их отличают от последних по образующейся «светящейся дорожке» - конусу при пропускании через них луча света. Это явление называют эффектом Тиндаля. Более крупные, чем в истинном растворе, частицы дисперсной фазы золя отражают свет от своей поверхности, и наблюдатель видит в сосуде с коллоидным раствором светящийся конус. В истинном растворе он не образуется. Аналогичный эффект, но только для аэрозольного, а не жидкого коллоида, вы можете наблюдать в кинотеатрах при прохождении луча света от киноаппарата через воздух кинозала.
Частицы дисперсной фазы коллоидных растворов нередко не оседают даже при длительном хранении из-за непрерывных соударений с молекулами растворителя за счет теплового движения. Они не слипаются и при сближении друг с другом из-за наличия на их поверхности одноименных электрических зарядов. Но при определенных условиях может происходить процесс коагуляции.
Коагуляция - явление слипания коллоидных частиц и выпадения их в осадок - наблюдается при нейтрализации зарядов этих частиц, когда в коллоидный раствор добавляют электролит. При этом раствор превращается в суспензию или гель. Некоторые органические коллоиды коагулируют при нагревании (клей, яичный белок) или при изменении кислотно-щелочной среды раствора.
2. Вторая подгруппа коллоидных систем - это гели , или студни у представляющие собой студенистые осадки, образующиеся при коагуляции золей. К ним относят большое количество полимерных гелей, столь хорошо известные вам кондитерские, косметические и медицинские гели (желатин, холодец, желе, мармелад, торт-суфле «Птичье молоко») и конечно же бесконечное множество природных гелей: минералы (опал), тела медуз, хрящи, сухожилия, волосы, мышечная и нервная ткани и т. д. Историю развития жизни на Земле можно одновременно считать историей эволюции коллоидного состояния вещества. Со временем структура гелей нарушается - из них выделяется вода. Это явление называют синерезисом.
§ 14. ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ
Чистые вещества в природе встречаются очень редко. Смеси различных веществ в разных агрегатных состояниях могут образовывать гетерогенные и гомо генные системы – дисперсные системы и растворы.|
Дисперсными
называют гетерогенные системы
,
в которых одно вещество в виде очень мелких ча
стиц равномерно распределено в объеме другого.
|
То вещество (или несколько веществ), которое
присутствует в дисперсной системе в меньшем коли
честве и распределено в объеме, называют
дисперс
ной фазой
. Присутствующее в бόльшем количестве
вещество, в объеме которого распределена дисперс
ная фаза, называют дисперсионной средой
. Между
дисперсионной средой и частицами дисперсной фазы
существует поверхность раздела, именно поэтомудисперсные системы называют гетерогенными
, т.е. неоднородными.
И дисперсионную среду, и дисперсную фазу могут составлять вещества, находящиеся в различных агрегатных состояниях. В зависимости от сочетания состояний дисперсионной среды и дисперсной фазы можно выделить восемь видов таких систем (табл. 2).
Таблица 2
Классификация дисперсных систем
по агрегатному состоянию
| Дисперсион- ная среда | Дисперс- ная фаза | Примеры некоторых природных и бытовых дисперсных систем |
| Газ | Жидкость | Туман, попутный газ с капельками нефти, карбюраторная смесь в двигателях автомо- билей (капельки бен- зина в воздухе) |
| Твердое вещество | Пыль в воздухе, дымы, смог, самумы (пыльные и песчаные бури) |
|
| Жидкость | Газ | Шипучие напитки, пена в ванне |
| Жидкость | Жидкие среды орга- низма (плазма крови, лимфа, пищевари- тельные соки), жидкое содержимое клеток (цитоплазма, карио- плазма) |
|
| Твердое вещество | Кисели, студни, клеи, взвешенный в воде речной или морской ил, строительные рас- творы |
|
| Твердое вещество | Газ | Снежный наст с пу- зырьками воздуха в нем, почва, текстиль- ные ткани, кирпич и керамика, поролон, пористый шоколад, порошки |
| Жидкость | Влажная почва, меди- цинские и косметиче- ские средства (мази, тушь, помада и т.д.) |
|
| Твердое вещество | Горные породы, цвет- ные стекла, некоторые сплавы |
По величине частиц вещества, составляющих дисперсную фазу, дисперсные системы делят на грубодисперсные с размерами частиц более 100 нм и тонкодисперсные с размерами частиц от 1 до 100 нм. Если же вещество раздроблено до молекул или ионов размером менее 1 нм, образуется гомогенная система – раствор. Раствор однороден, поверхности раздела между частицами и средой нет, а потому к дисперсным системам он не относится.
Знакомство с дисперсными системами и растворами показывает, насколько они важны в повседневной жизни и природе. Судите сами: без нильского ила не состоялась бы великая цивилизация Древнего Египта (рис. 15); без воды, воздуха, горных пород, минералов вообще бы не существовала живая планета – наш общий дом – Земля; без клеток не было бы живых организмов.
Рис. 15. Разливы Нила и история цивилизации
Классификация дисперсных систем и растворов в зависимости от размеров частиц фазы дана на схеме 1.
Схема 1
Классификация дисперсных систем и растворов
Грубодисперсные системы.
Грубодисперсные системы делятся на три группы: эмульсии, суспензии и аэрозоли.
Эмульсии – это дисперсные системы с жидкой дисперсионной средой и жидкой дисперсной фазой.
Их можно также разделить на две группы:
1) прямые – капли неполярной жидкости в полярной среде (масло в воде);
2) обратные (вода в масле).
Изменение состава эмульсий или внешнее воздействие могут привести к превращению прямой эмульсии в обратную и наоборот. Примерами наиболее известных природных эмульсий являются молоко (прямая эмульсия) и нефть (обратная эмульсия). Типичная биологическая эмульсия – это капельки жира в лимфе.
Л а б о р а т о р н ы й о п ы т. Налейте в тарелку цельное молоко. Капните на поверхность несколько разноцветных капель пищевых красителей. Ватную палочку смочите моющим средством и коснитесь ею центра тарелки. Молоко начинает двигаться, а цвета перемешиваться. Почему?
Из известных в практической деятельности человека эмульсий можно назвать смазочно-охлаждающие жидкости, битумные материалы, пестицидные препараты, лекарственные и косметические средства, пищевые продукты. Например, в медицинской практике широко применяют жировые эмульсии для энергетического обеспечения голодающего или ослабленного организма путем внутривенного вливания. Для получения таких эмульсий используют оливковое, хлопковое и соевое масла.
В химической технологии широко используют эмульсионную полимеризацию как основной метод получения каучуков, полистирола, поливинилацетата и др.
Суспензии
– это грубодисперсные системы с твердой дисперсной фазой и жидкой дисперсионной средой.
Обычно частицы дисперсной фазы суспензии настолько велики, что оседают под действием силы тяжести – седиментируют. Системы, в которых седиментация идет очень медленно из-за малой разности в плотности дисперсной фазы и дисперсионной среды, также называют взвесями. Практически значимыми строительными суспен-
зиями являются побелка («известковое молоко»), эмалевые краски, различные строительные взвеси, например те, которые называют «цементным раствором». К суспензиям относят также медицинские препараты, например жидкие мази – линименты.
Особую группу составляют грубодисперсные системы, в которых концентрация дисперсной фазы относительно высока по сравнению с ее небольшой концентрацией в суспензиях. Такие дисперсные системы называют пастами. Например, вам хорошо известные из повседневной жизни зубные, косметические, гигиенические и др.
Аэрозоли
– это грубодисперсные системы, в которых дисперсионной средой является воздух, а дисперсной фазой могут быть капельки жидкости (облака, радуга, выпущенный из баллончика лак для волос или дезодорант) или частицы твердого вещества (пылевое облако, смерч) (рис. 16).
Рис. 16. Примеры грубодисперсных систем с твердой
Дисперсной фазой: а – суспензия – строительный раствор;
б – аэрозоль – пыльная буря
Коллоидные системы.
Коллоидные системы занимают промежуточное положение между грубодисперсными системами и истинными растворами. Они широко распространены в природе. Почва, глина, природные воды, многие минералы, в том числе и некоторые драгоценные камни, – все это коллоидные системы.
Большое значение имеют коллоидные системы для биологии и медицины. В состав любого живого организма входят твердые, жидкие и газообразные вещества, находящиеся в сложном взаимоотношении с окружающей средой. С химической точки зрения организм в целом – это сложнейшая совокупность многих коллоидных систем.
Биологические жидкости (кровь, плазма, лимфа, спинномозговая жидкость и др.) представляют собой коллоидные системы, в которых такие органические соединения, как белки, холестерин, гликоген и многие другие, находятся в коллоидном состоянии. Почему же именно ему природа отдает такое предпочтение? Эта особенность связана, в первую очередь, с тем, что вещество в коллоидном состоянии имеет большую поверхность раздела между фазами, что способствует лучшему протеканию реакций обмена веществ.
Л а б о р а т о р н ы й о п ы т. В пластиковый стакан насыпьте столовую ложку крахмала. Постепенно добавляйте теплой воды и тщательно растирайте смесь ложкой. Нельзя перелить воды, смесь должна быть густой. Столовую ложку полученного коллоидного раствора налейте на ладонь и дотроньтесь пальцем другой руки. Смесь твердеет. Если вы уберете палец, смесь снова становится жидкой.
Коллоиды под давлением могут менять свое состояние. В результате давления пальца на приготовленный коллоид частички крахмала соединяются друг с другом, и смесь становится твердой. Когда давление ослабевает, смесь возвращается в первоначальное жидкое состояние.
Коллоидные системы подразделяют на золи
(коллоидные
растворы) и гели
(студни
).
Большинство биологических жидкостей клетки (уже упомянутые цитоплазма, ядерный сок – кариоплазма, содержимое вакуолей) и живого организма в целом являются коллоидными растворами (золями).
Для золей характерно явление коагуляции, т.е. слипания коллоидных частиц и выпадение их в осадок. При этом коллоидный раствор превращается в суспензию или гель. Некоторые органические коллоиды коагулируют при нагревании (яичный белок, клеи) или при изменении кислотно-основной среды (пищеварительные соки).
Гели
– это коллоидные системы, в которых частицы дисперсной фазы образуют пространственную структуру.
Гели – это дисперсные системы, которые встречаются вам в повседневной жизни (схема 2).
Схема 2
Классификация гелей
Со временем структура гелей нарушается – из них выделяется жидкость. Происходит синерезис – самопроизвольное уменьшение объема геля, сопровождающееся отделением жидкости. Синерезис определяет сроки годности пищевых, медицинских и косметических гелей. Очень важен биологический синерезис при приготовлении сыра, творога. У теплокровных животных есть процесс, который называется свертывание крови: под действием специфических факторов растворимый белок крови фибриноген превращается в фибрин, сгусток которого в процессе синерезиса уплотняется и закупоривает ранку. Если свертывание крови затруднено, то говорят о возможности заболевания человека гемофилией. Как вы знаете из курса биологии, носителями гена гемофилии являются женщины, а заболевают ею мужчины. Хорошо известен исторический династический пример: царствующая более 300 лет российская династия Романовых страдала этим заболеванием.
По внешнему виду истинные и коллоидные растворы трудно отличить друг от друга. Чтобы это сделать,используют эффект Тиндаля – образование конуса «светящейся дорожки» при пропускании через коллоидный раствор луча света (рис. 17). Частицы дисперсной фазы золя отражают своей поверхностью свет, а частицы истинного раствора – нет. Аналогичный эффект, но только для аэрозольного, а не жидкого коллоида, вы можете наблюдать в кинотеатре при прохождении луча света от киноаппарата через запыленный воздух зрительного зала.
Рис. 17. Эффект Тиндаля позволяет визуально отличить
истинный раствор (в правом стакане) от коллоидного
(в левом стакане)
? 1. Что такое дисперсные системы? Дисперсионная среда? Дисперсная фаза?
2. Как классифицируют дисперсные системы по агрегатному состоянию среды и фазы? Приведите примеры.
3. Почему воздух, природный газ и истинные растворы не относятся к дисперсным системам?
4. Как подразделяются грубодисперсные системы? Назовите представителей каждой группы и укажите их значение.
5. Как подразделяются тонкодисперсные системы? Назовите представителей каждой группы и укажите их значение.
6. На какие подгруппы можно разделить гели? Чем определяется срок годности косметических, медицинских и пищевых гелей?
7. Что такое коагуляция? Чем она может быть вызвана?
8. Что такое синерезис? Чем он может быть вызван?
9. Почему природа в качестве носителя эволюции избрала именно коллоидные системы?
10. Приготовьте сообщение на тему «Эстетическая, биологическая и культурная роль коллоидных систем в жизни человека» с использованием ресурсов Интернета.
11. О каких дисперсных системах идет речь в небольшом стихотворении М.Цветаевой?
Отнимите жемчуг – останутся слезы,
Отнимите злато – останутся листья
Осеннего клена, отнимите пурпур –
Останется кровь.