Układy dyspersyjne można podzielić ze względu na wielkość cząstek fazy dyspersyjnej. Jeśli wielkość cząstek jest mniejsza niż jeden nm, są to molekularne układy jonowe, od jednego do stu nm są koloidalne, a powyżej stu nm są gruboziarniste. Grupę układów molekularnie rozproszonych reprezentują roztwory. Są to układy jednorodne, które składają się z dwóch lub więcej substancji i są jednofazowe. Należą do nich gaz, ciało stałe lub roztwory. Z kolei systemy te można podzielić na podgrupy:
- Molekularny. Kiedy substancje organiczne, takie jak glukoza, łączą się z nieelektrolitami. Roztwory takie nazywano prawdziwymi, aby można je było odróżnić od koloidalnych. Należą do nich roztwory glukozy, sacharozy, alkoholu i innych.
- Molekularno-jonowy. W przypadku interakcji słabych elektrolitów. Do tej grupy zaliczają się roztwory kwaśne, azotowe, siarkowodór i inne.
- Jonowy. Związek mocnych elektrolitów. Wybitnymi przedstawicielami są roztwory zasad, soli i niektórych kwasów.
Układy koloidalne
Układy koloidalne to układy mikroheterogeniczne, w których wielkość cząstek koloidalnych waha się od 100 do 1 nm. Mogą nie wytrącać się przez długi czas ze względu na solwatacyjną powłokę jonową i ładunek elektryczny. Po rozprowadzeniu w ośrodku roztwory koloidalne równomiernie wypełniają całą objętość i dzielą się na zole i żele, które z kolei wytrącają się w postaci galarety. Należą do nich roztwór albuminy, żelatyna, roztwory srebra koloidalnego. Mięsa w galarecie, suflety, budynie to jasne układy koloidalne spotykane w życiu codziennym.
Grube systemy
Nieprzezroczyste systemy lub zawiesiny, w których drobnocząsteczkowe składniki są widoczne gołym okiem. Podczas procesu osadzania faza rozproszona jest łatwo oddzielana od rozproszonego ośrodka. Dzieli się je na zawiesiny, emulsje i aerozole. Układy, w których ciało stałe o większych cząstkach umieszcza się w ciekłym ośrodku dyspersyjnym, nazywane są zawiesinami. Należą do nich wodne roztwory skrobi i gliny. W przeciwieństwie do zawiesin, emulsje otrzymuje się przez zmieszanie dwóch cieczy, w których jedna jest rozprowadzana kropelkowo w drugiej. Przykładem emulsji jest mieszanina oleju i wody, kropelki tłuszczu w mleku. Jeśli w gazie rozmieszczone są małe cząstki stałe lub ciekłe, są to aerozole. Zasadniczo aerozol jest zawiesiną w gazie. Jednym z przedstawicieli aerozolu na bazie cieczy jest mgła - jest to duża liczba małych kropelek wody zawieszonych w powietrzu. Aerozol stały - dym lub pył - wielokrotne nagromadzenie małych cząstek stałych, również zawieszonych w powietrzu.
Czyste substancje występują w przyrodzie bardzo rzadko. Mieszaniny różnych substancji w różnych stanach skupienia mogą tworzyć układy heterogeniczne i jednorodne - układy i roztwory rozproszone.
Substancja występująca w mniejszych ilościach i rozproszona w objętości innej nazywa się fazą rozproszoną. Może składać się z kilku substancji.
Substancja występująca w większych ilościach, w której objętości rozłożona jest faza rozproszona, nazywana jest ośrodkiem dyspersyjnym. Pomiędzy nim a cząstkami fazy rozproszonej istnieje granica międzyfazowa, dlatego układy rozproszone nazywane są heterogenicznymi (niejednorodnymi).
Zarówno ośrodek dyspersyjny, jak i faza rozproszona mogą być reprezentowane przez substancje w różnych stanach skupienia – stałym, ciekłym i gazowym.
W zależności od kombinacji stanu skupienia ośrodka dyspersyjnego i fazy rozproszonej można wyróżnić 8 typów takich układów (tab. 11).
Tabela 11
Przykłady układów rozproszonych
W zależności od wielkości cząstek substancji tworzących fazę rozproszoną, układy zdyspergowane dzieli się na grubo zdyspergowane (zawiesiny) o wielkości cząstek powyżej 100 nm i drobno zdyspergowane (roztwory koloidalne lub układy koloidalne) o wielkości cząstek od 100 do 1 nm. Jeśli substancja zostanie rozdrobniona na cząsteczki lub jony o wielkości mniejszej niż 1 nm, powstaje jednorodny układ - roztwór. Jest jednorodny (jednorodny), nie ma granicy między cząstkami fazy rozproszonej a ośrodkiem.
Nawet szybkie zapoznanie się z rozproszonymi systemami i rozwiązaniami pokazuje, jak ważne są one w życiu codziennym i w przyrodzie (patrz tabela 11).
Oceńcie sami: bez mułu Nilu nie powstałaby wielka cywilizacja starożytnego Egiptu; bez wody, powietrza, skał i minerałów w ogóle nie istniałaby żywa planeta – nasz wspólny dom – Ziemia; bez komórek nie byłoby żywych organizmów itp.
Klasyfikację układów i rozwiązań rozproszonych przedstawiono na schemacie 2.
Schemat 2
Klasyfikacja układów i rozwiązań rozproszonych
Wstrzymać
Zawiesiny to układy rozproszone, w których wielkość cząstek fazy jest większa niż 100 nm. Są to układy nieprzezroczyste, których poszczególne cząsteczki można dostrzec gołym okiem. Fazę rozproszoną i ośrodek dyspersyjny można łatwo oddzielić poprzez osadzanie. Systemy takie dzielą się na trzy grupy:
- emulsje (zarówno medium, jak i faza są cieczami nierozpuszczalnymi w sobie). Są to dobrze znane farby mleczne, limfatyczne, wodne itp.;
- zawiesiny (ośrodkiem jest ciecz, a fazą jest nierozpuszczalne w niej ciało stałe). Są to rozwiązania konstrukcyjne (np. „mleko wapienne” do wybielania), zawieszony w wodzie muł rzeczny i morski, żywa zawiesina mikroskopijnych organizmów żywych w wodzie morskiej - plankton, którym żywią się wieloryby olbrzymie itp.;
- aerozole to zawiesiny w gazie (na przykład w powietrzu) małych cząstek cieczy lub ciał stałych. Rozróżnij kurz, dym i mgłę. Pierwsze dwa rodzaje aerozoli to zawiesiny cząstek stałych w gazie (większe cząstki w pyle), drugi to zawiesina małych kropelek cieczy w gazie. Na przykład naturalne aerozole: mgła, chmury burzowe – zawiesina kropelek wody w powietrzu, dym – drobne cząstki stałe. A smog wiszący nad największymi miastami świata to także aerozol z fazą stałą i ciekłą rozproszoną. Mieszkańcy osiedli w pobliżu cementowni cierpią z powodu unoszącego się w powietrzu najdrobniejszego pyłu cementowego, który powstaje podczas mielenia surowca cementowego i produktu jego wypalenia – klinkieru. Podobne szkodliwe aerozole – pyły – występują także w miastach zajmujących się produkcją metalurgiczną. Dym z kominów fabrycznych, smog, maleńkie kropelki śliny wydobywające się z ust chorego na grypę, a także szkodliwe aerozole.
Aerozole odgrywają ważną rolę w przyrodzie, życiu codziennym i działalności produkcyjnej człowieka. Nagromadzenie chmur, chemiczna obróbka pól, nakładanie farby w sprayu, atomizacja paliwa, produkcja mleka w proszku i oczyszczanie dróg oddechowych (inhalacja) to przykłady zjawisk i procesów, w których aerozole przynoszą korzyści.
Aerozole to mgły nad falami morskimi, w pobliżu wodospadów i fontann, a pojawiająca się w nich tęcza daje człowiekowi radość i przyjemność estetyczną.
W chemii największe znaczenie mają układy rozproszone, w których ośrodkiem jest woda.
Układy koloidalne
Układy koloidalne to układy rozproszone, w których wielkość cząstek fazowych wynosi od 100 do 1 nm. Cząstki te nie są widoczne gołym okiem, a faza rozproszona i ośrodek dyspersyjny w takich układach są trudne do oddzielenia poprzez osadzanie.
Dzielimy je na zole (roztwory koloidalne) i żele (galaretki).
1. Roztwory koloidalne, Lub zole. Jest to większość płynów żywej komórki (cytoplazma, sok jądrowy - karioplazma, zawartość organelli i wakuoli) i żywego organizmu jako całości (krew, limfa, płyn tkankowy, soki trawienne, płyny humoralne itp.). Takie układy tworzą kleje, skrobię, białka i niektóre polimery.
Roztwory koloidalne można otrzymać w wyniku reakcji chemicznych; na przykład, gdy roztwory krzemianów potasu lub sodu („szkło rozpuszczalne”) reagują z roztworami kwasów, powstaje koloidalny roztwór kwasu krzemowego. Zol powstaje także podczas hydrolizy chlorku żelaza (III) w gorącej wodzie. Roztwory koloidalne wyglądem przypominają roztwory prawdziwe. Różnią się od tych ostatnich utworzoną „świetlistą ścieżką” - stożkiem, gdy przechodzi przez nie wiązka światła. Zjawisko to nazywa się efektem Tyndalla. Cząsteczki fazy rozproszonej zolu, większe niż w roztworze rzeczywistym, odbijają światło od swojej powierzchni, a obserwator widzi w naczyniu z roztworem koloidalnym świecący stożek. Nie powstaje w prawdziwym roztworze. Podobny efekt, tyle że dla aerozolu, a nie ciekłego koloidu, można zaobserwować w kinach, gdy przez powietrze sali kinowej przechodzi wiązka światła z kamery filmowej.
Cząsteczki fazy rozproszonej roztworów koloidalnych często nie osiadają nawet podczas długotrwałego przechowywania na skutek ciągłych zderzeń z cząsteczkami rozpuszczalnika w wyniku ruchu termicznego. Nie sklejają się, gdy się do siebie zbliżają, ze względu na obecność na ich powierzchni ładunków elektrycznych o tej samej nazwie. Ale w pewnych warunkach może nastąpić proces koagulacji.
Koagulacja- zjawisko sklejania się i wytrącania cząstek koloidalnych - obserwuje się, gdy ładunki tych cząstek ulegają zobojętnieniu w wyniku dodania elektrolitu do roztworu koloidalnego. W takim przypadku roztwór zamienia się w zawiesinę lub żel. Niektóre koloidy organiczne koagulują pod wpływem ogrzewania (klej, białko jaja) lub gdy zmienia się środowisko kwasowo-zasadowe roztworu.
2. Druga podgrupa układów koloidalnych to żele, Lub galaretki y reprezentujący galaretowaty osad powstały podczas koagulacji zoli. Należą do nich duża ilość żeli polimerowych, tak doskonale znanych Państwu żeli cukierniczych, kosmetycznych i medycznych (żelatyna, galaretka, galaretka, marmolada, ciasto sufletowe Ptasie Mleko) oraz oczywiście nieskończona różnorodność żeli naturalnych: minerałów (opal), meduz ciała, chrząstki, ścięgna, włosy, tkanka mięśniowa i nerwowa itp. Historię rozwoju życia na Ziemi można jednocześnie uważać za historię ewolucji koloidalnego stanu materii. Z biegiem czasu struktura żeli ulega zakłóceniu i wydziela się z nich woda. Zjawisko to nazywa się synerezą.
§ 14. SYSTEMY ROZPROSZONE
Substancje czyste są bardzo powszechne w przyrodzierzadko. Mieszanki różnych substancji w różnych kruszywachPaństwa mogą tworzyć heterogeniczne i homogenicznesystemy genowe – systemy i rozwiązania rozproszone.|
Rozproszone
nazywany heterogenicznym systemy
,
w którym jedna substancja występuje w postaci bardzo małych cząstekszwy są równomiernie rozłożone w objętości drugiego.
|
Ta substancja (lub kilka substancji), którawystępuje w układzie rozproszonym w mniejszej ilościnazywa się jakością i rozkładem objętościrozpraszaćnowa faza
. Występuje w większej ilościsubstancja, w objętości której rozprowadzana jest dyspersjata faza nazywa się ośrodek dyspersyjny
. Międzyośrodek dyspersyjny i cząstki fazy rozproszonejistnieje interfejs, dlatego nazywane są systemami rozproszonymi heterogeniczny, tj. heterogeniczny.
Zarówno ośrodek dyspersyjny, jak i faza rozproszona mogą składać się z substancji znajdujących się w różnych stanach skupienia. W zależności od kombinacji stanów ośrodka dyspersyjnego i fazy rozproszonej można wyróżnić osiem typów takich układów (tab. 2).
Tabela 2
Klasyfikacja układów rozproszonych
przez stan fizyczny
| Dyspersja- tak środowisko | Rozpraszać faza narna | Przykłady niektórych naturalne i domowe systemy rozproszone |
| Gaz | Płyn | Mgła, związany z nią gaz z kroplami oleju, mieszanka gaźnikowa w silnikach samochodowych biley (kropelki ben- zin w powietrzu) |
| Solidny substancja | Pył w powietrzu dym, smog, smoum (zakurzone i piaszczyste burze) |
|
| Płyn | Gaz | Napoje gazowane, kąpieli |
| Płyn | Organiczne media płynne nizm (osocze krwi, limfatyczny, trawienny soki do ciała), płyn zawartość komórki (cytoplazma, kario- osocze) |
|
| Solidny substancja | Galaretki, galaretki, kleje, zawieszony w wodzie rzeka lub morze muł, budowa kreacje |
|
| Solidny substancja | Gaz | Skorupa śnieżna z pu- w środku pęcherzyki powietrza zarodki, gleba, tekstylia tkaniny, cegły i ceramika, guma piankowa, porowata czekolada, proszki |
| Płyn | Mokra gleba, miedź Qing i kosmetyki środki miejscowe (maści, tusz do rzęs, szminka itp.) |
|
| Solidny substancja | Skały, kolor - nowe okulary, trochę stopy |
W zależności od wielkości cząstek substancji tworzących fazę rozproszoną, układy zdyspergowane dzieli się na gruboziarniste o wielkości cząstek powyżej 100 nm i drobno zdyspergowane o wielkości cząstek od 1 do 100 nm. Jeśli substancja zostanie rozdrobniona na cząsteczki lub jony o wielkości mniejszej niż 1 nm, powstaje jednorodny układ - roztwór. Roztwór jest jednorodny, nie ma granicy między cząstkami a ośrodkiem, dlatego nie należy do układów rozproszonych.
Poznanie rozproszonych systemów i rozwiązań pokazuje, jak ważne są one w życiu codziennym i przyrodzie. Oceńcie sami: bez mułu Nilu nie powstałaby wielka cywilizacja starożytnego Egiptu (ryc. 15); bez wody, powietrza, skał, minerałów w ogóle nie istniałaby żywa planeta – nasz wspólny dom – Ziemia; bez komórek nie byłoby żywych organizmów.
Ryż. 15. Wylewy Nilu i historia cywilizacji
Klasyfikację układów i roztworów dyspersyjnych w zależności od wielkości cząstek fazowych przedstawiono na schemacie 1.
Schemat 1
Klasyfikacja układów i rozwiązań rozproszonych
Systemy grubo rozproszone.
Układy grubo zdyspergowane dzielą się na trzy grupy: emulsje, zawiesiny i aerozole.
Emulsje– są to układy rozproszone z ciekłym ośrodkiem dyspersyjnym i ciekłą fazą rozproszoną.
Można je również podzielić na dwie grupy:
1) bezpośrednie – krople cieczy niepolarnej w ośrodku polarnym (olej w wodzie);
2) rewers (woda w oleju).
Zmiana składu emulsji lub wpływy zewnętrzne mogą prowadzić do przekształcenia emulsji bezpośredniej w emulsję odwrotną i odwrotnie. Przykładami najbardziej znanych emulsji naturalnych są mleko (emulsja bezpośrednia) i olej (emulsja odwrotna). Typową emulsją biologiczną są kropelki tłuszczu w limfie.
DOŚWIADCZENIE LABORATORYJNE Do talerza wlać pełne mleko. Na powierzchnię nałóż kilka kolorowych kropli barwnika spożywczego. Zwilż wacik w detergencie i przyłóż go do środka płytki. Mleko zaczyna się poruszać, a kolory zaczynają się mieszać. Dlaczego?
Do emulsji znanych w praktyce człowieka należą płyny obróbkowe, materiały bitumiczne, pestycydy, leki i kosmetyki oraz produkty spożywcze. Na przykład w praktyce medycznej powszechnie stosuje się emulsje tłuszczowe w celu dostarczenia energii głodującemu lub osłabionemu organizmowi poprzez infuzję dożylną. Do otrzymania takich emulsji stosuje się oleje z oliwek, nasion bawełny i soi.
W technologii chemicznej polimeryzacja emulsyjna jest szeroko stosowana jako główna metoda produkcji kauczuków, polistyrenu, polioctanu winylu itp.
Zawieszenia– są to układy gruboziarniste ze stałą fazą rozproszoną i ciekłym ośrodkiem dyspersyjnym.
Zazwyczaj cząstki fazy rozproszonej zawiesiny są na tyle duże, że osiadają pod wpływem grawitacji – osad. Układy, w których sedymentacja zachodzi bardzo powoli ze względu na niewielką różnicę gęstości fazy rozproszonej i ośrodka dyspersyjnego, nazywane są również zawiesinami. Praktycznie istotne zawieszenia konstrukcyjne
Szczeliny to wybielacze („mleko wapienne”), farby emaliowe, różne zawiesiny budowlane, np. zwane „zaprawą cementową”. Do zawiesin zalicza się także leki, np. płynne maści – mazidła.
Szczególną grupę stanowią układy grubo zdyspergowane, w których stężenie fazy rozproszonej jest stosunkowo wysokie w porównaniu do jej niskiego stężenia w zawiesinach. Takie rozproszone układy nazywane są pastami. Na przykład stomatologiczne, kosmetyczne, higieniczne itp., które są Ci dobrze znane z życia codziennego.
Aerozole– są to układy grubo zdyspergowane, w których ośrodkiem dyspersyjnym jest powietrze, a fazą rozproszoną mogą być kropelki cieczy (chmury, tęcze, lakier do włosów lub dezodorant uwalniany z puszki) lub cząstki substancji stałej (chmura pyłu, tornado) (ryc. 16).
Ryż. 16. Przykłady układów gruboziarnistych z ciałem stałym
Faza rozproszona: a – zawiesina – zaprawa;
b – aerozol – burza piaskowa
Układy koloidalne.
Układy koloidalne zajmują pozycję pośrednią między układami grubymi a roztworami prawdziwymi. Są szeroko rozpowszechnione w przyrodzie. Gleba, glina, wody naturalne, wiele minerałów, w tym niektóre kamienie szlachetne, to układy koloidalne.
Układy koloidalne mają ogromne znaczenie dla biologii i medycyny. Skład każdego żywego organizmu obejmuje substancje stałe, płynne i gazowe, które pozostają w złożonym związku ze środowiskiem. Z chemicznego punktu widzenia organizm jako całość jest złożonym zbiorem wielu układów koloidalnych.
Płyny biologiczne (krew, osocze, limfa, płyn mózgowo-rdzeniowy itp.) to układy koloidalne, w których związki organiczne, takie jak białka, cholesterol, glikogen i wiele innych, znajdują się w stanie koloidalnym. Dlaczego natura daje mu takie preferencje? Cecha ta wynika przede wszystkim z faktu, że substancja w stanie koloidalnym posiada dużą granicę faz pomiędzy fazami, co przyczynia się do lepszych reakcji metabolicznych.
DOŚWIADCZENIA LABORATORYJNE: Do plastikowej szklanki wsypać łyżkę skrobi. Stopniowo dodawaj ciepłą wodę i dokładnie rozcieraj mieszankę łyżką. Nie można przelać wody, mieszanina musi być gęsta. Wlać łyżkę powstałego roztworu koloidalnego na dłoń i dotknąć palcem drugiej ręki. Mieszanka twardnieje. Jeśli zdejmiesz palec, mieszanina ponownie stanie się płynna.
Koloidy pod ciśnieniem mogą zmieniać swój stan. W wyniku nacisku palca na przygotowany koloid cząsteczki skrobi łączą się ze sobą i mieszanina staje się stała. Po zwolnieniu ciśnienia mieszanina powraca do pierwotnego stanu ciekłego.
Układy koloidalne dzielą się na zole (koloidalny
rozwiązania) i żele (galaretki).
Większość płynów biologicznych komórki (wspomniana już cytoplazma, sok jądrowy - karioplazma, zawartość wakuoli) i całego organizmu żywego to roztwory koloidalne (zole).
Zole charakteryzują się zjawiskiem koagulacji, tj. adhezja cząstek koloidalnych i ich wytrącanie. W tym przypadku roztwór koloidalny zamienia się w zawiesinę lub żel. Niektóre koloidy organiczne koagulują pod wpływem ogrzewania (białka jaj, kleje) lub gdy zmienia się środowisko kwasowo-zasadowe (soki trawienne).
Żele to układy koloidalne, w których cząstki fazy rozproszonej tworzą strukturę przestrzenną.
Żele to układy rozproszone, z którymi spotykamy się na co dzień (Schemat 2).
Schemat 2
Klasyfikacja żeli
Z biegiem czasu struktura żeli zostaje zakłócona i wydziela się z nich płyn. Następuje synereza - samoistne zmniejszenie objętości żelu, któremu towarzyszy oddzielenie cieczy. Synereza określa trwałość żeli spożywczych, medycznych i kosmetycznych. Synereza biologiczna jest bardzo ważna przy wytwarzaniu serów i twarogów. U zwierząt stałocieplnych zachodzi proces zwany krzepnięciem krwi: pod wpływem określonych czynników rozpuszczalne białko krwi fibrynogen przekształca się w fibrynę, której skrzep w procesie synerezy pogrubia i zatyka ranę. Jeśli krzepnięcie krwi jest utrudnione, dana osoba może mieć hemofilię. Jak wiecie z zajęć z biologii, kobiety są nosicielkami genu hemofilii, a mężczyźni go zarażają. Dobrze znany historyczny przykład dynastii: rosyjska dynastia Romanowów, która panowała przez ponad 300 lat, cierpiała na tę chorobę.
Z wyglądu roztwory prawdziwe i koloidalne są trudne do odróżnienia od siebie. Aby to zrobić, wykorzystują efekt Tyndalla - tworzenie się stożka „świetlistej ścieżki”, gdy wiązka światła przechodzi przez roztwór koloidalny (ryc. 17). Cząsteczki fazy rozproszonej zolu odbijają swoją powierzchnią światło, natomiast cząstki prawdziwego roztworu nie. Podobny efekt, ale tylko w przypadku aerozolu, a nie ciekłego koloidu, można zaobserwować w kinie, gdy wiązka światła z kamery przechodzi przez zakurzone powietrze sali.
Ryż. 17. Efekt Tyndalla pozwala wizualnie rozróżnić
prawdziwy roztwór (w prawym szkle) z koloidalnego
(w lewej szybie)
? 1. Czym są systemy rozproszone? Medium dyspersyjne? Faza rozproszona?
2. Jak klasyfikuje się układy rozproszone ze względu na stan skupienia ośrodka i fazy? Daj przykłady.
3. Dlaczego powietrze, gaz ziemny i roztwory prawdziwe nie są klasyfikowane jako systemy rozproszone?
4. Jak dzielą się systemy zgrubne? Wymień przedstawicieli każdej grupy i wskaż ich znaczenie.
5. Jak dzielą się systemy drobno rozproszone? Wymień przedstawicieli każdej grupy i wskaż ich znaczenie.
6. Na jakie podgrupy można podzielić żele? Jak określa się trwałość żeli kosmetycznych, medycznych i spożywczych?
7. Co to jest koagulacja? Co może być przyczyną?
8. Czym jest synereza? Co może to powodować?
9. Dlaczego natura wybrała układy koloidalne jako nośnik ewolucji?
10. Przygotuj komunikat na temat „Estetyczna, biologiczna i kulturowa rola układów koloidalnych w życiu człowieka” korzystając z zasobów Internetu.
11. Jakie systemy rozproszone omawia krótki wiersz M. Cwietajewy?
Zabierz perły - łzy pozostaną,
Zabierz złoto - liście pozostają
Klon jesienny, zabierz fiolet -
Zostanie krew.