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, поєднуються 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.
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.
§ 14. ДИСПЕРСНІ СИСТЕМИ
Чисті речовини в природі зустрічаються дужерідко. Суміші різних речовин у різних агрегатнихстанах можуть утворювати гетерогенні та гомогенні системи – дисперсні системи та розчини.|
Дисперсними
називають гетерогенні системи
,
в яких одна речовина у вигляді дуже дрібних частиць рівномірно розподілено обсягом іншого.
|
Та речовина (або кілька речовин), якаприсутній у дисперсній системі в меншому колиності та розподілено в обсязі, називаютьдисперсної фазою
. Присутнє у великій кількостіречовина, в обсязі якої розподілено дисперсная фаза, називають дисперсійним середовищем
. міждисперсійним середовищем та частинками дисперсної фазиіснує поверхня розділу, саме тому дисперсні системи називають гетерогенними, тобто. неоднорідними.
І дисперсійне середовище, і дисперсну фазу можуть становити речовини, що знаходяться в різних агрегатних станах. Залежно від поєднання станів дисперсійного середовища та дисперсної фази можна виділити вісім видів таких систем (табл. 2).
Таблиця 2
Класифікація дисперсних систем
за агрегатним станом
| Дисперсіон- середовище | Дисперс- ня фаза | Приклади деяких природних та побутових дисперсних систем |
| Газ | Рідина | Туман, попутний газ з крапельками нафти, карбюраторна суміш в двигунах автомо- білий (крапельки бен- зіна в повітрі) |
| Тверде речовина | Пил у повітрі, дими, смог, самуми (пильні та піщані бурі) |
|
| Рідина | Газ | Шипучі напої, піна у ванні |
| Рідина | Рідкі середовища орга- нізму (плазма крові, лімфа, травники- тільні соки), рідке вміст клітин (цитоплазма, каріо- плазма) |
|
| Тверде речовина | Киселі, колодці, клеї, зважений у воді річковий чи морський мул, будівельні рас- твори |
|
| Тверде речовина | Газ | Сніговий наст з пу- зірками повітря в ньому, ґрунт, текстиль- ні тканини, цегла та кераміка, поролон, пористий шоколад, порошки |
| Рідина | Вологий ґрунт, меді- цинські та косметичні- ські засоби (мазі, туш, помада і т.д.) |
|
| Тверде речовина | Гірські породи, колір- ні скла, деякі сплави |
За величиною частинок речовини, що становлять дисперсну фазу, дисперсні системи ділять на грубодисперсні з розмірами частинок більше 100 нм та тонкодисперсні з розмірами частинок від 1 до 100 нм. Якщо речовина роздроблена до молекул або іонів розміром менше 1 нм, утворюється гомогенна система - розчин. Розчин однорідний, поверхні поділу між частинками та середовищем немає, а тому до дисперсних систем він не відноситься.
Знайомство з дисперсними системами та розчинами показує, наскільки вони важливі у повсякденному житті та природі. Судіть самі: без нільського мулу не відбулася б велика цивілізація Стародавнього Єгипту (рис. 15); без води, повітря, гірських порід, мінералів взагалі не існувала жива планета – наш спільний будинок – Земля; без клітин був би живих організмів.
Мал. 15. Розливи Нілу та історія цивілізації
Класифікація дисперсних систем та розчинів залежно від розмірів частинок фази дана на схемі 1.
Схема 1
Класифікація дисперсних систем та розчинів
Грубодисперсні системи.
Грубодисперсні системи поділяються на три групи: емульсії, суспензії та аерозолі.
Емульсії– це дисперсні системи з рідким дисперсійним середовищем та рідкою дисперсною фазою.
Їх можна розділити на дві групи:
1) прямі - краплі неполярної рідини в полярному середовищі (масло у воді);
2) зворотні (вода в олії).
Зміна складу емульсій або зовнішній вплив можуть призвести до перетворення прямої емульсії на зворотну і навпаки. Прикладами найбільш відомих природних емульсій є молоко (пряма емульсія) та нафта (зворотна емульсія). Типова біологічна емульсія – це крапельки жиру у лімфі.
Лабораторний досвід. Налийте в тарілку незбиране молоко. Капніть на поверхню кілька різнокольорових крапель харчових барвників. Ватну паличку змочіть миючим засобом і торкніться центру тарілки. Молоко починає рухатись, а кольори перемішуватись. Чому?
З відомих у практичній діяльності людини емульсій можна назвати мастильно-охолодні рідини, бітумні матеріали, пестицидні препарати, лікарські та косметичні засоби, харчові продукти. Наприклад, у медичній практиці широко застосовують жирові емульсії для енергетичного забезпечення голодуючого чи ослабленого організму шляхом внутрішньовенного вливання. Для отримання таких емульсій використовують оливкову, бавовняну та соєву олії.
У хімічній технології широко використовують емульсійну полімеризацію як основний метод отримання каучуків, полістиролу, полівінілацетату та ін.
Суспензії– це грубодисперсні системи з твердою дисперсною фазою та рідким дисперсійним середовищем.
Зазвичай частинки дисперсної фази суспензії настільки великі, що осідають під дією сили тяжіння – седиментують. Системи, в яких седиментація йде дуже повільно через малу різницю в щільності дисперсної фази та дисперсійного середовища, також називають суспензією. Практично значущими будівельними суспен-
Зіями є побілка («вапняне молоко»), емалеві фарби, різні будівельні суспензії, наприклад ті, які називають «цементним розчином». До суспензій відносять також медичні препарати, наприклад, рідкі мазі – лініменти.
Особливу групу складають грубодисперсні системи, в яких концентрація дисперсної фази відносно висока порівняно з невеликою концентрацією в суспензіях. Такі дисперсні системи називають пастами. Наприклад, вам добре відомі із повсякденного життя зубні, косметичні, гігієнічні та ін.
Аерозолі- це грубодисперсні системи, в яких дисперсійним середовищем є повітря, а дисперсною фазою можуть бути крапельки рідини (хмари, веселка, випущений з балончика лак для волосся або дезодорант) або частинки твердої речовини (пилова хмара, смерч) (рис. 16).
Мал. 16. Приклади грубодисперсних систем із твердою
Дисперсною фазою: а – суспензія – будівельний розчин;
б – аерозоль – курна буря
Колоїдні системи.
Колоїдні системи займають проміжне положення між грубодисперсними системами та справжніми розчинами. Вони широко поширені у природі. Грунт, глина, природні води, багато мінералів, у тому числі і деякі дорогоцінні камені, – все це колоїдні системи.
Велике значення мають колоїдні системи для біології та медицини. До складу будь-якого живого організму входять тверді, рідкі та газоподібні речовини, що перебувають у складному взаємовідносинах із навколишнім середовищем. З хімічної точки зору організм загалом – це найскладніша сукупність багатьох колоїдних систем.
Біологічні рідини (кров, плазма, лімфа, спинномозкова рідина та ін) являють собою колоїдні системи, в яких такі органічні сполуки, як білки, холестерин, глікоген та багато інших, знаходяться в колоїдному стані. Чому саме йому природа віддає таку перевагу? Ця особливість пов'язана, насамперед, з тим, що речовина в колоїдному стані має велику поверхню поділу між фазами, що сприяє кращому перебігу реакцій обміну речовин.
Лабораторний досвід. У пластикову склянку насипте столову ложку крохмалю. Поступово додайте теплої води та ретельно розтирайте суміш ложкою. Не можна перелити води, суміш має бути густою. Столову ложку отриманого колоїдного розчину налийте на долоню і торкайтеся пальцем іншої руки. Суміш твердіє. Якщо ви приберете палець, суміш знову стає рідкою.
Колоїди під тиском можуть міняти свій стан. Внаслідок тиску пальця на приготовлений колоїд частинки крохмалю з'єднуються один з одним, і суміш стає твердою. Коли тиск слабшає, суміш повертається в початковий рідкий стан.
Колоїдні системи поділяють на золі (колоїдні
розчини) та гелі (колодці).
Більшість біологічних рідин клітини (вже згадані цитоплазма, ядерний сік – каріоплазма, вміст вакуолей) та живого організму загалом є колоїдними розчинами (золями).
Для золів характерне явище коагуляції, тобто. злипання колоїдних частинок і випадання в осад. При цьому колоїдний розчин перетворюється на суспензію або гель. Деякі органічні колоїди коагулюють при нагріванні (яєчний білок, клеї) або зміні кислотно-основного середовища (травні соки).
Гелі– це колоїдні системи, у яких частинки дисперсної фази утворюють просторову структуру.
Гелі – це дисперсні системи, які зустрічаються у повсякденному житті (схема 2).
Схема 2
Класифікація гелів
Згодом структура гелів порушується – їх виділяється рідина. Відбувається синерезис - мимовільне зменшення об'єму гелю, що супроводжується відділенням рідини. Синерезис визначає терміни придатності харчових, медичних та косметичних гелів. Дуже важливим є біологічний синерезис при приготуванні сиру, сиру. У теплокровних тварин є процес, який називається згортання крові: під дією специфічних факторів розчинний білок крові фібриноген перетворюється на фібрин, потік якого в процесі синьорезису ущільнюється і закупорює ранку. Якщо зсідання крові утруднене, то говорять про можливість захворювання людини на гемофілію. Як ви знаєте з курсу біології, носіями гена гемофілії є жінки, а хворіють на неї чоловіки. Добре відомий історичний династичний приклад: російська династія Романових, яка панує понад 300 років, страждала на це захворювання.
На вигляд справжні і колоїдні розчини важко відрізнити один від одного. Щоб це зробити, використовують ефект Тіндаля – утворення конуса «доріжки, що світиться» при пропусканні через колоїдний розчин променя світла (рис. 17). Частинки дисперсної фази золю відбивають своєю поверхнею світло, а частинки істинного розчину – немає. Аналогічний ефект, але тільки для аерозольного, а не рідкого колоїду, ви можете спостерігати в кінотеатрі при проходженні променя світла від кіноапарата через запилене повітря залу для глядачів.
Мал. 17. Ефект Тіндаля дозволяє візуально відрізнити
істинний розчин (у правій склянці) від колоїдного
(у лівій склянці)
? 1. Що таке дисперсні системи? Дисперсійне середовище? Дисперсна фаза?
2. Як класифікують дисперсні системи по агрегатному стану середовища та фази? Наведіть приклади.
3. Чому повітря, природний газ та справжні розчини не належать до дисперсних систем?
4. Як поділяються грубодисперсні системи? Назвіть представників кожної групи та вкажіть їх значення.
5. Як поділяються тонкодисперсні системи? Назвіть представників кожної групи та вкажіть їх значення.
6. На які підгрупи можна поділити гелі? Чим визначається термін придатності косметичних, медичних та харчових гелів?
7. Що таке коагуляція? Чим вона може бути викликана?
8. Що таке синерезис? Чим може бути викликаний?
9. Чому природа як носій еволюції обрала саме колоїдні системи?
10. Приготуйте повідомлення на тему «Естетична, біологічна та культурна роль колоїдних систем у житті людини» за допомогою ресурсів Інтернету.
11. Про які дисперсні системи йдеться у невеликому вірші М.Цвєтаєвої?
Заберіть перли - залишаться сльози,
Заберіть злато – залишиться листя
Осіннього клена, відніміть пурпур -
Залишиться кров.