Lielākā daļa mums apkārt esošo vielu ir dažādu vielu maisījumi, tāpēc to īpašību izpētei ir liela nozīme ķīmijas, medicīnas, pārtikas rūpniecības un citu tautsaimniecības nozaru attīstībā. Rakstā apskatīti jautājumi par to, kāda ir izkliedes pakāpe un kā tā ietekmē sistēmas īpašības.
Kas ir dispersās sistēmas?
Pirms apspriest dispersijas pakāpi, ir jāprecizē, kurām sistēmām šo jēdzienu var attiecināt.
Iedomāsimies, ka mums ir divas dažādas vielas, kas var atšķirties viena no otras pēc ķīmiskā sastāva, piemēram, galda sāls un tīrs ūdens, vai agregācijas stāvoklī, piemēram, viens un tas pats ūdens šķidrā un cietā (ledus) valstis. Tagad jums ir jāņem un jāsamaisa šīs divas vielas un intensīvi jāsamaisa. Kāds būs rezultāts? Tas ir atkarīgs no tā, vai ķīmiskā reakcija notika maisīšanas laikā vai nē. Runājot par izkliedētām sistēmām, tiek uzskatīts, ka tad, kad tāsveidojumā nenotiek reakcija, tas ir, sākotnējās vielas saglabā savu struktūru mikrolīmenī un tām raksturīgās fizikālās īpašības, piemēram, blīvumu, krāsu, elektrovadītspēju un citas.
Tādējādi dispersā sistēma ir mehānisks maisījums, kura rezultātā tiek sajauktas divas vai vairākas vielas. Kad tas veidojas, tiek izmantoti jēdzieni "dispersijas vide" un "fāze". Pirmajam ir nepārtrauktības īpašība sistēmā, un, kā likums, tas tajā ir sastopams lielā relatīvā daudzumā. Otrajai (izkliedētajai fāzei) ir raksturīga nekontinuitātes īpašība, tas ir, sistēmā tā ir mazu daļiņu veidā, kuras ierobežo virsma, kas tās atdala no vides.
Viendabīgas un neviendabīgas sistēmas
Ir skaidrs, ka šīs divas izkliedētās sistēmas sastāvdaļas atšķirsies pēc savām fizikālajām īpašībām. Piemēram, iemetot smiltis ūdenī un maisot, ir skaidrs, ka ūdenī esošie smilšu graudi, kuru ķīmiskā formula ir SiO2, neatšķirsies. jebkādā veidā no stāvokļa, kad viņi nebija ūdenī. Šādos gadījumos runā par neviendabīgumu. Citiem vārdiem sakot, neviendabīga sistēma ir vairāku (divu vai vairāku) fāžu maisījums. Ar pēdējo saprot kādu ierobežotu sistēmas apjomu, kam raksturīgas noteiktas īpašības. Iepriekš minētajā piemērā mums ir divas fāzes: smiltis un ūdens.
Tomēr izkliedētās fāzes daļiņu izmērs, kad tās tiek izšķīdinātas jebkurā vidē, var kļūt tik mazs, ka tās pārstāj parādīt savas individuālās īpašības. Šajā gadījumā tiek runāts parviendabīgas vai viendabīgas vielas. Lai gan tie satur vairākas sastāvdaļas, tās visas veido vienu fāzi visā sistēmas tilpumā. Viendabīgas sistēmas piemērs ir NaCl šķīdums ūdenī. Kad tas izšķīst, mijiedarbojoties ar polārajām molekulām H2O, NaCl kristāls sadalās atsevišķos katjonos (Na+) un anjonos (Cl).-). Tie ir viendabīgi sajaukti ar ūdeni, un šādā sistēmā vairs nav iespējams atrast saskarni starp izšķīdušo vielu un šķīdinātāju.
Daļiņu izmērs
Kāda ir izkliedes pakāpe? Šī vērtība ir jāapsver sīkāk. Ko viņa pārstāv? Tas ir apgriezti proporcionāls izkliedētās fāzes daļiņu izmēram. Tieši šī īpašība ir visu aplūkojamo vielu klasifikācijas pamatā.
Studējot dispersās sistēmas, studenti bieži apjūk savos nosaukumos, jo uzskata, ka viņu klasifikācija ir balstīta arī uz agregācijas stāvokli. Tā nav taisnība. Dažādu agregācijas stāvokļu maisījumiem patiešām ir dažādi nosaukumi, piemēram, emulsijas ir ūdens vielas, un aerosoli jau liek domāt par gāzes fāzes esamību. Tomēr disperso sistēmu īpašības galvenokārt ir atkarīgas no tajās izšķīdušās fāzes daļiņu izmēra.
Vispārpieņemta klasifikācija
Izkliedēto sistēmu klasifikācija pēc dispersijas pakāpes ir dota zemāk:
- Ja nosacītais daļiņu izmērs ir mazāks par 1 nm, tad šādas sistēmas sauc par reāliem jeb patiesiem risinājumiem.
- Ja nosacītais daļiņu izmērs ir no 1 nm līdz100 nm, tad attiecīgo vielu sauks par koloidālu šķīdumu.
- Ja daļiņas ir lielākas par 100 nm, tad runa ir par suspensijām vai suspensijām.
Attiecībā uz iepriekš minēto klasifikāciju, precizēsim divus punktus: pirmkārt, dotie skaitļi ir orientējoši, tas ir, sistēma, kurā daļiņu izmērs ir 3 nm, ne vienmēr ir koloīds, tā var būt arī patiesa. risinājums. To var noskaidrot, pētot tā fizikālās īpašības. Otrkārt, jūs varat pamanīt, ka sarakstā tiek izmantota frāze "nosacīts izmērs". Tas ir saistīts ar faktu, ka daļiņu forma sistēmā var būt pilnīgi patvaļīga, un parasti tai ir sarežģīta ģeometrija. Tāpēc viņi runā par kaut kādu vidējo (nosacījumu) lielumu.
Vēlāk rakstā mēs sniegsim īsu aprakstu par atzīmētajiem disperso sistēmu veidiem.
Patiesi risinājumi
Kā minēts iepriekš, daļiņu izkliedes pakāpe reālos šķīdumos ir tik augsta (to izmērs ir ļoti mazs, < 1 nm), ka starp tām un šķīdinātāju (vidējo) nav saskarnes, tas ir, ir ir vienfāzes viendabīga sistēma. Lai informācija būtu pilnīga, jāatceras, ka atoma izmērs ir viens angstroms (0,1 nm). Pēdējais cipars norāda, ka daļiņām reālos šķīdumos ir atomu lielums.
Patieso šķīdumu galvenās īpašības, kas tos atšķir no koloīdiem un suspensijām, ir šādas:
- Šķīduma stāvoklis pastāv patvaļīgi ilgu laiku nemainīgs, tas ir, neveidojas izkliedētās fāzes nogulsnes.
- Izšķīdinātsvielu nevar atdalīt no šķīdinātāja, filtrējot caur parastu papīru.
- Viela arī netiek atdalīta caur poraino membrānu, ko ķīmijā sauc par dialīzi.
- Izšķīdušo vielu var atdalīt no šķīdinātāja, tikai mainot tā agregācijas stāvokli, piemēram, iztvaicējot.
- Ideāliem risinājumiem var veikt elektrolīzi, tas ir, elektrisko strāvu var nodot, ja sistēmai tiek pielietota potenciālu starpība (divi elektrodi).
- Tie neizkliedē gaismu.
Patiesu risinājumu piemērs ir dažādu sāļu sajaukšana ar ūdeni, piemēram, NaCl (galda sāls), NaHCO3 (cepamā soda), KNO 3(kālija nitrāts) un citi.
Koloīdu risinājumi
Šīs ir starpsistēmas starp reāliem risinājumiem un balstiekārtām. Tomēr tiem ir vairākas unikālas īpašības. Uzskaitīsim tos:
- Tie ir mehāniski stabili patvaļīgi ilgu laiku, ja vides apstākļi nemainās. Pietiek uzsildīt sistēmu vai mainīt tās skābumu (pH vērtību), jo koloīds koagulējas (izgulsnējas).
- Tās netiek atdalītas, izmantojot filtrpapīru, tomēr dialīzes process noved pie izkliedētās fāzes un barotnes atdalīšanas.
- Tāpat kā īstos šķīdumos, tos var elektrolizēt.
- Caurspīdīgām koloidālām sistēmām ir raksturīgs tā sauktais Tyndall efekts: izlaižot gaismas staru cauri šai sistēmai, to var redzēt. Tas ir saistīts arelektromagnētisko viļņu izkliede redzamajā spektra daļā visos virzienos.
- Spēja adsorbēt citas vielas.
Koloidālās sistēmas, pateicoties uzskaitītajām īpašībām, cilvēki plaši izmanto dažādās darbības jomās (pārtikas rūpniecībā, ķīmijā), un tās bieži sastopamas arī dabā. Koloīda piemērs ir sviests, majonēze. Dabā tās ir miglas, mākoņi.
Pirms turpināt pēdējās (trešās) disperso sistēmu klases aprakstu, ļaujiet mums sīkāk izskaidrot dažas no nosauktajām koloīdu īpašībām.
Kas ir koloidālie šķīdumi?
Šāda veida dispersām sistēmām var norādīt klasifikāciju, ņemot vērā vides un tajā izšķīdinātās fāzes dažādos agregātu stāvokļus. Zemāk ir atbilstošā tabula/
| trešdiena/fāze | Gāze | Šķidrums | Stingrs korpuss |
| gāze | visas gāzes bezgalīgi šķīst viena otrā, tāpēc tās vienmēr veido patiesus šķīdumus | aerosols (migla, mākoņi) | aerosols (dūmi) |
| šķidrums | putas (skūšanās, putukrējums) | emulsija (piens, majonēze, mērce) | sol (akvareļi) |
| ciets korpuss | putas (pumeks, gāzēta šokolāde) | gels (želatīns, siers) | sol (rubīna kristāls, granīts) |
Tabulā redzams, ka koloidālās vielas ir visur, gan ikdienā, gan dabā. Ņemiet vērā, ka līdzīgu tabulu var sniegt arī balstiekārtām, atceroties, ka atšķirība arkoloīdi tajos ir tikai izkliedētās fāzes izmērā. Tomēr balstiekārtas ir mehāniski nestabilas, un tāpēc tās praktiski nav tik svarīgas nekā koloidālās sistēmas.
Koloīdu mehāniskās stabilitātes iemesls
Kāpēc majonēze var ilgi gulēt ledusskapī un tajā esošās suspendētās daļiņas neizgulsnējas? Kāpēc ūdenī izšķīdušās krāsas daļiņas galu galā "nenokrīt" trauka dibenā? Atbilde uz šiem jautājumiem būs Brauna kustība.
Šo kustību veidu 19. gadsimta pirmajā pusē atklāja angļu botāniķis Roberts Brauns, kurš mikroskopā novēroja, kā ūdenī pārvietojas mazas putekšņu daļiņas. No fiziskā viedokļa Brauna kustība ir šķidruma molekulu haotiskās kustības izpausme. Tā intensitāte palielinās, ja tiek paaugstināta šķidruma temperatūra. Tieši šāda veida kustība izraisa nelielu koloidālo šķīdumu daļiņu suspensiju.
Adsorbcijas īpašība
Izkliede ir vidējā daļiņu izmēra apgrieztā vērtība. Tā kā šis izmērs koloīdos ir diapazonā no 1 nm līdz 100 nm, tiem ir ļoti attīstīta virsma, tas ir, attiecība S / m ir liela vērtība, šeit S ir kopējais saskarnes laukums starp abām fāzēm (dispersijas vide un daļiņas), m - daļiņu kopējā masa šķīdumā.
Atomiem, kas atrodas uz izkliedētās fāzes daļiņu virsmas, ir nepiesātinātas ķīmiskās saites. Tas nozīmē, ka tie var veidot savienojumus ar citiemmolekulas. Parasti šie savienojumi rodas van der Vālsa spēku vai ūdeņraža saišu dēļ. Tie spēj noturēt vairākus molekulu slāņus uz koloidālo daļiņu virsmas.
Klasisks adsorbenta piemērs ir aktīvā ogle. Tas ir koloīds, kurā dispersijas vide ir cieta viela, bet fāze ir gāze. Tā īpatnējais virsmas laukums var sasniegt 2500 m2/g.
Smalkuma pakāpe un īpatnējais virsmas laukums
S/m aprēķināšana nav viegls uzdevums. Fakts ir tāds, ka koloidālā šķīduma daļiņām ir dažādi izmēri, formas, un katras daļiņas virsmai ir unikāls reljefs. Tāpēc teorētiskās metodes šīs problēmas risināšanai rada kvalitatīvus rezultātus, nevis kvantitatīvus. Tomēr ir lietderīgi formulu noteikt īpatnējo virsmu no dispersijas pakāpes.
Ja pieņemam, ka visām sistēmas daļiņām ir sfēriska forma un vienāds izmērs, tad vienkāršu aprēķinu rezultātā tiek iegūta šāda izteiksme: Sud=6/(dρ), kur Sud - virsmas laukums (īpatnējais), d - daļiņas diametrs, ρ - vielas, no kuras tā sastāv, blīvums. No formulas var redzēt, ka mazākās un smagākās daļiņas veidos vislielāko ieguldījumu aplūkojamā daudzumā.
Eksperimentālais veids, kā noteikt Sud, ir aprēķināt gāzes tilpumu, ko adsorbē pētāmā viela, kā arī izmērīt poru izmēru (izkliedētā fāze) tajā.
Žāvēšana liofilizācijā unliofobisks
Liofilitāte un liofobitāte – tās ir īpašības, kas faktiski nosaka disperso sistēmu klasifikācijas esamību tādā formā, kādā tā sniegta iepriekš. Abi jēdzieni raksturo spēka saiti starp šķīdinātāja un izšķīdušās vielas molekulām. Ja šīs attiecības ir lielas, tad viņi runā par liofilitāti. Tātad visi īstie sāļu šķīdumi ūdenī ir liofili, jo to daļiņas (joni) ir elektriski savienotas ar polārām molekulām H2O. Ja uzskatām tādas sistēmas kā sviestu vai majonēzi, tad tie ir tipisku hidrofobu koloīdu pārstāvji, jo tajos esošās tauku (lipīdu) molekulas atgrūž polārās molekulas H2O.
Ir svarīgi atzīmēt, ka liofobās (hidrofobās, ja šķīdinātājs ir ūdens) sistēmas ir termodinamiski nestabilas, kas tās atšķir no liofilajām.
Apturēšanas īpašības
Tagad apsveriet pēdējo disperso sistēmu klasi - suspensijas. Atgādiniet, ka tiem ir raksturīgs tas, ka mazākā daļiņa tajos ir lielāka par 100 nm. Kādas īpašības viņiem piemīt? Atbilstošais saraksts ir norādīts zemāk:
- Tie ir mehāniski nestabili, tāpēc īsā laika periodā veido nogulsnes.
- Tie ir duļķaini un necaurredzami saules gaismai.
- Fāzi no barotnes var atdalīt ar filtrpapīru.
Dabā sastopamo suspensiju piemēri ir dubļains ūdens upēs vai vulkāniskie pelni. Suspensiju lietošana cilvēkiem ir saistīta kāparasti ar zālēm (zāļu šķīdumiem).
Koagulācija
Ko var teikt par vielu maisījumiem ar dažādu dispersijas pakāpi? Daļēji šis jautājums jau ir apskatīts rakstā, jo jebkurā izkliedētā sistēmā daļiņu izmērs ir noteiktās robežās. Šeit mēs aplūkojam tikai vienu kuriozu gadījumu. Kas notiek, ja sajauc koloīdu un īstu elektrolīta šķīdumu? Svērtā sistēma tiks salauzta, un notiks tās koagulācija. Tās iemesls ir patieso šķīduma jonu elektrisko lauku ietekme uz koloidālo daļiņu virsmas lādiņu.
