Väčšina látok okolo nás sú zmesi rôznych látok, takže štúdium ich vlastností zohráva významnú úlohu vo vývoji chémie, medicíny, potravinárstva a ďalších odvetví hospodárstva. Článok pojednáva o tom, aký je stupeň rozptylu a ako to ovplyvňuje charakteristiky systému.
Čo sú disperzné systémy?
Pred diskusiou o stupni rozptylu je potrebné objasniť, na ktoré systémy možno tento koncept použiť.
Predstavme si, že máme dve rôzne látky, ktoré sa môžu navzájom líšiť chemickým zložením, napríklad kuchynská soľ a čistá voda, alebo stavom agregácie, napríklad rovnaká voda v kvapalnom a pevnom stave (ľadové) stavy. Teraz je potrebné vziať a zmiešať tieto dve látky a intenzívne ich premiešať. Aký bude výsledok? Závisí to od toho, či k chemickej reakcii pri miešaní došlo alebo nie. Keď sa hovorí o rozptýlených systémoch, verí sa, že keď onipri tvorbe nedochádza k žiadnej reakcii, to znamená, že počiatočné látky si zachovávajú svoju štruktúru na mikroúrovni a svoje vlastné fyzikálne vlastnosti, ako je hustota, farba, elektrická vodivosť a iné.
Dispergovaný systém je teda mechanická zmes, v dôsledku ktorej sa dve alebo viac látok navzájom zmiešajú. Keď sa tvorí, používajú sa pojmy "disperzné médium" a "fáza". Prvý má vlastnosť kontinuity v rámci systému a spravidla sa v ňom nachádza vo veľkom relatívnom množstve. Druhá (dispergovaná fáza) sa vyznačuje vlastnosťou diskontinuity, to znamená, že v systéme je vo forme malých častíc, ktoré sú obmedzené povrchom, ktorý ich oddeľuje od média.
Homogénne a heterogénne systémy
Je jasné, že tieto dve zložky rozptýleného systému sa budú líšiť svojimi fyzikálnymi vlastnosťami. Napríklad, ak hodíte piesok do vody a premiešate, je jasné, že zrnká piesku, ktoré existujú vo vode, ktorého chemický vzorec je SiO2, sa nebudú líšiť. akýmkoľvek spôsobom zo stavu keď neboli vo vode. V takýchto prípadoch sa hovorí o heterogenite. Inými slovami, heterogénny systém je zmesou niekoľkých (dvoch alebo viacerých) fáz. Ten sa chápe ako nejaký konečný objem systému, ktorý sa vyznačuje určitými vlastnosťami. Vo vyššie uvedenom príklade máme dve fázy: piesok a vodu.
Veľkosť častíc dispergovanej fázy, keď sú rozpustené v akomkoľvek médiu, však môže byť taká malá, že prestanú vykazovať svoje individuálne vlastnosti. V tomto prípade sa hovorí ohomogénne alebo homogénne látky. Hoci obsahujú niekoľko komponentov, všetky tvoria jednu fázu v celom objeme systému. Príkladom homogénneho systému je roztok NaCl vo vode. Keď sa kryštál NaCl rozpustí v dôsledku interakcie s polárnymi molekulami H2O, rozkladá sa na samostatné katióny (Na+) a anióny (Cl-). Sú homogénne zmiešané s vodou a v takomto systéme už nie je možné nájsť rozhranie medzi rozpustenou látkou a rozpúšťadlom.
Veľkosť častíc
Aký je stupeň rozptylu? Túto hodnotu je potrebné zvážiť podrobnejšie. Čo predstavuje? Je nepriamo úmerná veľkosti častíc dispergovanej fázy. Práve táto vlastnosť je základom klasifikácie všetkých uvažovaných látok.
Pri štúdiu disperzných systémov sú študenti často zmätení vo svojich menách, pretože veria, že ich klasifikácia je založená aj na stave agregácie. To nie je pravda. Zmesi rôznych stavov agregácie majú skutočne rôzne názvy, napríklad emulzie sú vodné látky a aerosóly už naznačujú existenciu plynnej fázy. Vlastnosti disperzných systémov však závisia najmä od veľkosti častíc fázy v nich rozpustenej.
Všeobecne akceptovaná klasifikácia
Klasifikácia disperzných systémov podľa stupňa disperzie je uvedená nižšie:
- Ak je podmienená veľkosť častíc menšia ako 1 nm, potom sa takéto systémy nazývajú skutočné alebo skutočné riešenia.
- Ak je podmienená veľkosť častíc medzi 1 nm a100 nm, potom sa príslušná látka bude nazývať koloidný roztok.
- Ak sú častice väčšie ako 100 nm, potom hovoríme o suspenziách alebo suspenziách.
V súvislosti s vyššie uvedenou klasifikáciou si ujasnime dva body: po prvé, uvedené čísla sú indikatívne, to znamená, že systém, v ktorom je veľkosť častíc 3 nm, nemusí byť nevyhnutne koloid, môže to byť aj pravda Riešenie. Dá sa to zistiť štúdiom jeho fyzikálnych vlastností. Po druhé, môžete si všimnúť, že zoznam používa frázu „podmienená veľkosť“. Je to spôsobené tým, že tvar častíc v systéme môže byť úplne ľubovoľný a vo všeobecnosti má zložitú geometriu. Preto hovoria o ich priemernej (podmienenej) veľkosti.
Neskôr v článku uvedieme stručný popis uvedených typov disperzných systémov.
Skutočné riešenia
Ako už bolo spomenuté vyššie, stupeň disperzie častíc v reálnych roztokoch je taký vysoký (ich veľkosť je veľmi malá, < 1 nm), že medzi nimi a rozpúšťadlom (médiom) neexistuje žiadne rozhranie. je jednofázový homogénny systém. Pre úplnosť informácie pripomíname, že veľkosť atómu je rádovo jeden angstrom (0,1 nm). Posledné číslo znamená, že častice v skutočných roztokoch majú atómovú veľkosť.
Hlavné vlastnosti skutočných roztokov, ktoré ich odlišujú od koloidov a suspenzií, sú nasledovné:
- Stav roztoku existuje ľubovoľne dlho nezmenený, to znamená, že nevzniká žiadna zrazenina dispergovanej fázy.
- Rozpustenélátku nemožno oddeliť od rozpúšťadla filtráciou cez obyčajný papier.
- Látka sa tiež neoddeľuje v dôsledku procesu prechodu cez poréznu membránu, ktorý sa v chémii nazýva dialýza.
- Oddeliť rozpustenú látku od rozpúšťadla je možné iba zmenou stavu agregácie rozpúšťadla, napríklad vyparovaním.
- Pre ideálne riešenia je možné vykonať elektrolýzu, to znamená, že elektrický prúd môže prejsť, ak sa do systému privedie rozdiel potenciálov (dve elektródy).
- Nerozptyľujú svetlo.
Príkladom skutočných riešení je zmiešanie rôznych solí s vodou, napríklad NaCl (stolová soľ), NaHCO3 (jedlá sóda), KNO 3(dusičnan draselný) a ďalšie.
Koloidné roztoky
Toto sú prechodné systémy medzi skutočnými riešeniami a pozastaveniami. Majú však množstvo jedinečných vlastností. Poďme si ich vymenovať:
- Sú mechanicky stabilné na ľubovoľne dlhý čas, ak sa nezmenia podmienky prostredia. Systém stačí zahriať alebo zmeniť jeho kyslosť (hodnotu pH), pretože koloid sa zráža (zráža).
- Neoddeľujú sa pomocou filtračného papiera, avšak dialýza vedie k oddeleniu dispergovanej fázy a média.
- Ako skutočné roztoky môžu byť elektrolyzované.
- Pre transparentné koloidné systémy je charakteristický takzvaný Tyndallov efekt: keď cez tento systém prejde lúč svetla, môžete ho vidieť. Je to spojené srozptyl elektromagnetických vĺn vo viditeľnej časti spektra vo všetkých smeroch.
- Schopnosť adsorbovať iné látky.
Koloidné systémy sú vďaka uvedeným vlastnostiam ľuďmi hojne využívané v rôznych oblastiach činnosti (potravinársky priemysel, chémia) a často sa vyskytujú aj v prírode. Príkladom koloidu je maslo, majonéza. V prírode sú to hmly, mraky.
Predtým, ako pristúpime k popisu poslednej (tretej) triedy disperzných systémov, dovoľte nám podrobnejšie vysvetliť niektoré menované vlastnosti koloidov.
Čo sú to koloidné roztoky?
Pre tento typ disperzných systémov je možné uviesť klasifikáciu s prihliadnutím na rôzne agregované stavy média a fázy v ňom rozpustenej. Nižšie je zodpovedajúca tabuľka/
| Streda/Fáza | Plyn | Liquid | Pevné telo |
| plyn | všetky plyny sú navzájom nekonečne rozpustné, takže vždy tvoria skutočné roztoky | aerosól (hmla, mraky) | aerosól (dym) |
| liquid | pena (holenie, šľahačka) | emulzia (mlieko, majonéza, omáčka) | sol (akvarelové farby) |
| pevné telo | pena (pemza, prevzdušnená čokoláda) | gél (želatína, syr) | sol (rubínový krištáľ, žula) |
Tabuľka ukazuje, že koloidné látky sú prítomné všade, v každodennom živote aj v prírode. Všimnite si, že podobná tabuľka môže byť uvedená aj pre zavesenia, pamätajte na rozdiel skoloidov v nich je len vo veľkosti dispergovanej fázy. Suspenzie sú však mechanicky nestabilné, a preto sú menej praktické ako koloidné systémy.
Dôvod mechanickej stability koloidov
Prečo môže majonéza dlho ležať v chladničke a nerozpustené častice sa v nej nezrážajú? Prečo častice farby rozpustené vo vode nakoniec „neklesnú“na dno nádoby? Odpoveďou na tieto otázky bude Brownov pohyb.
Tento typ pohybu objavil v prvej polovici 19. storočia anglický botanik Robert Brown, ktorý pod mikroskopom pozoroval, ako sa vo vode pohybujú malé častice peľu. Z fyzikálneho hľadiska je Brownov pohyb prejavom chaotického pohybu molekúl kvapaliny. Jeho intenzita sa zvyšuje, ak sa zvýši teplota kvapaliny. Práve tento typ pohybu spôsobuje, že malé častice koloidných roztokov sú v suspenzii.
Adsorpčná vlastnosť
Disperzita je prevrátená hodnota priemernej veľkosti častíc. Keďže táto veľkosť v koloidoch leží v rozsahu od 1 nm do 100 nm, majú veľmi vyvinutý povrch, to znamená, že pomer S/m je veľká hodnota, tu S je celková plocha rozhrania medzi dvoma fázami (disperzné médium a častice), m - celková hmotnosť častíc v roztoku.
Atómy, ktoré sú na povrchu častíc dispergovanej fázy, majú nenasýtené chemické väzby. To znamená, že môžu vytvárať zlúčeniny s inýmimolekuly. Tieto zlúčeniny spravidla vznikajú v dôsledku van der Waalsových síl alebo vodíkových väzieb. Sú schopné udržať niekoľko vrstiev molekúl na povrchu koloidných častíc.
Klasickým príkladom adsorbentu je aktívne uhlie. Je to koloid, kde disperzným prostredím je pevná látka a fázou je plyn. Špecifická plocha povrchu môže dosiahnuť 2500 m2/g.
Stupeň jemnosti a špecifický povrch
Výpočet S/m nie je ľahká úloha. Faktom je, že častice v koloidnom roztoku majú rôzne veľkosti, tvary a povrch každej častice má jedinečný reliéf. Preto teoretické metódy na riešenie tohto problému vedú ku kvalitatívnym výsledkom, a nie ku kvantitatívnym. Napriek tomu je užitočné uviesť vzorec pre špecifický povrch zo stupňa disperzie.
Ak predpokladáme, že všetky častice systému majú sférický tvar a rovnakú veľkosť, potom ako výsledok priamych výpočtov získame tento výraz: Sud=6/(dρ), kde Sud - plocha povrchu (špecifická), d - priemer častice, ρ - hustota látky, z ktorej pozostáva. Zo vzorca je zrejmé, že najmenšie a najťažšie častice prispejú najviac k uvažovanému množstvu.
Experimentálnym spôsobom stanovenia Sud je výpočet objemu plynu, ktorý je adsorbovaný skúmanou látkou, ako aj meranie veľkosti pórov (dispergovaná fáza) v tom.
Sušenie mrazom alyofóbna
Lyofilita a lyofóbnosť – to sú vlastnosti, ktoré v skutočnosti určujú existenciu klasifikácie disperzných systémov vo forme, v akej je uvedená vyššie. Oba koncepty charakterizujú silovú väzbu medzi molekulami rozpúšťadla a rozpustenej látky. Ak je tento vzťah veľký, potom hovoria o lyofilite. Takže všetky skutočné roztoky solí vo vode sú lyofilné, pretože ich častice (ióny) sú elektricky spojené s polárnymi molekulami H2O. Ak vezmeme do úvahy také systémy ako maslo alebo majonéza, potom ide o predstaviteľov typických hydrofóbnych koloidov, keďže tukové (lipidové) molekuly v nich odpudzujú polárne molekuly H2O.
Je dôležité poznamenať, že lyofóbne (hydrofóbne, ak je rozpúšťadlom voda) systémy sú termodynamicky nestabilné, čo ich odlišuje od lyofilných.
Vlastnosti zavesenia
Teraz zvážte poslednú triedu disperzných systémov – závesy. Pripomeňme, že sa vyznačujú tým, že najmenšia častica v nich je väčšia alebo rádovo 100 nm. Aké vlastnosti majú? Zodpovedajúci zoznam je uvedený nižšie:
- Sú mechanicky nestabilné, takže v krátkom čase vytvoria sediment.
- Sú zamračené a nepriepustné pre slnečné svetlo.
- Fázu možno od média oddeliť filtračným papierom.
Príklady suspenzií v prírode zahŕňajú kalnú vodu v riekach alebo sopečný popol. Ľudské použitie suspenzií je spojené akozvyčajne s liekmi (roztokmi liekov).
Koagulácia
Čo možno povedať o zmesiach látok s rôznym stupňom disperzie? Čiastočne bola táto problematika už zahrnutá v článku, pretože v akomkoľvek disperznom systéme majú častice veľkosť, ktorá leží v určitých medziach. Tu uvažujeme len o jednom kurióznom prípade. Čo sa stane, ak zmiešate koloid a skutočný roztok elektrolytu? Vážený systém sa rozbije a dôjde k jeho koagulácii. Jeho dôvod spočíva vo vplyve elektrických polí iónov pravého roztoku na povrchový náboj koloidných častíc.
