Допомога по Теле2, тарифи, питання

Неоднорідної, або гетерогенноївважається система, яка складається з двох або декількох фаз. Кожна фаза має поверхню розділу, яку можна механічно розділити.

Неоднорідна система складається з дисперсної (внутрішньої) фази та дисперсійного (зовнішнього) середовища, що оточує частинки дисперсної фази.

Системи, у яких зовнішньою фазою є рідини, називаються неоднорідними рідкими системами, а системи, у яких зовнішньої фазою є гази, – неоднорідними газовими системами. Гетерогенні системи часто називають дисперсними системами.

Розрізняють такі види неоднорідних систем: суспензії, емульсії, піни, пилу, дими, тумани.

Суспензія– це система, що складається з рідкої дисперсійної фази та твердої дисперсної фази (наприклад, соуси з мукою, крохмальне молоко, патока з кристалами цукру). Суспензії залежно від розмірів частинок поділяються на грубі (розмір часток понад 100 мкм), тонкі (0,1-100 мкм) та колоїдні (0,1 мкм і менше).

Емульсія– це система, що складається з рідини та розподілених у ній крапель іншої рідини, що не змішується з першою (наприклад, молоко, суміш рослинної оліїта води). Під дією сили тяжкості емульсії розшаровуються, але при незначних розмірах крапель (менше 0,4-0,5 мкм) або додаванні стабілізаторів емульсії стають стійкими, не здатними до розшарування протягом тривалого періоду.

Збільшення концентрації дисперсної фази може викликати її перехід у дисперсійну фазу і навпаки. Такий взаємний перехід називається інверсією фаз. Є газові емульсії, у яких дисперсійне середовище – рідина, а дисперсна фаза – газ.

Піна– це система, що складається з рідкої дисперсійної фази та розподілених у ній бульбашок газу (газова дисперсна фаза) (наприклад, креми та інші збиті продукти). Піни за своїми властивостями близькі емульсіям. Для емульсій та пін характерна інверсія фаз.

Пили, дими, тумани є аерозолі.

Аерозоляминазивають дисперсну систему з газоподібним дисперсійним середовищем і твердою або рідкою дисперсною фазою, яка складається з частинок від квазимолекулярного до мікроскопічного розміру, що володіють властивістю перебувати у зваженому стані більш-менш тривалий час (наприклад, борошняний пил, що утворюється при , просіюванні, транспортуванні; пил, що утворюється при , та ін). Дим утворюється при спалюванні твердого палива, туман – при конденсації пари.

В аерозолях дисперсійним середовищем є газ або повітря, а дисперсною фазою в пилу та димі – тверді речовини, у туманах – рідина. Розміри твердих частинок пилу становлять 3–70 мкм, диму – 0,3–5 мкм.

Туман– це система, що складається з газового дисперсійного середовища та розподілених у ній крапель рідини (рідка дисперсна фаза). Розмір рідких крапель, що утворилися внаслідок конденсації у тумані, становить 0,3–3 мкм. Якісним показником, що характеризує однорідність частинок аерозолю за розміром, є ступінь дисперсності.

Аерозоль називають монодисперсним, коли його частинки мають однаковий розмір, і полідисперсним при вмісті в ньому частинок різного розміру. Монодисперсних аерозолів у природі практично не існує. Лише деякі аерозолі за розмірами частинок наближаються до монодисперсних систем (гіфи грибів, тумани та ін.).

Дисперсні, або гетерогенні системи залежно від кількості дисперсних фаз можуть бути одно- і багатокомпонентними. Наприклад, багатокомпонентною системою є молоко (має дві дисперсні фази: жир та білок); соуси (дисперсними фазами є борошно, жир та ін.).

Дисперсійне середовище Дисперсна фаза Приклади деяких природних і побутових дисперсних систем Газ РідинаТуман, попутний газ з крапельками нафти, карбюраторна суміш у двигунах автомобілів (крапельки бензину в повітрі), аерозолі Пил у повітрі, дими, зміг, самуми , тверді аерозолі

Дисперсійне середовище Дисперсна фаза Приклади деяких природних та побутових дисперсних систем Рідина Газ Шипучі напої, піни Рідина Емульсії. Рідкі середовища організму (плазма крові, лімфа, травні соки), рідкий вміст клітин (цитоплазма, каріоплазма) Тверда речовина Золі, гелі, пасти (киселі, колодці, клеї). Річковий та морський мул, зважені у воді; будівельні розчини

Дисперсійне середовище Дисперсна фаза Приклади деяких природних та побутових дисперсних систем Тверда речовина Газ Сніговий наст з бульбашками повітря в ньому, ґрунт, текстильні тканини, цегла та кераміка, поролон, пористий шоколад, порошки Рідина Вологий ґрунт, медичні та косметичні засоби помада і т.д.) Тверда речовина Гірські породи, кольорове скло, деякі сплави

Дисперсні системи ділять на: Грубодисперсні (суспензії) з розмірами частинок більше 100 нм; 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.

Це більшість рідин живої клітини (цитоплазма, ядерний сік - каріоплазма, вміст органоїдів і вакуолей) і живого організму в цілому (кров, лімфа, тканинна рідина, травні соки, гуморальні рідини і т.д.). Такі системи утворюють клеї, крохмаль, білки, деякі полімери.

Коагуляція - явище злипання колоїдних частинок і випадання їх в осад - спостерігається при нейтралізації зарядів цих частинок, коли 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.

Гелі Або студні - являють собою драглисті опади, що утворюються при коагуляції золів. До них відносять велику кількість полімерних гелів, настільки добре відомі нам кондитерські, косметичні та медичні гелі (желатин, холодець, желе, мармелад, торт «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 Землі можна одночасно вважати історією колоїдного стану речовини. Згодом структура гелів порушується – їх виділяється вода. Це називають синерезисом.

Дисперсні системи. ВМС

Основні поняття

Дисперсні системи - Це гетерогенні системи, що складаються з двох або більшого числа фаз з сильно розвиненою поверхнею поділу між ними.Особливі властивості дисперсних систем обумовлені саме малим розміром частинок та наявністю великої міжфазної поверхні. У зв'язку з цим визначальними є властивості поверхні, а чи не частинок загалом. Характерними є процеси, що відбуваються на поверхні, а чи не всередині фази. Звідси стає зрозумілим, чому колоїдну хімію називають фізико-хімією поверхневих явищ та дисперсних систем.

Особливість дисперсних систем полягає в їх дисперсності – одна з фаз обов'язково має бути роздробленою, її називають дисперсною фазою. Суцільне середовище, в якому розподілені частинки дисперсної фази, називається дисперсійним середовищем. Фаза вважається дисперсною, якщо речовина подрібнена хоча б в одному напрямку. Якщо речовина роздроблена лише за висотою, утворюються плівки, тканини, пластини і т. д. Якщо речовина роздроблена і за висотою і шириною, утворюються волокна, нитки, капіляри. Нарешті, якщо речовина роздроблена за всіма трьома напрямами, дисперсна фаза складається з дискретних (окремих) частинок, форма яких може бути різноманітною.

Дисперсні системи можна класифікувати за багатьма ознаками, що пов'язані з безліччю об'єктів, які вивчає колоїдна хімія. Як основна класифікаційна ознака можна виділити розмір частиндисперсної фази:

-Грубодисперсні(> 10 мкм): цукор-пісок, ґрунти, туман, краплі дощу, вулканічний попіл, магма тощо.

-Середньодисперсні (0,1-10 мкм): еритроцити крові людини, кишкова паличка тощо.

-Високодисперсні(1-100 нм): вірус грипу, дим, каламут у природних водах, штучно отримані золі різних речовин, водні розчини природних полімерів (альбумін, желатин та ін) тощо.

-Нанорозмірні (1-10 нм): молекула глікогену, тонкі пори вугілля, золі металів, отримані у присутності молекул органічних речовин, що обмежують зростання частинок, вуглецеві нанотрубки, магнітні наноніти із заліза, нікелю тощо.

Тут зазначимо, що класифікацію дисперсних систем за розміром частинок ми розглядаємо першою невипадково. Саме розмір часток (лінійний розмір, а не вага і не кількість частинок атомів у частинці!) є найважливішим кількісним показником дисперсних систем, що визначає їх якісні особливості. У міру зміни розмірів частинок змінюються всі основні властивості дисперсних систем: реакційна, адсорбційна здатність; оптичні, каталітичні властивості тощо. д. Сучасна колоїдна хімія вивчає дисперсні системи з широким діапазоном розмірів частинок: від грубодисперсних(10 -6 -10 - 4 м ) до високодисперснихабо власне колоїдних (10 -9 -10 - 7 м).

Під взаємодією фаз дисперсних систем мають на увазі процеси сольватації (гідратації у разі водних систем), тобто утворення сольватних (гідратних) оболонок з молекул дисперсійного середовища навколо частинок дисперсної фази. Відповідно, за інтенсивністю взаємодії між речовинами дисперсної фази та дисперсійного середовища (тільки для систем з рідким дисперсійним середовищем), за пропозицією Г. Фрейндліха розрізняють такі дисперсні системи:

-Ліофільні(гідрофільні, якщо ДС – вода): міцелярні розчини ПАР, критичні емульсії, водні розчини деяких природних ВМС, наприклад, білків (желатину, яєчного білка), полісахаридів (крохмалю).Їх характерне сильне взаємодія частинок ДФ з молекулами ДС. У граничному випадку спостерігається повне розчинення. Ліофільні дисперсні системи утворюються спонтанно внаслідок процесу сольватації. Термодинамічноагрегативно стійкі.

-Ліофобні(гідрофобні, якщо ДС – вода): емульсії, суспензії, золі. Їх характерно слабке взаємодія частинок ДФ з молекулами ДС. Мимоволі не утворюються, для їх утворення необхідно витратити роботу. Термодинамічноагрегативно нестійкі (тобто мають тенденцію до мимовільної агрегації частинок дисперсної фази), їх відносна стійкість (так звана метастабільність ) обумовлена ​​кінетичними факторами (тобто низькою швидкістю агрегації).

По агрегатному стану фаз В. Оствальд запропонував вельми поширеною класифікацію:

Таблиця 1. Класифікація дисперсних систем з агрегатного стану фаз

Відповідно до кінетичних властивостей дисперсної фази розрізняють вільнодисперсніі зв'язнодисперснісистеми.Виділяють також розведені та концентровані системи. У зв'язку дисперсних системах одна з фаз структурно закріплена (між частинками реалізується взаємодія, вони «пов'язані» один з одним) і не може переміщатися вільно. У вільнодисперсних системах частки відокремлені та беруть участь у тепловому русі та дифузії. У розведених зв'язнодисперсних системах частинки утворюють суцільну просторову сітку (дисперсну структуру) – виникають гелі. Дисперсні системи будь-якого типу, отримані в концентрованому стані (пасти, мазі, густі золі, густі аерозолі тощо), також відносять до зв'язнодисперсних систем. У концентрованих дисперсних системах незалежний рух частинок дисперсної фази утруднений, і для них характерний певний ступінь структурованості, що дозволяє їх розглядати як зв'язнодисперсні системи.

Одержання та очищення дисперсних систем

Величезне розмаїття типів і форм дисперсних систем, що зустрічається у всіх галузях життєдіяльності людини, передбачає і численність методів їх отримання – як загальних, і спеціальних. Логічно розглянути окремо методи, в основі яких лежить один із підходів – конденсаційний або диспергаційний.

Дійсно, механічне диспергування є основним способом подрібнення матеріалів, що застосовується у промисловості та повсюдно зустрічається у природі. При механічному диспергуванні подолання міжмолекулярних сил і накопичення поверхневої енергії у процесі дроблення відбуваються під час здійснення над системою зовнішньої механічної роботи. Механічне диспергування здійснюють різними способами: стиранням, роздавлюванням, розколюванням, розпиленням, барботажем (пропусканням струменя повітря через рідину), струшуванням, вибухом, дією звукових та ультразвукових хвиль тощо. У промисловості так отримують будматеріали (цемент, бетонну крихту, сухі фарби , шпаклівки та інші будівельні суміші у вигляді сухих порошків та суспензій), лікарські засоби(порошки, мазі, пасти, емульсії), харчові продукти (прянощі, мелена кава) та ін.Диспергуванням зазвичай вдається отримати дисперсні системи лише з досить великим розміром частинок (не менше 100 нм). Подрібненням отримують дисперсні системи Т /Т, Т/Жі Ж/Ж.

Пептизацієюназивають перехід опадів у колоїдний розчин під дією спеціальних стабілізуючих добавок ( пептизаторів ), або за рахунок видалення із системи іонів, що сприяють агрегації частинок.У ролі пептизаторів можуть бути розчин електроліту, поверхнево-активної речовини або розчинник. Пептизувати можна тільки свіжоприготовлені опади, в яких частинки колоїдного розміру з'єднані у великі агрегати через прошарки ДС. У міру зберігання опадів відбуваються явища рекристалізації та старіння, що призводять до зрощування частинок один з одним, що перешкоджає пептизації. Пептизацію відносять до методів диспергування умовно, тому що в її основі лежить і метод конденсації, тобто попереднє одержання агрегатів із істинних розчинів. Метод пептизації, на відміну інших диспергаційнихметодів, дозволяє також добитися отримання колоїдних систем з малим розміром частинок (до 1 нм), що характерно для методів конденсації.

До конденсаційних способів отримання дисперсних систем відносяться конденсація, кристалізаціяі десублімація. Вони засновані на утворенні нової фази в умовах пересиченого стану речовин у газовому чи рідкому середовищі. Необхідною умовою конденсації є пересичення та нерівномірний розподіл речовин у дисперсійному середовищі (флуктуації концентрації), а також утворення центрів конденсації або зародків. При цьому система з гомогенної перетворюється на гетерогенну. Конденсація та десублімація характерні для газової, а кристалізація для рідкого середовища.

Методи конденсації не вимагають спеціальних машин і дають змогу отримувати дисперсні системи з меншим розміром частинок у порівнянні з диспергаційнимиметодами. Зокрема, диспергаційніметоди (за винятком методу пептизації та методу Бредіга) не дозволяють отримувати нанорозмірні дисперсні системи (1-100 нм). З цією метою зазвичай використовують конденсаційні методи. При цьому, залежно від умов синтезу, формуються частинки дисперсної фази будь-яких розмірів. Ще одна перевага конденсаційного підходу полягає в тому, що він здебільшого не вимагають суттєвої витрати зовнішньої роботи.

Для видалення низькомолекулярних домішок (зокрема дестабілізуючих електролітів) золі після отримання часто піддають очищенню. Методами очищення золів є діаліз та ультрафільтрація.

Діаліз заснований на різниці у швидкості дифузії невеликих молекул або іонів та частинок колоїдних розмірів через напівпроникну перегородку – мембрану. Для цих цілей застосовують мембрани, виготовлені з тварин та рослинних перетинок, задубленого желатину, мембрани з колодію, ацетату целюлози та целофану, пергаментного паперу, керамічних пористих матеріалів та ін.

Невеликі молекули та іони із золю проникають через мембрану і дифундують у воду, що контактує з мембраною, а молекули води при цьому проникають через мембрану у зворотному напрямку. В результаті після очищення колоїдна система виявляється розведеною. Очищення колоїдних розчинів у такий спосіб вимагає значного часу (дні, тижні і навіть місяці). Для прискорення діалізу можна застосовувати різні прийоми, наприклад, збільшувати площу мембрани, зменшувати шар рідини, що очищається, або часто міняти зовнішню рідину (воду), підвищувати температуру, прикладати електричне поле (електродіаліз). Зокрема, електродіаліз дозволяє закінчити процес діалізу протягом кількох годин. У виробничих умовах діалізом очищають від солей білки (желатин, агар-агар, гуміарабік), барвники, силікагель, дубильні речовини та ін

У процесі ультрафільтрації мембраною затримуються частинки дисперсної фази або макромолекули, а дисперсійне середовище з небажаними низькомолекулярними домішками проходить через мембрану.Ультрафільтрація відноситься до баромембранних процесів, на відміну діалізу її проводять під тиском. При ультрафільтрації досягають високого ступеня очищення золів при одночасному концентруванні. Іноді кажуть, що ультрафільтрація - це діаліз, який проводиться під тиском, хоча це і не зовсім правильно (особливо цікаві з Вас можуть подумати чому).

Властивості дисперсних систем

Для того , щоб більш чітко представляти процеси, що лежать в основі, наприклад, вищеописаних мембранних процесів– діалізу та ультрафільтрації, доцільно розглянути молекулярно-кінетичні властивостірозчинів, які обумовлені хаотичним тепловим рухом молекул та атомів. Закони цього мимовільного руху вивчає молекулярно-кінетичну теорію. Деякі властивості розчинів обумовлені цим рухом, тобто визначаються не складом, а числом кінетичних одиниць – молекул в одиниці об'єму чи маси. До них відносяться властивості, які називаються колігативними : дифузія, осмотичний тиск, відмінності у тиску пари та температур замерзання та кипіння у разі чистого розчинника та розчину.

Броунівський рух – це безперервне безладне рух частинок мікроскопічних і колоїдних розмірів, що не загасають у часі. Цей рух тим інтенсивніший, чим вища температура і чим менша маса частинки та в'язкість дисперсійного середовища.

Для кількісної характеристики броунівського руху використовується середній зсув, який пов'язаний з коефіцієнтом дифузії рівнянням Ейнштейна-Смолуховського :

де D- Коефіцієнт дифузії, t - Час дифузії

Дифузією називається мимовільний процес вирівнювання концентрації молекул, іонів або колоїдних частинок під впливом їхнього теплового руху. Процес дифузії йде спонтанно, оскільки він супроводжується збільшенням ентропії системи.Нагадаємо, що рівномірний розподіл речовини у системі відповідає її найбільш ймовірному стану.

Для кількісного опису дифузії використовується закон Фіка, який був встановлений за аналогією із законами перенесення тепла та електрики:

,

де dQ– кількість продифундувавречовини; D- Коефіцієнт дифузії; dc /dx– градієнт концентрації; s– площа, якою йде дифузія; τ - Тривалість дифузії.

Осмос– це одностороння дифузія молекул розчинника через напівпроникну мембрану за умови різниці концентрацій розчину з обох боків мембрани.При розділенні двох розчинів різної концентрації або розчину та чистого розчинника напівпроникною перегородкою (мембраною) виникає потік розчинника від меншої концентрації речовини до більшої, що призводить до вирівнювання концентрацій.Виникнення потоку обумовлено тим, що кількість ударів молекул розчинника об мембрану з боку більш розбавленого розчину (або чистого розчинника) буде більшою, ніж з боку більш концентрованого розчину. Це надмірна кількість ударів і є причиною переміщення розчинника через пори мембрани туди, де молекули менше.

Для колоїдних систем можна записати

.

Седиментація– це ще одне з явищ, пов'язаних із молекулярно-кінетичними властивостями дисперсних систем.

Седиментацією називають процес осідання (у поодиноких випадках спливання) частинок дисперсної фази в рідкому або газоподібному середовищі під дією сили тяжіння. Седиментація й у суспензій. В емульсіях, навпаки, частинки дисперсної фази зазвичай спливають

Стійкість дисперсних систем

Сучасна модель будови міцели враховує той факт, що протиіони розташовуються у два шари – щільний та дифузний, і що поверхнею ковзання частинки у розчині є межа між цими шарами.

Найбільш важливим електрокінетичним явищем, що типово для дисперсних систем, є електрофорез, тобто переміщення колоїдних частинок у зовнішньому електричному полі.

Електрофорез та електроосмос – це електрокінетичні явища I -го роду. До електрокінетичних явищ II -го роду відносяться потенціал протіканняі потенціал седиментації, які полягають у виникненні різниці потенціалів при переміщенні частинок дисперсної фази або дисперсійного середовища.

Величина ζ - потенціалупов'язана зі швидкістю електрофорезу заряджених частинок рівнянням Гельмгольця-Смолуховського :

де k- Коефіцієнт, що залежить від форми частинок (для сферk= 6, для циліндрівk = 4); v- Лінійна швидкість переміщення частинок (або межі золю); ε - Відносна діелектрична проникність;E- Напруженість електричного поля.

У дисперсних системах питома поверхня дисперсної фази дуже велика. Одне з найбільш важливих наслідків великої поверхні дисперсної фази полягає в тому, що ліофобні дисперсні системи мають надмірну поверхневу енергію, а, отже, є термодинамічнонестійкими. Тому в дисперсних системах протікають різні мимовільні процеси, які призводять до зменшення надлишку енергії. Найбільш загальними є процеси зменшення питомої поверхні з допомогою укрупнення частинок. Таким чином, ключова властивість, яка характеризує саме існування дисперсних систем – це їхня стійкість, або, навпаки, нестійкість.

Н.П. Пісковим у 1920 р було запропоновано розрізняти кінетичну та агрегативну стійкості. У першому випадку розглядається виділення диспергованоїфази під впливом сили тяжкості залежно від ступеня дисперсності, а сама ступінь дисперсності належить величиною, постійної для даної системи. У другому випадку розглядаються умови сталості чи непостійності самого ступеня дисперсності частинок

Для більшості гідрофобних золів основним фактором, що забезпечує їх стабільність (поряд з гідратною оболонкою) є наявність однойменного заряду у частинок дисперсної фази. Введення електролітів у гідрозолі може призводити до зменшення або повної нейтралізації заряду колоїдних частинок, що послаблює їх електростатичне відштовхування, сприяє зближенню та агрегації

Мінімальна концентрація електроліту, яка викликає початок процесу коагуляції називається порогом коагуляції g до(Моль/дм 3).

Розчини високомолекулярних речовин

Полімери, подібно до низькомолекулярних речовин, залежно від умов отримання розчину (природа полімеру і розчинника, температура та ін.) можуть утворювати як колоїдні, так і справжні розчини. У зв'язку з цим прийнято говорити про колоїдний або істинний стан речовини в розчині. Ми не стосуватимемося систем «полімер – розчинник» колоїдного типу. Розглянемо лише розчини полімерів молекулярного типу. Слід зазначити, що внаслідок великих розмірів молекул та особливостей їх будови, розчини ВМС мають низку специфічних властивостей:

1. Рівноважні процеси у розчинах ВМС встановлюються повільно.

2. Процесу розчинення ВМС, зазвичай, передує процес набухання.

3. Розчини полімерів не підпорядковуються законам бездоганних розчинів, тобто. законам Рауля та Вант-Гоффа.

4. При перебігу розчинів полімерів виникає анізотропія властивостей (неоднакові Фізичні властивостірозчину в різних напрямках) за рахунок орієнтації молекул у напрямку течії.

5. Висока в'язкість розчинів ВМС.

6. Молекули полімерів, завдяки великим розмірам, виявляють схильність до асоціації у розчинах. Час життя асоціатів полімерів триваліший, ніж асоціатів низькомолекулярних речовин.

Процес розчинення ВМС протікає мимовільно, але протягом тривалого часу, і часто передує набухання полімеру в розчиннику. Полімери, макромолекули яких мають симетричну форму, можуть переходити в розчин, попередньо не набухаючи. Наприклад, гемоглобін, печінковий крохмаль – глікоген при розчиненні майже не набухають, а розчини цих речовин не мають високої в'язкості навіть при порівняно великих концентраціях. У той час, як речовини з сильно асиметричними витягнутими молекулами при розчиненні дуже набухають (желатин, целюлоза, натуральний і синтетичні каучуки).

Набухання – це збільшення маси та обсягу полімеру за рахунок проникнення молекул розчинника у просторову структуру ВМС.

Розрізняють два види набухання:необмежене, закінчується повним розчиненням ВМС (наприклад, набухання желатину у воді, каучуку в бензолі, нітроцелюлози в ацетоні) таобмежене, що призводить до утворення набряклого полімеру - холодець (наприклад, набухання целюлози у воді, желатину холодній воді, вулканізований каучук в бензолі).

І дисперсійне середовище, і дисперсну фазу можуть становити речовини, що у різних агрегатних станах. Залежно від поєднання станів дисперсійного середовища та дисперсної фази можна виділити вісім видів таких систем

Класифікація дисперсних систем з агрегатного стану

Так само як класифікаційну ознаку можна виділити таке поняття як розмір частинок дисперсної системи:

• - Грубодисперсні (> 10 мкм): цукор-пісок, ґрунти, туман, краплі дощу, вулканічний попіл, магма тощо.
• - Середньодисперсні (0,1-10 мкм): еритроцити крові людини, кишкова паличка тощо.

дисперсна емульсія суспензія гель

• - Високодисперсні (1-100 нм): вірус грипу, дим, каламут у природних водах, штучно отримані золі різних речовин, водні розчини природних полімерів (альбумін, желатин та ін.) тощо.
• - Нанорозмірні (1-10 нм): молекула глікогену, тонкі пори вугілля, золі металів, отримані у присутності молекул органічних речовин, що обмежують зростання частинок, вуглецеві нанотрубки, магнітні наноніти із заліза, нікелю тощо.

Грубодисперсні системи: емульсії, суспензії, аерозолі

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 розділу між частинками та середовищем немає, а тому до дисперсних систем він не відноситься. 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 маслі). 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.

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. В хімічної технологіїшироко 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 і дисперсійного середовища, також називають суспензією. Практично значущими будівельними суспензіями 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 групускладають грубодисперсні системи, в яких концентрація дисперсної фази відносно висока порівняно з невеликою концентрацією в суспензіях. Такі дисперсні системи називають пастами. Наприклад, вам добре відомі з повсякденному життізубні, 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)

Колоїдні системи – у них розміри колоїдних частинок досягають до 100 нм. Такі частинки легко проникають через пори паперових фільтрів, проте не проникають через пори біологічних мембран рослин та тварин. Оскільки колоїдні частинки (міцели) мають електрозаряд та сольватні іонні оболонки, завдяки яким вони залишаються у зваженому стані, вони досить тривалий час можуть не випадати в осад. Яскравим прикладом колоїдної системи є розчини желатину, альбуміну, гуміарабіку, колоїдні розчини золота та срібла.

Колоїдні системи займають проміжне положення між грубодисперсними системами та справжніми розчинами. Вони поширені у природі. Грунт, глина, природні води, багато мінералів, у тому числі деякі дорогоцінні камені, - все це колоїдні системи.

Розрізняють дві групи колоїдних розчинів: рідкі (колоїдні розчини – золі) та гелеподібні (студні – гелі).

Більшість біологічних рідин клітини (вже згадані цитоплазма, ядерний сік – каріоплазма, вміст вакуолей) та живого організму в цілому є колоїдними розчинами (золями). Усі процеси життєдіяльності, які у живих організмах, пов'язані з колоїдним станом матерії. У кожній живій клітині біополімери (нуклеїнові кислоти, білки, гікозаміноглікани, глікоген) знаходяться у вигляді дисперсних систем.

Гелі – це колоїдні системи, у яких частинки дисперсної фази утворюють просторову структуру.

Гелі можуть бути: харчові – мармелад, зефір, холодець, желе; біологічні-хрящі, сухожилля, волосся, м'язова та нервові тканини, тіла медуз; косметичні - гелі для душу, крему; медичні-ліки, мазі; мінеральні – перли, опал, сердолік, халцедон.

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 взаєминах з довкіллям. З хімічної точки зору організм загалом - це найскладніша сукупність багатьох колоїдних систем.

Біологічні рідини (кров, плазма, лімфа, спинномозкова рідина та ін.) є колоїдними системами, в яких такі органічні сполуки, як білки, холестерин, глікоген та багато інших, знаходяться в колоїдному стані. Чому ж 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.

Приклади природних та штучних дисперсних систем. Мінерали та гірські породи як природні суміші

Вся навколишня природа - організми тварин і рослин, гідросфера і атмосфера, земна кора і надра є складною сукупністю безлічі різноманітних і різнотипних грубодисперсних і колоїдних систем. Хмари нашої планети є такі ж живі сутності, як вся природа, яка нас оточує. Вони мають значення для Землі, оскільки є інформаційними каналами. Адже хмари складаються з капілярної субстанції води, а вода, як відомо, дуже добрий накопичувач інформації. Кругообіг води в природі призводить до того, що інформація про стан планети та настрої людей накопичується в атмосфері, і разом із хмарами пересувається по всьому простору Землі. Дивовижний витвір природи-хмари, який приносить людині радість, естетичне задоволення і просто бажання іноді подивитися на небо.

Туман теж може бути прикладом природної дисперсної системи, скупчення води в повітрі, коли утворюються дрібні продукти конденсації водяної пари (при температурі повітря вище? 10 ° - дрібні крапельки води, при? 10..? льоду, при температурі нижче?15° - кристалики льоду, що сяють у сонячних променях або у світлі місяця та ліхтарів). Відносна вологість повітря при туманах зазвичай близька до 100% (принаймні перевищує 85-90%). Однак у сильні морози (?30° і нижче) в населених пунктах, на залізничних станціях і аеродромах тумани можуть спостерігатися за будь-якої відносної вологості повітря (навіть менше 50%) - рахунок конденсації водяної пари, що утворюється при згорянні палива (у двигунах, печах тощо) і викидається в атмосферу через вихлопні труби та димарі.

Безперервна тривалість туманів зазвичай становить від кількох годин (а іноді півгодини-годину) до кількох діб, особливо в холодний період року.

Тумани перешкоджають нормальній роботі всіх видів транспорту (особливо авіації), тому прогноз туманів має велике народногосподарське значення.

Прикладом складної дисперсної системи може бути молоко, основними складовими частинами якого (крім води) є жир, казеїн та молочний цукор. Жир знаходиться у вигляді емульсії і при стоянні молока поступово піднімається догори (вершки). Казеїн міститься у вигляді колоїдного розчину і мимовільно не виділяється, але легко може бути осаджений (у вигляді сиру) при підкисленні молока, наприклад, оцтом. У природних умовах виділення казеїну відбувається при скисанні молока. Нарешті, молочний цукор перебуває у вигляді молекулярного розчину і виділяється лише за випаровуванні води.

Багато газів, рідин і твердих речовин розчиняються у воді. Цукор та кухонна сіль легко розчиняються у воді; вуглекислий газ, аміак та багато інших речовин, стикаючись з водою, переходять у розчин і втрачають своє попереднє агрегатний стан. Розчинену речовину певним способом можна виділити з розчину. Якщо випарувати розчин кухонної солі, то сіль залишається як твердих кристалів.

При розчиненні речовин, у воді (чи іншому розчиннику) утворюється однорідна (гомогенная) система. Таким чином, розчином називається гомогенна система, що складається із двох або більше компонентів. Розчини можуть бути рідкими, твердими та газоподібними. До рідких розчинів відносяться, наприклад, розчин цукру або кухонної солі у воді, спирту у воді тощо. До твердих розчинів одного металу в іншому відносяться сплави: латунь - це сплав міді та цинку, бронза - сплав міді та олова тощо. Газоподібною речовиною є повітря або будь-яка суміш газів.

7.1.Основні поняття та визначення. Структура теми 3

7.1.1.Класифікація розчинів 3

7.1.2.Структура теми 4

7.2.Дисперсні системи (суміші) їх види 5

7.2.1.Грубодисперсні системи 6

7.2.2.Тонкодисперсні системи (колоїдні розчини) 6

7.2.3.Високодисперсні системи (справжні розчини) 9

7.3.Концентрація, способи її вираження 10

7.3.1.Розчинність речовин. 10

7.3.2.Способи вираження концентрації розчинів. 11

7.3.2.1.Процентна 12

7.3.2.2.Молярна 12

7.3.2.3.Нормальна 12

7.3.2.4.Моляльна 12

7.3.2.5.Мольна частка 12

7.4.Фізичні закони розчинів 13

7.4.1.Закон Рауля 13

7.4.1.1.Зміна температур замерзання 14

7.4.1.2.Зміна температур кипіння 15

7.4.2.Закон Генрі 15

7.4.3. Закон Вант-Гоффа. Осмотичний тиск 15

7.4.4.Ідеальні та реальні розчини. 16

7.4.4.1.Активність – концентрація для реальних систем 17

7.5.Теорія розчинів 17

7.5.1.Фізична теорія 18

7.5.2.Хімічна теорія 18

7.6.Теорія електролітичної дисоціації 19

7.6.1.Розчини електролітів 20

7.6.1.1.Константа дисоціації 20

7.6.1.2. Ступінь дисоціації. Сильні та слабкі електроліти 24

7.6.1.3.Закон розведення Оствальду 27

7.6.2.Електролітична дисоціація води 27

7.6.2.1.Іонний добуток води 28

7.6.2.2. Водневий показник. Кислотність та основність розчинів 29

7.6.2.3.Кислотно-основні індикатори 29

7.7.Реакції іонного обміну. 31

7.7.1.Утворення слабкого електроліту 32

7.7.2.Виділення газу 34

7.7.3.Утворення опадів 34

7.7.3.1.Умова утворення осаду. Добуток розчинності 34

7.7.4.Гідроліз солей 36

7.7.4.1.Зміщення рівноваги при гідролізі 38

1. Основні поняття та визначення. Структура теми

Дисперсні системи або суміші є багатокомпонентними системами, в яких одна або кілька речовин рівномірно розподілено у вигляді частинок в середовищі іншої речовини.

У дисперсних системах розрізняють дисперсну фазу – дрібнороздроблену речовину та дисперсійне середовище – однорідну речовину, в якій розподілено дисперсну фазу. Наприклад, у каламутній воді, що містить глину, дисперсною фазою є тверді частинки глини, а дисперсійним середовищем - вода; у тумані дисперсна фаза – частинки рідини, дисперсійне середовище – повітря; у димі дисперсна фаза - тверді частинки вугілля, дисперсійне середовище - повітря; в молоці - дисперсна фаза - частинки жиру, дисперсійне середовище - рідина і т. д. Дисперсні системи можуть бути як гомогенні так і гетерогенними.

Гомогенная дисперсна система є розчином.

1. Класифікація розчинів

За розміром розчинених речовин усі багатокомпонентні розчини поділяють на:

грубодисперсні системи (суміші);

тонкодисперсні системи (колоїдні розчини);

високодисперсні системи (справжні розчини).

За фазовим станом розчини бувають:

За складом розчинених речовин рідкі розчини розглядають як:

електроліти;

неелектроліти.

1. Структура теми

1. Дисперсні системи (суміші) їх види

Дисперсна система - це суміш двох або більше речовин, які абсолютно або практично не змішуються і не реагують один з одним хімічно. Перша з речовин ( дисперсна фаза) дрібно розподілено у другому ( дисперсійне середовище). Фази розділені між собою межею розділу та їх можна відокремити один від одного фізичним способом (центрифугувати, сепарувати і т.д.).

Основні види дисперсних систем: аерозолі, суспензії, емульсії, золі, гелі, порошки, волокнисті матеріали типу повсті, піни, латекси, композити, мікропористі матеріали; у природі - гірські породи, ґрунти, атмосферні опади.

за кінетичним властивостямдисперсної фази дисперсні системи можна розділити на два класи:

Вільнодисперснісистеми, у яких дисперсна фаза рухлива;

Зв'язнодисперснісистеми, дисперсійне середовище яких тверде, а частинки їхньої дисперсної фази пов'язані між собою і не можуть вільно переміщатися.

за розміру частинокдисперсної фази розрізняють грубодисперсні системи(суспензії) з розміром частинок понад 500 нм та тонкодисперсні(Колоїдні розчини або колоїди) з розмірами частинок від 1 до 500 нм.

Таблиця 7.1. Різновид дисперсних систем.