Дисперсні системи: визначення, класифікація.

Дисперсними називають гетерогенні системи, у яких одна речовина у вигляді дуже дрібних частинок рівномірно розподілена в обсязі іншої.

Та речовина, яка присутня у меншій кількості та розподілена в обсязі іншої, називають дисперсною фазою. Вона може складатися з кількох речовин.

Речовина, присутня 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.

За величиною частинок речовин, що становлять дисперсну фазу, дисперсні системи ділять на грубодисперсні (Зважи) з розмірами частинок понад 100 нм та тонкодисперсні (колоїдні розчини або колоїдні системи) із 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. таблицю).

Таблиця. Приклади дисперсних систем

Судіть самі: без нільського мулу не відбулася б велика цивілізація Стародавнього Єгипту; без води, повітря, гірських порід та мінералів взагалі б не існувала жива планета – наш спільний будинок – Земля; без клітин був би живих організмів тощо. буд.

Якщо всі частинки дисперсної фази мають однакові розміри, такі системи називають монодисперсними (рис. 1, а і б). Частинки дисперсної фази неоднакового розміру утворюють полідисперсні системи (рис.1, в).

Мал. 1. Вільнодисперсні системи: корпускулярно − (а-в), волокнисто − (г) та плівково-дисперсні − (д); а, б – монодисперсні; в – полідисперсна система.

Дисперсні системи можуть бути вільнодисперсними(рис. 1) та зв'язнодисперсними (рис. 2, а − в) залежно від відсутності чи наявності взаємодії між частинками дисперсної фази. До вільнодисперсних систем відносяться аерозолі, розбавлені суспензії та емульсії.Вони текучи, у цих системах частинки дисперсної фази немає контактів, беруть участь у безладному тепловому русі, вільно переміщаються під впливом сили тяжкості. Зв'язнодисперсні системи – твердоподібні; вони виникають при контакті частинок дисперсної фази, що призводить до утворення структури каркаса або сітки. Така структура обмежує плинність дисперсної системи та надає їй здатності зберігати форму. Порошки, концентровані емульсії та суспензії (пасти), піни, гелі – приклади складнодисперсних систем. Суцільну масу речовини можуть пронизувати пори та капіляри, що утворюють капілярно-дисперсні системи (шкіра, картон, тканини, деревина).

Мал. 3. Зв'язнодисперсні (а-в) та капілярно-дисперсні (г, д) системи: гель (а), коагулянт із щільною (б) та пухкою – арочною (в) структурою.

Дисперсні системи, відповідно до їх проміжного положення між світом молекул і великих тіл, можуть бути отримані двома шляхами: методами диспергування, т.п. е. подрібнення великих тіл, та методами конденсації молекулярно-або іоннорозчинених речовин.

Під взаємодією фаз дисперсних систем мають на увазі процеси сольватації (гідратації у разі водних систем), т.е. е. утворення сольватних (гідратних) оболонок із 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.М. 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 характерно сильне взаємодія частинок ДФ з молекулами ДС. У граничному випадку спостерігається повне розчинення. Ліофільні дисперсні системи утворюються спонтанно внаслідок процесу сольватації. Термодинамічно агрегативно 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. Термодинамічно агрегативно нестійкі (тобто мають тенденцію до мимовільної агрегації частинок дисперсної фази), їх відносна стійкість (так звана метастабільність) обумовлена ​​кінетичними факторами (тобто низькою швидкістю агрегації).

3. Зважи.

Зважи – це дисперсні системи, у яких розмір частинки фази понад 100 нм. Це непрозорі системи, окремі частки яких можна побачити неозброєним оком. Дисперсна фаза та дисперсне середовище легко поділяються відстоюванням, фільтруванням. Такі системи поділяються на:

1. Емульсії (і середовище, і фаза - нерозчинні один в одному рідини). З води та олії можна приготувати емульсію тривалим струшуванням суміші. Це добре відомі вам молоко, лімфа, водоемульсійні фарби тощо.

2. Суспензії(Середовище - рідина, фаза - нерозчинна в ній тверда речовина). Щоб приготувати суспензію, треба речовину подрібнити до тонкого порошку, висипати в рідину і добре збовтати. Згодом частка випаде на дно судини.Очевидно, що менше частинки, тим довше зберігатиметься суспензія. Це будівельні розчини, зважені у воді річкової та морської мул, жива завись мікроскопічних живих організмів у морській воді – планктон, яким живляться гіганти – кити, тощо.

3. Аерозолі суспензії в газі (наприклад, в повітрі) дрібних частинок рідин або твердих речовин. Розрізняються пилу, дими, тумани. Наприклад: туман, грозові хмари – завись у повітрі крапельок води, дим – дрібних твердих частинок. А зміг, що висить над найбільшими містами світу, також аерозоль з твердою і рідкою дисперсною фазою. заводських труб, смоги, дрібні краплинки слини, вилітають з рота хворого на грип, а також шкідливі аеролозі. Аерозолі відіграють важливу роль у природі, побуті та виробничій діяльності людини. 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 та рідкі розчини.

Природна вода завжди містить розчинені речовини.Природні водні розчини беруть участь у процесах ґрунтоутворення та постачають рослини поживними речовинами. Складні процеси життєдіяльності, що відбуваються в організмах людини та тварин, також протікають у розчинах. Багато технологічних процесів у хімічній та інших галузях промисловості, наприклад отримання кислот, металів, паперу, соди, добрив, протікають у розчинах.

4. Колоїдні системи.

Колоїдні системи (у перекладі з грецького “колла” – клей, “єїдос” вид клеєподібні) – це дисперсні системи, у яких розмір частинок фази від 100 до 1 нм. Ці частинки не видно неозброєним оком, і дисперсна фаза та дисперсне середовище в таких системах відстоюванням поділяються насилу.

З курсу загальної біології вам відомо, що частинки такого розміру можна знайти за допомогою ультрамікроскопа, в якому використовується принцип розсіювання світла. Завдяки цьому колоїдна частка в ньому здається яскравою точкою на темному тлі.

Їх поділять 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). І живого організму загалом (кров, лімфа, тканинна рідина, травні соки і т.д.) 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.

Характерна властивість колоїдних розчинів – їхня прозорість.Колоїдні розчини зовні схожі на дійсні розчини. Їх відрізняють від останніх по доріжці, що утворюється, – 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 лісі та кінотеатрах при проходженні променя світла від кіноапарата через повітря кінозалу.

Пропускання променя світла через розчини:

а – істинний розчин натрію хлориду;

б - колоїдний розчин гідроксиду заліза (III).

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. Це пояснюється тим, що речовини в колоїдному, тобто в дрібнороздробленому стані мають велику поверхню. На цій поверхні адсорбуються або позитивно або негативно заряджені іони. Наприклад, кремнієва кислота адсорбує негативні іони SiO₃ 2- , яких у розчині багато внаслідок дисоціації силікату натрію:

Частки ж із однойменними зарядами взаємно відштовхуються і тому не злипаються.

Але за певних умов може відбуватися процес коагуляції. При кип'ятінні деяких колоїдних розчинів відбувається десорбція заряджених іонів, тобто. колоїдні частки втрачають заряд. Починають укрупнюватись і осідають.Те саме спостерігається при приливанні будь-якого електроліту. І тут колоїдна частка притягує себе протилежно заряджений іон та її заряд нейтралізується.

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.

2. Гелі або колодці 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, мармелад, хліб, м'ясо, джем, желе, мармелад, кисіль, сир, сир, кисле молоко, 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 Землі можна одночасно вважати історією еволюції колоїдного стану речовини. Згодом структура гелів порушується (відшаровується) – із них виділяється вода. Це явище називають синерезисом.

Колодязі − це структуровані системи з властивостями еластичних твердих тіл. Студоподібний стан речовини можна розглядати як проміжний між рідким та твердим станом.

Колодязі високомолекулярних речовин можуть бути отримані в основному двома шляхами: методом утворення колодців з розчинів полімерів та методом набухання сухих високомолекулярних речовин у відповідних рідинах.

Процес переходу розчину полімеру або золю в холодець називається студнеутворенням. Студнеутворення пов'язане зі збільшенням в'язкості та уповільненням броунівського руху і полягає в об'єднанні частинок дисперсної фази у формі сітки або осередків та зв'язуванні при цьому всього розчинника.

На процес студнеутворення істотно впливає природа розчинених речовин, форма їх частинок, концентрація, температура, час процесу та домішки інших речовин, особливо електролітів.

На підставі властивостей колодця ділять на дві великі групи:

а) еластичні, або оборотні, одержувані з високомолекулярних речовин;

б) тендітні, або незворотні, що отримуються з неорганічних гідрофобних золів.

Як мовилося раніше, колодці високомолекулярних речовин може бути отримані як методом студнеобразования розчинів, а й методом набухання сухих речовин. Обмежене набухання закінчується утворенням холодця і не переходить у розчинення, а при необмеженому набуханні холодець - проміжна стадія на шляху до розчинення.

Для холодців характерний ряд властивостей твердих тіл: вони зберігають форму, мають пружні властивості і еластичність. Однак їх механічні властивості визначаються концентрацією та температурою.

При нагріванні колодці переходять у в'язкотекучий стан. Цей процес називається плавленням. Він оборотний, оскільки при охолодженні розчин знову утворює холодець.

Багато холодців здатні розріджуватися і переходити в розчини при механічному впливі (перемішування, струшування). Цей процес оборотний, тому що в стані спокою через деякий час розчин утворює холодець. Властивість холодців багаторазово ізотермічно розріджуватися при механічних впливах і утворювати холодець у стані спокою називається тиксотропією. До тиксотропних змін здатні, наприклад, шоколадна маса, маргарин, тісто.

Маючи у своєму складі величезну кількість води, колодці, крім властивостей твердих тіл, мають і властивості рідкого тіла. Вони можуть протікати різні фізико-хімічні процеси: дифузія, хімічні реакції між речовинами.

Свіжоприготовлені колодці з часом піддаються змінам, оскільки процес структурування в колодці продовжується. При цьому на поверхні холодець починають з'являтися крапельки рідини, які, зливаючись, утворюють рідке середовище. Дисперсійне середовище, що утворюється, є розведеним розчином полімеру, а дисперсна фаза - студнеобразная фракція. Такий мимовільний процес поділу колодця на фази, що супроводжується зміною обсягу студія, називає синерезисом (відмокання).

Синерезис сприймається як продовження процесів, що зумовлюють освіту колодець. Швидкість синьорезису різних холодців різна і залежить в основному від температури та концентрації.

Синерезис у холодців, утворених полімерами, частково звернемо. Іноді достатньо нагрівання, щоб холодець, що зазнав синерезису, повернути у вихідний стан. У кулінарній практиці цим способом користуються, наприклад, для освіження каш, пюре, черствого хліба. Якщо при зберіганні холодців виникають хімічні процеси, то синерезис ускладнюється і його оборотність втрачається, відбувається старіння холодця. При цьому холодець втрачає здатність утримувати зв'язану воду (черствіння хліба). Практичне значення синьорезису досить велике. Найчастіше синерезис у побуті та промисловості небажаний. Це черствіння хліба, відмокання мармеладу, желе, карамелі, фруктових джемів.

5.Розчини високомолекулярних речовин.

Полімери, подібно до низькомолекулярних речовин, в залежності 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 дійсний 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 ряд специфічних властивостей:

1. Рівноважні процеси у розчинах ВМС встановлюються повільно.

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

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

4. При перебігу розчинів полімерів виникає анізотропія властивостей (неоднакові фізичні властивості розчину різних напрямах) з допомогою орієнтації молекул у бік 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 набрякають (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: необмежену, закінчується повним розчиненням ВМС (наприклад, набухання желатину у воді, каучуку в бензолі, нітроцелюлози в ацетоні) та обмежене, що призводить до утворення набряклого полімеру - холодець (наприклад, набухання целюлози у воді, желатину в холодній воді, вулканізованого каучуку в бензолі).

Дата завантаження: 2017-05-02 ; переглядів: 19372 ;

Дисперсна система

Чиста речовина у природі зустрічається досить рідко. Більшість із них не є гомогенними, а складаються із суміші різних атомів та молекул. У статті ми поговоримо про те, як речовини можуть бути розподілені в іншій речовині і, при цьому не змішуватись, дамо визначення цього явища.

Що таке дисперсна система?

Дисперсна система – це гетерогенна структура, де найдрібніші частинки однієї речовини рівномірно розподілені в іншій речовині, при цьому вони не поєднуються і не контактують хімічно. Компонент, який займає більший обсяг, має назву "середовище". Компонент, що має менший обсяг, позначається терміном «дисперсна фаза». Частинки фази та середовище мають між собою поверхню розділу. Саме тому дисперсні системи є неоднорідними, тобто гетерогенними.

Дисперсними називають частинки розміром від 1 нм до 10 мкм.

Дисперсні системи (фази та дисперсні частинки) можуть мати будь-який агрегатний стан: рідкий, твердий, газоподібний.Навколишній світ складається з безлічі дисперсних систем. Прикладом може бути грунт, морська вода, продукти та багато іншого.

У дисперсній системі фаз може бути більше двох. У такому разі відокремлюють їх один від одного за допомогою сепарування, центрифугування.

Класифікація дисперсних систем

Як відомо, дисперсні системи можуть перебувати у трьох агрегатних станах. Поєднання цих станів дозволяють виділити 9 видів двофазних дисперсних систем (3 агрегатні стани фаз і три агрегатні стани середовища). Розглянемо таблицю «Дисперсна система»:

За наявності або відсутності взаємодії між частинками дисперсної фази можна виділити два види дисперсних систем:

• вільнодисперсні системи. Сюди відносяться колоїдні розчини, суспензії, суспензії, різноманітні розчини, для яких характерна плинність.
• зв'язково-дисперсні системи. Сюди відносяться структуровані системи, що мають властивості напівтвердого тіла.Наприклад, якщо в зол деяких речовин знизити температуру або збільшити концентрацію, то вони втратить свою плинність. Також до цієї групи належать концентровані пасти, аморфні опади.

Що ми дізналися?

Дисперсна система - гетерогенне середовище, що складається з двох або більше фаз та дисперсійного середовища. Системи можуть існувати у всіх трьох агрегатних станах. Завдяки цьому формуються 9 видів двофазних дисперсних систем.

Дисперсні системи

Дисперсні системи, гетерогенні системи, що складаються з двох і більше фаз із сильно розвиненою поверхнею поділу між ними. Дисперсні системи є сукупністю дрібних твердих частинок, крапель, бульбашок і т.д. буд. (Дисперсна фаза), розподілених в однорідній фазі (дисперсійному середовищі). Основною ознакою, що дозволяє відрізнити дисперсійне середовище від дисперсної фази, є безперервність дисперсійного середовища. Дисперсні системи класифікують за агрегатним станом утворюють систему фаз.

Класифікація дисперсних систем по агрегатному стану утворюючих фаз

Більшість мінералів, тверді золі, деякі сплави

Деякі види мінералів, адсорбентів, каталізаторів

Пінопласти, тверді піни, пористі тіла (активоване вугілля, аерогелі, пемза)

Суспензії, золі, пасти, гелі

Піни, що закипають рідини

Аерозолі (дими, пилу), порошки

Аерозолі (тумани, хмари)

Залежно від розміру частинок дисперсні системи поділяють на грубодисперсні (суспензії), що складаються з частинок розміром понад 1000 нм, і тонкодисперсні (колоїдні системи, колоїди) з розмірами частинок від 1 до 1000 нм. В окрему групу виділяють ультрамікрогетерогенні дисперсні системи із розмірами частинок від 1 до 100 нм.До частинок із розмірами менше 1 нм поняття фази не застосовується, тому що їх розміри наближаються до молекулярних. Тому системи, які з таких частинок, прийнято відносити до істинним (молекулярним) розчинам. Чим ближче розмір частинок дисперсної фази до мінімально можливого, тим більше виявляються масштабні ефекти, тобто залежність різних властивостей системи від розміру частинок. Якщо всі частинки дисперсної фази мають однакові розміри, системи називають монодисперсними; частинки дисперсної фази неоднакового розміру утворюють полідисперсні системи. Іншими важливими характеристиками дисперсних систем є дисперсність (величина, обернена до розміру частинок) і величина міжфазної поверхні.

За ознакою рухливості дисперсної фази дисперсні системи можуть бути вільно або зв'язнодисперсні. У вільнодисперсних системах частинки дисперсної фази не пов'язані між собою і можуть переміщатися незалежно один від одного (золі, у тому числі аерозолі, суспензії, емульсії). У зв'язнодисперсних системах частки під дією сил різної природи утворюють структуру, що перешкоджає їх вільному переміщенню (гелі, у тому числі аерогелі та холоди, піни). Наявність структури надає таким системам певних механічних властивостей (міцність, опір зрушенню, здатність зберігати форму). Мимовільне агрегування та структуроутворення в дисперсних системах стає можливим при досягненні критичної концентрації дисперсної фази та критичного розміру частинок; при наближенні діаметра частинок до критичного сила міжмолекулярної взаємодії частинок стає порівнянною з їхньою вагою, що запобігає руйнуванню дисперсної системи під дією сили тяжіння.

За силою міжмолекулярної взаємодії дисперсної фази з дисперсійним середовищем дисперсні системи поділяють на ліофільні і ліофобні. причини, а також внаслідок участі частинок в тепловому русі ліофільні дисперсні системи є термодинамічно стійкими, можуть існувати необмежено довго, для них характерно самовільне диспергування . слабкою міжфазною взаємодією, значною нескомпенсованістю поверхневих сил (надлишком міжфазної енергії – високим поверхневим натягом). системи на складові її однорідні фази Таким чином, ліофобні дисперсні системи є термодинамічно нестійкими, для їхнього тривалого існування необхідна спеціальна стабілізація.До ліофобних систем належать золі металів, оксидів, сульфідів, високодисперсні емульсії (крім критичних) та ін. Чіткого поділу на ліофільні та ліофобні системи не існує: багато реальних систем займають у такій класифікації проміжне положення.

Зв'язок механічних властивостей дисперсних систем та їх реології з фізико-хімічними явищами на межах розділу фаз, що їх утворюють, вивчає фізико-хімічна механіка. Властивості та закономірності поведінки дисперсних систем у динамічному стані, т.е. е. в умовах проведення більшості хіміко-технологічних гетерогенних процесів досліджує фізико-хімічна динаміка. Динамічні умови ускладнюють мимовільне агрегування дисперсних систем, що виявляється у зменшенні критичного розміру частинок.

Дисперсні системи утворюються в результаті диспергування та конденсації. Дисперсні системи широко поширені в природі (гірські породи, грунти, грунти, атмосферні аерозолі, рослинні та тваринні тканини та інші); використовуються у багатьох технологічних процесах. У вигляді дисперсних систем випускається більшість промислових продуктів та предметів побутового споживання.

Опубліковано 30 червня 2022 р. о 15:21 (GMT+3). Останнє оновлення 30 червня 2022 р. о 15:21 (GMT+3). Зв'язатися з редакцією