Дисперсная система газ жидкое вещество. Дисперсная система. Русские не согласны

В природе достаточно сложно встретить чистое вещество. В разных состояниях они могут образовывать смеси, гомогенные и гетерогенные - дисперсные системы и растворы. Что это за соединения? Каких типов они бывают? Рассмотрим эти вопросы подробнее.

Терминология

Для начала нужно понять, что такое дисперсные системы. Под этим определением понимают гетерогенные структуры, где одно вещество в качестве мельчайших частиц распределено равномерно в объеме другого. Тот компонент, который присутствует в меньшем количестве, называется дисперсной фазой. В ее состав может входить не одно вещество. Компонент, присутствующий в большем объеме, называется средой. Между частицами фазы и ею присутствует поверхность раздела. В связи с этим дисперсные системы именуются неоднородными - гетерогенными. И среда, и фаза могут быть представлены веществами, находящимися в различных агрегатных состояниях: жидком, газообразном либо твердом.

Дисперсные системы и их классификация

В соответствии с величиной частиц, входящих в фазу веществ, различают взвеси и коллоидные структуры. У первых величина элементов более 100 нм, а у вторых - от 100 и до 1 нм. Когда вещество раздроблено до ионов или молекул, чья величина меньше 1 нм, то формируется раствор - гомогенная система. От прочих она отличается своей однородностью и отсутствием поверхности раздела между средой и частицами. Коллоидные дисперсные системы представлены в виде гелей и золей. В свою очередь, взвеси подразделяются на суспензии, эмульсии, аэрозоли. Растворы бывают ионными, молекулярно-ионными и молекулярными.

Взвеси

Эти дисперсные системы включают в себя вещества с размером частиц больше 100 нм. Данные структуры непрозрачны: их отдельные компоненты можно увидеть невооруженным взглядом. Среда и фаза легко разделяются при отстаивании. Что собой представляют взвеси? Они могут быть жидкими либо газообразными. Первые подразделяются на суспензии и эмульсии. Последние являются структурами, в которых среда и фаза - жидкости, нерастворимые друг в друге. К ним можно отнести, например, лимфу, молоко, водоэмульсионную краску и прочие. Суспензией называют структуру, где среда представляет собой жидкость, а фаза является твердым, нерастворимым в ней веществом. Такие дисперсные системы хорошо знакомы многим. К ним, в частности, относят "известковое молоко", морской либо речной ил, взвешенный в воде, микроскопические живые организмы, распространенные в океане (планктон), и прочие.

Аэрозоли

Эти взвеси представляют собой распределенные мелкие частицы жидкости либо твердого вещества в газе. Различают туманы, дымы, пыли. Первый тип представляет собой распределение мелких жидких капелек в газе. Пыли и дымы - это взвеси твердых компонентов. При этом в первых частицы несколько крупнее. К природным аэрозолям относят грозовые тучи, собственно туман. Над крупными промышленными городами висит смог, состоящий из твердых и жидких компонентов, распределенных в газе. Необходимо отметить, что аэрозоли как дисперсные системы имеют большое практическое значение, выполняют важные задачи в производственной и бытовой деятельности. К примерам положительного результата от их применения можно отнести лечение органов дыхания (ингаляции), обработку химикатами полей, распыление краски при помощи пульверизатора.

Коллоидные структуры

Это дисперсные системы, в которых фаза состоит из частиц размером от 100 до 1 нм. Такие компоненты невооруженным глазом не видны. Фаза и среда в данных структурах при помощи отстаивания разделяются с затруднениями. Золи (коллоидные растворы) обнаруживаются в живой клетке и в организме в целом. К этим жидкостям относят ядерный сок, цитоплазму, лимфу, кровь и прочие. Данные дисперсные системы формируют крахмал, клеи, некоторые полимеры, белки. Эти структуры могут быть получены в процессе химических реакций. К примеру, в ходе взаимодействия растворов силикатов натрия или калия с кислотными соединениями формируется соединение кремниевой кислоты. Внешне коллоидная структура схожа с истинной. Однако от последних первые отличаются наличием "светящейся дорожки" - конуса при пропускании луча света через них. В золях содержатся более крупные, нежели в истинных растворах, частицы фазы. Их поверхность отражает свет - и в сосуде наблюдатель может увидеть светящийся конус. В истинном растворе такого явления нет. Аналогичный эффект также можно наблюдать в кинотеатре. В этом случае луч света проходит не через жидкий, а аэрозольный коллоид - воздух зала.

Выпадение частиц в осадок

В коллоидных растворах частицы фазы зачастую не оседают даже в процессе продолжительного хранения, что связано с непрерывными соударениями с молекулами растворителя под влиянием теплового движения. При сближении друг с другом они не слипаются, так как на их поверхностях присутствуют одноименные электрические заряды. Однако при определенных обстоятельствах может произойти процесс коагуляции. Он представляет собой эффект слипания и выпадения в осадок коллоидных частиц. Наблюдается данный процесс при нейтрализации зарядов на поверхности микроскопических элементов при добавлении электролита. В этом случае раствор превращается в гель либо суспензию. В некоторых случаях процесс коагуляции отмечается при нагревании или в случае изменения кислотно-щелочного баланса.

Гели

Эти коллоидные дисперсные системы представляют собой студенистые осадки. Формируются они при коагуляции золей. К этим структурам можно отнести многочисленные полимерные гели, косметические, кондитерские, медицинские субстанции (торт "Птичье молоко", мармелад, желе, холодец, желатин). К ним же относят и природные структуры: опал, тела медуз, волосы, сухожилия, нервную и мышечную ткань, хрящи. Процесс развития жизни на планете Земля можно, собственно, считать и историей эволюции коллоидной системы. С течением времени происходит нарушение гелевой структуры, и из нее начинает выделяться вода. Данное явление носит название синерезиса.

Гомогенные системы

Растворы включают в себя два или больше вещества. Они всегда однофазны, то есть являют собой твердое, газообразное вещество или жидкость. Но в любом случае их структура однородна. Такой эффект объясняется тем, что в одном веществе распределено другое в виде ионов, атомов либо молекул, величина которых меньше 1 нм. В том случае, когда необходимо подчеркнуть отличие раствора от коллоидной структуры, его называют истинным. В процессе кристаллизации жидкого сплава золота и серебра получают твердые разносоставные структуры.

Классификация

Ионные смеси представляют собой структуры с сильными электролитами (кислотами, солями, щелочами - NaOH, НС104 и другие). Еще одним типом являются молекулярно-ионные дисперсные системы. В них присутствует сильный электролит (сероводородная, азотистая кислота и прочие). Последним типом являются молекулярные растворы. Эти структуры включают в себя неэлектролиты - органические вещества (сахарозу, глюкозу, спирт и прочие). Растворителем является компонент, агрегатное состояние которого при образовании раствора не изменяется. Таким элементом может, например, являться вода. В растворе поваренной соли, углекислого газа, сахара она выступает в качестве растворителя. В случае смешивания газов, жидкостей или твердых веществ в качестве растворителя будет выступать тот компонент, которого в соединении окажется больше.

В природе не существует элементов, которые были бы чистыми. В основе своей все они представляют собой различные смеси. Они, в свою очередь, могут быть гетерогенными или гомогенными. Образовываются от веществ в агрегатном состоянии, создавая при этом определенную дисперсионную систему, в которой присутствуют различные фазы. Помимо этого, в смесях обычно присутствует дисперсионная среда. Ее сущность заключается в том, что она считается элементом с большим объемом, в котором распределено какое-либо вещество. В дисперсной системе фаза и среда расположены таким образом, чтобы между ними были частицы поверхности раздела. Поэтому она имеет название гетерогенной или неоднородной. Ввиду этого огромным значением обладает действие поверхности, а не частиц в целом.

Классификация дисперсной системы

Фазу, как известно, представляют вещества, имеющие различное состояние. А эти элементы подразделены на несколько видов. Агрегатное состояние дисперсной фазы зависит от сочетания в ней среды, в результате выходит 9 типов систем:

1. Газ. Жидкость, твердое вещество и рассматриваемый элемент. Гомогенная смесь, туман, пыли, аэрозоли.
2. Жидкая дисперсная фаза. Газ, твердое вещество, вода. Пены, эмульсии, золи.
3. Твердая дисперсная фаза. Жидкость, газ и рассматриваемое в этом случае вещество. Почва, средства в медицине или косметике, горные породы.

Как правило, размеры дисперсной системы определяются по величине частиц фазы. Существует следующая классификация:

• грубые (взвеси);
• тонкие и истинные).

Частицы дисперсионной системы

Разбирая грубые смеси, можно пронаблюдать, что частицы этих соединений в структуре могут быть заметны невооруженным глазом, ввиду того что их размер составляет более 100 нм. Взвеси, как правило, относятся к системе, в которой дисперсная фаза является разделимой от среды. Это происходит потому, что они считаются непрозрачными. Взвеси делятся на эмульсии (нерастворимые жидкости), аэрозоли (мелкие частицы и твердые вещества), суспензии (твердое вещество в воде).

Коллоидным веществом является любое, у которого есть качество того, чтобы другой элемент равномерно рассеивался по нему. То есть оно присутствует, а точнее входит в состав дисперсной фазы. Это состояние, когда один материал полностью распределяется в другом, а точнее в его объеме. В примере с молоком происходит рассеивание жидкого жира в водном растворе. В этом случае меньшая молекула находится в пределах 1 нанометра и 1 микрометра, что делает его невидимым для оптического микроскопа, когда смесь становится гомогенной.

То есть ни одна часть раствора не имеет большей или меньшей концентрации дисперсной фазы, чем любая другая. Можно сказать, что он является коллоидным по своей природе. Более крупный называется сплошной фазой или дисперсионной средой. Поскольку ее размер и распределение не изменяются, а рассматриваемый элемент распространяется по ней. Типы коллоидов включают аэрозоли, эмульсии, пены, дисперсии и смеси, называемые гидрозолями. Каждая подобная система имеет две фазы: дисперсную и непрерывную фазу.

Коллоиды по истории

Интенсивный интерес к таким веществам присутствовал во всех науках в начале 20-го века. Эйнштейн и другие ученые внимательно изучили их характеристики и приложения. В то время, эта новая область науки была ведущей областью исследований для теоретиков, исследователей и производителей. После пика интереса до 1950 года исследование коллоидов значительно уменьшилось. Интересно отметить, что с недавнего зарождения более высокомощных микроскопов и «нанотехнологий» (исследование объектов определенной крошечной шкалы) вновь возрастает научный интерес к исследованию новых материалов.

Подробнее об этих веществах

Существуют элементы, наблюдаемые как в природе, так и в искусственных растворах, обладающих коллоидными свойствами. Например, майонез, косметический лосьон и смазочные материалы являются типами искусственных эмульсий, а молоко представляет собой подобную смесь, которая встречается в природе. Коллоидные пены включают взбитые сливки и пену для бритья, в то время как съедобные элементы включают масло, зефир и желе. В дополнение к пище эти вещества существуют в виде некоторых сплавов, красок, чернил, детергентов, инсектицидов, аэрозолей, пенополистирола и резины. Даже красивые природные объекты, такие как облака, жемчуг и опалы, обладают коллоидными свойствами, потому что у них есть другое вещество, равномерно распределенное через них.

Получение коллоидных смесей

Увеличивая малые молекулы до диапазона от 1 до 1 микрометра, или путем уменьшения больших частиц до того же размера. Могут быть получены коллоидные вещества. Дальнейшее производство зависит от типа элементов, используемых в дисперсных и непрерывных фазах. Коллоиды ведут себя иначе, чем обычные жидкости. И это наблюдается в транспортных и физико-химических свойствах. Например, мембрана может позволить истинному раствору с твердыми молекулами, присоединенными к жидким, пройти через него. В то время как коллоидное вещество, которое имеет твердое тело, диспергированное через жидкость, будет растягиваться мембраной. Четность распределения является однородной до точки микроскопического равенства в промежутке по всему второму элементу.

Истинные растворы

Коллоидная дисперсия имеет представление в виде гомогенной смеси. Элемент состоит из двух систем: непрерывной и дисперсной фазы. Это указывает на то, что этот случай связан с ибо они напрямую связаны с указанной выше смесью, состоящей из нескольких веществ. В коллоиде вторая имеет структуру мельчайших частиц или капель, которые равномерно распределены в первой. От 1 нм до 100 нм - это размер, составляющий дисперсную фазу, а точнее частиц, по меньшей мере в одном измерении. В таком диапазоне дисперсная фаза - это с указанными размерами можно назвать примерные элементы, подходящие под описание: коллоидные аэрозоли, эмульсии, пены, гидрозоли. Подвержены воздействию химического состава поверхности в значительной степени частицы или капли, присутствующие в рассматриваемых составах.

Коллоидные растворы и системы

Следует учитывать факт того, что размеры дисперсной фазы - это трудноизмеримая переменная в системе. Растворы иногда характеризуются собственными свойствами. Чтобы было легче воспринимать показатели составов, коллоиды их напоминают и выглядят почти так же. Например, если имеет диспергированную в жидкости, твердую форму. В результате через мембрану не будут проходить частицы. В то время когда иные компоненты вроде растворенных ионов или молекул способны пройти сквозь нее. Если анализировать проще, то получается, что растворенные компоненты проходят через мембрану, а с рассматриваемой фазой коллоидные частицы не смогут.

Появление и исчезновение цветовых характеристик

Из-за эффекта Тиндалля некоторые подобные вещества полупрозрачны. В структуре элемента он является рассеянием света. Другие системы и составы бывают с каким-то оттенком или вовсе быть непрозрачными, с определенным цветом, пусть некоторые даже с неярким. Многие знакомые вещества, в том числе масло, молоко, сливки, аэрозоли (туман, смог, дым), асфальт, краски, краски, клей и морская пена, являются коллоидами. Эта область исследования была введена в 1861 году шотландским ученым Томасом Грэмом. В некоторых случаях коллоид можно рассматривать как однородную (не гетерогенную) смесь. Это связано с тем, что различие между «растворенным» и «зернистым» веществом иногда может быть предметом подхода.

Гидроколлоидные типы веществ

Данный компонент определяется как коллоидная система, в которой частицы диспергируются в воде. Гидроколлоидные элементы в зависимости от количества жидкости могут принимать различные состояния, например, гель или золь. Бывают необратимыми (односоставными) или обратимыми. Например, агар, второй тип гидроколлоида. Может существовать в состоянии геля и золя, и чередуются между состояниями с добавлением или удалением тепла.

Многие гидроколлоиды получены из природных источников. Например, карраген экстрагируется из водорослей, желатин имеет бычий жир, а пектин из кожуры цитрусовых и яблочного жмыха. Гидроколлоиды используются в пищевых продуктах главным образом для воздействия на текстуру или вязкость (соус). Также применяются для ухода за кожей или как заживляющее средство после ранения.

Сущностные характеристики коллоидных систем

Из этой информации видно, что коллоидные системы - это подраздел дисперсной сферы. Они, в свою очередь, могут быть растворами (золями) или гелями (студни). Первые в большинстве случаев создаются на основе живой химии. Вторые формируются под осадками, которые возникают в процессе коагуляции золей. Растворы могут быть водными с органическими веществами, со слабыми или сильными электролитами. Размеры частиц дисперсной фазы коллоидов от 100 до 1 нм. Их невозможно увидеть невооруженным глазом. В результате отстаивания фазу и среду сложно разделить.

Классификация по типам частиц дисперсной фазы

Многомолекулярные коллоиды. Когда при растворении атомы или более мелкие молекулы веществ (имеющих диаметр менее 1 нм) объединяются вместе для образования частиц подобных размеров. В этих золях дисперсная фаза - это структура, которая состоит из агрегатов атомов или молекул с молекулярным размером менее 1 нм. Например, золото и сера. В этих удерживаются вместе силами Ван-дер-Ваальса. Они обычно имеют лиофильный характер. Это значит значительное взаимодействие частиц.

Высокомолекулярные коллоиды. Это вещества, имеющие молекулы большого размера (так называемые макромолекулы), которые при растворении образуют определенный диаметр. Такие вещества называются макромолекулярными коллоидами. Эти элементы, образующие диспергированную фазу, обычно представляют собой полимеры, имеющие очень высокие молекулярные массы. Естественные макромолекулы представляют собой крахмал, целлюлозу, белки, ферменты, желатин и т. д. Искусственные включают в себя синтетические полимеры, такие как нейлон, полиэтилен, пластмассы, полистирол и т. д. Они обычно лиофобны, что значит в этом случае слабое взаимодействие частиц.

Связанные коллоиды. Это вещества, которые при растворении в среде ведут себя как нормальные электролиты при низкой концентрации. Но представляют из себя коллоидные частицы с большей ферментной составляющей компонентов из-за образования агрегированных элементов. Образующиеся таким образом частицы заполнителей называются мицеллами. Их молекулы содержат как лиофильные, так и лиофобные группы.

Мицеллы. Представляют собой кластерные или агрегированные частицы, образованные ассоциацией коллоида в растворе. Обычными примерами являются мыла и моющие средства. Образование происходит выше определенной температуры Крафта, и выше определенной критической концентрации мицеллизации. Они способны образовывать ионы. Мицеллы могут содержать до 100 молекул и более, например, стеарат натрия является типичным примером. Когда он растворяется в воде, то дает ионы.

Дисперсными называют системы, состоящие из множества малых частиц, распре­деленных в жидкой, твердой или газообразной среде.

Понятие «дисперсный» происходит от лат. dispersus - раздробленный, рассеянный.

Для всех дисперсных систем характерны два основных признака: высокая раздробленность (дисперсность) и гетерогенность.

Гетерогенность дисперсных систем проявляется в том, что эти системы состоят из двух (или более) фаз: дисперсной фазы и диспер­сионной среды. Дисперсная фаза - это раздробленная фаза. Она состоит из частиц нерастворимого тонкоизмельченного вещества, распределенных по всему объему дисперсионной среды.

Высокая дисперсность придает веществам новые качественные признаки: повышенную реакционную способность и растворимость, интенсив­ность окраски, светорассеяние и т. п. Большая поверхность раздела создает в этих системах боль­шой запас поверхностной энергии, которая делает их термодинамически неустойчивыми, чрезвычайно реакционноспособными. В них легко протекают самопроиз­вольные процессы, приводящие к снижению запаса поверхностной энергии: адсорбция, коагуляция (слипание дисперсных частиц), образование макроструктур и т. п. Таким образом, самые важные и неотъемлемые черты всякой дисперсной системы - гегетрогенность и высокая дисперсность - полностью определяют свойства и поведе­ние этих систем.

Классификацию дисперсных систем проводят на основе различных признаков, а именно: по размеру частиц, по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды, по характеру взаимо­действия частиц дисперсной фазы между собой и со средой.

2.2. Классификация дисперсных систем

Классификация по размеру частиц (дисперсности)

Дисперсность D является основной характеристикой дисперс­ной системы и мерой раздробленности вещества. Математически дисперсность определяют как величину, обратную размеру частицы:

D = 1/а ,

где а - размер частицы (диаметр или длина ребра), м -1 .

С другой стороны, для характеристики степени раздроблен­ности служит величина удельной поверхности S уд . Удельную поверх­ность находят как отношение поверхности S частицы к ее объему V или массе т: S уд = S / V или S уд = S / m . Если удельную поверх­ность определяют по отношению к массе частицы раздробленного вещества, то ее размерность м 2 /кг, если же по отношению к объему, то размерность совпадает с размерностью дисперсности (м -1).

Физический смысл понятия «удельная поверхность» заключа­ется в том, что это суммарная поверхность всех частиц, общий объем которых составляет 1м 3 или общая масса которых равна 1 кг.

По дисперсности системы подразделяют на типы:

1) грубо-дисперсные (грубые взвеси, суспензии, эмульсии, порошки) с радиусом частиц 10 -4 - 10 -7 м;

2) коллоидно-дисперсные (золи) с размером частиц 10 -7 - 10 -9 м;

3) молекулярные и ионные растворы с размером частиц менее 10 -9 м.

В коллоидных системах дости­гается высшая степень раздробления вещества, при которой еще сохраняются понятия «фаза» и «гетерогенность». Уменьшение раз­мера частиц еще на порядок переводит системы в гомогенные моле­кулярные или ионные растворы.

Дисперсность влияет на все основные свойства дисперсных систем: кинетические, оптические, каталитические и т. д.

Свойства дисперсных систем сопоставлены в табл. 1.2.

Т а б л и ц а 1.2.Свойства дисперсных систем разных типов

Грубодисперсные	Коллоидно-дисперсные	Молекулярные и ионные (истинные) растворы
Непрозрачные - отражают свет	Прозрачные опалесцирующие - рассеивают свет, да­ют конус Тиндаля	Прозрачные неопалесцирующие, конус Тиндаля не на­блюдается
Частицы не проходят че­рез фильтр	Частицы проходят через бу­мажный фильтр	Частицы проходят через бу­мажный фильтр
	Частицы задерживаются ультрафильтрами	Частицы проходят через льтрафильтры
Гетерогенные	Гетерогенные	Гомогенные
Неустойчивы кинетически и термодинамически	Относительно устойчивы ки­нетически	Устойчивы кинет. и термодинамич.ки
Стареют во времени	Стареют во времени	Не стареют
Частицы видны в оптиче­ский микроскоп	Частицы видны в электрон. Микроскоп и ультрамикроскоп	Частицы не видны в совре­менные микроскопы

Помимо размера частиц большое значение для свойств дисперсных систем имеет геометрическая форма частиц. В зависимости от условий дробления вещества форма частиц дисперсной фазы может быть очень разнообразной. Один м 3 исходного вещества принципиаль­но возможно раздробить на кубики с длиной ребра l = 10 -8 м, вы­тянуть в нить с сечением 10 -8 х 10 -8 м или расплющить в пластину (пленку) толщиной 10 -8 м. В каждом из этих случаев система будет дисперсной со всеми присущими признаками.

Удельная поверхность частиц кубической формы возрастает от исходного значения в 6 м 2 до значения, определяемого по формуле

S уд = S / V = 6l 2 / l 3 = 6 . 10 8 м -1

Для нитей S уд = 4-10 8 м -1 ; для пленки S уд = 2 . 10 8 м -1 .

Частицы кубической, шарообразной или близкой к ним непра­вильной формы характерны для многих коллоидных растворов - золей и более грубодисперсных систем – эмульсий.

Классификация по агрегатному состоянию фаз

Наиболее распространена классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды. Каждая из этих фаз может быть в трех агрегатных состояниях: газообразном, жидком и твердом. Поэтому возможно существо­вание восьми типов коллоидных систем (табл. 1.3). Система «газ в газе» не входит в это число, так как является гомогенной молекуляр­ной, в ней отсутствуют границы раздела. Высокодисперсные коллоидные растворы, относящиеся к типу систем т/ж, носят название золей (от лат. solutio - раствор). Золи, у которых дисперсионной средой является вода, называют гидрозо­лями. Если дисперсионной средой служит органическая жидкость, коллоидный раствор носит название органозоля. Эти последние, в свою очередь, подразделяют на алкозоли, бензозоли, этерозоли и т.п., в которых дисперсионной средой являются соответственно спирт, бензол, эфир и т. д. В зависимости от агрегатного состояния дисперсионной среды различают лиозоли - золи с жидкой дисперсионной средой (от греч. lios - жидкость), аэрозоли - золи с газообразной дисперсионной средой, твердые золи - системы типа т/т. Грубодисперсные системы типа т/ж называют суспензиями, типа ж/ж – эмульсиями.

Таблица 2..2. Основные типы дисперсных систем

Дисп фаза	Дисп.среда
			Не существ.
Жидкость			Туман, облака, аэрозоли жидких лекарств
Твердое тело			Дым, пыль, порошки, аэрозоли твердых лекарств
	Жидкость		Пены, газовые эмульсии
Жидкость			Эмульсии (молоко, лекарственные эмульсии)
Твердое тело			Суспензии, коллоидные растворы
	Твердое тело		Твердые пены, хлеб, пемза, силикагель, активные угли
Жидкость			Жемчуг, капиллярные системы, цементный камень, гели
Твердое тело			Цветные стекла, минералы, сплавы

Классификация по отсутствию или наличию взаимодей­ствия между частицами дисперсной фазы

По кинетическим свойствам дисперсной фазы все дисперсные системы можно подразделить на два класса: свободно-дисперсные, в которых частицы дисперсной фазы не связаны между собой и мо­гут свободно перемещаться (лиозоли, аэрозоли, суспензии, эмуль­сии), и связно-дисперсные, в которых одна из фаз структурно закре­плена и не может перемещаться свободно. К этому классу относят гели и студни, пены, капиллярно-пористые тела (диафрагмы), твердые растворы и др.

Классификация по степени взаимодействия дисперсной фазы с дисперсионной средой

Для характеристики взаимодействия между веществом дисперс­ной фазы и жидкой дисперсионной средой служат понятия «лиофильность» и «лиофобность». Под взаимодействием фаз дисперсных систем подразумевают процессы сольватации (гидратации), т. е. образова­ние сольватных (гидратных) оболочек из молекул дисперсионной среды вокруг частиц дисперсной фазы. Системы, в которых сильно выражено взаимодействие частиц дисперсной фазы с растворителем, называют лиофильными (по отношению к воде - гидрофильными). Если частицы дисперсной фазы состоят из вещества, слабо взаимо­действующего со средой, системы являются лиофобными (по отно­шению к воде - гидрофобными) . Термин «лиофильный» происходит от греч. 1уо - растворяю и philia - любовь; «лиофобный» от 1уо - растворяю и phobia - ненависть, что означает «не любящий растворения». Хорошо сольватирующиеся лиофильные дисперсные системы образуются путем самопроизвольного диспергирования. Такие си­стемы термодинамически устойчивы. Приме­рами таких систем являются дисперсии некоторых глин и поверх­ностно-активных веществ (ПАВ), растворы высокомолекулярных веществ (ВМВ).

У гидрофобных золей частицы состоят из труднорастворимых соединений, отсутствует или слабо выражено сродство дисперсной фазы к растворителю. Такие частицы плохо сольватированы. Гидрофобные золи являются основным классом коллоидных растворов, у которых ярко выражены гетерогенность и высокая удельная поверхность.

Большинство окружающих нас веществ представляют собой смеси различных субстанций, поэтому изучение их свойств играет важную роль в развитии химии, медицины, пищевой промышленности и других отраслей народного хозяйства. В статье рассматриваются вопросы, что такое степень дисперсности, и как она влияет на характеристики системы.

Что такое дисперсные системы?

Прежде чем перейти к обсуждению вопроса о степени дисперсности, необходимо пояснить, к каким системам может применяться это понятие.

Представим себе, что у нас имеются два различных вещества, которые могут отличаться друг от друга химическим составом, например, поваренная соль и чистая вода, или же агрегатным состоянием, например, та же вода в жидком и твердом (лед) состояниях. Теперь необходимо взять и смешать эти две субстанции и интенсивно их перемешать. Какой будет результат? Он зависит от того, прошла при смешивании химическая реакция или нет. Когда речь ведут о дисперсных системах, то полагают, что при их образовании никакой реакции не происходит, то есть исходные вещества сохраняют свое строение на микроуровне и присущие им физические свойства, например, плотность, цвет, электропроводность и другие.

Таким образом, дисперсная система - это механическая смесь, в результате которой два и более вещества смешиваются друг с другом. При ее образовании пользуются понятиями "дисперсионная среда" и "фаза". Первая обладает свойством непрерывности внутри системы и, как правило, находится в ней в большом относительном количестве. Вторая (дисперсная фаза) характеризуется свойством прерывности, то есть в системе она находится в виде мелких частиц, которые ограничены поверхностью, отделяющей их от среды.

Гомогенные и гетерогенные системы

Понятно, что названные две составляющие дисперсной системы будут отличаться по своим физическим свойствам. Например, если бросить в воду песок и размешать его, то понятно, что существующие в воде песчинки, химическая формула которых SiO 2 , ничем не будут отличаться от того состояния, когда они не находились в воде. В таких случаях говорят о гетерогенности. Иными словами, гетерогенная система представляет собой смесь из нескольких (двух и более) фаз. Под последней понимают некоторый конечный объем системы, который характеризуется определенными свойствами. В примере выше имеем две фазы: песок и вода.

Однако размеры частиц дисперсной фазы при их растворении в какой-либо среде могут стать настолько маленькими, что они перестанут проявлять свои индивидуальные свойства. В этом случае говорят о гомогенных или однородных субстанциях. В них хотя и находится несколько компонентов, но все они образуют одну фазу по всему объему системы. Примером гомогенной системы является раствор NaCl в воде. При его растворении из-за взаимодействия с полярными молекулами H 2 O кристалл NaCl распадается на отдельные катионы (Na +) и анионы (Cl -). Они однородно смешиваются с водой, и уже невозможно в такой системе найти границу раздела между растворимым веществом и растворителем.

Размер частиц

Что такое степень дисперсности? Эту величину необходимо рассмотреть подробнее. Что она собой представляет? Она обратно пропорциональна размеру частиц дисперсной фазы. Именно эта характеристика лежит в основе классификации всех рассматриваемых субстанций.

При изучении дисперсных систем студенты часто путаются в их названиях, поскольку полагают, что в основе их классификации также лежит агрегатное состояние. Это неверно. Смеси разных агрегатных состояний действительно имеют разные названия, например, эмульсии - это водяные субстанции, а аэрозоли уже предполагают существование газовой фазы. Однако свойства дисперсных систем зависят главным образом от размера частиц растворенной в них фазы.

Общепринятая классификация

Классификация дисперсных систем по степени дисперсности приведена ниже:

• Если условный размер частиц меньше 1 нм, то такие системы называют настоящими, или истинными растворами.
• Если условный размер частицы лежит в пределах между 1 нм и 100 нм, тогда рассматриваемая субстанция будет называться коллоидным раствором.
• Если же частицы больше 100 нм, то ведут речь о суспензиях или взвесях.

Касательно приведенной классификации проясним два момента: во-первых, приведенный цифры являются ориентировочными, то есть система, в которой размер частиц будет 3 нм, не обязательно является коллоидом, она может представлять собой и истинный раствор. Это можно установить, изучив ее физические свойства. Во-вторых, можно заметить, что в списке используется фраза "условный размер". Связано это с тем, что форма частиц в системе может быть совершенно произвольной, и в общем случае имеет сложную геометрию. Поэтому говорят о некотором среднем (условном) их размере.

Истинные растворы

Как выше было сказано, степень дисперсности частиц в настоящих растворах настолько велика (их размер очень маленький, < 1 нм), что не существует поверхности раздела между ними и растворителем (средой), то есть имеет место однофазная гомогенная система. Для полноты информации напомним, что размер атома составляет порядка одного ангстрема (0,1 нм). Последняя цифра говорит о том, что частицы в настоящих растворах имеют атомные размеры.

Главными свойствами истинных растворов, которые их отличают от коллоидов и суспензий, являются следующие:

• Состояние раствора существует сколь угодно долго в неизменном виде, то есть не образуется осадка дисперсной фазы.
• Растворенную субстанцию нельзя отделить от растворителя путем фильтрации через обычную бумагу.
• Субстанция также не отделяется в результате процесса перехода через пористую мембрану, который называется в химии диализом.
• Отделить от растворителя можно только путем изменения агрегатного состояния последнего, например, путем выпаривания.
• Для можно провести электролиз, то есть пропустить электрический ток, если приложить к системе разность потенциалов (два электрода).
• Они не рассеивают свет.

Примером истинных растворов является смешивание различных солей с водой, например, NaCl (соль поваренная), NaHCO 3 (пищевая сода), KNO 3 (нитрат калия) и другие.

Коллоидные растворы

Это промежуточные системы между настоящими растворами и суспензиями. Тем не менее, они обладают рядом уникальных характеристик. Перечислим их:

• Они сколь угодно долго являются механически стабильными, если не изменяются условия среды. Достаточно нагреть систему или изменить ее кислотность (показатель pH), как коллоид коагулирует (выпадет в осадок).
• Они не разделяются с помощью фильтровальной бумаги, однако, процесс диализ приводит к разделения дисперсной фазы и среды.
• Как и для истинных растворов, для них можно провести электролиз.
• Для прозрачных коллоидных систем характерен так называемый эффект Тиндаля: пропуская луч света через эту систему, можно его увидеть. Связано это с рассеиванием электромагнитных волн видимой части спектра во всех направлениях.
• Способность адсорбировать другие вещества.

Коллоидные системы, благодаря перечисленным свойствам, широко используются человеком в различных сферах деятельности (пищевая промышленность, химия), а также часто встречаются в природе. Примером коллоида является сливочное масло, майонез. В природе это туманы, облака.

Прежде чем переходить к описанию последнего (третьего) класса дисперсных систем, поясним подробнее некоторые из названных свойств для коллоидов.

Какие бывают коллоидные растворы?

Для этого типа дисперсных систем классификацию можно привести, учитывая разные агрегатные состояния среды и растворенной в ней фазы. Ниже дана соответствующая таблица/

Из таблицы видно, что коллоидные субстанции присутствуют повсеместно, как в быту, так и в природе. Отметим, что аналогичную таблицу можно привести также для суспензий, вспоминая, что разница с коллоидами у них заключается только в размере дисперсной фазы. Однако суспензии являются механически нестабильными, поэтому представляют меньший интерес для практики, чем коллоидные системы.

Причина механической стабильности коллоидов

Почему майонез может долго лежать в холодильнике, и взвешенные частицы в нем не выпадают в осадок? Почему растворенные в воде частицы красок со временем не "падают" на дно сосуда? Ответом на эти вопросы будет броуновское движение.

Этот тип движения был открыт в первой половине XIX века английским ботаником Робертом Броуном, который наблюдал под микроскопом, как движутся мелкие частицы пыльцы в воде. С физической точки зрения броуновское движение является проявлением хаотического перемещения молекул жидкости. Его интенсивность увеличивается, если повысить температуру жидкости. Именно этот тип движения заставляет находиться во взвешенном состоянии мелкие частицы коллоидных растворов.

Свойство адсорбции

Дисперсность - это величина, обратная среднему размеру частиц. Поскольку этот размер в коллоидах лежит в пределах от 1 нм до 100 нм, то они обладают очень развитой поверхностью, то есть отношение S/m является большой величиной, здесь S - суммарная площадь раздела между двумя фазами (дисперсионной средой и частицами), m - общая масса частиц в растворе.

Атомы, которые находятся на поверхности частиц дисперсной фазы, обладают ненасыщенными химическими связями. Это означает, что они могут образовывать соединения с другими молекулами. Как правило, эти соединения возникают за счет ван-дер-ваальсовых сил либо водородных связей. Они способны удержать несколько слоев молекул на поверхности коллоидных частиц.

Классическим примером адсорбента является активированный уголь. Он представляет собой коллоид, где дисперсионной средой является твердое тело, а фазой - газ. Удельная площадь поверхности для него может достигать 2500 м 2 /г.

Степень дисперсности и удельная поверхность

Расчет величины S/m является непростой задачей. Дело в том, что частицы в коллоидном растворе имеют различные размеры, форму, а также поверхность каждой частицы обладает уникальным рельефом. Поэтому теоретические методы решения этой задачи приводят к качественным результатам, а не к количественным. Тем не менее, полезно привести от степени дисперсности формулу удельной поверхности.

Если положить, что все частицы системы имеют сферическую форму и одинаковые размеры, тогда в результате незамысловатых расчетов получается такое выражение: S ud = 6/(d*ρ), где S ud - площадь поверхности (удельная), d - диаметр частицы, ρ - плотность вещества, из которого она состоит. Из формулы видно, что частицы самые маленькие и самые тяжелые будут давать наибольший вклад в рассматриваемую величину.

Экспериментальный способ определения S ud заключается в вычислении объема газа, который адсорбируется исследуемым веществом, а также в измерении размера пор (дисперсная фаза) в нем.

Системы лиофильные и лиофобные

Лиофильность и лиофобность - это те характеристики, которые, по сути, обуславливают существование классификации дисперсных систем в том виде, в котором она приведена выше. Оба понятия характеризуют силовую связь между молекулами растворителя и растворяемого вещества. Если эта связь велика, то говорят о лиофильности. Так, все солей в воде являются лиофильными, поскольку их частицы (ионы) электрически связаны с полярными молекулами H 2 O. Если же рассматривать такие системы, как сливочное масло или майонез, то это представители типичных гидрофобных коллоидов, покольку в них молекулы жиров (липидов) отталкиваются от полярных молекул H 2 O.

Важно отметить, что лиофобные (гидрофобные, если растворителем является вода) системы являются термодинамически нестабильными, что их отличает от лиофильных.

Свойства суспензий

Теперь рассмотрим последний класс дисперсных систем - суспензии. Напомним, что они характеризуются тем, что самая маленькая частица в них больше или порядка 100 нм. Какими свойствами они обладают? Ниже дан соответствующий список:

• Они механически нестабильны, поэтому за короткий промежуток времени в них образуется осадок.
• Они являются мутными и непрозрачными для солнечных лучей.
• Фазу от среды можно отделить с помощью фильтровальной бумаги.

Примерами суспензий в природе можно назвать мутную воду в реках или вулканический пепел. Использование человеком суспензий связано, как правило, с медициной (растворы лекарственных препаратов).

Коагуляция

Что можно сказать смесях веществ с различной степенью дисперсности? Частично этот вопрос уже был освещен в статье, поскольку в любой дисперсной системе частицы имеют размер, лежащий в некоторых пределах. Здесь лишь рассмотрим один любопытный случай. Что будет, если смешать коллоид и истинный раствор электролита? Взвешенная система нарушится, и произойдет ее коагуляция. Причина ее заключается во влиянии электрических полей ионов истинного раствора на поверхностный заряд коллоидных частиц.

№6. Классификацию дисперсных систем см. табл. 3.

КЛАССИФИКАЦИЯ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ Таблица ПО АГРЕГАТНОМУ СОСТОЯНИЮ
Дисперсионная среда	Дисперсная	Примеры некоторых природных и бытовых дисперсных систем
	Жидкость	Туман, попутный газ с капельками нефти, карбюраторная смесь в двигателях автомобилей (капельки бензина в воздухе), аэрозоли
	Твердое вещество	Пыль в воздухе, дымы, смог, самумы (пыльные и песчаные бури), твердые аэрозоли
Жидкость		Шипучие напитки, пены
	Жидкость	Эмульсии. Жидкие среды организма (плазма крови, лимфа, пищеварительные соки), жидкое содержимое клеток (цитоплазма, кариоплазма)
	Твердое вещество	Золи, гели, пасты (кисели, студни, клеи). Речной и морской ил, взвешенные в воде; строительные растворы
Твердое вещество,		Снежный наст с пузырьками воздуха в нем, почва, текстильные ткани, кирпич и керамика, поролон, пористый шоколад, порошки
	Жидкость	Влажная почва, медицинские и косметические средства (мази, тушь, помада и т. д.)
	Твердое вещество	Горные породы, цветные стекла, некоторые сплавы