De fleste stoffene rundt oss er blandinger av ulike stoffer, så studiet av deres egenskaper spiller en viktig rolle i utviklingen av kjemi, medisin, næringsmiddelindustrien og andre sektorer av økonomien. Artikkelen diskuterer spørsmålene om hva som er graden av spredning, og hvordan det påvirker egenskapene til systemet.
Hva er disperse systemer?
Før man diskuterer spredningsgraden, er det nødvendig å avklare hvilke systemer dette konseptet kan brukes på.
La oss forestille oss at vi har to forskjellige stoffer som kan avvike fra hverandre i kjemisk sammensetning, for eksempel bords alt og rent vann, eller i aggregeringstilstand, for eksempel, det samme vannet i flytende og fast stoff (is) oppgir. Nå må du ta og blande disse to stoffene og blande dem intensivt. Hva blir resultatet? Det avhenger av om den kjemiske reaksjonen fant sted under blanding eller ikke. Når man snakker om spredte systemer, antas det at når dedet skjer ingen reaksjon i formasjonen, det vil si at de opprinnelige stoffene beholder sin struktur på mikronivå og sine iboende fysiske egenskaper, som tetthet, farge, elektrisk ledningsevne og andre.
Dermed er et dispergert system en mekanisk blanding, som et resultat av at to eller flere stoffer blandes med hverandre. Når det dannes, brukes begrepene "spredningsmedium" og "fase". Den første har egenskapen kontinuitet i systemet og finnes som regel i den i en stor relativ mengde. Den andre (dispergerte fasen) er preget av diskontinuitetsegenskapen, det vil si at den i systemet er i form av små partikler, som begrenses av overflaten som skiller dem fra mediet.
homogene og heterogene systemer
Det er klart at disse to komponentene i det spredte systemet vil være forskjellige i sine fysiske egenskaper. Hvis du for eksempel kaster sand i vannet og rører i det, er det klart at sandkornene som finnes i vannet, hvis kjemiske formel er SiO2, ikke vil avvike på noen måte fra staten når de ikke var i vannet. I slike tilfeller snakker man om heterogenitet. Med andre ord er et heterogent system en blanding av flere (to eller flere) faser. Sistnevnte forstås som et begrenset volum av systemet, som er preget av visse egenskaper. I eksemplet ovenfor har vi to faser: sand og vann.
Men størrelsen på partiklene i den dispergerte fasen når de er oppløst i et hvilket som helst medium kan bli så liten at de slutter å vise sine individuelle egenskaper. I dette tilfellet snakker man omhomogene eller homogene stoffer. Selv om de inneholder flere komponenter, danner de alle én fase gjennom hele volumet av systemet. Et eksempel på et homogent system er en løsning av NaCl i vann. Når den løses opp, på grunn av interaksjonen med polare molekyler H2O, brytes NaCl-krystallen ned i separate kationer (Na+) og anioner (Cl).-). De er homogent blandet med vann, og det er ikke lenger mulig å finne grensesnittet mellom oppløst stoff og løsemiddel i et slikt system.
Partikkelstørrelse
Hva er spredningsgraden? Denne verdien må vurderes mer detaljert. Hva representerer hun? Den er omvendt proporsjonal med partikkelstørrelsen til den dispergerte fasen. Det er denne egenskapen som ligger til grunn for klassifiseringen av alle stoffene som vurderes.
Når de studerer spredte systemer, blir studenter ofte forvirret i navnene sine, fordi de tror at klassifiseringen deres også er basert på aggregeringstilstanden. Dette er ikke sant. Blandinger av forskjellige aggregeringstilstander har virkelig forskjellige navn, for eksempel er emulsjoner vannstoffer, og aerosoler antyder allerede eksistensen av en gassfase. Egenskapene til disperse systemer avhenger imidlertid hovedsakelig av partikkelstørrelsen til fasen som er oppløst i dem.
Generelt akseptert klassifisering
Klassifisering av dispergeringssystemer i henhold til spredningsgraden er gitt nedenfor:
- Hvis den betingede partikkelstørrelsen er mindre enn 1 nm, kalles slike systemer reelle eller sanne løsninger.
- Hvis den betingede partikkelstørrelsen ligger mellom 1 nm og100 nm, så vil det aktuelle stoffet bli k alt en kolloidal løsning.
- Hvis partiklene er større enn 100 nm, så snakker vi om suspensjoner eller suspensjoner.
Med hensyn til klassifiseringen ovenfor, la oss avklare to punkter: For det første er de gitte tallene veiledende, det vil si at et system der partikkelstørrelsen er 3 nm er ikke nødvendigvis et kolloid, det kan også være en sann løsning. Dette kan fastslås ved å studere dens fysiske egenskaper. For det andre kan du legge merke til at listen bruker uttrykket "betinget størrelse". Dette skyldes det faktum at formen på partiklene i systemet kan være helt vilkårlig, og i det generelle tilfellet har en kompleks geometri. Derfor snakker de om en gjennomsnittlig (betinget) størrelse på dem.
Senere i artikkelen vil vi gi en kort beskrivelse av de bemerkede typene spredningssystemer.
Ekte løsninger
Som nevnt ovenfor, er spredningsgraden av partikler i reelle løsninger så høy (størrelsen deres er veldig liten, < 1 nm) at det ikke er noen grensesnitt mellom dem og løsningsmidlet (medium), det vil si der er et enfaset homogent system. For fullstendig informasjon husker vi at størrelsen på et atom er i størrelsesorden en ångstrøm (0,1 nm). Det siste tallet indikerer at partiklene i reelle løsninger er atomære i størrelse.
Hovedegenskapene til ekte løsninger som skiller dem fra kolloider og suspensjoner er som følger:
- Tilstanden til løsningen eksisterer i vilkårlig lang tid uendret, det vil si at det ikke dannes utfelling av den dispergerte fasen.
- Oppløststoffet kan ikke skilles fra løsningsmidlet ved filtrering gjennom vanlig papir.
- Stoffet separeres heller ikke som følge av prosessen med å passere gjennom den porøse membranen, som kalles dialyse i kjemi.
- Det er mulig å skille et oppløst stoff fra et løsemiddel bare ved å endre aggregeringstilstanden til sistnevnte, for eksempel ved fordampning.
- For ideelle løsninger kan elektrolyse utføres, det vil si at en elektrisk strøm kan føres hvis en potensialforskjell (to elektroder) påføres systemet.
- De sprer ikke lys.
Et eksempel på sanne løsninger er blanding av ulike s alter med vann, for eksempel NaCl (bords alt), NaHCO3 (natron), KNO 3(kaliumnitrat) og andre.
Kolloidløsninger
Dette er mellomsystemer mellom reelle løsninger og oppheng. Imidlertid har de en rekke unike egenskaper. La oss liste dem opp:
- De er mekanisk stabile i vilkårlig lang tid hvis miljøforholdene ikke endres. Det er nok å varme opp systemet eller endre surheten (pH-verdien), ettersom kolloidet koagulerer (utfelles).
- De separeres ikke med filterpapir, men dialyseprosessen fører til separering av den dispergerte fasen og mediet.
- Som med ekte løsninger, kan de elektrolyseres.
- For transparente kolloidale systemer er den såk alte Tyndall-effekten karakteristisk: Hvis du sender en lysstråle gjennom dette systemet, kan du se det. Det henger sammen medspredning av elektromagnetiske bølger i den synlige delen av spekteret i alle retninger.
- Evne til å adsorbere andre stoffer.
Kolloidale systemer, på grunn av de listede egenskapene, er mye brukt av mennesker i ulike aktivitetsfelt (matindustri, kjemi), og finnes også ofte i naturen. Et eksempel på en kolloid er smør, majones. I naturen er dette tåker, skyer.
Før vi går videre til beskrivelsen av den siste (tredje) klassen av disperse systemer, la oss forklare mer detaljert noen av de navngitte egenskapene for kolloider.
Hva er kolloidale løsninger?
For denne typen disperse systemer kan klassifiseringen gis under hensyntagen til de forskjellige aggregattilstandene til mediet og fasen som er oppløst i det. Nedenfor er den tilsvarende tabellen/
| onsdag/fase | Gass | Væske | Stiv kropp |
| gas | alle gasser er uendelig løselige i hverandre, så de danner alltid sanne løsninger | aerosol (tåke, skyer) | aerosol (røyk) |
| liquid | skum (barbering, pisket krem) | emulsjon (melk, majones, saus) | sol (akvareller) |
| solid body | skum (pimpstein, karbonsjokolade) | gel (gelatin, ost) | sol (rubinkrystall, granitt) |
Tabellen viser at kolloidale stoffer finnes over alt, både i hverdagen og i naturen. Merk at en lignende tabell også kan gis for oppheng, husk at forskjellen medkolloider i dem er bare på størrelse med den dispergerte fasen. Suspensjoner er imidlertid mekanisk ustabile og er derfor av mindre praktisk interesse enn kolloidale systemer.
Årsaken til den mekaniske stabiliteten til kolloider
Hvorfor kan majones ligge lenge i kjøleskapet, og suspenderte partikler i den ikke feller ut? Hvorfor "faller" ikke malingspartikler oppløst i vann til slutt til bunnen av karet? Svaret på disse spørsmålene vil være brownsk bevegelse.
Denne typen bevegelse ble oppdaget i første halvdel av 1800-tallet av den engelske botanikeren Robert Brown, som observerte under et mikroskop hvordan små pollenpartikler beveger seg i vann. Fra et fysisk synspunkt er Brownsk bevegelse en manifestasjon av den kaotiske bevegelsen til flytende molekyler. Dens intensitet øker hvis temperaturen på væsken økes. Det er denne typen bevegelser som gjør at små partikler av kolloidale løsninger er i suspensjon.
Adsorpsjonseiendom
Dispersitet er den gjensidige av gjennomsnittlig partikkelstørrelse. Siden denne størrelsen i kolloider ligger i området fra 1 nm til 100 nm, har de en svært utviklet overflate, det vil si at forholdet S/m er en stor verdi, her er S det totale grensesnittområdet mellom de to fasene (spredningsmedium) og partikler), m - total masse av partikler i løsning.
Atomer som er på overflaten av partiklene i den dispergerte fasen har umettede kjemiske bindinger. Dette betyr at de kan danne forbindelser med andremolekyler. Som regel oppstår disse forbindelsene på grunn av van der Waals-krefter eller hydrogenbindinger. De er i stand til å holde flere lag med molekyler på overflaten av kolloidale partikler.
Et klassisk eksempel på en adsorbent er aktivert karbon. Det er et kolloid, hvor dispersjonsmediet er et fast stoff, og fasen er en gass. Det spesifikke overflatearealet for den kan nå 2500 m2/g.
Finhetsgrad og spesifikt overflateareal
Beregning av S/m er ikke en lett oppgave. Faktum er at partiklene i en kolloidal løsning har forskjellige størrelser, former, og overflaten til hver partikkel har en unik relieff. Derfor fører teoretiske metoder for å løse dette problemet til kvalitative resultater, og ikke til kvantitative. Likevel er det nyttig å gi formelen for det spesifikke overflatearealet fra spredningsgraden.
Hvis vi antar at alle partikler i systemet har en sfærisk form og samme størrelse, får man som et resultat av enkle beregninger følgende uttrykk: Sud=6/(dρ), hvor Sud - overflateareal (spesifikk), d - partikkeldiameter, ρ - tetthet av stoffet den består av. Det kan ses av formelen at de minste og tyngste partiklene vil bidra mest til den aktuelle mengden.
Den eksperimentelle måten å bestemme Sud på er å beregne volumet av gass som adsorberes av stoffet som studeres, samt å måle porestørrelsen (dispergert fase) i den.
Frysetørking oglyofobic
Lofilisitet og lyofobicitet - dette er egenskapene som faktisk bestemmer eksistensen av klassifiseringen av disperse systemer i den formen den er gitt ovenfor. Begge konseptene karakteriserer kraftbindingen mellom molekylene i løsningsmidlet og det løste stoffet. Hvis dette forholdet er stort, snakker de om lyofilisitet. Så alle sanne løsninger av s alter i vann er lyofile, siden partiklene deres (ioner) er elektrisk forbundet med polare molekyler H2O. Hvis vi vurderer slike systemer som smør eller majones, så er disse representanter for typiske hydrofobe kolloider, siden fett (lipid) molekyler i dem frastøter polare molekyler H2O.
Det er viktig å merke seg at lyofobe (hydrofobe hvis løsningsmidlet er vann) systemer er termodynamisk ustabile, noe som skiller dem fra lyofile.
Properties of suspensions
Vurder nå den siste klassen av disperse systemer - suspensjoner. Husk at de er preget av det faktum at den minste partikkelen i dem er større enn eller i størrelsesorden 100 nm. Hvilke egenskaper har de? Den tilsvarende listen er gitt nedenfor:
- De er mekanisk ustabile, så de danner sediment i løpet av kort tid.
- De er overskyet og ugjennomsiktige for sollys.
- Fase kan skilles fra medium med filterpapir.
Eksempler på suspensjoner i naturen inkluderer gjørmete vann i elver eller vulkansk aske. Menneskelig bruk av suspensjoner er assosiert somvanligvis med medisin (medikamentløsninger).
koagulasjon
Hva kan man si om blandinger av stoffer med ulik grad av spredning? Delvis er dette problemet allerede dekket i artikkelen, siden i ethvert dispergert system har partiklene en størrelse som ligger innenfor visse grenser. Her tar vi bare for oss ett merkelig tilfelle. Hva skjer hvis du blander et kolloid og en ekte elektrolyttløsning? Det vektede systemet vil bli ødelagt, og dets koagulering vil skje. Årsaken ligger i påvirkningen av de elektriske feltene til de sanne løsningsionene på overflateladningen til kolloidale partikler.
