Диспе́рсная систе́ма - образования из двух или большего числа фаз (тел) , которые практически не смешиваются и не реагируют друг с другом химически. В типичном случае двухфазной системы первое из веществ (дисперсная фаза ) мелко распределено во втором (дисперсионная среда ). Если фаз несколько, их можно отделить друг от друга физическим способом (центрифугировать, сепарировать и т.д.).
Обычно дисперсные системы - это коллоидные растворы , золи . К дисперсным системам относят также случай твёрдой дисперсной среды, в которой находится дисперсная фаза. Растворы высокомолекулярных соединений также обладают всеми свойствами дисперсных систем.
Классификация дисперсных систем
Наиболее общая классификация дисперсных систем основана на различии в агрегатном состоянии дисперсионной среды и дисперсной фазы (фаз). Сочетания трёх видов агрегатного состояния позволяют выделить девять видов двухфазных дисперсных систем. Для краткости записи их принято обозначать дробью, числитель которой указывает на дисперсную фазу, а знаменатель на дисперсионную среду; например, для системы «газ в жидкости» принято обозначение Г/Ж.
| Обозначение | Дисперсная фаза | Дисперсионная среда | Название и пример |
|---|---|---|---|
| Г/Г | Газообразная | Газообразная | Всегда гомогенная смесь (воздух, природный газ) |
| Ж/Г | Жидкая | Газообразная | Аэрозоли: туманы , облака |
| Т/Г | Твёрдая | Газообразная | Аэрозоли (пыли, дымы), порошкообразные вещества |
| Г/Ж | Газообразная | Жидкая | Газовые эмульсии и пены |
| Ж/Ж | Жидкая | Жидкая | Эмульсии: нефть , крем , молоко |
| Т/Ж | Твёрдая | Жидкая | Суспензии и золи: пульпа, ил , взвесь , паста |
| Г/Т | Газообразная | Твёрдая | Пористые тела: пенополимеры , пемза |
| Ж/Т | Жидкая | Твёрдая | Капиллярные системы (заполненные жидкостью пористые тела): грунт , почва |
| Т/Т | Твёрдая | Твёрдая | Твёрдые гетерогенные системы: сплавы , бетон , ситаллы , композиционные материалы |
По кинетическим свойствам дисперсной фазы двухфазные дисперсные системы можно разделить на два класса:
- Свободнодисперсные системы , у которых дисперсная фаза подвижна;
- Связнодисперсные системы , у которых дисперсионная среда твёрдая, а частицы их дисперсной фазы связаны между собой и не могут свободно перемещаться.
В свою очередь, эти системы классифицируются по степени дисперсности .
Системы с одинаковыми по размерам частицами дисперсной фазы называются монодисперсными, а с неодинаковыми по размеру частицами - полидисперсными. Как правило, окружающие нас реальные системы полидисперсны.
Встречаются и дисперсные системы с бо́льшим числом фаз - сложные дисперсные системы. Например, при вскипании жидкой дисперсионной среды с твёрдой дисперсной фазой получается трёхфазная система «пар - капли - твёрдые частицы» .
Другим примером сложной дисперсной системы может служить молоко , основными составными частями которого (не считая воды) являются жир , казеин и молочный сахар . Жир находится в виде эмульсии и при стоянии молока постепенно поднимается кверху (сливки). Казеин содержится в виде коллоидного раствора и самопроизвольно не выделяется, но легко может быть осаждён (в виде творога) при подкислении молока, например, уксусом. В естественных условиях выделение казеина происходит при скисании молока . Наконец, молочный сахар находится в виде молекулярного раствора и выделяется лишь при испарении воды.
Свободнодисперсные системы
Свободнодисперсные системы по размерам частиц подразделяют на:
Ультрамикрогетерогенные системы также называют коллоидными или золями . В зависимости от природы дисперсионной среды, золи подразделяют на твёрдые золи, аэрозоли (золи с газообразной дисперсионной средой) и лиозоли (золи с жидкой дисперсионной средой). К микрогетерогенным системам относят суспензии , эмульсии , пены и порошки. Наиболее распространёнными грубодисперсными системами являются системы «твёрдое тело - газ» (например, песок).
Коллоидные системы играют огромную роль в биологии и человеческой жизни. В биологических жидкостях организма ряд веществ находится в коллоидном состоянии. Биологические объекты (мышечные и нервные клетки , кровь и другие биологические жидкости) можно рассматривать как коллоидные растворы. Дисперсионной средой крови является плазма - водный раствор неорганических солей и белков .
Связнодисперсные системы
Пористые материалы
Пористые материалы по размерам пор подразделяют, согласно классификации М. М. Дубинина , на:
По геометрическим признакам пористые структуры подразделяются на регулярные (у которых в объёме тела наблюдается правильное чередование отдельных пор или полостей и соединяющих их каналов) и стохастические (в которых ориентация, форма, размеры, взаимное расположение и взаимосвязи пор носят случайный характер). Для большинства пористых материалов характерна стохастическая структура. Имеет значение и характер пор: открытые поры сообщаются с поверхностью тела так, что через них возможна фильтрация жидкости или газа; тупиковые поры также сообщаются с поверхностью тела, но их наличие на проницаемости материала не сказывается; закрытые поры .
Твёрдые гетерогенные системы
Характерным примером твёрдых гетерогенных систем являются получившие в последнее время широкое распространение композиционные материалы (композиты) - искусственно созданные сплошные, но неоднородные, материалы, которые состоят из двух или более компонентов с чёткими границами раздела между ними. В большинстве таких материалов (за исключением слоистых) компоненты можно разделить на матрицу и включённые в неё армирующие элементы ; при этом армирующие элементы обычно отвечают за механические характеристики материала, а матрица обеспечивает совместную работу армирующих элементов. К числу старейших композиционных материалов относятся саман , железобетон , булат , папье-маше . Ныне широко распространены
КАЛИНИНГРАДСКИЙ ТОРГОВО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ КОЛЛЕДЖ
филиал федерального государственного бюджетного
образовательного учреждения высшего профессионального образования
РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАРОДНОГО ХОЗЯЙСТВА и ГОСУДАРСТВЕННОЙ СЛУЖБЫ
при ПРЕЗИДЕНТЕ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Опорный конспект
Тема: «Дисперсные системы»
Калининград, 2013
Тема: «Дисперсные системы»
Дисперсные системы – системы, состоящие из множества малых частиц, распределенных в жидкой, твердой или газообразной среде.
Дисперсная система включает в себя два обязательных компонента – это дисперсная фаза - измельченное вещество дисперсионная среда – вещество, в котором распределена дисперсная фаза.Для всех дисперсных систем характерны два основных признака:
Высокая дисперсность.
Гетерогенность.
Дисперсные системы
Тонко дисперсные
Коллоидные системы Грубо дсперсные
Суспензии Золи Истинные
Эмульсии Гели
Аэрозоли
Классификация дисперсных систем
По агрегатному состоянию фаз
Основные типы дисперсных систем
Дисперсионная среда
По размеру частиц
По степени дисперсности системы распределяют на типы
Грубодисперсные с радиусом частиц более 100 нм
Коллоидно-дисперсные (золи) с размером частиц 100 нм до 1 нм.
Молекулярные или ионные растворы с размером частиц менее 1 нм.
Грубодисперсные системы.
Эмульсии (и среда, и фаза - нерастворимые друг в друге жидкости, в которых одна из жидкостей взвешена в другой в виде капелек). Это молоко, лимфа, водоэмульсионные краски, сметана, майонез, мороженное.и т. д.;
Суспензии (среда - жидкость, а фаза - нерастворимое в ней твердое вещество). Это строительные растворы (например, «известковое молоко» для побелки), взвешенный в воде речной и морской ил, протертый суп.
Аэрозоли - дисперсные системы, дисперсионной средой которых является газ, а дисперсной фазой могут быть твердые частицы или капельки жидкости. Различают пыли, дымы, туманы. Первые два вида аэрозолей представляют собой взвеси твердых частиц в газе (более крупные частицы в пылях), последний - взвесь мелких капелек жидкости в газе. Биоаэрозоли – пыльца и споры растений.
Пены - высококонцентрированные грубодисперсные системы, в которых дисперсионная среда жидкость, а дисперсная фаза газ.
Порошки – дисперсная фаза – твердое вещество, а дисперсионная среде – газ.
Грубодисперсные системы неустойчивы.
Коллоидные системы
Коллоидные системы - это такие дисперсные системы, в которых размер частиц фазы от 100 до 1 нм. Эти частицы не видны невооруженным глазом, и дисперсная фаза и дисперсионная среда в таких системах отстаиванием разделяются с трудом. Их подразделяют на золи (коллоидные растворы) и гели (студни). 1. Коллоидные растворы, или золи . Это большинство жидкостей живой клетки (цитоплазма, ядерный сок, содержимое органоидов и вакуолей) и живого организма в целом (кровь, лимфа, тканевая жидкость, пищеварительные соки). Такие системы образуют клеи, крахмал, белки, некоторые полимеры. Коллоидные растворы внешне похожи на истинные растворы. Их отличают от последних по образующейся «светящейся дорожке» - конусу при пропускании через них луча света.
Это явление называют эффектом Тиндаля. Более крупные, чем в истинном растворе, частицы дисперсной фазы золя отражают свет от своей поверхности, и наблюдатель видит в сосуде с коллоидным раствором светящийся конус. В истинном растворе он не образуется. Аналогичный эффект, но только для аэрозольного, а не жидкого коллоида, вы можете наблюдать в кинотеатрах при прохождении луча света от киноаппарата через воздух кинозала.
Частицы дисперсной фазы коллоидных растворов нередко не оседают даже при длительном хранении из-за непрерывных соударений с молекулами растворителя за счет теплового движения. Они не слипаются и при сближении друг с другом из-за наличия на их поверхности одноименных электрических зарядов. Но при определенных условиях может происходить процесс коагуляции.
Коагуляция
- явление слипания коллоидных частиц и выпадения их в осадок - наблюдается при нейтрализации зарядов этих частиц, когда в коллоидный раствор добавляют электролит. При этом раствор превращается в суспензию или гель. Некоторые органические коллоиды коагулируют при нагревании (клей, яичный белок) или при изменении кислотно-щелочной среды раствора.
2.
Гели,
или студни, представляющие собой студенистые осадки, образующиеся при коагуляции золей. К ним относят большое количество полимерных гелей, столь хорошо известные вам кондитерские, косметические и медицинские гели (желатин, холодец, желе, мармелад, торт «Птичье молоко») и конечно же бесконечное множество природных гелей: минералы (опал), тела медуз, хрящи, сухожилия, волосы, мышечная и нервная ткани и т. д. Со временем структура гелей нарушается - из них выделяется вода. Это явление называют
синерезисом.
Растворы
Раствор - гомогенная (однородная) система, состоящая из частиц растворенного вещества, растворителя и продуктов их взаимодействия Растворы всегда однофазны, то есть представляют собой однородный газ, жидкость или твердое вещество. Это связано с тем, что одно из веществ распределено в массе другого в виде молекул, атомов или ионов (размер частиц менее 1 нм). Растворы называют истинными, если требуется подчеркнуть их отличие от коллоидных растворов.Таблица
Примеры дисперсных систем
Дисперсионная среда
Вопросы для самопроверки
- Что называется дисперсной системой, фазой, средой?
Как связать дисперсность с размером частиц?
Какие дисперсные системы относятся к коллоидным?
Что такое коагуляция и какие факторы ее вызывают?
Каково практическое значение коагуляции?
Что называется суспензией?
Каковы основные свойства суспензий?
Что такое эмульсия и как можно ее разрушить?
Где применяютя аэрозоли?
Какие существуют способы разрушения аэрозолей?
Техника безопасности при работе со спиртовками
При работе со спиртовками надо соблюдать правила техники безопасности.
Необходимо использовать спиртовку только по назначению, указанному в ее техническом паспорте.
Запрещается заправлять спиртовку вблизи устройств с открытым пламенем.
Не заполнять спиртовку топливом более чем наполовину объема резервуара.
Нельзя перемещать или переносить спиртовку с горящим фитилем.
Заправлять спиртовку только этиловым спиртом.
Гасить пламя спиртовки только посредством колпачка.
Не держать на рабочем столе, где используется спиртовка, легковоспламеняющиеся вещества и материалы, способные воспламеняться от кратковременного воздействия источника зажигания с низкой тепловой энергией (пламя спички,спиртовки).
При работе не наклонять спиртовку, а при возникновении такой необходимости, использовать спиртовки, работающие в наклонном положении (граненые спиртовки).
При опрокидывании спиртовки и разливе на столе горящего спирта немедленно накройте спиртовку плотной тканью, а при необходимости используйте для гашения пламени и огнетушитель.
Помещение в котором производится работа со спиртовкой (спиртовками) должно быть оснащено первичными средствами пожаротушения, например, порошковым огнетушителем марки ОП-1 или ОП-2.
Литература
- А.Д. Зимон «Занимательная коллоидная химия», Москва, «Агар, 2008 г.
Н.А. Жарких «Химия для экономических колледжей», Ростов – на Дону, «Феникс», 2008 г
Физическая и коллоидная химия в общественном питании, Москва, Альфа - М 2010.
Э.А. Арустамов «Природопользование», Москва, «Дашков и К»,2008.
http://ru.wikipedia.org
http://festival.1september.ru/articles/575855/
|
Признак классификации |
Название системы |
|
Размер частиц дисперсной фазы : |
|
|
Ультрамикрогетерогенная (наносистема) |
|
|
Ультрадисперсная |
|
|
10 нм – 1 мкм |
Высокодисперсная |
|
1 – 100 мкм |
Грубодисперсная |
|
Фракционный состав частиц дисперсной фазы : |
|
|
частицы одинакового размера |
Монодисперсная |
|
частицы разного размера |
Полидисперсная |
|
Концентрация частиц дисперсной фазы : |
|
|
Свободнодисперсная или связнодисперсная |
|
|
Связнодисперсная или свободнодисперсная |
|
|
Характер взаимодействия дисперсных частиц с дисперсионной средой : |
|
|
Лиофобная |
|
|
Лиофильная |
|
|
Характер распределения фаз : |
|
|
сплошное |
Континуальная |
|
сетка тонких прослоек |
Биконтинуальная |
|
Форма частиц : |
|
|
Длина, ширина и толщина примерно одинакова (от 1 нм до 10 мкм) |
Объёмные (трехмерные) |
|
толщина одинакова (1 нм – 10 мкм), а длина и ширина значительно больше и могут иметь макроскопические значения (более 100 мкм) |
Поверхностные (двухмерные) |
|
очень тонкие нити, волокна, диаметр поперечного сечения составляет от 1 нм до 10 мкм |
Линейные (одномерные) |
|
сферическая, кубическая |
Симметричные |
|
эллипсоидная, призматическая |
Анизодиаметричные |
Классификация по агрегатному состоянию. Наиболее общая классификация дисперсных систем основана на различии в агрегатном состоянии дисперсионной среди и дисперсной фазы. Сочетания трех видов агрегатного состояния позволяют выделить девять видов дисперсных систем. Для краткости записи их принято обозначать дробью, числитель которой указывает на дисперсную фазу, а знаменатель на дисперсионную среду, например для системы "газ в жидкости" принято обозначение Г/Ж.
Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды
|
Обозначение |
Дисперсная фаза |
Дисперсионная среда |
Название и пример |
|
Эмульсии: нефть, крем, молоко |
|||
|
Суспензии и золи: пульпа, ил, взвесь, паста |
|||
|
Газообразная |
Газовые эмульсии, пены, газированная вода |
||
|
Капиллярные системы: жидкость в пористых телах, грунт, почва, клетки, жемчуг |
|||
|
Твердые гетерогенные системы: сплавы, бетон, ситаллы, композиционные материалы, горные породы |
|||
|
Газообразная |
Пористые тела, мембраны, пемзы |
||
|
Газообразная |
Аэрозоли: туманы, облака |
||
|
Газообразная |
Аэрозоли (пыли, дымы), порошки |
||
|
Газообразная |
Газообразная |
Дисперсная система не образуется |
Все перечисленные комбинации возможны и реально существуют.
Несколько особняком стоит первый случай - Г 1 /Г 2 . Как правило, смеси газов образуют гомогенную молекулярно-дисперсную систему. И только некоторые газы при высоком давлении способны давать смесь с ограниченной растворимостью - гетерогенные смеси. Следует также отметить своеобразие таких систем, как пены, пенопласты, концентрированные эмульсии, пасты. Своеобразие заключается в том, что в этом случае диспергирована не только дисперсная фаза, но и дисперсионная среда, так как частицы диспергированного материала разделены тончайшей пленкой среды; толщина пленки может достигать коллоидных размеров, т. е. среда также коллоидно-дисперсна, но только в одном измерении - по толщине.
В коллоидно-дисперсном состоянии дисперсная фаза состоит из сравнительно небольшого числа молекул. Отдельные коллоидные частицы представляют собой, по существу, зародыши фазы, агрегатное состояние которой иногда трудно установить с полной уверенностью.
Кроме того, опыт показывает, что различие в агрегатном состоянии диспергированного вещества (при неизменном агрегатном состоянии дисперсионной среды) не влечет за собой существенных изменений в свойствах коллоидной системы. В связи с этим классификация упрощается, и возможные девять типов дисперсных систем можно свести к трем - по агрегатному состоянию среды: системы с газообразной, жидкой и твердой средой. Для краткости их именуют соответственно аэрозоли, лиозоли и солидозоли. В зависимости от природы дисперсионной среды лиозоли называют гидрозолями, алкозолями, этерозолями и т. д. Дисперсионной средой этих золей является соответственно вода, спирт, эфир. Микрогетерогенные системы с жидкой дисперсионной средой и твердой дисперсной фазой называют суспензиями, с жидкой дисперсной фазой - эмульсиями.
Указанные три группы золей существенно отличаются друг от друга свойствами, в частности устойчивостью. Вопрос об устойчивости коллоидных систем - это очень важный вопрос, касающийся непосредственно самого их существования. Поэтому он заслуживает более внимательного рассмотрения. Ранее уже отмечалось, что коллоидно-дисперсные системы термодинамически неустойчивы. Но это положение следует уточнить, тем более, что для различных золей (аэрозолей, лиозолей, солидозолей) окончательная обстановка складывается неодинаковой.
Суспензии - дисперсные системы, в которых дисперсной фазой является твердое вещество, а дисперсионной средой - жидкость, - причем твердое вещество практически нерастворимо в жидкости. Чтобы приготовить суспензию, надо вещество измельчить до тонкого порошка, высыпать в жидкость, в которой вещество не растворяется, и хорошо взболтать (например, взбалтывание глины в воде). Со временем частички выпадут на дно сосуда. Этот процесс называется седиментацией . Очевидно, чем меньше частички, тем дольше будет сохраняться суспензия. Поэтому седиментационная неустойчивость тем выше, чем крупнее частицы.
Эмульсии - дисперсные системы, в которых и дисперсная фаза и дисперсионная среда являются жидкостями, взаимно не смешивающихся. Из воды и масла можно приготовить эмульсию длительным встряхиванием смеси. Примером эмульсии является молоко, в котором мелкие шарики жира плавают в жидкости. Суспензии и эмульсии - двухфазные системы.
Пены . Как и эмульсии, пены - грубодисперсные системы, Поэтому во многих технологических процессах пены получают теми же диспергационными методами, которые применяют для получения газовых пузырьков.
Аэрозоль – дисперсная система, состоящая из мелких, твёрдых или жидких частиц, взвешенных в газовой среде. Аэрозоли, дисперсная фаза которых состоит из капелек жидкости, называются туманами, а в случае твёрдой дисперсной фазы – дымами. Пыль относят к грубодисперсным аэрозолям.
По размерам частиц свободнодисперсные системы подразделяются
Ультрамикрогетерогенные системы также называют коллоидными растворами или золями . В зависимости от природы дисперсионной среды, золи подразделяют на твердые золи, аэрозоли (золи с газообразной дисперсионной средой) и лиозоли (золи с жидкой дисперсионной средой). К микрогетерогенным системам относят суспензии, эмульсии, пены и порошки. Наиболее распространёнными грубодисперсными системами являются системы твёрдое вещество-газ, например, песок. Связнодисперсные системы (пористые тела) по классификации М.М. Дубинина подразделяют на группы
Чистые вещества в природе встречаются очень редко. Смеси разных веществ в различных агрегатных состояниях могут образовывать гетерогенные и гомогенные системы - дисперсные системы и растворы.
То вещество, которое присутствует в меньшем количестве и распределено в объеме другого, называют дисперсной фазой. Она может состоять из нескольких веществ.
Вещество, присутствующее в большем количестве, в объеме которого распределена дисперсная фаза, называют дисперсионной средой. Между ней и частицами дисперсной фазы существует поверхность раздела, поэтому дисперсные системы называют гетерогенными (неоднородными).
И дисперсионную среду, и дисперсную фазу могут представлять вещества, находящиеся в различных агрегатных состояниях - твердом, жидком и газообразном.
В зависимости от сочетания агрегатного состояния дисперсионной среды и дисперсной фазы можно выделить 8 видов таких систем (табл. 11).
Таблица 11
Примеры дисперсных систем
По величине частиц веществ, составляющих дисперсную фазу, дисперсные системы делят на грубодисперсные (взвеси) с размерами частиц более 100 нм и тонкодисперсные (коллоидные растворы или коллоидные системы) с размерами частиц от 100 до 1 нм. Если же вещество раздроблено до молекул или ионов размером менее 1 нм, образуется гомогенная система - раствор. Она однородна (гомогенна), поверхности раздела между частицами дисперсной фазы и средой нет.
Уже беглое знакомство с дисперсными системами и растворами показывает, насколько они важны в повседневной жизни и в природе (см. табл. 11).
Судите сами: без нильского ила не состоялась бы великая цивилизация Древнего Египта; без воды, воздуха, горных пород и минералов вообще бы не существовала живая планета - наш общий дом - Земля; без клеток не было бы живых организмов и т. д.
Классификация дисперсных систем и растворов представлена на схеме 2.
Схема 2
Классификация дисперсных систем и растворов
Взвеси
Взвеси - это дисперсные системы, в которых размер частиц фазы более 100 нм. Это непрозрачные системы, отдельные частицы которых можно заметить невооруженным глазом. Дисперсная фаза и дисперсионная среда легко разделяются отстаиванием. Такие системы разделяют на три группы:
- эмульсии (и среда, и фаза - нерастворимые друг в друге жидкости). Это хорошо известные вам молоко, лимфа, водоэмульсионные краски и т. д.;
- суспензии (среда - жидкость, а фаза - нерастворимое в ней твердое вещество). Это строительные растворы (например, «известковое молоко» для побелки), взвешенный в воде речной и морской ил, живая взвесь микроскопических живых организмов в морской воде - планктон, которым питаются гиганты киты, и т. д.;
- аэрозоли - взвеси в газе (например, в воздухе) мелких частиц жидкостей или твердых веществ. Различают пыли, дымы, туманы. Первые два вида аэрозолей представляют собой взвеси твердых частиц в газе (более крупные частицы в пылях), последний - взвесь мелких капелек жидкости в газе. Например, природные аэрозоли: туман, грозовые тучи - взвесь в воздухе капелек воды, дым - мелких твердых частиц. А смог, висящий над крупнейшими городами мира, также аэрозоль с твердой и жидкой дисперсной фазой. Жители населенных пунктов вблизи цементных заводов страдают от всегда висящей в воздухе тончайшей цементной пыли, образующейся при размоле цементного сырья и продукта его обжига - клинкера. Аналогичные вредные аэрозоли - пыли - имеются и в городах с металлургическими производствами. Дым заводских труб, смоги, мельчайшие капельки слюны, вылетающие изо рта больного гриппом, также вредные аэрозоли.
Аэрозоли играют важную роль в природе, быту и производственной деятельности человека. Скопления облаков, обработка полей химикатами, нанесение лакокрасочных покрытий при помощи пульверизатора, распыление топлива, выработка сухих молочных продуктов, лечение дыхательных путей (ингаляция) - примеры тех явлений и процессов, где аэрозоли приносят пользу.
Аэрозоли - туманы над морским прибоем, вблизи водопадов и фонтанов, возникающая в них радуга доставляет человеку радость, эстетическое удовольствие.
Для химии наибольшее значение имеют дисперсные системы, в которых средой является вода.
Коллоидные системы
Коллоидные системы - это такие дисперсные системы, в которых размер частиц фазы от 100 до 1 нм. Эти частицы не видны невооруженным глазом, и дисперсная фаза и дисперсионная среда в таких системах отстаиванием разделяются с трудом.
Их подразделяют на золи (коллоидные растворы) и гели (студни).
1. Коллоидные растворы , или золи . Это большинство жидкостей живой клетки (цитоплазма, ядерный сок - кариоплазма, содержимое органоидов и вакуолей) и живого организма в целом (кровь, лимфа, тканевая жидкость, пищеварительные соки, гуморальные жидкости и т. д.). Такие системы образуют клеи, крахмал, белки, некоторые полимеры.
Коллоидные растворы могут быть получены в результате химических реакций; например, при взаимодействии растворов силикатов калия или натрия («растворимого стекла») с растворами кислот образуется коллоидный раствор кремниевой кислоты. Золь образуется и при гидролизе хлорида железа (III) в горячей воде. Коллоидные растворы внешне похожи на истинные растворы. Их отличают от последних по образующейся «светящейся дорожке» - конусу при пропускании через них луча света. Это явление называют эффектом Тиндаля. Более крупные, чем в истинном растворе, частицы дисперсной фазы золя отражают свет от своей поверхности, и наблюдатель видит в сосуде с коллоидным раствором светящийся конус. В истинном растворе он не образуется. Аналогичный эффект, но только для аэрозольного, а не жидкого коллоида, вы можете наблюдать в кинотеатрах при прохождении луча света от киноаппарата через воздух кинозала.
Частицы дисперсной фазы коллоидных растворов нередко не оседают даже при длительном хранении из-за непрерывных соударений с молекулами растворителя за счет теплового движения. Они не слипаются и при сближении друг с другом из-за наличия на их поверхности одноименных электрических зарядов. Но при определенных условиях может происходить процесс коагуляции.
Коагуляция - явление слипания коллоидных частиц и выпадения их в осадок - наблюдается при нейтрализации зарядов этих частиц, когда в коллоидный раствор добавляют электролит. При этом раствор превращается в суспензию или гель. Некоторые органические коллоиды коагулируют при нагревании (клей, яичный белок) или при изменении кислотно-щелочной среды раствора.
2. Вторая подгруппа коллоидных систем - это гели , или студни у представляющие собой студенистые осадки, образующиеся при коагуляции золей. К ним относят большое количество полимерных гелей, столь хорошо известные вам кондитерские, косметические и медицинские гели (желатин, холодец, желе, мармелад, торт-суфле «Птичье молоко») и конечно же бесконечное множество природных гелей: минералы (опал), тела медуз, хрящи, сухожилия, волосы, мышечная и нервная ткани и т. д. Историю развития жизни на Земле можно одновременно считать историей эволюции коллоидного состояния вещества. Со временем структура гелей нарушается - из них выделяется вода. Это явление называют синерезисом.
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:
- Газ. Жидкость, твердое вещество и рассматриваемый элемент. Гомогенная смесь, туман, пыли, аэрозоли.
- Жидкая дисперсная фаза. Газ, твердое вещество, вода. Пены, эмульсии, золи.
- 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.