De flesta av ämnena runt omkring oss är blandningar av olika ämnen, så studiet av deras egenskaper spelar en viktig roll i utvecklingen av kemi, medicin, livsmedelsindustrin och andra sektorer av ekonomin. Artikeln diskuterar frågorna om vad som är graden av spridning och hur det påverkar systemets egenskaper.
Vad är dispergeringssystem?
Innan vi diskuterar graden av spridning är det nödvändigt att klargöra vilka system detta koncept kan tillämpas på.
Låt oss föreställa oss att vi har två olika ämnen som kan skilja sig från varandra i kemisk sammansättning, till exempel bordss alt och rent vatten, eller i tillståndet av aggregation, till exempel, samma vatten i flytande och fast form (is) tillstånd. Nu måste du ta och blanda dessa två ämnen och blanda dem intensivt. Vad blir resultatet? Det beror på om den kemiska reaktionen ägde rum under blandningen eller inte. När man talar om spridda system, tror man att när deingen reaktion sker i formationen, det vill säga de initiala ämnena behåller sin struktur på mikronivå och sina inneboende fysikaliska egenskaper, såsom densitet, färg, elektrisk ledningsförmåga och andra.
Således är ett dispergerat system en mekanisk blandning, som ett resultat av vilken två eller flera ämnen blandas med varandra. När det bildas används begreppen "spridningsmedium" och "fas". Den första har egenskapen kontinuitet inom systemet och återfinns som regel i den i stor relativ mängd. Den andra (dispergerade fasen) kännetecknas av diskontinuitetsegenskapen, det vill säga i systemet är den i form av små partiklar, som begränsas av ytan som skiljer dem från mediet.
homogena och heterogena system
Det är tydligt att dessa två komponenter i det dispergerade systemet kommer att skilja sig åt i sina fysikaliska egenskaper. Om du till exempel kastar sand i vattnet och rör om det är det tydligt att sandkornen som finns i vattnet, vars kemiska formel är SiO2, inte kommer att skilja sig åt. på något sätt från staten när de inte var i vattnet. I sådana fall talar man om heterogenitet. Med andra ord är ett heterogent system en blandning av flera (två eller flera) faser. Det senare förstås som någon ändlig volym av systemet, som kännetecknas av vissa egenskaper. I exemplet ovan har vi två faser: sand och vatten.
Men storleken på partiklarna i den dispergerade fasen när de löses i vilket medium som helst kan bli så liten att de slutar visa sina individuella egenskaper. I det här fallet talar man omhomogena eller homogena ämnen. Även om de innehåller flera komponenter, bildar de alla en fas genom hela systemets volym. Ett exempel på ett homogent system är en lösning av NaCl i vatten. När den löses upp, på grund av interaktionen med polära molekyler H2O, sönderdelas NaCl-kristallen till separata katjoner (Na+) och anjoner (Cl).-). De är homogent blandade med vatten och det är inte längre möjligt att hitta gränssnittet mellan det lösta ämnet och lösningsmedlet i ett sådant system.
Partikelstorlek
Vad är spridningsgraden? Detta värde måste övervägas mer i detalj. Vad representerar hon? Den är omvänt proportionell mot partikelstorleken för den dispergerade fasen. Det är denna egenskap som ligger till grund för klassificeringen av alla ämnen som övervägs.
När de studerar spridda system blir eleverna ofta förvirrade i sina namn, eftersom de tror att deras klassificering också är baserad på aggregeringsläget. Det är inte sant. Blandningar av olika aggregationstillstånd har verkligen olika namn, till exempel är emulsioner vattenämnen, och aerosoler antyder redan existensen av en gasfas. Egenskaperna hos dispergerade system beror dock huvudsakligen på partikelstorleken hos fasen som är löst i dem.
Allmänt accepterad klassificering
Klassificering av dispergeringssystem enligt spridningsgraden ges nedan:
- Om den villkorade partikelstorleken är mindre än 1 nm, kallas sådana system för verkliga eller sanna lösningar.
- Om den villkorade partikelstorleken ligger mellan 1 nm och100 nm, då kommer ämnet i fråga att kallas en kolloidal lösning.
- Om partiklarna är större än 100 nm, då talar vi om suspensioner eller suspensioner.
Med hänsyn till ovanstående klassificering, låt oss klargöra två punkter: för det första är de givna siffrorna indikativa, det vill säga ett system där partikelstorleken är 3 nm är inte nödvändigtvis en kolloid, det kan också vara en sann lösning. Detta kan fastställas genom att studera dess fysikaliska egenskaper. För det andra kanske du märker att listan använder frasen "villkorlig storlek". Detta beror på det faktum att formen på partiklarna i systemet kan vara helt godtycklig, och i det allmänna fallet har en komplex geometri. Därför talar de om en genomsnittlig (villkorlig) storlek på dem.
Längre fram i artikeln kommer vi att ge en kort beskrivning av de noterade typerna av spridningssystem.
True solutions
Som nämnts ovan är spridningsgraden av partiklar i verkliga lösningar så hög (deras storlek är mycket liten, < 1 nm) att det inte finns någon gränsyta mellan dem och lösningsmedlet (medium), det vill säga där är ett enfas homogent system. För fullständig information minns vi att storleken på en atom är i storleksordningen en ångström (0,1 nm). Den sista siffran anger att partiklarna i verkliga lösningar är atomära i storlek.
De huvudsakliga egenskaperna hos sanna lösningar som skiljer dem från kolloider och suspensioner är följande:
- Lösningens tillstånd existerar under en godtyckligt lång tid oförändrad, det vill säga ingen fällning av den dispergerade fasen bildas.
- Upplöstämnet kan inte separeras från lösningsmedlet genom filtrering genom vanligt papper.
- Ämnet separeras inte heller som ett resultat av processen för passage genom det porösa membranet, vilket kallas dialys i kemin.
- Det är möjligt att separera ett löst ämne från ett lösningsmedel endast genom att ändra aggregationstillståndet för det senare, till exempel genom avdunstning.
- För idealiska lösningar kan elektrolys utföras, det vill säga en elektrisk ström kan passera om en potentialskillnad (två elektroder) appliceras på systemet.
- De sprider inte ljus.
Ett exempel på sanna lösningar är blandning av olika s alter med vatten, till exempel NaCl (bordss alt), NaHCO3 (bakpulver), KNO 3(kaliumnitrat) och andra.
Kolloidlösningar
Det här är mellansystem mellan riktiga lösningar och upphängningar. Men de har ett antal unika egenskaper. Låt oss lista dem:
- De är mekaniskt stabila under en godtyckligt lång tid om miljöförhållandena inte förändras. Det räcker med att värma upp systemet eller ändra dess surhet (pH-värde), eftersom kolloiden koagulerar (faller ut).
- De separeras inte med filterpapper, men dialysprocessen leder till separation av den dispergerade fasen och mediet.
- Som med verkliga lösningar kan de elektrolyseras.
- För transparenta kolloidala system är den så kallade Tyndall-effekten karakteristisk: att passera en ljusstråle genom detta system kan du se det. Det är kopplat tillspridning av elektromagnetiska vågor i den synliga delen av spektrumet i alla riktningar.
- Förmåga att adsorbera andra ämnen.
Kolloidala system, på grund av de listade egenskaperna, används i stor utsträckning av människor inom olika verksamhetsområden (livsmedelsindustri, kemi), och finns också ofta i naturen. Ett exempel på en kolloid är smör, majonnäs. I naturen är det dimma, moln.
Innan vi går vidare till beskrivningen av den sista (tredje) klassen av dispersa system, låt oss förklara mer i detalj några av de namngivna egenskaperna för kolloider.
Vad är kolloidala lösningar?
För denna typ av dispergeringssystem kan klassificeringen ges, med hänsyn tagen till mediets olika aggregattillstånd och fasen som är upplöst i det. Nedan är motsvarande tabell/
| onsdag/fas | Gas | Liquid | Styv kropp |
| gas | alla gaser är oändligt lösliga i varandra, så de bildar alltid sanna lösningar | aerosol (dimma, moln) | aerosol (rök) |
| liquid | skum (rak, vispgrädde) | emulsion (mjölk, majonnäs, sås) | sol (akvareller) |
| solid body | skum (pimpsten, kolsyrad choklad) | gel (gelatin, ost) | sol (rubinkristall, granit) |
Tabellen visar att kolloidala ämnen finns överallt, både i vardagen och i naturen. Observera att en liknande tabell också kan ges för upphängningar, kom ihåg att skillnaden medkolloider i dem är endast i storleken av den dispergerade fasen. Upphängningar är dock mekaniskt instabila och är därför av mindre praktiskt intresse än kolloidala system.
Orsaken till kolloidernas mekaniska stabilitet
Varför kan majonnäs ligga länge i kylen och suspenderade partiklar i den inte fälls ut? Varför "faller" inte färgpartiklar lösta i vatten så småningom till botten av kärlet? Svaret på dessa frågor kommer att vara Brownsk rörelse.
Denna typ av rörelse upptäcktes under första hälften av 1800-talet av den engelske botanikern Robert Brown, som under ett mikroskop observerade hur små pollenpartiklar rör sig i vatten. Ur en fysisk synvinkel är Brownsk rörelse en manifestation av den kaotiska rörelsen av flytande molekyler. Dess intensitet ökar om temperaturen på vätskan höjs. Det är denna typ av rörelse som gör att små partiklar av kolloidala lösningar är i suspension.
Adsorptionsegenskap
Dispersitet är den ömsesidiga av den genomsnittliga partikelstorleken. Eftersom denna storlek i kolloider ligger i intervallet från 1 nm till 100 nm, har de en mycket utvecklad yta, det vill säga förhållandet S/m är ett stort värde, här är S den totala gränsytan mellan de två faserna (spridningsmedium och partiklar), m - total massa av partiklar i lösning.
Atomer som finns på ytan av partiklarna i den dispergerade fasen har omättade kemiska bindningar. Detta innebär att de kan bilda föreningar med andramolekyler. Som regel uppstår dessa föreningar på grund av van der Waals-krafter eller vätebindningar. De kan hålla flera lager av molekyler på ytan av kolloidala partiklar.
Ett klassiskt exempel på en adsorbent är aktivt kol. Det är en kolloid, där dispersionsmediet är ett fast ämne och fasen är en gas. Den specifika ytan för den kan nå 2500 m2/g.
Finhetsgrad och specifik yta
Att beräkna S/m är ingen lätt uppgift. Faktum är att partiklarna i en kolloidal lösning har olika storlekar, former och ytan på varje partikel har en unik relief. Därför leder teoretiska metoder för att lösa detta problem till kvalitativa resultat, och inte till kvantitativa. Ändå är det användbart att ge formeln för den specifika ytan utifrån graden av spridning.
Om vi antar att alla partiklar i systemet har en sfärisk form och samma storlek, så erhålls, som ett resultat av enkla beräkningar, följande uttryck: Sud=6/(dρ), där Sud - ytarea (specifik), d - partikeldiameter, ρ - densitet för det ämne som det består av. Det framgår av formeln att de minsta och tyngsta partiklarna kommer att bidra mest till den aktuella kvantiteten.
Det experimentella sättet att bestämma Sud är att beräkna volymen gas som adsorberas av ämnet som studeras, samt att mäta porstorleken (dispergerad fas) i den.
Frystorkning ochlyofobisk
Lyofilicitet och lyofobicitet - det här är egenskaperna som i själva verket bestämmer förekomsten av klassificeringen av dispersa system i den form som den ges ovan. Båda begreppen karakteriserar kraftbindningen mellan lösningsmedlets molekyler och det lösta ämnet. Om detta förhållande är stort, talar de om lyofilicitet. Så alla sanna lösningar av s alter i vatten är lyofila, eftersom deras partiklar (joner) är elektriskt förbundna med polära molekyler H2O. Om vi betraktar sådana system som smör eller majonnäs, så är dessa representanter för typiska hydrofoba kolloider, eftersom fett (lipid) molekyler i dem stöter bort polära molekyler H2O.
Det är viktigt att notera att lyofoba (hydrofoba om lösningsmedlet är vatten) är termodynamiskt instabila, vilket skiljer dem från lyofila.
Properties of suspensions
Tänk nu på den sista klassen av dispergerade system - upphängningar. Kom ihåg att de kännetecknas av det faktum att den minsta partikeln i dem är större än eller i storleksordningen 100 nm. Vilka egenskaper har de? Motsvarande lista ges nedan:
- De är mekaniskt instabila, så de bildar sediment på kort tid.
- De är molniga och ogenomskinliga för solljus.
- Fas kan separeras från medium med filterpapper.
Exempel på suspensioner i naturen är lerigt vatten i floder eller vulkanisk aska. Människans användning av suspensioner är associerad somvanligtvis med medicin (läkemedelslösningar).
koagulering
Vad kan man säga om blandningar av ämnen med olika spridningsgrad? Delvis har denna fråga redan behandlats i artikeln, eftersom partiklarna i alla dispergeringssystem har en storlek som ligger inom vissa gränser. Här tar vi bara upp ett märkligt fall. Vad händer om man blandar en kolloid och en äkta elektrolytlösning? Det viktade systemet kommer att brytas och dess koagulering kommer att inträffa. Dess orsak ligger i påverkan av de elektriska fälten hos de verkliga lösningjonerna på ytladdningen av kolloidala partiklar.
