Дисперсная система в которой. Дисперсная среда. Появление и исчезновение цветовых характеристик

№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

§ 14. ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ

Чистые вещества в природе встречаются очень редко. Смеси различных веществ в разных агрегатных состояниях могут образовывать гетерогенные и гомо генные системы – дисперсные системы и растворы.

Дисперсными называют гетерогенные системы , в которых одно вещество в виде очень мелких ча стиц равномерно распределено в объеме другого.

То вещество (или несколько веществ), которое присутствует в дисперсной системе в меньшем коли честве и распределено в объеме, называют дисперс ной фазой . Присутствующее в бόльшем количестве вещество, в объеме которого распределена дисперс ная фаза, называют дисперсионной средой . Между дисперсионной средой и частицами дисперсной фазы существует поверхность раздела, именно поэтомудисперсные системы называют гетерогенными , т.е. неоднородными.
И дисперсионную среду, и дисперсную фазу могут составлять вещества, находящиеся в различных агрегатных состояниях. В зависимости от сочетания состояний дисперсионной среды и дисперсной фазы можно выделить восемь видов таких систем (табл. 2).
Таблица 2

Классификация дисперсных систем
по агрегатному состоянию

Дисперсион- ная среда	Дисперс- ная фаза	Примеры некоторых природных и бытовых дисперсных систем
Газ	Жидкость	Туман, попутный газ с капельками нефти, карбюраторная смесь в двигателях автомо- билей (капельки бен- зина в воздухе)
Газ	Твердое вещество	Пыль в воздухе, дымы, смог, самумы (пыльные и песчаные бури)
Жидкость	Газ	Шипучие напитки, пена в ванне
	Жидкость	Жидкие среды орга- низма (плазма крови, лимфа, пищевари- тельные соки), жидкое содержимое клеток (цитоплазма, карио- плазма)
	Твердое вещество	Кисели, студни, клеи, взвешенный в воде речной или морской ил, строительные рас- творы
Твердое вещество	Газ	Снежный наст с пу- зырьками воздуха в нем, почва, текстиль- ные ткани, кирпич и керамика, поролон, пористый шоколад, порошки
	Жидкость	Влажная почва, меди- цинские и косметиче- ские средства (мази, тушь, помада и т.д.)
	Твердое вещество	Горные породы, цвет- ные стекла, некоторые сплавы

По величине частиц вещества, составляющих дисперсную фазу, дисперсные системы делят на грубодисперсные с размерами частиц более 100 нм и тонкодисперсные с размерами частиц от 1 до 100 нм. Если же вещество раздроблено до молекул или ионов размером менее 1 нм, образуется гомогенная система – раствор. Раствор однороден, поверхности раздела между частицами и средой нет, а потому к дисперсным системам он не относится.

Знакомство с дисперсными системами и растворами показывает, насколько они важны в повседневной жизни и природе. Судите сами: без нильского ила не состоялась бы великая цивилизация Древнего Египта (рис. 15); без воды, воздуха, горных пород, минералов вообще бы не существовала живая планета – наш общий дом – Земля; без клеток не было бы живых организмов.

Рис. 15. Разливы Нила и история цивилизации
Классификация дисперсных систем и растворов в зависимости от размеров частиц фазы дана на схеме 1.
Схема 1
Классификация дисперсных систем и растворов

Грубодисперсные системы. Грубодисперсные системы делятся на три группы: эмульсии, суспензии и аэрозоли.

Эмульсии – это дисперсные системы с жидкой дисперсионной средой и жидкой дисперсной фазой.

Их можно также разделить на две группы:
1) прямые – капли неполярной жидкости в полярной среде (масло в воде);
2) обратные (вода в масле).
Изменение состава эмульсий или внешнее воздействие могут привести к превращению прямой эмульсии в обратную и наоборот. Примерами наиболее известных природных эмульсий являются молоко (прямая эмульсия) и нефть (обратная эмульсия). Типичная биологическая эмульсия – это капельки жира в лимфе.
Л а б о р а т о р н ы й о п ы т. Налейте в тарелку цельное молоко. Капните на поверхность несколько разноцветных капель пищевых красителей. Ватную палочку смочите моющим средством и коснитесь ею центра тарелки. Молоко начинает двигаться, а цвета перемешиваться. Почему?
Из известных в практической деятельности человека эмульсий можно назвать смазочно-охлаждающие жидкости, битумные материалы, пестицидные препараты, лекарственные и косметические средства, пищевые продукты. Например, в медицинской практике широко применяют жировые эмульсии для энергетического обеспечения голодающего или ослабленного организма путем внутривенного вливания. Для получения таких эмульсий используют оливковое, хлопковое и соевое масла.
В химической технологии широко используют эмульсионную полимеризацию как основной метод получения каучуков, полистирола, поливинилацетата и др.
Суспензии – это грубодисперсные системы с твердой дисперсной фазой и жидкой дисперсионной средой.
Обычно частицы дисперсной фазы суспензии настолько велики, что оседают под действием силы тяжести – седиментируют. Системы, в которых седиментация идет очень медленно из-за малой разности в плотности дисперсной фазы и дисперсионной среды, также называют взвесями. Практически значимыми строительными суспен-
зиями являются побелка («известковое молоко»), эмалевые краски, различные строительные взвеси, например те, которые называют «цементным раствором». К суспензиям относят также медицинские препараты, например жидкие мази – линименты.
Особую группу составляют грубодисперсные системы, в которых концентрация дисперсной фазы относительно высока по сравнению с ее небольшой концентрацией в суспензиях. Такие дисперсные системы называют пастами. Например, вам хорошо известные из повседневной жизни зубные, косметические, гигиенические и др.
Аэрозоли – это грубодисперсные системы, в которых дисперсионной средой является воздух, а дисперсной фазой могут быть капельки жидкости (облака, радуга, выпущенный из баллончика лак для волос или дезодорант) или частицы твердого вещества (пылевое облако, смерч) (рис. 16).

Рис. 16. Примеры грубодисперсных систем с твердой

Дисперсной фазой: а – суспензия – строительный раствор;
б – аэрозоль – пыльная буря
Коллоидные системы. Коллоидные системы занимают промежуточное положение между грубодисперсными системами и истинными растворами. Они широко распространены в природе. Почва, глина, природные воды, многие минералы, в том числе и некоторые драгоценные камни, – все это коллоидные системы.
Большое значение имеют коллоидные системы для биологии и медицины. В состав любого живого организма входят твердые, жидкие и газообразные вещества, находящиеся в сложном взаимоотношении с окружающей средой. С химической точки зрения организм в целом – это сложнейшая совокупность многих коллоидных систем.
Биологические жидкости (кровь, плазма, лимфа, спинномозговая жидкость и др.) представляют собой коллоидные системы, в которых такие органические соединения, как белки, холестерин, гликоген и многие другие, находятся в коллоидном состоянии. Почему же именно ему природа отдает такое предпочтение? Эта особенность связана, в первую очередь, с тем, что вещество в коллоидном состоянии имеет большую поверхность раздела между фазами, что способствует лучшему протеканию реакций обмена веществ.
Л а б о р а т о р н ы й о п ы т. В пластиковый стакан насыпьте столовую ложку крахмала. Постепенно добавляйте теплой воды и тщательно растирайте смесь ложкой. Нельзя перелить воды, смесь должна быть густой. Столовую ложку полученного коллоидного раствора налейте на ладонь и дотроньтесь пальцем другой руки. Смесь твердеет. Если вы уберете палец, смесь снова становится жидкой.
Коллоиды под давлением могут менять свое состояние. В результате давления пальца на приготовленный коллоид частички крахмала соединяются друг с другом, и смесь становится твердой. Когда давление ослабевает, смесь возвращается в первоначальное жидкое состояние.

Коллоидные системы подразделяют на золи (коллоидные растворы) и гели (студни ).
Большинство биологических жидкостей клетки (уже упомянутые цитоплазма, ядерный сок – кариоплазма, содержимое вакуолей) и живого организма в целом являются коллоидными растворами (золями).
Для золей характерно явление коагуляции, т.е. слипания коллоидных частиц и выпадение их в осадок. При этом коллоидный раствор превращается в суспензию или гель. Некоторые органические коллоиды коагулируют при нагревании (яичный белок, клеи) или при изменении кислотно-основной среды (пищеварительные соки).
Гели – это коллоидные системы, в которых частицы дисперсной фазы образуют пространственную структуру.
Гели – это дисперсные системы, которые встречаются вам в повседневной жизни (схема 2).
Схема 2
Классификация гелей

Со временем структура гелей нарушается – из них выделяется жидкость. Происходит синерезис – самопроизвольное уменьшение объема геля, сопровождающееся отделением жидкости. Синерезис определяет сроки годности пищевых, медицинских и косметических гелей. Очень важен биологический синерезис при приготовлении сыра, творога. У теплокровных животных есть процесс, который называется свертывание крови: под действием специфических факторов растворимый белок крови фибриноген превращается в фибрин, сгусток которого в процессе синерезиса уплотняется и закупоривает ранку. Если свертывание крови затруднено, то говорят о возможности заболевания человека гемофилией. Как вы знаете из курса биологии, носителями гена гемофилии являются женщины, а заболевают ею мужчины. Хорошо известен исторический династический пример: царствующая более 300 лет российская династия Романовых страдала этим заболеванием.
По внешнему виду истинные и коллоидные растворы трудно отличить друг от друга. Чтобы это сделать,используют эффект Тиндаля – образование конуса «светящейся дорожки» при пропускании через коллоидный раствор луча света (рис. 17). Частицы дисперсной фазы золя отражают своей поверхностью свет, а частицы истинного раствора – нет. Аналогичный эффект, но только для аэрозольного, а не жидкого коллоида, вы можете наблюдать в кинотеатре при прохождении луча света от киноаппарата через запыленный воздух зрительного зала.

Рис. 17. Эффект Тиндаля позволяет визуально отличить
истинный раствор (в правом стакане) от коллоидного
(в левом стакане)

? 1. Что такое дисперсные системы? Дисперсионная среда? Дисперсная фаза?
2. Как классифицируют дисперсные системы по агрегатному состоянию среды и фазы? Приведите примеры.
3. Почему воздух, природный газ и истинные растворы не относятся к дисперсным системам?
4. Как подразделяются грубодисперсные системы? Назовите представителей каждой группы и укажите их значение.
5. Как подразделяются тонкодисперсные системы? Назовите представителей каждой группы и укажите их значение.
6. На какие подгруппы можно разделить гели? Чем определяется срок годности косметических, медицинских и пищевых гелей?
7. Что такое коагуляция? Чем она может быть вызвана?
8. Что такое синерезис? Чем он может быть вызван?
9. Почему природа в качестве носителя эволюции избрала именно коллоидные системы?
10. Приготовьте сообщение на тему «Эстетическая, биологическая и культурная роль коллоидных систем в жизни человека» с использованием ресурсов Интернета.
11. О каких дисперсных системах идет речь в небольшом стихотворении М.Цветаевой?
Отнимите жемчуг – останутся слезы,
Отнимите злато – останутся листья
Осеннего клена, отнимите пурпур –
Останется кровь.

Шкала дисперсности.

Удельная поверхность. Степень дисперсности. Классификация

дисперсных систем. Понятия: дисперсная фаза и дисперсионная

среда. Методы получения дисперсных систем

Дисперсной называют систему, в которой одно вещество распределено в среде другого, причем между частицами и дисперсионной средой есть граница раздела фаз. Дисперсные системы состоят из дисперсной фазы и дисперсионной среды.

Дисперсная фаза - это частицы, распределенные в среде. Ее признаки: дисперсность и прерывистость (рис. 1.1.1.1).

Дисперсионная среда - материальная среда, в которой находится дисперсная фаза. Ее признак - непрерывность .

Поверхность раздела фаз характеризуется раздробленностью и гетерогенностью. Раздробленность характеризуется:

1) степенью дисперсности :

, [см -1 ; м -1 ], где S - суммарная межфазная поверхность или поверхность всех частиц дисперсной фазы; V - объем частиц дисперсной фазы.

2) дисперсностью - величиной, обратной минимальному размеру:

; ];

3)удельной поверхностью :

, [м 2 /кг; см 2 /г];

где m - масса частиц дисперсной фазы.

4) кривизной поверхности :

. Для частицы неправильной формы ,

где r 1 и r 2 - радиусы окружностей при прохождении через поверхность и нормаль к ней в данной точке двух перпендикулярных плоскостей.

1. По дисперсности различают:

а) грубодисперсные системы, для них D < 10 3 (рис. 1.1.1.3);

б) микрогетерогенные системы, для них D = 10 3 - 10 5 ;

в) ультрамикрогетерогенные системы, для них D = 10 5 - 10 7 .

2. По агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды. Эта классификация была предложена Оствальдом (см. табл. 1.1.1.1).

3. По структуре дисперсные системы различают:

1) свободные дисперсные системы, когда частицы обеих составляющих системы могут свободно перемещаться друг относительно друга (золь);

2) связанные дисперсные системы, когда одна из составляющих системы представляет собой структурированную систему, т.е. частицы фазы жестко связаны между собой (студень, композиты).

Таблица 1.1.1.1

Классификация по агрегатному состоянию фаз

Агрегатное состояние дисперсной фазы	Агрегатное состояние дисперсион-ной среды	Условное обозначение фаза/среда	Название системы	Примеры
г	г	г/г ж/г тв/г	Аэрозоли	атмосфера Земли
ж	г			туман, слоистые облака
тв	г			дымы, пыли, перистые облака
г	ж	г/ж	Газовые эму-льсии, пены	газированная вода, мыльная и пивная пены
ж	ж	ж/ж	Эмульсии	молоко, масло сливочное, кремы и т.д.
тв	ж	тв/ж	Лиозоли, суспензии	лиофобные коллоидные растворы, суспензии, пасты, краски и т.д.
г	тв	г/тв	Твердые пены	пемза, пенопласт, активированный уголь, хлеб, пенобетон и т.д.
ж	тв	ж/тв	Твердые эмульсии	вода в парафине, минералы с жидкими включениями, пористые тела в жидкости
тв	тв	тв/тв	Твердые золи	сталь, чугун, цветные стекла, драгоценные камни

4. По межфазному взаимодействию - лиофильные и лиофобные системы (предложено Г. Фрейндлихом). Классификация пригодна только для систем с жидкой дисперсионной средой.

Лиофильные системы – в них дисперсная фаза взаимодействует с дисперсионной средой и при определенных условиях способна в ней растворяться – растворы коллоидных ПАВ, растворы ВМС. Свободная энергия системы DF < 0.

DF = DU – TdS ; DS смешения > 0;

DU = W ког - W сольв,

где W ког - работа когезии;

W сольв - работа сольватации.

При DU > 0, DU < 0 ÞTdS >DU . Эта группа характеризуется малым значением поверхностного натяжения на границе раздела фаз.

Лиофобные системы – в них дисперсная фаза не способна взаимодействовать с дисперсионной средой и растворяться в ней. Для них DF > 0. Диспергирование в этом случае совершается либо за счет внешней работы, либо за счет других процессов, идущих в системе спонтанно (химическая реакция) и характеризуется высоким значением поверхностного натяжения на границе раздела фаз, что соответствует малому значению энергии сольватации.

Существует две группы способов получения дисперсных систем:

1. Способы диспергирования заключаются в раздроблении тела до коллоидного состояния (мукомольное производство).

2. Способы конденсации заключаются в укрупнении частиц, атомов, молекул до частиц коллоидных размеров (химическая реакция с образованием осадка).

Молекулярно-кинетические свойства дисперсных систем

Все молекулярно-кинетические свойства вызваны хаотическим тепловым движением молекул дисперсионной среды, которое складывается из поступательного, вращательного и колебательного движения молекул.

Молекулы жидкой и газообразной дисперсионной среды находятся в постоянном движении и сталкиваются между собой. Среднее расстояние, проходимое молекулой до столкновения с соседней, называют средней длиной свободного пробега. Молекулы обладают различной кинетической энергией. При данной температуре среднее значение кинетической энергии молекул остается постоянным, составляя для одной молекулы и одного моля:

;

где m – масса одной молекулы;

M – масса одного моля;

v – скорость движения молекул;

k – константа Больцмана;

R – универсальная газовая постоянная.

Флуктуация значений кинетической энергии молекул дисперсионной среды (т.е. отклонение от среднего) и является причиной молекулярно-кинетических свойств.

Изучение молекулярно-кинетических свойств возможно в результате применения статистических методов исследования, действительных для систем, состоящих из множества элементов (молекул). Исходя из допущения о беспорядочности движения отдельных молекул, теория определяет наиболее вероятное сочетание для систем из множества объектов. Молекулярно-кинетические свойства проявляются в жидкой и газообразной среде, молекулы которых обладают определенно подвижностью.

Броуновское движение

Броуновским называют непрерывное, хаотическое, равновероятное для всех направлений движение мелких частиц, взвешенных в жидкостях или газах, за счет воздействия молекул дисперсионной среды.

Мельчайшие частицы незначительной массы испытывают неодинаковые удары со стороны молекул дисперсионной среды, возникает сила, движущая частицу, направление и импульс силы, непрерывно меняются, поэтому частица совершает хаотические движения.

Определили эти изменения и связали их с молекулярно-кинетическими свойствами среды в 1907 году А. Эйнштейн и М. Смолуховский. В основе расчета – не истинный путь частицы дисперсной фазы, а сдвиг частиц. Если путь частицы определяется ломаной линией, то сдвиг х характеризует изменение координат частицы за определенный отрезок времени. Средний сдвиг определяет среднеквадратичное смещение частицы:

где х 1 , х 2 , х i – сдвиг частиц за определенное время.

Теория броуновского движения исходит из представления о взаимодействии случайной силы f (t), характеризующей удары молекул, силы F t , зависящей от времени, и силы трения при движении частиц дисперсной фазы в дисперсионной среде со скоростью v. Уравнение броуровского движения (уравнение Ланжевена) имеет вид:

, где m – масса частицы; h - коэффициент вязкости дисперсионной среды. Для больших промежутков времени (t>>m /h) инерцией частиц (m (dv / d t) можно пренебречь. После интегрирования уравнения

при условии, что среднее произведение импульсов случайной силы равно нулю, среднее значение флуктуации (средний сдвиг) равно:

, где t - время; r – радиус частиц дисперсной фазы; N A – число Авогадро частиц.

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.

Дисперсные системы. Определение. Классификация.

Растворы

В предыдущем параграфе мы говорили о растворах . Здесь коротко напомним об этом понятии.

Растворами называют однородные (гомогенные) системы, состоящие из двух и более компонентов.

Гомогенная система – это однородная система, химический состав и физические свойства которой во всех частях одинаковы или меняются непрерывно, без скачков (между частями системы нет поверхностей раздела).

Такое определение раствора не вполне корректно. Оно скорее относится к истинным растворам .

В тоже время существуют ещё коллоидные растворы , которые являются не гомогенными, а гетерогенными , т.е. состоят из разных фаз, разделённых поверхностью раздела.

Для того чтобы достичь большей чёткости в определениях используют другой термин – дисперсные системы .

Перед рассмотрением дисперсных систем немного расскажем об истории их изучения и о появления такого термина как коллоидные растворы .

История вопроса

Ещё в 1845 г. химик Франческо Сельми, исследуя свойства различных растворов, заметил, что биологические жидкости – сыворотка и плазма крови, лимфа и другие – резко отличаются по своим свойствам от обычных истинных растворов, и поэтому такие жидкости были им названы псевдорастворами.

Коллоиды и кристаллоиды

Дальнейшие исследования в этом направлении, проводившиеся с 1861 г. английским учёным Томасом Грэмом, показали, что одни вещества, быстро диффундирующие и проходящие через растительные и животные мембраны, легко кристаллизуются, другие же обладают малой способностью к диффузии, не проходят через мембраны и не кристаллизуются, а образуют аморфные осадки.

Первые Грэм назвал кристаллоидами , а вторые – коллоидами (от греческого слова kolla – клей и eidos – вид) или клееподобными веществами.

В частности, было выявлено, что вещества, способные к образованию аморфных осадков, как, например, альбумин, желатин, гуммиарабик, гидроокиси железа и алюминия и некоторые другие вещества, диффундируют в воде медленно по сравнению со скоростью диффузии таких кристаллических веществ, как поваренная соль, сернокислый магний, тростниковый сахар и др.

В таблице ниже приведены коэффициенты диффузии D для некоторых кристаллоидов и коллоидов при 18С.

Из таблицы видно, что между молекулярным весом и коэффициентом диффузии существует обратная зависимость.

Кромме того у кристаллоидов была обнаружена способность не только быстро диффундировать, но и диализироваться , т.е. проходить через мембранны, в противоположность коллоидам, имеющим больший размер молекул и поэтому медленно диффундирующим и не проникающим через мембраны.

В качестве мембран используют стенки бычьего пузыря, целлофан, плёнки из железисто-синеродистой меди и т.д.

На основании сделанных наблюдений Грэм установил, что все вещества могут быть подразделены на кристаллоиды и коллоиды .

Русские не согласны

Против такого строго разделения химических веществ возражал профессор Киевского университета И.Г. Борщёв (1869). Мнение Борщёва позднее было подтвеждено исследованиями другого русского учёного Веймарна , который доказал, что одно и то же вещество в зависимости от условий может проявлять свойства коллоидов или кристаллоидов.

Так, например, раствор мыла в воде обладает свойствами коллоида , а мыло, растворённое в спирте, проявляет свойства истинных растворов .

Точно также кристаллические соли, например, поваренная соль, растворённая в воде, даёт истинный раствор , а в бензоле – коллоидный раствор и т.п.

Гемоглобин же или яичный альбумин, обладающие свойствами коллоидов, могут быть получены в кристаллическом состоянии.

Д.И. Менделеев полагал, что любое вещество, в зависимости от условий и природы среды, может проявлять свойства коллоида . В настоящее время любое вещество можно получить в коллоидном состоянии.

Таким образом, нет оснований подразделять вещества на два обособленных класса – на кристаллоиды и коллоиды, а можно говорить о коллоидном и кристаллоидном состоянии вещества.

Под коллоидным состоянием вещества подразумевается определённая степень его раздробленности или дисперсности и нахождении коллоидных частиц во взвешенном состоянии в растворителе.

Наука, изучающая физико-химические свойства гетерогенных высокодисперсных и высокомолекулярных систем называется коллоидной химией .

Дисперсные системы

Если одно вещество, находящееся в раздробленном (диспергированном) состоянии, равномерно распределено в массе другого вещества, то такую систему называют дисперсной.

В таких системах раздробленное вещество принято называть дисперсной фазой , а среду, в которой она распределена, - дисперсионной средой .

Так, например, система, представляющая собой взмученную глину в воде, состоит из взвешенных мелких частиц глины – дисперсной фазы и воды – дисперсионной среды.

Дисперсные (раздробленные) системы являются гетерогенными .

Дисперсные системы, в отличие от гетерогенных с относительно крупными, сплошными фазами, называют микрогетерогенными , а коллоиднодисперсные системы называют ультрамикрогетерогенными .

Классификация дисперсных систем

Классификацию дисперсных систем чаще всего производят исходя из степени дисперсности или агрегатного состояния дисперсной фазы и дисперсионной среды.

Классификация по степени дисперсности

Все дисперсные системы по величине частиц дисперсной фазы можно разделить на следующие группы:

Для справки прводим единицы размеров в системе СИ:
1 м (метр) = 102 см (сантиметра) = 103 мм (миллиметра) = 106 мкм (микрометра) = 109 нм (нанометра).

Иногда применяют другие единицы – мк (микрон) или ммк (миллимикрон), причём:
1 нм = 10 -9 м =10 -7 см = 1 ммк;
1 мкм = 10 -6 м = 10 -4 см = 1 мк.

Грубодисперсные системы.

Эти системы содержат в качестве дисперсной фазы наиболее крупные частицы диаметром от 0,1 мк и выше . К этим системам относятся суспензии и эмульсии .

Суспензиями называют системы, в которых твёрдое вещество находится в жидкой дисперсионной среде, например, взвесь крахмала, глины и др. в воде.

Эмульсиями называют дисперсионные системы двух несмешивающихся жидкостей, где капельки одной жидкости во взвешенном состоянии распределены в объёме другой жидкости. Например, масло, бензол, толуол в воде или капельки жира (диаметром от 0,1 до 22 мк) в молоке и др.

Коллоидные системы.

Они имеют размеры частиц дисперсной фазы от 0,1 мк до 1 ммк (или от 10 -5 до 10 -7 см). Такие частицы могут проходить через поры фильтровальной бумаги, но не проникают через поры животных и растительных мембран.

Коллоидные частицы при наличии у них электрического заряда и сольватно-ионных оболочек остаются во взвешенном состоянии и без изменения условий очень долго могут не выпадать в осадок.

Примерами коллоидных систем могут служить растворы альбумина, желатина, гуммиарабика, коллоидные растворы золота, серебра, сернистого мышьяка и др.

Молекулярно-дисперсные системы.

Такие системы имеют размеры частиц, не превышающие 1ммк. К молекулярно-дисперсным системам относятся истинные растворы неэлектролитов.

Ионно-дисперсные системы.

Это растворы различных электролитов, как, например, солей, оснований и т.д., распадающихся на соответствующие ионы, размеры которых весьма малы и выходят далеко за пределы
10 -8 см .

Уточнение по повду представления истинных растворов как дисперсных системах.

Из приведённой здесь классификации видно, что любой раствор (как истинный, так и коллоидный) можно представить как дисперсную среду. Истинные и коллоидные растворы будут различаться размерами частиц дисперсных фаз. Но выше мы писали о гомогенности истинных растворов, а дисперсионные системы гетерогенны. Как разрешить это противоречие?

Если говорить о структуре истинных растворов, то их гомогенность будет относительной. Структурные единицы истинных растворов (молекулы или ионы) значительно меньше частиц коллоидных растворов. Поэтому, можно сказать, что по сравнению с коллоидными растворами и взвесями, истинные растворы гомогенны.

Если же говорить о свойствах истинных растворов, то их нельзя в полной мере называть дисперсными системами, поскольку обязательным существованием дисперсных систем является взаимная нерастворимость диспергированного вещества и дисперсионной среды.

В коллоидных растворах и грубых взвесях дисперсная фаза и дисперсионная среда практически не смешиваются и не реагируют друг с другом химически. Этого совсем нельзя сказать об истинных растворах. В них при растворении вещества смешиваются и даже взаимодействуют друг с другом. По этой причине коллоидные растворы резко отличаются по свойствам от истинных растворов.

Размеры некоторых молекул, частиц, клеток.

По мере изменения размеров частиц от наиболее крупных к мелким и обратно будут соответственно меняться и свойства дисперсных систем. При этом коллоидные системы занимают как бы промежуточное положение между грубыми взвесями и молекулярно-дисперсными системами.

Классификация по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды.

Пены – это дисперсия газа в жидкости, причём в пенах жидкость вырождается до тонких плёнок, разделяющих отдельные пузырьки газа.

Эмульсиями называют дисперсные системы, в которых одна жидкость раздроблена другой, нерастворяющей её жидкостью (например вода в жире).

Суспензиями называют низкодисперсные системы твёрдых частиц в жидкостях.

Сочетания трех видов агрегатного состояния позволяют выделить девять видов дисперсных систем:

Дисперсная фаза	Дисперсионная среда	Название и пример
Газообразная	Газообразная	Дисперсная система не образуется
Газообразная		Газовые эмульсии и пены
Газообразная		Пористые тела: поролон пемза
	Газообразная	Аэрозоли: туманы, облака
		Эмульсии: нефть, крем, молоко, маргарин, масло
		Капилярные системы: Жидкость в пористых телах, грунт, почва
	Газообразная	Аэрозоли (пыли, дымы), поршки
		Суспензии: пульпа, ил, взвесь, паста
		Твёрдые системы: сплавы, бетон

Золи – другое название коллоидных растворов.

Коллоидные растворы иначе называют золями (от латинского solutus – растворённый).

Дисперсные системы с газообразной дисперсионной средой называют аэрозолями . Туманы представляют собой аэрозоли с жидкой дисперсной фазой, а пыль и дым – аэрозоли с твёрдой дисперсной фазой. Дым более высокодисперсная система, чем пыль.

Дисперсные системы с жидкой дисперсионной средой называют лизолями (от греческого «лиос» – жидкость).

В зависимости от растворителя (дисперсионной среды), т.е. воды, спирта бензола или эфира и т.д., различают гидрозоли, алкозоли, бензоли, этерозоли и т.д.

Связнодисперсные системы. Гели.

Дисперсные системы могут быть свободнодисперсными и связнодисперсными в зависимости от отсутствия или наличия взаимодействия между частицами дисперсной фазы.

К свободнодисперсным системам относятся аэрозоли, лизоли, разбавленные суспензии и эмульсии. Они текучи. В этих системах частицы дисперсной фазы не имеют контактов, участвуют в беспорядочном тепловом движении, свободно перемещаются под действием силы тяжести.

На рисунках выше изображены свободно-дисперсные системы :
На рисунках а, б, в изображены корпускулярно-дисперсные системы :
а,б - монодисперсные системы,
в - полидисперсная система,
На рисунке г изображена волокнисто-дисперсная система
На рисунке д изображена плёночно-дисперсная система

– твердообразны. Они возникают при контакте частиц дисперсной фазы, приводящем к образованию структуры в виде каркаса или сетки.

Такая структура ограничивает текучесть дисперсной системы и придаёт ей способность сохранять форму. Подобные структурированные коллоидные системы называются гелями .

Переход золя в гель, происходящий в результате понижения устойчивости золя, называют гелеобразованием (или желатинированием).

На рисунках а, б, в изображены связнодисперсные системы :
а - гель,
б - коагулят с плотной структурой,
в - коагулят с рыхлой - "арочной" структурой
На рисунках г, д изображены капилярнодисперсные системы

Порошки (пасты), пены – примеры связнодисперсных систем.

Почва , образовавшаяся в результате контакта и уплотнения дисперсных частиц почвенных минералов и гумусовых (органических) веществ, также представляет собой связнодисперсную систему.

Сплошную массу вещества могут пронизывать поры и капиляры, образующие капилярнодисперсные системы. К ним относятся, например, древесина, кожа, бумага, картон, ткани .

Лиофильность и лиофобность

Общей характеристикой коллоидных растворов является свойство их дисперсной фазы взаимодействовать с дисперсионной средой. В этом отношении различают два типа золей:

1. Лиофобные (от греческого phobia – ненависть ) и

2. Лиофильные (от греческого philia – любовь ).

У лиофобных золей частицы не имеют сродства к растворителю, слабо с ним взаимодействуют и образуют вокруг себя тонкую оболочку из молекул растворителя.

В частности, если дисперсионной средой является вода, то такие системы называются гидрофобными , например, золи металлов железа, золота, сернистого мышьяка, хлористого серебра и т.д.

В лиофильных системах между диспергированным веществом и растворителем имеется сродство. Частицы дисперсной фазы, в этом случае, приобретают более объёмную оболочку из молекул растворителя.

В случае водной дисперсионной среды такие системы называются гидрофильными , как, например, растворы белка, крахмала, агар-агара, гуммиарабика и др.

Коагуляция коллоидов. Стабилизаторы.

Вещество на границе раздела фаз.

Все жидкости и твёрдые тела ограничены внешней поверхностью, на которой они соприкасаются с фазами другого состава и структуры, например, с паром, другой жидкостью или твёрдым телом.

Свойства вещества в этой межфазовой поверхности , толщиной в несколько поперечников атомов или молекул, отличаются от свойств внутри объёма фазы.

Внутри объёма чистого вещества в твёрдом, жидком или газообразном состоянии любая молекула окружена себе подобными молекулами.

В пограничном слое молекулы находятся во взаимодействии или с другим числом молекул (другим в сравнении с взаимодействием внутри объёма вещества).

Это происходит, например, на границе жидкости или твёрдого тела с их паром. Либо в пограничном слое молекулы вещества взаимодействуют с молекулами другой химической природы, например, на границе двух взаимно малорастворимых жидкостей.

В результате различия в характере взаимодействия внутри объёма фаз и на границе фаз возникают силовые поля , связанные с этой неравномерностью. (Подробнее об этом в параграфе Поверхностное натяжение жидкости.)

Чем больше различие в напряжённости межмолекулярных сил, действующих в каждой из фаз, тем больше потенциальная энергия межфазовой поверхности, кратко называемой поверхностной энергией .

Поверхностное натяжение
Для оценки поверхностной энергии пользуются такой величиной, как удельная свободная поверхностная энергия. Она равна работе затрачиваемой на образование единицы площади новой поверхности раздела фаз (при условии постоянной температуры).
В случае границы двух конденсированных фаз эту величину называют пограничным натяжением .
Когда говорят о границе жидкости с её парами, то эту величину называют поверхностным натяжением .

Коагуляция коллоидов

Все самопроизвольные процессы происходят в направлении уменьшения энергии системы (изобарного потенциала).

Аналогично, на границе раздела фаз самопроизвольно происходят процессы в направлении уменьшения свободной поверхностной энергии.

Свободная энергия тем меньше, чем меньше поверхность раздела фаз.

А поверхность раздела фаз, в свою очередь, связана со степенью дисперсности растворённого вещества. Чем выше дисперсность (мельче частицы дисперсной фазы), тем больше поверхность раздела фаз.

Таким образом, в дисперсных системах всегда существуют силы, приводящие к уменьшению суммарной поверхности раздела фаз , т.е. к укрупнению частиц. Поэтому происходит слияние мелких капель в туманах, дождевых облаках и эмульсиях – агрегация высокодисперсных частиц в более крупные образования.

Всё это приводит к разрушению дисперсных систем: туманы и дождевые облака проливаются дождём, эмульсии расслаиваются, коллоидные растворы коагулируют, т.е. разделяются на осадок дисперсной фазы (коагулят) и дисперсионную среду или в случае вытянутых частиц дисперсной фазы, превращаются в гель.

Способность раздробленных систем сохранять присущую им степень дисперсности называется агрегативной устойчивостью .

Стабилизаторы дисперсных систем

Как было сказано ранее, дисперсные системы принципиально термодинамически неустойчивы . Чем выше дисперсность, тем больше свободная поверхностная энергия, тем больше склонность к самопроизвольному уменьшению дисперсности.

Поэтому для получения устойчивых, т.е. длительно сохраняющихся суспензий, эмульсий, коллоидных растворов, необходимо не только достигнуть заданной дисперсности, но и создать условия для её стабилизации.

Ввиду этого устойчивые дисперсные системы состоят не менее чем из трёх компонентов: дисперсной фазы, дисперсионной среды и третьего компонента – стабилизатора дисперсной системы .

Стабилизатор может иметь как ионную, так и молекулярную, часто высокомолекулярную, природу.

Ионная стабилизация золей лиофобных коллоидов связана с присутствием малых концентраций электролитов, создающих ионные пограничные слои между дисперсной фазой и дисперсионной средой.

Высокомолекулярные соединения (белки, полипептиды, поливиниловый спирт и другие), добавляемые для стабилизации дисперсных систем, называют защитными коллоидами.

Адсорбируясь на границе раздела фаз, они образуют в поверхностном слое сетчатые и гелеобразные структуры, создающие структурно-механический барьер, который препятствует объединению частиц дисперсной фазы.

Структурно-механическая стабилизация имеет решающее значение для стабилизации взвесей, паст, пен, концентрированных эмульсий.