Οι περισσότερες ουσίες γύρω μας είναι μείγματα διαφόρων ουσιών, επομένως η μελέτη των ιδιοτήτων τους παίζει σημαντικό ρόλο στην ανάπτυξη της χημείας, της ιατρικής, της βιομηχανίας τροφίμων και άλλων τομέων της οικονομίας. Το άρθρο συζητά τα ζητήματα σχετικά με το ποιος είναι ο βαθμός διασποράς και πώς επηρεάζει τα χαρακτηριστικά του συστήματος.
Τι είναι τα συστήματα διασποράς;
Πριν συζητήσουμε τον βαθμό διασποράς, είναι απαραίτητο να διευκρινίσουμε σε ποια συστήματα μπορεί να εφαρμοστεί αυτή η έννοια.
Ας φανταστούμε ότι έχουμε δύο διαφορετικές ουσίες που μπορεί να διαφέρουν μεταξύ τους ως προς τη χημική σύσταση, για παράδειγμα, επιτραπέζιο αλάτι και καθαρό νερό ή στην κατάσταση συσσωμάτωσης, για παράδειγμα, το ίδιο νερό σε υγρό και στερεό (πάγος) πολιτείες. Τώρα πρέπει να πάρετε και να ανακατέψετε αυτές τις δύο ουσίες και να τις ανακατέψετε εντατικά. Ποιο θα είναι το αποτέλεσμα; Εξαρτάται από το αν η χημική αντίδραση έλαβε χώρα κατά την ανάμιξη ή όχι. Όταν μιλάμε για διασκορπισμένα συστήματα, πιστεύεται ότι όταν αυτοίδεν συμβαίνει καμία αντίδραση στο σχηματισμό, δηλαδή οι αρχικές ουσίες διατηρούν τη δομή τους σε μικροεπίπεδο και τις εγγενείς φυσικές τους ιδιότητες, όπως η πυκνότητα, το χρώμα, η ηλεκτρική αγωγιμότητα και άλλες.
Έτσι, ένα διεσπαρμένο σύστημα είναι ένα μηχανικό μείγμα, ως αποτέλεσμα του οποίου δύο ή περισσότερες ουσίες αναμιγνύονται μεταξύ τους. Όταν σχηματίζεται, χρησιμοποιούνται οι έννοιες "μέσο διασποράς" και "φάση". Το πρώτο έχει την ιδιότητα της συνέχειας εντός του συστήματος και, κατά κανόνα, βρίσκεται σε αυτό σε μεγάλη σχετική ποσότητα. Η δεύτερη (διασπαρμένη φάση) χαρακτηρίζεται από την ιδιότητα της ασυνέχειας, δηλαδή στο σύστημα έχει τη μορφή μικρών σωματιδίων, τα οποία περιορίζονται από την επιφάνεια που τα χωρίζει από το μέσο.
Ομογενή και ετερογενή συστήματα
Είναι σαφές ότι αυτά τα δύο συστατικά του διασκορπισμένου συστήματος θα διαφέρουν ως προς τις φυσικές τους ιδιότητες. Για παράδειγμα, εάν ρίξετε άμμο στο νερό και το ανακατέψετε, είναι σαφές ότι οι κόκκοι άμμου που υπάρχουν στο νερό, ο χημικός τύπος του οποίου είναι SiO2, δεν θα διαφέρουν με οποιονδήποτε τρόπο από την πολιτεία όταν δεν ήταν μέσα στο νερό. Σε τέτοιες περιπτώσεις μιλά κανείς για ετερογένεια. Με άλλα λόγια, ένα ετερογενές σύστημα είναι ένα μείγμα πολλών (δύο ή περισσότερων) φάσεων. Το τελευταίο νοείται ως κάποιος πεπερασμένος όγκος του συστήματος, ο οποίος χαρακτηρίζεται από ορισμένες ιδιότητες. Στο παραπάνω παράδειγμα, έχουμε δύο φάσεις: άμμο και νερό.
Ωστόσο, το μέγεθος των σωματιδίων της διεσπαρμένης φάσης όταν διαλύονται σε οποιοδήποτε μέσο μπορεί να γίνει τόσο μικρό ώστε να πάψουν να δείχνουν τις ατομικές τους ιδιότητες. Στην προκειμένη περίπτωση μιλάμε γιαομοιογενείς ή ομοιογενείς ουσίες. Αν και περιέχουν πολλά στοιχεία, όλα αποτελούν μία φάση σε όλο τον όγκο του συστήματος. Ένα παράδειγμα ομοιογενούς συστήματος είναι ένα διάλυμα NaCl σε νερό. Όταν διαλύεται, λόγω της αλληλεπίδρασης με τα πολικά μόρια H2O, ο κρύσταλλος NaCl αποσυντίθεται σε ξεχωριστά κατιόντα (Na+) και ανιόντα (Cl-). Αναμιγνύονται ομοιογενώς με το νερό και δεν είναι πλέον δυνατό να βρεθεί η διαχωριστική επιφάνεια μεταξύ της διαλυμένης ουσίας και του διαλύτη σε ένα τέτοιο σύστημα.
Μέγεθος σωματιδίων
Ποιος είναι ο βαθμός διασποράς; Αυτή η τιμή πρέπει να εξεταστεί με περισσότερες λεπτομέρειες. Τι αντιπροσωπεύει; Είναι αντιστρόφως ανάλογο με το μέγεθος των σωματιδίων της διεσπαρμένης φάσης. Αυτό είναι το χαρακτηριστικό που αποτελεί τη βάση της ταξινόμησης όλων των υπό εξέταση ουσιών.
Όταν μελετούν τα συστήματα διασποράς, οι μαθητές συχνά μπερδεύονται με τα ονόματά τους, επειδή πιστεύουν ότι η ταξινόμησή τους βασίζεται επίσης στην κατάσταση συνάθροισης. Αυτό δεν είναι αληθινό. Τα μείγματα διαφορετικών καταστάσεων συσσωμάτωσης έχουν πραγματικά διαφορετικά ονόματα, για παράδειγμα, τα γαλακτώματα είναι υδάτινες ουσίες και τα αερολύματα ήδη υποδηλώνουν την ύπαρξη μιας αέριας φάσης. Ωστόσο, οι ιδιότητες των συστημάτων διασποράς εξαρτώνται κυρίως από το μέγεθος των σωματιδίων της φάσης που διαλύεται σε αυτά.
Γενικά αποδεκτή ταξινόμηση
Η ταξινόμηση των συστημάτων διασποράς σύμφωνα με το βαθμό διασποράς δίνεται παρακάτω:
- Αν το υπό όρους μέγεθος σωματιδίου είναι μικρότερο από 1 nm, τότε τέτοια συστήματα ονομάζονται πραγματικές ή αληθινές λύσεις.
- Αν το υπό όρους μέγεθος σωματιδίου κυμαίνεται μεταξύ 1 nm και100 nm, τότε η εν λόγω ουσία θα ονομαστεί κολλοειδές διάλυμα.
- Αν τα σωματίδια είναι μεγαλύτερα από 100 nm, τότε μιλάμε για εναιωρήματα ή εναιωρήματα.
Σχετικά με την παραπάνω ταξινόμηση, ας διευκρινίσουμε δύο σημεία: πρώτον, τα δεδομένα είναι ενδεικτικά, δηλαδή ένα σύστημα στο οποίο το μέγεθος σωματιδίου είναι 3 nm δεν είναι απαραίτητα κολλοειδές, μπορεί επίσης να είναι αληθές λύση. Αυτό μπορεί να διαπιστωθεί μελετώντας τις φυσικές του ιδιότητες. Δεύτερον, μπορεί να παρατηρήσετε ότι η λίστα χρησιμοποιεί τη φράση "μέγεθος υπό όρους". Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι το σχήμα των σωματιδίων στο σύστημα μπορεί να είναι εντελώς αυθαίρετο και στη γενική περίπτωση έχει πολύπλοκη γεωμετρία. Ως εκ τούτου, μιλούν για κάποιο μέσο (υπό όρους) μέγεθος τους.
Αργότερα στο άρθρο θα δώσουμε μια σύντομη περιγραφή των σημειωμένων τύπων συστημάτων διασποράς.
Αληθινές λύσεις
Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, ο βαθμός διασποράς των σωματιδίων σε πραγματικά διαλύματα είναι τόσο υψηλός (το μέγεθός τους είναι πολύ μικρό, < 1 nm) που δεν υπάρχει διεπαφή μεταξύ τους και του διαλύτη (μέσο), δηλαδή εκεί είναι ένα μονοφασικό ομοιογενές σύστημα. Για πληρότητα των πληροφοριών, υπενθυμίζουμε ότι το μέγεθος ενός ατόμου είναι της τάξης του ενός angstrom (0,1 nm). Ο τελευταίος αριθμός δείχνει ότι τα σωματίδια στα πραγματικά διαλύματα έχουν ατομικό μέγεθος.
Οι κύριες ιδιότητες των πραγματικών διαλυμάτων που τα διακρίνουν από τα κολλοειδή και τα εναιωρήματα είναι οι εξής:
- Η κατάσταση του διαλύματος υπάρχει για αυθαίρετα μεγάλο χρονικό διάστημα αμετάβλητη, δηλαδή, δεν σχηματίζεται ίζημα της διεσπαρμένης φάσης.
- Διαλύθηκεη ουσία δεν μπορεί να διαχωριστεί από τον διαλύτη με διήθηση μέσω απλού χαρτιού.
- Η ουσία επίσης δεν διαχωρίζεται ως αποτέλεσμα της διαδικασίας διέλευσης από την πορώδη μεμβράνη, η οποία ονομάζεται αιμοκάθαρση στη χημεία.
- Είναι δυνατός ο διαχωρισμός μιας διαλυμένης ουσίας από έναν διαλύτη μόνο αλλάζοντας την κατάσταση συσσωμάτωσης του τελευταίου, για παράδειγμα, με εξάτμιση.
- Για ιδανικές λύσεις, μπορεί να πραγματοποιηθεί ηλεκτρόλυση, δηλαδή, μπορεί να περάσει ηλεκτρικό ρεύμα εάν εφαρμοστεί μια διαφορά δυναμικού (δύο ηλεκτρόδια) στο σύστημα.
- Δεν διαχέουν φως.
Ένα παράδειγμα αληθινών διαλυμάτων είναι η ανάμειξη διαφόρων αλάτων με νερό, για παράδειγμα, NaCl (επιτραπέζιο αλάτι), NaHCO3 (μαγειρική σόδα), KNO 3(νιτρικό κάλιο) και άλλα.
Κολοειδή διαλύματα
Αυτά είναι ενδιάμεσα συστήματα μεταξύ πραγματικών λύσεων και αναρτήσεων. Ωστόσο, έχουν μια σειρά από μοναδικά χαρακτηριστικά. Ας τα απαριθμήσουμε:
- Είναι μηχανικά σταθερά για αυθαίρετα μεγάλο χρονικό διάστημα εάν δεν αλλάξουν οι περιβαλλοντικές συνθήκες. Αρκεί να θερμανθεί το σύστημα ή να αλλάξει η οξύτητά του (τιμή pH), καθώς το κολλοειδές πήζει (κατακρημνίζεται).
- Δεν διαχωρίζονται με διηθητικό χαρτί, ωστόσο, η διαδικασία της αιμοκάθαρσης οδηγεί σε διαχωρισμό της διεσπαρμένης φάσης και του μέσου.
- Όπως συμβαίνει με τα αληθινά διαλύματα, μπορούν να ηλεκτρολυθούν.
- Για διαφανή κολλοειδή συστήματα, το λεγόμενο φαινόμενο Tyndall είναι χαρακτηριστικό: περνώντας μια δέσμη φωτός μέσα από αυτό το σύστημα, μπορείτε να το δείτε. Συνδέεται μεσκέδαση ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων στο ορατό τμήμα του φάσματος προς όλες τις κατευθύνσεις.
- Ικανότητα προσρόφησης άλλων ουσιών.
Τα κολλοειδή συστήματα, λόγω των αναγραφόμενων ιδιοτήτων, χρησιμοποιούνται ευρέως από τον άνθρωπο σε διάφορους τομείς δραστηριότητας (βιομηχανία τροφίμων, χημεία) και βρίσκονται επίσης συχνά στη φύση. Ένα παράδειγμα κολλοειδούς είναι το βούτυρο, η μαγιονέζα. Στη φύση, αυτά είναι ομίχλες, σύννεφα.
Πριν προχωρήσουμε στην περιγραφή της τελευταίας (τρίτης) κατηγορίας συστημάτων διασποράς, ας εξηγήσουμε λεπτομερέστερα μερικές από τις ονομαστικές ιδιότητες για τα κολλοειδή.
Τι είναι τα κολλοειδή διαλύματα;
Για αυτόν τον τύπο συστημάτων διασποράς, μπορεί να δοθεί η ταξινόμηση, λαμβάνοντας υπόψη τις διαφορετικές αθροιστικές καταστάσεις του μέσου και τη φάση που διαλύεται σε αυτό. Παρακάτω είναι ο αντίστοιχος πίνακας/
| Τετάρτη/Φάση | Gas | Υγρό | Άκαμπτο σώμα |
| gas | όλα τα αέρια είναι απείρως διαλυτά μεταξύ τους, επομένως σχηματίζουν πάντα αληθινές λύσεις | αεροζόλ (ομίχλη, σύννεφα) | αεροζόλ (καπνός) |
| υγρό | αφρός (ξύρισμα, σαντιγί) | γαλάκτωμα (γάλα, μαγιονέζα, σάλτσα) | sol (ακουαρέλες) |
| συμπαγές σώμα | αφρός (πετρόπετρα, αερισμένη σοκολάτα) | gel (ζελατίνη, τυρί) | sol (κρύσταλλο ρουμπίνι, γρανίτης) |
Ο πίνακας δείχνει ότι κολλοειδείς ουσίες υπάρχουν παντού, τόσο στην καθημερινή ζωή όσο και στη φύση. Σημειώστε ότι ανάλογος πίνακας μπορεί να δοθεί και για αναρτήσεις, να θυμάστε ότι η διαφορά μεκολλοειδή σε αυτά είναι μόνο στο μέγεθος της διεσπαρμένης φάσης. Ωστόσο, οι αναρτήσεις είναι μηχανικά ασταθείς και επομένως έχουν λιγότερο πρακτικό ενδιαφέρον από τα κολλοειδή συστήματα.
Ο λόγος για τη μηχανική σταθερότητα των κολλοειδών
Γιατί η μαγιονέζα μπορεί να βρίσκεται στο ψυγείο για μεγάλο χρονικό διάστημα και τα αιωρούμενα σωματίδια σε αυτήν να μην καθιζάνουν; Γιατί τα σωματίδια της βαφής διαλυμένα στο νερό δεν «πέφτουν» τελικά στον πάτο του δοχείου; Η απάντηση σε αυτές τις ερωτήσεις θα είναι η κίνηση Brown.
Αυτό το είδος κίνησης ανακαλύφθηκε το πρώτο μισό του 19ου αιώνα από τον Άγγλο βοτανολόγο Robert Brown, ο οποίος παρατήρησε με μικροσκόπιο πώς κινούνται μικρά σωματίδια γύρης στο νερό. Από φυσική άποψη, η κίνηση Brown είναι μια εκδήλωση της χαοτικής κίνησης των υγρών μορίων. Η έντασή του αυξάνεται εάν ανέβει η θερμοκρασία του υγρού. Είναι αυτός ο τύπος κίνησης που προκαλεί την εναιώρηση μικρών σωματιδίων κολλοειδών διαλυμάτων.
ιδιότητα προσρόφησης
Η διασπορά είναι το αντίστροφο του μέσου μεγέθους των σωματιδίων. Δεδομένου ότι αυτό το μέγεθος στα κολλοειδή κυμαίνεται από 1 nm έως 100 nm, έχουν πολύ ανεπτυγμένη επιφάνεια, δηλαδή η αναλογία S / m είναι μεγάλη τιμή, εδώ S είναι η συνολική επιφάνεια διεπαφής μεταξύ των δύο φάσεων (μέσο διασποράς και σωματίδια), m - συνολική μάζα σωματιδίων σε διάλυμα.
Τα άτομα που βρίσκονται στην επιφάνεια των σωματιδίων της διεσπαρμένης φάσης έχουν ακόρεστους χημικούς δεσμούς. Αυτό σημαίνει ότι μπορούν να σχηματίσουν ενώσεις με άλλαμόρια. Κατά κανόνα, αυτές οι ενώσεις προκύπτουν λόγω δυνάμεων van der Waals ή δεσμών υδρογόνου. Είναι σε θέση να συγκρατούν πολλά στρώματα μορίων στην επιφάνεια των κολλοειδών σωματιδίων.
Ένα κλασικό παράδειγμα προσροφητικού είναι ο ενεργός άνθρακας. Είναι ένα κολλοειδές, όπου το μέσο διασποράς είναι στερεό και η φάση είναι αέριο. Η συγκεκριμένη επιφάνεια για αυτό μπορεί να φτάσει τα 2500 m2/g.
Βαθμός λεπτότητας και ειδική επιφάνεια
Ο υπολογισμός του S/m δεν είναι εύκολη υπόθεση. Το γεγονός είναι ότι τα σωματίδια σε ένα κολλοειδές διάλυμα έχουν διαφορετικά μεγέθη, σχήματα και η επιφάνεια κάθε σωματιδίου έχει ένα μοναδικό ανάγλυφο. Επομένως, οι θεωρητικές μέθοδοι για την επίλυση αυτού του προβλήματος οδηγούν σε ποιοτικά αποτελέσματα και όχι σε ποσοτικά. Ωστόσο, είναι χρήσιμο να δίνεται ο τύπος για το συγκεκριμένο εμβαδόν επιφάνειας από τον βαθμό διασποράς.
Αν υποθέσουμε ότι όλα τα σωματίδια του συστήματος έχουν σφαιρικό σχήμα και το ίδιο μέγεθος, τότε ως αποτέλεσμα απλών υπολογισμών, προκύπτει η ακόλουθη έκφραση: Sud=6/(dρ), όπου Sud - εμβαδόν επιφάνειας (ειδική), d - διάμετρος σωματιδίου, ρ - πυκνότητα της ουσίας από την οποία αποτελείται. Μπορεί να φανεί από τον τύπο ότι τα μικρότερα και βαρύτερα σωματίδια θα συνεισφέρουν περισσότερο στην υπό εξέταση ποσότητα.
Ο πειραματικός τρόπος προσδιορισμού του Sud είναι ο υπολογισμός του όγκου του αερίου που προσροφάται από την υπό μελέτη ουσία, καθώς και η μέτρηση του μεγέθους των πόρων (διασπαρμένη φάση) σε αυτό.
Ξήρανση με κατάψυξη καιλυοφοβικό
Λυοφιλικότητα και λυοφοβία - αυτά είναι τα χαρακτηριστικά που, στην πραγματικότητα, καθορίζουν την ύπαρξη της ταξινόμησης συστημάτων διασποράς με τη μορφή που δίνεται παραπάνω. Και οι δύο έννοιες χαρακτηρίζουν τον δεσμό δύναμης μεταξύ των μορίων του διαλύτη και της διαλυμένης ουσίας. Αν αυτή η σχέση είναι μεγάλη, τότε μιλούν για λυοφιλία. Έτσι, όλα τα αληθινά διαλύματα αλάτων στο νερό είναι λυόφιλα, αφού τα σωματίδια τους (ιόντα) συνδέονται ηλεκτρικά με πολικά μόρια H2O. Αν θεωρήσουμε τέτοια συστήματα όπως το βούτυρο ή η μαγιονέζα, τότε πρόκειται για αντιπροσώπους τυπικών υδρόφοβων κολλοειδών, καθώς τα μόρια λίπους (λιπιδίων) σε αυτά απωθούν τα πολικά μόρια H2O.
Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι τα λυόφοβα (υδρόφοβα εάν ο διαλύτης είναι νερό) συστήματα είναι θερμοδυναμικά ασταθή, γεγονός που τα διακρίνει από τα λυόφιλα.
Ιδιότητες αναστολών
Σκεφτείτε τώρα την τελευταία κατηγορία συστημάτων διασποράς - αναρτήσεις. Θυμηθείτε ότι χαρακτηρίζονται από το γεγονός ότι το μικρότερο σωματίδιο σε αυτά είναι μεγαλύτερο ή της τάξης των 100 nm. Τι ιδιότητες έχουν; Η αντίστοιχη λίστα δίνεται παρακάτω:
- Είναι μηχανικά ασταθή, επομένως σχηματίζουν ίζημα σε σύντομο χρονικό διάστημα.
- Είναι θολά και αδιαφανή στο φως του ήλιου.
- Η φάση μπορεί να διαχωριστεί από το μέσο με διηθητικό χαρτί.
Παραδείγματα αιωρημάτων στη φύση περιλαμβάνουν λασπωμένο νερό σε ποτάμια ή ηφαιστειακή τέφρα. Η ανθρώπινη χρήση των εναιωρημάτων σχετίζεται μεσυνήθως με φάρμακο (φαρμακευτικά διαλύματα).
Πήξη
Τι μπορεί να ειπωθεί για μείγματα ουσιών με διαφορετικούς βαθμούς διασποράς; Εν μέρει, αυτό το θέμα έχει ήδη καλυφθεί στο άρθρο, καθώς σε οποιοδήποτε σύστημα διασποράς τα σωματίδια έχουν μέγεθος που βρίσκεται εντός ορισμένων ορίων. Εδώ εξετάζουμε μόνο μια περίεργη περίπτωση. Τι συμβαίνει εάν αναμειγνύετε ένα κολλοειδές και ένα πραγματικό διάλυμα ηλεκτρολύτη; Το σταθμισμένο σύστημα θα σπάσει και η πήξή του θα συμβεί. Ο λόγος του έγκειται στην επίδραση των ηλεκτρικών πεδίων των αληθινών ιόντων διαλύματος στο επιφανειακό φορτίο των κολλοειδών σωματιδίων.
