Dauguma mus supančių medžiagų yra įvairių medžiagų mišiniai, todėl jų savybių tyrimas vaidina svarbų vaidmenį plėtojant chemiją, mediciną, maisto pramonę ir kitus ūkio sektorius. Straipsnyje aptariami klausimai, koks yra sklaidos laipsnis ir kaip tai veikia sistemos charakteristikas.
Kas yra dispersinės sistemos?
Prieš aptariant sklaidos laipsnį, būtina išsiaiškinti, kurioms sistemoms ši sąvoka gali būti taikoma.
Įsivaizduokime, kad turime dvi skirtingas medžiagas, kurios gali skirtis viena nuo kitos chemine sudėtimi, pavyzdžiui, valgomoji druska ir grynas vanduo, arba agregacijos būsena, pavyzdžiui, tas pats vanduo skystame ir kietame (ledas) teigia. Dabar reikia paimti ir sumaišyti šias dvi medžiagas ir intensyviai jas maišyti. Koks bus rezultatas? Tai priklauso nuo to, ar cheminė reakcija įvyko maišymo metu, ar ne. Kalbant apie išsklaidytas sistemas, manoma, kad kai josformuojantis nevyksta jokia reakcija, tai yra, pradinės medžiagos išlaiko savo struktūrą mikro lygiu ir joms būdingas fizines savybes, tokias kaip tankis, spalva, elektrinis laidumas ir kt.
Taigi, dispersinė sistema yra mechaninis mišinys, dėl kurio dvi ar daugiau medžiagų susimaišo viena su kita. Jį formuojant vartojamos sąvokos „dispersinė terpė“ir „fazė“. Pirmasis turi tęstinumo savybę sistemoje ir, kaip taisyklė, joje randamas dideliu santykiniu kiekiu. Antroji (dispersinė fazė) pasižymi netolydumo savybe, tai yra, sistemoje ji yra mažų dalelių pavidalo, kurias riboja paviršius, skiriantis jas nuo terpės.
Homogeninės ir nevienalytės sistemos
Akivaizdu, kad šie du išsklaidytos sistemos komponentai skirsis savo fizinėmis savybėmis. Pavyzdžiui, įmetus smėlį į vandenį ir maišant, aišku, kad vandenyje esantys smėlio grūdeliai, kurių cheminė formulė yra SiO2, nesiskirs. bet kokiu būdu iš valstybės, kai jie nebuvo vandenyje. Tokiais atvejais kalbama apie heterogeniškumą. Kitaip tariant, nevienalytė sistema yra kelių (dviejų ar daugiau) fazių mišinys. Pastarasis suprantamas kaip kažkoks baigtinis sistemos tūris, kuriam būdingos tam tikros savybės. Aukščiau pateiktame pavyzdyje turime dvi fazes: smėlio ir vandens.
Tačiau dispersinės fazės dalelių dydis ištirpus bet kurioje terpėje gali tapti toks mažas, kad nustoja rodyti savo individualias savybes. Šiuo atveju kalbama apievienarūšės arba vienalytės medžiagos. Nors juose yra keletas komponentų, jie visi sudaro vieną fazę visame sistemos tūryje. Vienalytės sistemos pavyzdys yra NaCl tirpalas vandenyje. Kai jis ištirpsta, dėl sąveikos su polinėmis molekulėmis H2O, NaCl kristalas suyra į atskirus katijonus (Na+) ir anijonus (Cl).-). Jie homogeniškai sumaišomi su vandeniu ir tokioje sistemoje nebeįmanoma rasti sąsajos tarp tirpios medžiagos ir tirpiklio.
Dalelių dydis
Koks yra sklaidos laipsnis? Šią vertę reikia apsvarstyti išsamiau. Ką ji atstovauja? Jis yra atvirkščiai proporcingas dispersinės fazės dalelių dydžiui. Būtent ši savybė yra visų nagrinėjamų medžiagų klasifikavimo pagrindas.
Studijuodami išsklaidytas sistemas, studentai dažnai susipainioja savo pavadinimuose, nes mano, kad jų klasifikacija taip pat pagrįsta agregacijos būsena. Tai netiesa. Skirtingų agregacijos būsenų mišiniai tikrai turi skirtingus pavadinimus, pavyzdžiui, emulsijos yra vandens medžiagos, o aerozoliai jau rodo, kad egzistuoja dujinė fazė. Tačiau dispersinių sistemų savybės daugiausia priklauso nuo jose ištirpusios fazės dalelių dydžio.
Visuotinai priimta klasifikacija
Disperginių sistemų klasifikacija pagal dispersijos laipsnį pateikta žemiau:
- Jei sąlyginis dalelių dydis yra mažesnis nei 1 nm, tokios sistemos vadinamos tikrosiomis arba tikraisiais sprendimais.
- Jei sąlyginis dalelių dydis yra tarp 1 nm ir100 nm, tada nagrinėjama medžiaga bus vadinama koloidiniu tirpalu.
- Jei dalelės yra didesnės nei 100 nm, tai kalbame apie suspensijas arba suspensijas.
Atsižvelgdami į pirmiau pateiktą klasifikaciją, išsiaiškinkime du dalykus: pirma, pateikti skaičiai yra orientaciniai, tai yra, sistema, kurioje dalelių dydis yra 3 nm, nebūtinai yra koloidas, ji taip pat gali būti teisinga. sprendimas. Tai galima nustatyti ištyrus jo fizines savybes. Antra, galite pastebėti, kad sąraše vartojama frazė „sąlyginis dydis“. Taip yra dėl to, kad dalelių forma sistemoje gali būti visiškai savavališka ir paprastai turi sudėtingą geometriją. Todėl jie kalba apie vidutinį (sąlyginį) jų dydį.
Vėliau straipsnyje trumpai apibūdinsime pažymėtus dispersinių sistemų tipus.
Tikri sprendimai
Kaip minėta aukščiau, dalelių dispersijos laipsnis realiuose tirpaluose yra toks didelis (jų dydis labai mažas, < 1 nm), kad tarp jų ir tirpiklio (terpės) nėra sąsajos, tai yra yra vienfazė vienalytė sistema. Kad informacija būtų išsamesnė, primename, kad atomo dydis yra vienas angstremas (0,1 nm). Paskutinis skaičius rodo, kad dalelės tikruose tirpaluose yra atominio dydžio.
Pagrindinės tikrų tirpalų savybės, išskiriančios juos nuo koloidų ir suspensijų, yra šios:
- Tirpalo būsena savavališkai ilgą laiką išlieka nepakitusi, tai yra, nesusidaro išsklaidytos fazės nuosėdos.
- Iširęsmedžiagos negalima atskirti nuo tirpiklio filtruojant per paprastą popierių.
- Medžiaga taip pat neatsiskiria dėl prasiskverbimo per porėtą membraną, kuri chemijoje vadinama dialize.
- Ištirpusią medžiagą nuo tirpiklio galima atskirti tik pakeitus pastarojo agregacijos būseną, pavyzdžiui, išgarinant.
- Idealiems sprendimams galima atlikti elektrolizę, ty elektros srovę galima praleisti, jei sistemai taikomas potencialų skirtumas (du elektrodai).
- Jie neskleidžia šviesos.
Tikrų sprendimų pavyzdys yra įvairių druskų maišymas su vandeniu, pavyzdžiui, NaCl (valgomosios druskos), NaHCO3 (kepimo soda), KNO 3(kalio nitratas) ir kt.
koloidiniai tirpalai
Tai yra tarpinės sistemos tarp realių sprendimų ir pakabų. Tačiau jie turi keletą unikalių savybių. Išvardykime juos:
- Jie yra mechaniškai stabilūs savavališkai ilgą laiką, jei aplinkos sąlygos nesikeičia. Užtenka pašildyti sistemą arba pakeisti jos rūgštingumą (pH reikšmę), nes koloidas koaguliuoja (nusėda).
- Jos nėra atskiriamos naudojant filtravimo popierių, tačiau dializės procesas lemia dispersinės fazės ir terpės atskyrimą.
- Kaip ir tikrus tirpalus, juos galima elektrolizuoti.
- Skaidrioms koloidinėms sistemoms būdingas vadinamasis Tyndall efektas: praleidžiant šviesos spindulį per šią sistemą, galite jį pamatyti. Jis yra susijęs suelektromagnetinių bangų sklaida matomoje spektro dalyje visomis kryptimis.
- Gebėjimas adsorbuoti kitas medžiagas.
Koloidinės sistemos dėl išvardintų savybių yra plačiai naudojamos žmonių įvairiose veiklos srityse (maisto pramonėje, chemijoje), taip pat dažnai aptinkamos ir gamtoje. Koloido pavyzdys yra sviestas, majonezas. Gamtoje tai rūkai, debesys.
Prieš pereinant prie paskutinės (trečios) dispersinių sistemų klasės aprašymo, išsamiau paaiškinkime kai kurias įvardytas koloidų savybes.
Kas yra koloidiniai tirpalai?
Šio tipo dispersinėms sistemoms galima pateikti klasifikaciją, atsižvelgiant į skirtingas terpės ir joje ištirpusios fazės agregato būsenas. Žemiau yra atitinkama lentelė/
| trečiadienis/fazė | Dujos | Skystas | Tvirtas korpusas |
| dujos | visos dujos yra be galo tirpios viena kitoje, todėl jos visada sudaro tikrus tirpalus | aerozolis (rūkas, debesys) | aerozolis (dūmai) |
| skystas | putos (skutimosi, plakta grietinėlė) | emulsija (pienas, majonezas, padažas) | sol (akvarelės) |
| tvirtas korpusas | putos (pemza, gazuotas šokoladas) | gelis (želatina, sūris) | sol (rubino kristalas, granitas) |
Lentelėje matyti, kad koloidinių medžiagų yra visur – tiek kasdieniame gyvenime, tiek gamtoje. Atkreipkite dėmesį, kad panaši lentelė taip pat gali būti pateikta suspensijai, nepamirštant, kad skirtumas sukoloidų juose yra tik išsklaidytos fazės dydžio. Tačiau pakabos yra mechaniškai nestabilios, todėl praktikoje yra mažiau svarbios nei koloidinės sistemos.
Mechaninio koloidų stabilumo priežastis
Kodėl majonezas gali ilgai gulėti šaldytuve, o jame esančios suspenduotos dalelės nenusėda? Kodėl vandenyje ištirpusios dažų dalelės galiausiai „nekrenta“į indo dugną? Atsakymas į šiuos klausimus bus Brauno judesys.
Šio tipo judėjimą XIX amžiaus pirmoje pusėje atrado anglų botanikas Robertas Brownas, kuris mikroskopu stebėjo, kaip vandenyje juda mažos žiedadulkių dalelės. Fiziniu požiūriu Brauno judėjimas yra chaotiško skysčio molekulių judėjimo pasireiškimas. Jo intensyvumas didėja, jei pakeliama skysčio temperatūra. Būtent dėl tokio judėjimo mažos koloidinių tirpalų dalelės yra suspensijos.
Adsorbcijos savybė
Dispersija yra vidutinio dalelių dydžio atvirkštinė vertė. Kadangi šis dydis koloiduose yra nuo 1 nm iki 100 nm, jų paviršius yra labai išvystytas, tai yra, santykis S / m yra didelė reikšmė, čia S yra bendras sąsajos plotas tarp dviejų fazių (dispersijos terpė). ir dalelės), m – bendra dalelių masė tirpale.
Atomai, esantys dispersinės fazės dalelių paviršiuje, turi nesočiuosius cheminius ryšius. Tai reiškia, kad jie gali sudaryti junginius su kitaismolekules. Paprastai šie junginiai atsiranda dėl van der Waals jėgų arba vandenilinių jungčių. Jie gali išlaikyti kelis molekulių sluoksnius ant koloidinių dalelių paviršiaus.
Klasikinis adsorbento pavyzdys yra aktyvuota anglis. Tai koloidas, kuriame dispersinė terpė yra kieta medžiaga, o fazė – dujos. Jo savitasis paviršiaus plotas gali siekti 2500 m2/g.
Smulkumo laipsnis ir specifinis paviršiaus plotas
Skaičiuoti S/m nėra lengva užduotis. Faktas yra tas, kad koloidiniame tirpale esančios dalelės yra skirtingo dydžio, formos, o kiekvienos dalelės paviršius turi unikalų reljefą. Todėl teoriniai šios problemos sprendimo metodai veda prie kokybinių, o ne kiekybinių rezultatų. Nepaisant to, naudinga pateikti specifinio paviršiaus ploto formulę pagal dispersijos laipsnį.
Jei darysime prielaidą, kad visos sistemos dalelės yra sferinės formos ir vienodo dydžio, tai atlikus paprastus skaičiavimus gaunama tokia išraiška: Sud=6/(dρ), kur Sud - paviršiaus plotas (specifinis), d - dalelės skersmuo, ρ - medžiagos, iš kurios ji susideda, tankis. Iš formulės matyti, kad mažiausios ir sunkiausios dalelės labiausiai prisidės prie nagrinėjamo kiekio.
Eksperimentinis būdas nustatyti Sud yra apskaičiuoti tiriamos medžiagos adsorbuotų dujų tūrį, taip pat išmatuoti porų dydį (dispersinė fazė) joje.
Džiovinimas šalčiu irliofobija
Liofiliškumas ir liofobiškumas – tai savybės, kurios iš tikrųjų lemia dispersinių sistemų klasifikaciją tokia forma, kokia ji pateikta aukščiau. Abi sąvokos apibūdina jėgos ryšį tarp tirpiklio ir tirpios medžiagos molekulių. Jei šie santykiai yra dideli, jie kalba apie liofiliškumą. Taigi visi tikrieji druskų tirpalai vandenyje yra liofiliniai, nes jų dalelės (jonai) yra elektriškai sujungtos su polinėmis molekulėmis H2O. Jei laikytume tokias sistemas kaip sviestas ar majonezas, tai yra tipiškų hidrofobinių koloidų atstovai, nes juose esančios riebalų (lipidų) molekulės atbaido polines molekules H2O.
Svarbu pažymėti, kad liofobinės (hidrofobinės, jei tirpiklis yra vanduo) sistemos yra termodinamiškai nestabilios, todėl jos skiriasi nuo liofilinių.
Sustabdymo savybės
Dabar apsvarstykite paskutinę dispersinių sistemų klasę – suspensijas. Prisiminkite, kad jiems būdinga tai, kad mažiausia dalelė juose yra didesnė nei 100 nm. Kokias savybes jie turi? Atitinkamas sąrašas pateikiamas žemiau:
- Jie yra mechaniškai nestabilūs, todėl per trumpą laiką susidaro nuosėdos.
- Jos yra drumstos ir nepermatomos saulės šviesai.
- Fazę nuo terpės galima atskirti filtravimo popieriumi.
Suspensijos gamtoje pavyzdžiai yra purvinas upių vanduo arba vulkaniniai pelenai. Suspensijų naudojimas žmonėms yra susijęs kaipdažniausiai su vaistais (vaistiniais tirpalais).
Krešėjimas
Ką galima pasakyti apie skirtingų dispersijos laipsnių medžiagų mišinius? Iš dalies ši problema jau buvo aptarta straipsnyje, nes bet kurioje dispersinėje sistemoje dalelių dydis yra tam tikrose ribose. Čia nagrinėjame tik vieną kuriozinį atvejį. Kas atsitiks, jei sumaišysite koloidą ir tikrą elektrolito tirpalą? Svertinė sistema bus pažeista ir įvyks jos krešėjimas. Jo priežastis slypi tikrojo tirpalo jonų elektrinių laukų įtakoje koloidinių dalelių paviršiaus krūviui.
