De fleste af stofferne omkring os er blandinger af forskellige stoffer, så studiet af deres egenskaber spiller en vigtig rolle i udviklingen af kemi, medicin, fødevareindustrien og andre sektorer af økonomien. Artiklen diskuterer spørgsmålene om, hvad spredningsgraden er, og hvordan den påvirker systemets egenskaber.
Hvad er disperse systemer?
Før man diskuterer spredningsgraden, er det nødvendigt at afklare, hvilke systemer dette koncept kan anvendes på.
Lad os forestille os, at vi har to forskellige stoffer, der kan adskille sig fra hinanden i kemisk sammensætning, for eksempel bords alt og rent vand, eller i aggregeringstilstanden, for eksempel, det samme vand i flydende og fast form (is) stater. Nu skal du tage og blande disse to stoffer og blande dem intensivt. Hvad bliver resultatet? Det afhænger af, om den kemiske reaktion fandt sted under blanding eller ej. Når man taler om spredte systemer, mener man, at når deder sker ingen reaktion i formationen, det vil sige, at de oprindelige stoffer bevarer deres struktur på mikroniveau og deres iboende fysiske egenskaber, såsom tæthed, farve, elektrisk ledningsevne og andre.
Et dispergeret system er således en mekanisk blanding, som et resultat af, at to eller flere stoffer blandes med hinanden. Når det er dannet, bruges begreberne "spredningsmedium" og "fase". Den første har egenskaben kontinuitet i systemet og findes som regel i det i en stor relativ mængde. Den anden (dispergerede fase) er karakteriseret ved diskontinuitetsegenskaben, det vil sige, at den i systemet er i form af små partikler, som er begrænset af overfladen, der adskiller dem fra mediet.
homogene og heterogene systemer
Det er klart, at disse to komponenter i det spredte system vil adskille sig i deres fysiske egenskaber. Hvis du for eksempel smider sand i vandet og rører i det, er det klart, at de sandkorn, der findes i vandet, hvis kemiske formel er SiO2, ikke vil adskille sig fra hinanden. på nogen måde fra staten, når de ikke var i vandet. I sådanne tilfælde taler man om heterogenitet. Med andre ord er et heterogent system en blanding af flere (to eller flere) faser. Sidstnævnte forstås som et begrænset volumen af systemet, som er karakteriseret ved visse egenskaber. I eksemplet ovenfor har vi to faser: sand og vand.
Men størrelsen af partiklerne i den dispergerede fase, når de er opløst i et hvilket som helst medium, kan blive så lille, at de holder op med at vise deres individuelle egenskaber. I dette tilfælde taler man omhomogene eller homogene stoffer. Selvom de indeholder flere komponenter, danner de alle én fase gennem hele systemets volumen. Et eksempel på et homogent system er en opløsning af NaCl i vand. Når det opløses, på grund af interaktionen med polære molekyler H2O, nedbrydes NaCl-krystallen til separate kationer (Na+) og anioner (Cl).-). De er homogent blandet med vand, og det er ikke længere muligt at finde grænsefladen mellem det opløste stof og opløsningsmidlet i et sådant system.
Partikelstørrelse
Hvad er spredningsgraden? Denne værdi skal overvejes mere detaljeret. Hvad repræsenterer hun? Den er omvendt proportional med partikelstørrelsen af den dispergerede fase. Det er denne egenskab, der ligger til grund for klassificeringen af alle stoffer under overvejelse.
Når de studerer spredte systemer, bliver eleverne ofte forvirrede i deres navne, fordi de mener, at deres klassificering også er baseret på aggregeringstilstanden. Det er ikke sandt. Blandinger af forskellige aggregeringstilstande har virkelig forskellige navne, for eksempel er emulsioner vandstoffer, og aerosoler antyder allerede eksistensen af en gasfase. Egenskaberne ved disperse systemer afhænger dog hovedsageligt af partikelstørrelsen af den fase, der er opløst i dem.
Generelt accepteret klassifikation
Klassificering af dispergeringssystemer i henhold til spredningsgraden er angivet nedenfor:
- Hvis den betingede partikelstørrelse er mindre end 1 nm, kaldes sådanne systemer reelle eller sande løsninger.
- Hvis den betingede partikelstørrelse ligger mellem 1 nm og100 nm, så vil det pågældende stof blive kaldt en kolloid opløsning.
- Hvis partiklerne er større end 100 nm, så taler vi om suspensioner eller suspensioner.
Med hensyn til ovenstående klassificering, lad os præcisere to punkter: For det første er de givne tal vejledende, dvs. et system, hvor partikelstørrelsen er 3 nm, er ikke nødvendigvis et kolloid, det kan også være et sandt opløsning. Dette kan fastslås ved at studere dets fysiske egenskaber. For det andet bemærker du måske, at listen bruger udtrykket "betinget størrelse". Dette skyldes det faktum, at formen af partiklerne i systemet kan være fuldstændig vilkårlig, og i det generelle tilfælde har en kompleks geometri. Derfor taler de om en gennemsnitlig (betinget) størrelse af dem.
Senere i artiklen vil vi give en kort beskrivelse af de nævnte typer af spredningssystemer.
Ægte løsninger
Som nævnt ovenfor er spredningsgraden af partikler i rigtige opløsninger så høj (deres størrelse er meget lille, < 1 nm), at der ikke er nogen grænseflade mellem dem og opløsningsmidlet (medium), dvs. er et enfaset homogent system. For fuldstændighedens skyld husker vi, at størrelsen af et atom er i størrelsesordenen en ångstrøm (0,1 nm). Det sidste tal angiver, at partiklerne i rigtige opløsninger er atomare i størrelse.
De vigtigste egenskaber ved ægte opløsninger, der adskiller dem fra kolloider og suspensioner, er som følger:
- Løsningens tilstand eksisterer i vilkårligt lang tid uændret, det vil sige, at der ikke dannes noget bundfald af den dispergerede fase.
- Opløststoffet kan ikke adskilles fra opløsningsmidlet ved filtrering gennem almindeligt papir.
- Stoffet udskilles heller ikke som følge af processen med passage gennem den porøse membran, som i kemi kaldes dialyse.
- Det er kun muligt at adskille et opløst stof fra et opløsningsmiddel ved at ændre sidstnævntes aggregeringstilstand, f.eks. ved fordampning.
- For ideelle løsninger kan der udføres elektrolyse, det vil sige, at der kan sendes en elektrisk strøm, hvis en potentialforskel (to elektroder) påføres systemet.
- De spreder ikke lys.
Et eksempel på rigtige løsninger er blanding af forskellige s alte med vand, for eksempel NaCl (bords alt), NaHCO3 (bagepulver), KNO 3(kaliumnitrat) og andre.
Kolloidløsninger
Dette er mellemsystemer mellem rigtige løsninger og ophæng. De har dog en række unikke egenskaber. Lad os liste dem:
- De er mekanisk stabile i vilkårligt lang tid, hvis miljøforholdene ikke ændrer sig. Det er nok at opvarme systemet eller ændre dets surhedsgrad (pH-værdi), da kolloidet koagulerer (udfælder).
- De adskilles ikke ved hjælp af filterpapir, men dialyseprocessen fører til adskillelse af den dispergerede fase og mediet.
- Som med ægte løsninger kan de elektrolyseres.
- For transparente kolloide systemer er den såkaldte Tyndall-effekt karakteristisk: Hvis du sender en lysstråle gennem dette system, kan du se det. Det er forbundet medspredning af elektromagnetiske bølger i den synlige del af spektret i alle retninger.
- Evne til at adsorbere andre stoffer.
Kolloide systemer er på grund af de nævnte egenskaber meget brugt af mennesker inden for forskellige aktivitetsområder (fødevareindustri, kemi) og findes også ofte i naturen. Et eksempel på et kolloid er smør, mayonnaise. I naturen er disse tåger, skyer.
Før vi fortsætter til beskrivelsen af den sidste (tredje) klasse af disperse systemer, lad os forklare mere detaljeret nogle af de navngivne egenskaber for kolloider.
Hvad er kolloide løsninger?
For denne type disperse systemer kan klassificeringen gives under hensyntagen til mediets forskellige aggregerede tilstande og fasen opløst i det. Nedenfor er den tilsvarende tabel/
| onsdag/fase | Gas | Væske | Stiv krop |
| gas | alle gasser er uendeligt opløselige i hinanden, så de danner altid sande løsninger | aerosol (tåge, skyer) | aerosol (røg) |
| væske | skum (barbering, flødeskum) | emulsion (mælk, mayonnaise, sauce) | sol (vandfarver) |
| solid body | skum (pimpsten, kulsyrechokolade) | gel (gelatine, ost) | sol (rubinkrystal, granit) |
Tabellen viser, at kolloide stoffer er til stede over alt, både i hverdagen og i naturen. Bemærk at en lignende tabel også kan gives for ophæng, husk at forskellen medkolloider i dem er kun i størrelsen af den dispergerede fase. Suspensioner er dog mekanisk ustabile og er derfor af mindre praktisk interesse end kolloide systemer.
Årsagen til kolloidernes mekaniske stabilitet
Hvorfor kan mayonnaise ligge længe i køleskabet, og suspenderede partikler deri ikke udfældes? Hvorfor "falder" malingspartikler opløst i vand ikke til sidst til bunden af beholderen? Svaret på disse spørgsmål vil være Brownsk bevægelse.
Denne type bevægelse blev opdaget i første halvdel af det 19. århundrede af den engelske botaniker Robert Brown, som under et mikroskop observerede, hvordan små pollenpartikler bevæger sig i vand. Fra et fysisk synspunkt er Brownsk bevægelse en manifestation af den kaotiske bevægelse af flydende molekyler. Dens intensitet øges, hvis væskens temperatur hæves. Det er denne type bevægelse, der får små partikler af kolloide opløsninger til at være i suspension.
Adsorptionsejendom
Spredning er den gensidige af den gennemsnitlige partikelstørrelse. Da denne størrelse i kolloider ligger i området fra 1 nm til 100 nm, har de en meget udviklet overflade, dvs. forholdet S/m er en stor værdi, her er S det samlede grænsefladeareal mellem de to faser (spredningsmedium og partikler), m - samlet masse af partikler i opløsning.
Atomer, der er på overfladen af partiklerne i den dispergerede fase, har umættede kemiske bindinger. Det betyder, at de kan danne forbindelser med andremolekyler. Som regel opstår disse forbindelser på grund af van der Waals-kræfter eller hydrogenbindinger. De er i stand til at holde flere lag af molekyler på overfladen af kolloide partikler.
Et klassisk eksempel på en adsorbent er aktivt kul. Det er et kolloid, hvor dispersionsmediet er et fast stof, og fasen er en gas. Det specifikke overfladeareal for det kan nå 2500 m2/g.
Finhedsgrad og specifikt overfladeareal
Beregning af S/m er ikke en nem opgave. Faktum er, at partiklerne i en kolloid opløsning har forskellige størrelser, former, og overfladen af hver partikel har et unikt relief. Derfor fører teoretiske metoder til at løse dette problem til kvalitative resultater og ikke til kvantitative. Ikke desto mindre er det nyttigt at give formlen for det specifikke overfladeareal ud fra spredningsgraden.
Hvis vi antager, at alle partikler i systemet har en sfærisk form og samme størrelse, så opnås følgende udtryk som et resultat af enkle beregninger: Sud=6/(dρ), hvor Sud - overfladeareal (specifik), d - partikeldiameter, ρ - tæthed af det stof, det består af. Det kan ses af formlen, at de mindste og tungeste partikler vil bidrage mest til den pågældende mængde.
Den eksperimentelle måde at bestemme Sud på er at beregne mængden af gas, der adsorberes af stoffet under undersøgelse, samt at måle porestørrelsen (dispergeret fase) i den.
Frysetørring oglyofobisk
Lyofilicitet og lyofobicitet - det er de egenskaber, der faktisk bestemmer eksistensen af klassificeringen af disperse systemer i den form, som den er givet ovenfor. Begge begreber karakteriserer kraftbindingen mellem opløsningsmidlets molekyler og det opløste stof. Hvis dette forhold er stort, så taler de om lyofilisitet. Så alle sande opløsninger af s alte i vand er lyofile, da deres partikler (ioner) er elektrisk forbundet med polære molekyler H2O. Hvis vi betragter sådanne systemer som smør eller mayonnaise, så er disse repræsentanter for typiske hydrofobe kolloider, da fedt (lipid) molekyler i dem frastøder polære molekyler H2O.
Det er vigtigt at bemærke, at lyofobiske (hydrofobe, hvis opløsningsmidlet er vand) systemer er termodynamisk ustabile, hvilket adskiller dem fra lyofile.
egenskaber for suspensioner
Tænk nu på den sidste klasse af disperse systemer - suspensioner. Husk på, at de er kendetegnet ved, at den mindste partikel i dem er større end eller af størrelsesordenen 100 nm. Hvilke egenskaber har de? Den tilsvarende liste er angivet nedenfor:
- De er mekanisk ustabile, så de danner sediment i løbet af kort tid.
- De er overskyede og uigennemsigtige for sollys.
- Phase kan adskilles fra medium med filterpapir.
Eksempler på suspensioner i naturen omfatter mudret vand i floder eller vulkansk aske. Menneskelig brug af suspensioner er forbundet somnorm alt sammen med medicin (lægemiddelopløsninger).
Koagulation
Hvad kan man sige om blandinger af stoffer med forskellige grader af spredning? Delvis er dette spørgsmål allerede blevet dækket i artiklen, da partiklerne i ethvert dispergeringssystem har en størrelse, der ligger inden for visse grænser. Her betragter vi kun én besynderlig sag. Hvad sker der, hvis du blander et kolloid og en ægte elektrolytopløsning? Det vægtede system vil blive brudt, og dets koagulering vil forekomme. Dens årsag ligger i indflydelsen af de sande opløsningsioners elektriske felter på overfladeladningen af kolloide partikler.
