Večina snovi okoli nas je mešanic različnih snovi, zato ima proučevanje njihovih lastnosti pomembno vlogo pri razvoju kemije, medicine, živilske industrije in drugih sektorjev gospodarstva. Članek obravnava vprašanja, kakšna je stopnja disperzije in kako vpliva na značilnosti sistema.
Kaj so disperzni sistemi?
Preden razpravljamo o stopnji razpršenosti, je treba razjasniti, za katere sisteme je mogoče uporabiti ta koncept.
Predstavljajmo si, da imamo dve različni snovi, ki se lahko med seboj razlikujeta po kemični sestavi, na primer kuhinjska sol in čista voda ali po agregacijskem stanju, na primer ista voda v tekočem in trdnem (led) države. Zdaj morate vzeti in zmešati ti dve snovi ter ju intenzivno mešati. Kakšen bo rezultat? Odvisno je od tega, ali je med mešanjem potekala kemična reakcija ali ne. Ko govorimo o razpršenih sistemih, se verjame, da ko sopri tvorbi ne pride do reakcije, to pomeni, da začetne snovi ohranijo svojo strukturo na mikro ravni in svoje prirojene fizikalne lastnosti, kot so gostota, barva, električna prevodnost in druge.
Tako je razpršeni sistem mehanska zmes, zaradi katere se dve ali več snovi pomešata med seboj. Ko se oblikuje, se uporabljata pojma "disperzijski medij" in "faza". Prvi ima lastnost kontinuitete znotraj sistema in se v njem praviloma nahaja v veliki relativni količini. Za drugo (razpršeno fazo) je značilna lastnost diskontinuitete, torej je v sistemu v obliki majhnih delcev, ki so omejeni s površino, ki jih ločuje od medija.
Homogeni in heterogeni sistemi
Jasno je, da se bosta ti dve komponenti razpršenega sistema razlikovali po svojih fizikalnih lastnostih. Če na primer vržete pesek v vodo in ga premešate, je jasno, da se zrna peska, ki obstajajo v vodi, katere kemična formula je SiO2, ne bodo razlikovala kakorkoli iz stanja ko niso bili v vodi. V takih primerih govorimo o heterogenosti. Z drugimi besedami, heterogeni sistem je mešanica več (dveh ali več) faz. Slednje razumemo kot neko končno prostornino sistema, za katero so značilne določene lastnosti. V zgornjem primeru imamo dve fazi: pesek in voda.
Vendar lahko velikost delcev razpršene faze, ko so raztopljeni v katerem koli mediju, postane tako majhna, da prenehajo kazati svoje individualne lastnosti. V tem primeru se govori ohomogene ali homogene snovi. Čeprav vsebujejo več komponent, vsi tvorijo eno fazo v celotnem volumnu sistema. Primer homogenega sistema je raztopina NaCl v vodi. Ko se raztopi, se kristal NaCl zaradi interakcije s polarnimi molekulami H2O razpade na ločene katione (Na+) in anione (Cl-). Z vodo so homogeno pomešani in v takem sistemu ni več mogoče najti vmesnika med topljencem in topilom.
Velikost delcev
Kakšna je stopnja disperzije? To vrednost je treba podrobneje obravnavati. Kaj ona predstavlja? Je obratno sorazmerna z velikostjo delcev dispergirane faze. Prav ta lastnost je osnova za razvrstitev vseh obravnavanih snovi.
Pri preučevanju disperznih sistemov se študenti pogosto zmedejo v njihovih imenih, saj menijo, da njihova klasifikacija temelji tudi na agregacijskem stanju. To ni res. Mešanice različnih agregacijskih stanj imajo res različna imena, na primer emulzije so vodne snovi, aerosoli pa že kažejo na obstoj plinske faze. Vendar pa so lastnosti disperznih sistemov odvisne predvsem od velikosti delcev faze, raztopljene v njih.
Splošno sprejeta klasifikacija
Klasifikacija disperznih sistemov glede na stopnjo disperzije je podana spodaj:
- Če je pogojna velikost delcev manjša od 1 nm, se takšni sistemi imenujejo resnične ali prave rešitve.
- Če je pogojna velikost delcev med 1 nm in100 nm, potem se zadevna snov imenuje koloidna raztopina.
- Če so delci večji od 100 nm, potem govorimo o suspenzijah ali suspenzijah.
Glede na zgornjo klasifikacijo, naj pojasnimo dve točki: prvič, dane številke so okvirne, torej sistem, v katerem je velikost delcev 3 nm, ni nujno koloid, lahko je tudi pravi rešitev. To je mogoče ugotoviti s preučevanjem njegovih fizikalnih lastnosti. Drugič, morda boste opazili, da seznam uporablja besedno zvezo "pogojna velikost". To je posledica dejstva, da je oblika delcev v sistemu lahko popolnoma poljubna in ima v splošnem primeru zapleteno geometrijo. Zato govorijo o neki njihovi povprečni (pogojni) velikosti.
Pozneje v članku bomo podali kratek opis opaženih vrst disperznih sistemov.
Prave rešitve
Kot že omenjeno, je stopnja disperzije delcev v resničnih raztopinah tako visoka (njihova velikost je zelo majhna, < 1 nm), da ni vmesnika med njimi in topilom (medijem), tj. je enofazni homogen sistem. Za popolnost informacij spomnimo, da je velikost atoma reda enega angstroma (0,1 nm). Zadnja številka označuje, da so delci v resničnih raztopinah atomske velikosti.
Glavne lastnosti pravih raztopin, ki jih razlikujejo od koloidov in suspenzij, so naslednje:
- Stanje raztopine obstaja poljubno dolgo nespremenjeno, to pomeni, da se oborina dispergirane faze ne tvori.
- Razpuščenosnovi ni mogoče ločiti od topila s filtracijo skozi navaden papir.
- Snov se tudi ne loči zaradi procesa prehoda skozi porozno membrano, ki se v kemiji imenuje dializa.
- Raztopljeno snov je mogoče ločiti od topila samo s spremembo agregacijskega stanja slednjega, na primer z izhlapevanjem.
- Za idealne rešitve se lahko izvede elektroliza, to pomeni, da se lahko prenese električni tok, če se na sistem uporabi potencialna razlika (dve elektrodi).
- Ne razpršijo svetlobe.
Primer pravih rešitev je mešanje različnih soli z vodo, na primer NaCl (namizna sol), NaHCO3 (soda bikarbona), KNO 3(kalijev nitrat) in drugi.
koloidne raztopine
To so vmesni sistemi med resničnimi rešitvami in suspenzijami. Vendar pa imajo številne edinstvene lastnosti. Naštejmo jih:
- Če se okoljski pogoji ne spremenijo, so mehansko stabilni poljubno dolgo. Dovolj je segreti sistem ali spremeniti njegovo kislost (pH vrednost), saj se koloid koagulira (obori).
- Niso ločeni s filtrirnim papirjem, vendar postopek dialize vodi do ločitve dispergirane faze in medija.
- Tako kot pri pravih rešitvah jih je mogoče elektrolizirati.
- Za prosojne koloidne sisteme je značilen tako imenovani Tyndallov učinek: če skozi ta sistem prehajate snop svetlobe, ga lahko vidite. Povezano je zsipanje elektromagnetnih valov v vidnem delu spektra v vse smeri.
- Zmožnost adsorbiranja drugih snovi.
Koloidne sisteme zaradi naštetih lastnosti človek široko uporablja na različnih področjih dejavnosti (živilska industrija, kemija), pogosto pa jih najdemo tudi v naravi. Primer koloida je maslo, majoneza. V naravi so to megle, oblaki.
Preden nadaljujemo z opisom zadnjega (tretjega) razreda disperznih sistemov, naj podrobneje razložimo nekatere poimenovane lastnosti koloidov.
Kaj so koloidne raztopine?
Za to vrsto disperznih sistemov je mogoče podati klasifikacijo ob upoštevanju različnih agregatnih stanj medija in faze, raztopljene v njem. Spodaj je ustrezna tabela/
| sreda/faza | plin | tekočina | togo telo |
| plin | vsi plini so neskončno topni drug v drugem, zato vedno tvorijo prave rešitve | aerosol (megla, oblaki) | aerosol (dim) |
| tekočina | pena (britje, stepena smetana) | emulzija (mleko, majoneza, omaka) | sol (vodene barve) |
| trdno telo | pena (plovec, gazirana čokolada) | gel (želatina, sir) | sol (rubinski kristal, granit) |
Tabela kaže, da so koloidne snovi prisotne povsod, tako v vsakdanjem življenju kot v naravi. Upoštevajte, da je podobno tabelo mogoče dati tudi za vzmetenja, pri čemer ne pozabite, da je razlika zkoloidov v njih je le v velikosti dispergirane faze. Vendar pa so suspenzije mehansko nestabilne in so zato manj praktičnega pomena kot koloidni sistemi.
Razlog za mehansko stabilnost koloidov
Zakaj lahko majoneza dolgo leži v hladilniku in se suspendirani delci v njej ne oborijo? Zakaj delci barve, raztopljeni v vodi, sčasoma ne "padejo" na dno posode? Odgovor na ta vprašanja bo Brownovo gibanje.
Ta tip gibanja je v prvi polovici 19. stoletja odkril angleški botanik Robert Brown, ki je pod mikroskopom opazoval, kako se majhni delci cvetnega prahu premikajo v vodi. S fizičnega vidika je Brownovo gibanje manifestacija kaotičnega gibanja tekočih molekul. Njegova intenzivnost se poveča, če se temperatura tekočine dvigne. Prav ta vrsta gibanja povzroči, da so majhni delci koloidnih raztopin v suspenziji.
Adsorpcijska lastnost
Disperznost je recipročna vrednost povprečne velikosti delcev. Ker je ta velikost v koloidih v območju od 1 nm do 100 nm, imajo zelo razvito površino, torej je razmerje S / m velika vrednost, tukaj je S skupna površina vmesnika med obema fazama (disperzijski medij in delci), m - skupna masa delcev v raztopini.
Atomi, ki so na površini delcev razpršene faze, imajo nenasičene kemične vezi. To pomeni, da lahko tvorijo spojine z drugimimolekule. Te spojine praviloma nastanejo zaradi van der Waalsovih sil ali vodikovih vezi. Sposobni so zadržati več plasti molekul na površini koloidnih delcev.
Klasičen primer adsorbenta je aktivno oglje. Je koloid, kjer je disperzijski medij trdna snov, faza pa plin. Specifična površina zanj lahko doseže 2500 m2/g.
Stopnja finosti in specifična površina
Izračun S/m ni lahka naloga. Dejstvo je, da imajo delci v koloidni raztopini različne velikosti, oblike in površina vsakega delca ima edinstven relief. Zato teoretične metode za reševanje tega problema vodijo do kvalitativnih rezultatov in ne do kvantitativnih. Kljub temu je koristno podati formulo za specifično površino iz stopnje disperzije.
Če predpostavimo, da imajo vsi delci sistema sferično obliko in enako velikost, potem kot rezultat enostavnih izračunov dobimo naslednji izraz: Sud=6/(dρ), kjer je Sud - površina (specifična), d - premer delcev, ρ - gostota snovi, iz katere je sestavljen. Iz formule je razvidno, da bodo najmanjši in najtežji delci največ prispevali k obravnavani količini.
Eksperimentalni način za določitev Sud je izračun volumna plina, ki ga adsorbira preučevana snov, kot tudi merjenje velikosti por (razpršene faze) v njem.
Zmrzovanje inliofobna
Liofilnost in liofobnost - to sta značilnosti, ki dejansko določata obstoj klasifikacije disperznih sistemov v obliki, v kateri je navedena zgoraj. Oba koncepta označujeta vez sile med molekulami topila in topljenca. Če je to razmerje veliko, potem govorijo o liofilnosti. Torej so vse prave raztopine soli v vodi liofilne, saj so njihovi delci (ioni) električno povezani s polarnimi molekulami H2O. Če upoštevamo takšne sisteme, kot sta maslo ali majoneza, potem so to predstavniki tipičnih hidrofobnih koloidov, saj maščobne (lipidne) molekule v njih odbijajo polarne molekule H2O.
Pomembno je omeniti, da so liofobni (hidrofobni, če je topilo voda) sistemi termodinamično nestabilni, kar jih razlikuje od liofilnih.
Lastnosti suspenzij
Zdaj razmislite o zadnjem razredu disperznih sistemov - suspenzijah. Spomnimo se, da je zanje značilno, da je najmanjši delec v njih večji od ali reda 100 nm. Kakšne lastnosti imajo? Ustrezen seznam je naveden spodaj:
- So mehansko nestabilni, zato v kratkem času tvorijo usedlino.
- So oblačno in nepregledno za sončno svetlobo.
- Fazo je mogoče ločiti od medija s filtrirnim papirjem.
Primeri suspenzij v naravi vključujejo blatno vodo v rekah ali vulkanski pepel. Človeška uporaba suspenzij je povezana kotobičajno z zdravili (raztopine zdravil).
koagulacija
Kaj lahko rečemo o mešanicah snovi z različnimi stopnjami disperzije? Delno je to vprašanje že obravnavano v članku, saj imajo delci v vsakem disperznem sistemu velikost v določenih mejah. Tukaj obravnavamo le en radoveden primer. Kaj se zgodi, če zmešate koloid in pravo raztopino elektrolita? Uteženi sistem se bo pokvaril in prišlo bo do njegove koagulacije. Njen razlog je v vplivu električnih polj pravih ionov raztopine na površinski naboj koloidnih delcev.
