ДЛЯ ВЧИТЕЛІВ СЕРЕДНІХ ШКІЛ,
СТУДЕНТІВ ПЕДАГОГІЧНИХ ВНЗ І ШКОЛЯРІВ 9-10 КЛАСІВ,
Вирішили присвятити СЕБЕ ХІМІЇ І природознавства
ПІДРУЧНИК задачник ЛАБОРАТОРНИЙ ПРАКТИКУМ НАУКОВІ РОЗПОВІДІ ДЛЯ ЧИТАННЯ
Дисперсні системи - це системи, в яких дрібні частинки речовини, або дисперсна фаза. розподілені в однорідному середовищі (рідина, газ, кристал), або дисперсійної фази (рис. 8.25).
Мал. 8.25. дисперсная система
Розмір частинок дисперсної фази характеризується дисперсністю. Залежно від неї дисперсні системи можна розділити на високодисперсні. або власне колоїдні. і низькодисперсні (Грубодисперсні).
Розмір частинок нізкодісперсних систем становить 10 -3 мм і більше. Розмір частинок високодисперсних систем лежить в інтервалі 10 -6 -10 -4 мм (від 1 до 100 нм), що, як мінімум, на порядок більше розміру часток в істинних розчинах (10 -7 мм). Хімія дисперсних систем вивчає поведінку речовини в сильно роздробленому, високодисперсному стані, що характеризується дуже високим відношенням загальної площі поверхні всіх частинок до їх загального обсягу або масі (ступінь дисперсності).
Від назви колоїдних систем пішла назва окремої галузі хімії - колоїдної. «Поверхневі явища» - традиційна назва хімії дисперсних систем і поверхневих явищ. Раніше колоїдами називали клееподобной речовини, тепер це високодисперсні системи з сильно розвиненою поверхнею розділу фаз. Нижче ми будемо використовувати старі традиційні терміни, розуміючи їх сучасний зміст. Наприклад, під виразом «колоїдний розчин» будемо мати на увазі високодисперсне стан речовини в воді в якості дисперсійного середовища.
Найважливіша особливість дисперсного стану речовини полягає в тому, що енергія системи головним чином зосереджена на поверхні розділу фаз. При диспергування, або подрібненні, речовини відбувається значне збільшення площі поверхні частинок (при постійному сумарному їх обсязі). При цьому енергія, що витрачається на подрібнення і на подолання сил тяжіння між утворюються частинками, переходить в енергію поверхневого шару - поверхневу енергію. Чим вище ступінь подрібнення, тим більше поверхнева енергія. Тому область хімії дисперсних систем (і колоїдних розчинів) вважають хімією поверхневих явищ.
Колоїдні частинки настільки малі (містять 10 3 -10 9 атомів), що не затримуються звичайними фільтрами, які не видно в звичайний мікроскоп, що не осідають під дією сили тяжіння. Їх стійкість з часом знижується, тобто вони схильні до «старіння». Дисперсні системи термодинамічно нестійкі і прагнуть до стану з найменшою енергією, коли поверхнева енергія частинок стає мінімальною. Це досягається за рахунок зменшення загальної площі поверхні при укрупненні частинок (що може також відбуватися при адсорбції на поверхні частинок інших речовин).
Властивості речовини в роздробленому, або дисперсном, стані значно відрізняються від властивостей того ж речовини, що знаходиться в недісперсном стані, тобто у вигляді шматка твердого тіла або деякого об'єму рідини.
Так, тиск пара води над плоскою поверхнею при 20 ° С дорівнює 2333 Па, але над краплями води радіусом 1 мм воно вище на 0,003 Па, а над краплями радіусом
0,01 мм - на 0,3 Па. Кристалічний гідрат оксиду алюмінію Al2 О3 • 3Н2 О (або
Al (ОН) 3) починає втрачати воду при 200 ° С, а в дуже мелкораздробленном стані - при 100 ° С. Золото в соляній кислоті не розчиняється, однак в високодисперсному стані легко переходить в розчин. Розчинність СаSО4 в воді становить
4,9 • 10 -3 моль / л, але для частинок СаSО4 розміром 2 • 10 -4 см вона підвищується до
1,5 • 10 -3 моль / л.
У зв'язку з тим, що поверхнева енергія маленької частинки вище, ніж більшої, термодинамічні властивості їх різні. Так, розчинність дрібних кристаликів вище, ніж великих, і відбувається перенесення речовини з високодисперсною фази в менш дисперсную, тобто крупні кристали зростають за рахунок розчинення дрібних. У цьому мимовільному процесі
G <0.
Тиск пари над маленькою краплею вище, ніж над великою, і великі краплі виростають за рахунок випаровування маленьких (рис. 8.26). Тому в хмарах утворюються краплі дощу, точно так же ростуть сніжинки.
Мал. 8.26.
Схема перенесення речовини з високодисперсного
стану в низькодисперсні
Речовина в дисперсному стані прагне поглинути інші речовини. Розчинність газів в краплях вище, ніж в рідині великого обсягу. Через те, що розчинність кисню в краплі води висока, корозія заліза проходить навіть без домішок в залозі інших речовин (рис. 8.27). Під краплею води на поверхні заліза корозія проявляється в першу чергу у країв краплі, де розчинність кисню більше.
Мал. 8.27.
Схема корозії заліза
під маленькою краплею води
Існує кілька різних класифікацій дисперсних систем: за розміром частинок, по фазовому стану дисперсної фази і дисперсійного середовища, за характером взаємодії частинок дисперсної фази з речовиною дисперсійного середовища, за термодинамічної і кінетичної стійкості дисперсних систем і т.п.
Класифікація дисперсних систем за фазового стану дисперсної фази і дисперсійного середовища наведена в таблиці.
Класифікація дисперсних систем
Сплави, кольорові скла, мінерали
Велика поверхня розділу фаз викликає сильну взаємодію частинок дисперсної фази з дисперсійним середовищем, яке призводить до того, що частинки дисперсної фази окружаются молекулами і іонами дисперсійного середовища (розчинника) або ж набувають досить значний електричний заряд.
Будь-які два речовини на поверхні зіткнення обов'язково взаємодіють. Це можуть бути хімічна реакція, взаємодія, обумовлене проникненням однієї речовини в іншу і зупиняється при досягненні деякого рівноважного стану, утворення оболонки одного речовини навколо частки іншого і багато іншого. Дисперсна фаза і дисперсійне середовище також взаємодіють, але ступінь взаємодії може бути різною.
За силою взаємодії дисперсної фази з дисперсійним середовищем колоїдні системи поділяють на ліофільні (від грец. - розчиняю, - люблю) і ліофобні (від грец. - страх). Ці назви вказують на те, що в ліофільних колоїдних системах взаємодія частинок з речовиною дисперсійного середовища сильніше, ніж в ліофобних.
Ліофільні дисперсні системи характеризуються сильним тяжінням молекул дисперсійного середовища до частинкам дисперсної фази. Навколо частинок мимовільно утворюються щільні і порівняно стійкі сольватні оболонки. При взаємодії з молекулами води говорять про гидрофильности дисперсної фази і освіті гідратної оболонок. Якщо частки розподілені в маслоподобних органічних речовинах і оточені такими оболонками, говорять про олеофільний частинок. Ліофільні речовини (тіла) розчиняються в даній рідини, набухають в ній або добре змочуються.
У ліофільних колоїдах поверхню частинок сильно сольватованих і поверхнева енергія (поверхневий натяг) на кордоні розділу фаз мала. Ліофільні колоїди утворюються в результаті мимовільного диспергування крупних частинок твердої речовини або крапель рідини на найдрібніші колоїдні частинки (або міцели). Ліофільні колоїди термодинамічно стійкі і тому майже не руйнуються при сталості умов їх утворення.
Ліофільні системи мимовільно утворюються в рідинах без участі електролітів або поверхнево-активних речовин. Так, гідрофільні системи утворюють желатин і крохмаль, які спочатку набухають у воді і потім переходять в розчин (холодець, кисіль, крохмальний клей); альбуміни, в тому числі яєчний білок, також розчиняються у воді; натуральний каучук легко розчиняється в бензині (гумовий клей). До ліофільним колоїдних систем відносяться розчини звичайного мила в воді.
Найважливіша характеристика дисперсних систем - знак і величина заряду частинок. У частинок ліофільних колоїдів заряд або дуже малий, або взагалі відсутня. Заряд на частці ліофільного колоїду змінюється дуже легко при додаванні невеликих кількостей електролітів. Зміна концентрації іонів водню в розчині (рН) призводить до перезарядження частинок колоїдного розчину. В електричному полі ліофільні колоїди або не переміщаються, або переміщуються в будь-якому напрямку.
Слабка взаємодія молекул дисперсійного середовища з частинками дисперсної фази призводить до утворення ліофобних систем. Якщо дисперсійним середовищем є вода, кажуть про гидрофобности системи, якщо органічні маслоподобние речовини - про її олеофобним. Частинки ліофобних речовин (тіла) не розчиняються, погано змочуються і не набухають в речовині дисперсійного середовища. Ліофобні системи з концентрацією дисперсної фази вище 1% отримати не вдається, а ліофільні колоїдні системи можуть бути дуже концентрованими.
Про ліофільності або ліофобность системи можна судити за кількістю теплоти, що виділяється при розчиненні, набуханні і змочуванні. У ліофільних систем теплота взаємодії набагато більше, ніж у ліофобних.
На гладкій поверхні ліофільного речовини крапля рідини розтікається, утворюючи тонкий шар (плівку), а на ліофобній поверхні крапля не розтікається, утворюючи лінзу або сплющений куля. Кількісною мірою ліофобность може служити величина кута між поверхнями краплі і змочуваного тіла (крайовий кут, або кут змочування).
Ліофобні колоїдні системи по в'язкості близькі до дисперсійному середовищі, ліофільні системи мають більш високу в'язкість.
Ліофільні колоїдні розчини розсіюють світло слабкіше ліофобних.
Типові ліофобні речовини - оксиди або сульфіди елементів металевого характеру.
Принципова відмінність ліофобних і ліофільних колоїдних систем полягає в їх термодинамічних властивостях. Ліофобні системи - гетерогенні, і в цьому відношенні їх можна відносити до істинних розчинів. Ліофільні системи - однофазні, гомогенні, що володіють багатьма властивостями істинних розчинів. Внаслідок високої поверхневої енергії ліофобні системи термодинамічно і кінетично нестійкі. Ліофільні системи термодинамічно стійкі.
При розпаді ліофобних колоїдів відбувається укрупнення колоїдних частинок, яке супроводжується зменшенням енергії системи. Здатність протистояти укрупненню часток (Агрегативна стійкість) у ліофобній системи має тимчасовий характер і часто обумовлена наявністю речовин (стабілізаторів), адсорбирующихся на поверхні частинок і перешкоджають їх злипання (або злиття).
Грубодисперсні системи типу «тверда речовина-рідина» з порівняно великими (більше 1 • 10 -3 мм) частками називаються суспензиями. або металевий порошок. Частинки суспензій не виявляється броунівського руху. Суспензії з щільністю більше, ніж щільність дисперсійного середовища, випадають в осад; якщо ж їх щільність менше, частки спливають.
Каламутність води природних водойм обумовлена як тонкодисперсними, так і грубодисперсними домішками (піщинки, глина, частинки розкладання рослинних і тваринних організмів). При порушенні донного осаду в морі або океані виникають придонні суспензійні течії (мутьевие потоки), які рухаються зі швидкістю до 90 км / год на сотні кілометрів. Каламутність властива водним потокам з високою швидкістю течії.
При максимальній каламутності природних вод концентрація частинок досягає 1 г / л. Каламутність (або зворотний їй величину - прозорість) природної води визначають, випаровуючи воду, висушуючи сухий залишок при 105 ° С і зважуючи його. Набагато простіше оцінювати каламутність висотою стовпа води, через який проглядається на білій порцеляновій пластинці чорний хрест з товщиною ліній 1 мм. У воді для господарських цілей хрест повинен бути видимим на глибині не менше 3 м.
Глина - тонкодисперсна осадова гірська порода, в складі якої 30-70% SiO2. 10-40% Al2 O3 і 5-10% H2 O. Розмір частинок глини не перевищує 0,01 мм (при більших частках глини переходять в пісок). Суспензія глини в воді під назвою «глинистий розчин» використовується як промивна рідина при бурінні і як мастильний засіб для зменшення тертя при обертанні труб в свердловинах.
Вкрай концентрована суспензія глини утворює з водою тісто, якому можна надати бажану форму і після висушування і випалу отримати цегла або інший виріб. Фарфор виготовляють із суміші порошків каолинита Аl4 [Si4 O10] (OH) 8. кварцу SiO2. польового шпату (алюмосилікати калію, натрію, кальцію, барію). Порошок змішують з водою до утворення густої пластичної маси, якій надають бажану форму, висушують і обпалюють.
Порошок цементу, отриманий випалюванням силікатів і алюмінатів кальцію, при змішуванні з водою через деякий час твердне в міцне каменеподібний тіло.
Кров - найважливіша для життя людини і багатьох тварин суспензія еритроцитів, лейкоцитів і тромбоцитів в фізіологічному розчині (лімфі). Еритроцити - червоні кров'яні тільця - переносять кисень і вуглекислий газ, мають діаметр
(7,2-7,5) • 10 -2 мм, і в 1 мм 3 крові їх міститься 4,5-5 млн.
Оскільки розміри частинок відносно великі, суспензії кінетично нестійкі, і при відстоюванні частки випадають в осад. Процес виділення суспендованих частинок, що відбувається під дією сили тяжіння, називається седиментацією. або осадженням. На початку седиментации випадають найбільші частки. Швидкість осадження частинок залежить від співвідношення щільності фаз, в'язкості рідкої фази, радіусу частинок, ступеня їх гідрофільності, присутності поверхнево-активних речовин та інших факторів.
На гидрофильности або гідрофобності частинок заснована флотация - поділ дрібних частинок, що володіють різною смачиваемостью. При флотационном методі збагачення частки несмачіваемих гідрофобних мінералів збираються на поверхні, а частки змочуваних гідрофільних мінералів обволікаються плівкою рідини і опускаються на дно. Несмачіваемих частки знімаються з поверхні рідини. Так відбувається поділ руди на фракції
(Рис. 8.28).
Мал. 8.28.
Поділ часток несмачіваемих
і змочуваних мінералів
За розмірами частинок проміжне положення між суспензіями і істинними розчинами займають золі. Золі - високодисперсні системи з частинками з твердої речовини, що знаходяться в броунівському русі. Найчастіше золями називають системи з рідким дисперсійним середовищем. Золі - типові колоїдні системи, які найбільш яскраво виявляють властивості, властиві речовині в високодисперсному стані.
Методи дослідження дисперсних систем (визначення розміру, форми і заряду частинок) засновані на вивченні їх особливих властивостей, обумовлених гетерогенність і дисперсністю, зокрема оптичних. Колоїдні розчини володіють оптичними властивостями, що відрізняють їх від справжніх розчинів, - вони поглинають і розсіюють проходить через них світло. При бічному розгляданні дисперсної системи, через яку проходить вузький світловий промінь, всередині розчину на темному тлі видно світиться блакитний так званий конус Тиндаля (рис. 8.29). Те ж саме відбувається, коли ми помічаємо в курній кімнаті світлу смугу сонячного світла з вікна. Це явище називається опалесценцією.
Мал. 8.29.
Ефект Тиндаля (опалесценція)
Розсіювання світла можливо, якщо розмір колоїдної частинки менше довжини хвилі світла, що проходить і показники заломлення дисперсної фази і дисперсійного середовища різні. Розміри колоїдних частинок менше довжин хвиль видимої частини спектру (приблизно 0,1-0,2 довжини хвилі світла), і поглинена світлова енергія знову випускається частинками в різних напрямках, що проявляється в розсіюванні світла. Інтенсивність светорассеяния різко збільшується зі зменшенням довжини світлової хвилі.
Конус Тиндаля тим яскравіше, чим вище концентрація і більше розмір часток. Інтенсивність светорассеяния посилюється при короткохвильовому випромінюванні і при значній відмінності показників заломлення дисперсної і дисперсійної фаз. Зі зменшенням діаметра частинок максимум поглинання зміщується в короткохвильову частину спектру, і високодисперсні системи розсіюють коротші світлові хвилі і тому мають блакитнувате фарбування. На спектрах розсіювання світла засновані методи визначення розміру і форми частинок.
Розміри частинок золів зазвичай рівні 10 -3 -10 -5 мм, що дозволяє їм брати участь в броунівському русі - безперервному хаотичному переміщенні найдрібніших частинок в рідині або газі (рис. 8.30).