Більшість оточуючих нас речовин являють собою суміші різних субстанцій, тому вивчення їх властивостей відіграє важливу роль у розвитку хімії, медицини, харчової промисловості та інших галузей народного господарства. У статті розглядаються питання, що таке ступінь дисперсності, і як вона впливає на характеристики системи.
Що таке дисперсні системи?
Перш ніж перейти до обговорення питання про ступінь дисперсності, необхідно пояснити, яким систем може застосовуватися це поняття.
Уявімо собі, що у нас є два різних речовини, які можуть відрізнятися один від одного за хімічним складом, наприклад, кухонна сіль і чиста вода, або ж агрегатним станом, наприклад, та ж вода в рідкому і твердому (лід) станах. Тепер необхідно взяти і змішати ці дві субстанції та інтенсивно їх перемішати. Який буде результат? Він залежить від того, пройшла при змішуванні хімічна реакція чи ні. Коли мову ведуть про дисперсних системах, то вважають, що при їх утворенні ніякої реакції не відбувається, то є вихідні речовини зберігають свою будову на мікрорівні та притаманні їм фізичні властивості, наприклад, щільність, колір, електропровідність та інші.
Таким чином, дисперсна система – це механічна суміш, в результаті якої два і більше речовини змішуються один з одним. При її утворенні користуються поняттями “дисперсійна середовище” та “фаза”. Перша має властивість безперервності всередині системи і, як правило, перебуває в ній у великій відносній кількості. Друга (дисперсна фаза) характеризується властивістю безперервності, тобто в системі вона знаходиться у вигляді дрібних частинок, які обмежені поверхнею, що відокремлює їх від середовища.
Гомогенні та гетерогенні системи
Зрозуміло, що названі дві складові дисперсної системи будуть відрізнятися за своїм фізичним властивостям. Наприклад, якщо кинути у воду пісок і розмішати його, то зрозуміло, що існуючі у воді піщинки, хімічна формула яких SiO2, нічим не будуть відрізнятися від того стану, коли вони не перебували у воді. У таких випадках говорять про гетерогенності. Іншими словами, гетерогенна система являє собою суміш з декількох (двох і більше) фаз. Під останньою розуміють деякий кінцевий об’єм системи, який характеризується певними властивостями. У наведеному вище прикладі маємо дві фази: пісок і вода.
Проте розміри частинок дисперсної фази при їх розчиненні в будь-якому середовищі можуть стати настільки маленькими, що вони перестануть проявляти свої індивідуальні властивості. У цьому випадку говорять про гомогенних або однорідних субстанціях. У них хоча і знаходиться кілька компонентів, але всі вони утворюють одну фазу по всьому об’єму системи. Прикладом гомогенної системи є розчин NaCl у воді. При його розчиненні з-за взаємодії з полярними молекулами H2O кристал NaCl розпадається на окремі катіони (Na+) і аніони (Cl-). Вони однорідно змішуються з водою, і вже неможливо в такій системі знайти кордон розділу між розчинною речовиною і розчинником.
Розмір частинок
Що таке ступінь дисперсності? Цю величину необхідно розглянути докладніше. Що вона собою являє? Вона обернено пропорційна розміру частинок дисперсної фази. Саме ця характеристика лежить в основі класифікації всіх розглянутих субстанцій.
При вивченні дисперсних систем студенти часто плутаються в їх назвах, оскільки вважають, що в основі їх класифікації лежить агрегатний стан. Це невірно. Суміші різних агрегатних станів дійсно мають різні назви, наприклад, емульсії – це водяні субстанції, а аерозолі вже припускають існування газової фази. Однак властивості дисперсних систем залежать головним чином від розміру частинок розчиненої в них фази.
Загальноприйнята класифікація
Класифікація дисперсних систем за ступенем дисперсності наведена нижче:
- Якщо умовний розмір частинок менше 1 нм, то такі системи називають справжніми, або істинними розчинами.
- Якщо умовний розмір частки лежить в межах між 1 нм і 100 нм, тоді розглянута субстанція буде називатися колоїдним розчином.
- Якщо ж частинки більше 100 нм, то ведуть мову про суспензіях або взвесях.
Щодо наведеної класифікації з’ясуємо два моменти: по-перше, наведений цифри є орієнтовними, тобто система, в якій розмір частинок буде 3 нм, не обов’язково є колоїдом, вона може являти собою і істинний розчин. Це можна встановити, вивчивши її фізичні властивості. По-друге, можна помітити, що в списку використовується фраза “умовний розмір”. Пов’язано це з тим, що форма частинок в системі може бути абсолютно довільною, і в загальному випадку має складну геометрію. Тому говорять про деякому середньому (умовному) їх розмірі.
Далі в статті дамо коротку характеристику зазначених типів дисперсних систем.
Істинні розчини
Як вище було сказано, ступінь дисперсності часток у цих розчинах настільки велика (їх розмір дуже маленький, < 1 нм), що не існує поверхні розділу між ними і розчинником (середовищем), тобто має місце однофазна гомогенна система. Для повноти інформації нагадаємо, що розмір атома становить близько одного ангстрема (0,1 нм). Остання цифра говорить про те, що частинки в цих розчинах мають атомні розміри.
Головними властивостями істинних розчинів, які їх відрізняють від колоїдів і суспензій, є наступні:
- Стан розчину існує як завгодно довго в незмінному вигляді, тобто не утворюється осаду дисперсної фази.
- Розчинену субстанцію не можна відокремити від розчинника шляхом фільтрації через звичайний папір.
- Субстанція також не відокремлюється в результаті процесу переходу через пористу мембрану, який називається в хімії діалізом.
- Відокремити розчинена речовина від розчинника можна тільки шляхом зміни агрегатного стану останнього, наприклад, шляхом випарювання.
- Для ідеальних розчинів можна провести електроліз, тобто пропустити електричний струм, якщо прикласти до системи різниця потенціалів (два електрода).
- Вони не розсіюють світло.
Прикладом істинних розчинів є змішування різних солей з водою, наприклад, NaCl (кухонна сіль), NaHCO3 (харчова сода), KNO3 (нітрат калію) та інші.
Колоїдні розчини
Це проміжні системи між справжніми розчинами і суспензіями. Тим не менш, вони володіють рядом унікальних характеристик. Перерахуємо їх:
- Вони як завгодно довго є механічно стабільними, якщо не змінюються умови середовища. Достатньо нагріти систему або змінити її кислотність (показник pH), як колоїд коагулює (випаде в осад).
- Вони не поділяються за допомогою фільтрувального паперу, однак, процес діаліз призводить до поділу дисперсної фази і середовища.
- Як і для істинних розчинів, для них можна провести електроліз.
- Для прозорих колоїдних систем характерний так званий ефект Тиндаля: пропускаючи промінь світла через цю систему, можна його побачити. Це пов’язано з розсіюванням електромагнітних хвиль видимої частини спектра в усіх напрямках.
- Здатність адсорбувати інші речовини.
Колоїдні системи, завдяки перерахованим властивостям, широко використовуються людиною у різних сферах діяльності (харчова промисловість, хімія), а також часто зустрічаються в природі. Прикладом колоїду є вершкове масло, майонез. У природі це тумани, хмари.
Перш ніж переходити до опису останнього (третього) класу дисперсних систем, пояснимо докладніше деякі з названих властивостей колоїдів.
Які бувають колоїдні розчини?
Для цього типу дисперсних систем класифікацію можна привести, враховуючи різні агрегатні стани середовища і розчиненої в ній фази. Нижче надана відповідна таблиця/
| Середа/фаза | Газ | Рідина | Тверде тіло |
| газ | всі гази нескінченно розчиняються один в одному, тому завжди утворюють істинні розчини | аерозоль (туман, хмари) | аерозоль (дим) |
| рідина | піна (для гоління, збиті вершки) | емульсія (молоко, майонез, соус) | золь (акварельні фарби) |
| тверде тіло | піна (пемза, пористий шоколад) | гель (желатин, сир) | золь (кристал рубіна, граніт) |
З таблиці видно, що колоїдні субстанції присутні повсюдно, як у побуті, так і в природі. Зазначимо, що аналогічну таблицю можна навести також для суспензій, згадуючи, що різниця з колоїдами у них полягає тільки в розмірі дисперсної фази. Однак суспензії є механічно нестабільними, тому становлять менший інтерес для практики, ніж колоїдні системи.
Причина механічної стабільності колоїдів
Чому майонез може довго лежати в холодильнику, і зважені частинки в ньому не випадають в осад? Чому розчинені у воді частинки фарб з часом не “падають” на дно посудини? Відповіддю на ці питання буде броунівський рух.
Цей тип руху був відкритий в першій половині XIX століття англійським ботаніком Робертом Броуном, який спостерігав під мікроскопом, як рухаються дрібні частинки пилку у воді. З фізичної точки зору броунівський рух є проявом хаотичного переміщення молекул рідини. Його інтенсивність збільшується, якщо підвищити температуру рідини. Саме цей тип руху змушує перебувати в підвішеному стані дрібні частинки колоїдних розчинів.
Властивість адсорбції
Дисперсність – це величина, зворотна середньому розміру частинок. Оскільки цей розмір в колоїдах лежить в межах від 1 нм до 100 нм, то вони мають дуже розвиненою поверхнею, тобто відношення S/m є великою величиною, тут S – сумарна площа розділу між двома фазами (дисперсійної середовищем і частками), m – загальна маса частинок у розчині.
Атоми, які знаходяться на поверхні частинок дисперсної фази, мають ненасиченими хімічними зв’язками. Це означає, що вони можуть утворювати сполуки з іншими молекулами. Як правило, ці сполуки виникають за рахунок ван-дер-ваальсових сил або водневих зв’язків. Вони здатні утримати кілька шарів молекул на поверхні колоїдних частинок.
Класичним прикладом адсорбенту є активоване вугілля. Він являє собою колоїд, де дисперсійної середовищем є тверде тіло, а фазою – газ. Питома площа поверхні для нього може досягати 2500 м2/р.
Ступінь дисперсності і питома поверхня
Розрахунок величини S/m є непростим завданням. Справа в тому, що частинки в колоїдному розчині мають різні розміри, форму, а також поверхню кожної частинки володіє унікальним рельєфом. Тому теоретичні методи рішення цієї задачі приводять до якісних результатів, а не кількісним. Тим не менш, корисно привести від ступеня дисперсності формулу питомої поверхні.
Якщо покласти, що всі частинки системи мають сферичну форму і однакові розміри, тоді в результаті нехитрих розрахунків виходить такий вислів: Sud = 6/(d*ρ), де Sud – площа поверхні (питома), d – діаметр частинки, ρ – густина речовини, з якої вона складається. З формули видно, що частинки найменші і найбільш важкі будуть давати найбільший внесок у розглядувану величину.
Експериментальний спосіб визначення Sud полягає в обчисленні об’єму газу, що адсорбується досліджуваним речовиною, а також у вимірі розміру пор (дисперсна фаза) в ньому.
Системи ліофільні та ліофобні
Лиофильность і лиофобность – це ті характеристики, які, по суті, обумовлюють існування класифікації дисперсних систем в тому вигляді, в якому вона наведена вище. Обидва поняття характеризують силову зв’язок між молекулами розчинника і растворяемого речовини. Якщо ця зв’язок велика, то говорять про ліофільності. Так, всі істинні розчини солей у воді є лиофильными, оскільки їх частинки (іони) електрично пов’язані з полярними молекулами H2O. Якщо ж розглядати такі системи, як вершкове масло або майонез, то це представники типових гідрофобних колоїдів, оскільки в них молекули жирів (ліпідів) відштовхуються від полярних молекул H2O.
Важливо відзначити, що ліофобні (гідрофобні, якщо розчинником є вода) системи є термодинамічно нестійкими, що їх відрізняє від ліофільних.
Властивості суспензій
Тепер розглянемо останній клас дисперсних систем – суспензії. Нагадаємо, що вони характеризуються тим, що найменша частка в них більше або близько 100 нм. Якими властивостями вони володіють? Нижче дано відповідний список:
- Вони механічно нестабільні, тому за короткий проміжок часу в них утворюється осад.
- Вони є мутними і непрозорими для сонячних променів.
- Фазу можна відокремити від середовища з допомогою фільтрувального паперу.
Прикладами суспензій в природі можна назвати каламутну воду в річках або вулканічний попіл. Використання людиною суспензій пов’язано, як правило, з медициною (розчини лікарських препаратів).
Коагуляція
Що можна сказати сумішах речовин з різним ступенем дисперсності? Частково це питання вже було висвітлено в статті, оскільки в будь-дисперсної системи частинки мають розмір, що лежить в деяких межах. Тут розглянемо лише один цікавий випадок. Що буде, якщо змішати колоїд і істинний розчин електроліту? Виважена система порушиться, і відбудеться її коагуляція. Причина її полягає у впливі електричних полів іонів істинного розчину на поверхневий заряд колоїдних частинок.
