6 Дисперсні системи

Дисперсними називають системи, в яких одна із речовин у вигляді дуже дрібних частинок рівномірно розподілена в об'ємі іншої. Під дуже дрібними розуміють частинки, розмір яких умовно не перевищує 2 • І О³ нм. Мінімальний розмір частинок визначається розмірами молекул, атомів, іонів або радикалів диспергованої (подрібненої) речовини. Дисперговані речовини називають дисперс­ною фазою, а середовище, в якому вони перебувають,— дисперсій­ним середовищем. Властивості дисперсних систем, їх стійкість залежать від ступеня подрібненості дисперсної фази. Залежно від розмірів частинок дисперсної фази розрізняють: грубодисперсні системи, або зависі (мікрогетерогенні), з розміром частинок понад 100 нм; тонкодисперсні, або колоїдні (ультрамікрогетерогенні), з розміром частинок у межах 1...100 нм; істинні розчини (гомогенні) з розміром частинок (іонів, атомів або молекул) у межах 0,1 ...1 нм.

Залежно від агрегатного стану диспергованої речовини та сере­довища можливі 9 типів дисперсних систем.

Характеристика розчинів

У хімії найбільше значення мають розчини. Розчинами назива­ють гомогенні термодинамічно стійкі рівноважні системи змінного складу з двох і більше компонентів. Той компонент, що кількісно переважає і зберігає свій агрегатний стан при утворенні розчину, прийнято вважати розчинником, інші компоненти — розчиненими речовинами. Розчини займають проміжне положення між механіч­ними сумішами та хімічними сполуками. З першими їх поріднює несталість складу, з другими — однорідність, значні об'ємні й енергетичні ефекти та неподільність без зміни агрегатного стану. Розчини класифікують за розміром частинок (істинні й колоїдні) та за агрегатним станом розчинника й розчиненої речовини (газові, рідкі, тверді).

Газові розчини за звичайних тисків — це фізичні суміші, в яких кожний компонент виявляє притаманні йому індивідуальні фізичні та хімічні властивості. За високих тисків утворення газових роз­чинів супроводжується зміною об'єму та тепловим ефектом.

Тверді розчини — це однорідні кристалічні або аморфні тверді речовини змінного складу з двох (або більше) компонентів. Залежно від розміщення частинок розчиненої речовини в кристалічній грат-ці розчинника розрізняють тверді розчини: включення, коли час­тинки однієї речовини розміщуються в порожнинах між частинка­ми іншої (наприклад, вуглець у залізі); заміщення, коли різні частинки статистично заміщують одна одну в гратці; вилучення, що характеризуються наявністю в структурі вакансій (дефектні структури). Тверді розчини бувають обмежені і необмежені , частково або повністю упорядковані, неупорядковані (зі статис­тичним розміщенням частинок).

Розчинність у твердому стані визначається характером хімічно­го зв'язку, подібністю фізико-хімічних властивостей та кристаліч­них ґраток і залежить від розмірного фактора — співвідношення розмірів атомів взаємодіючих компонентів. Необхідною, але недостатньою умовою утворення необмежених твердих розчинів за­міщення є різниця в розмірах атомів компонентів, яка не повинна перевищувати 8 ... 15%. Тверді розчини включення і вилучення можуть бути лише обмеженими.

Рідкі розчини утворюються при розчиненні газуватих, рідких або твердих речовин у рідкому розчиннику. Цей тип розчинів є найважливішим, оскільки в них відбувається більшість хімічних реакцій. Рідкі розчини розрізняють за типом розчинника (водні й неводні); за типом розчинених речовин (електроліти та неелект-роліти); за класом розчинених речовин (розчини кислот, основ, солей тощо); за концентрацією розчинених речовин (розведені та концентровані); за досягненням розчинності (ненасичені, насичені та пересичені).

У рідких розчинах розчинником здебільшого є рідини, зокрема вода, зріджені гази, вуглеводні, спирти, ефіри, карбонові кислоти. Розчинники бувають полярні та неполярні. Полярні розчинники — це рідини, які поєднують велику діелектричну проникність (без­розмірна величина, що вказує, у скільки разів сила взаємодії між електричними зарядами у вакуумі більша, ніж у даному середо­вищі), дипольний момент (добуток віддалі між центрами позитив­ного та негативного зарядів на їх значення) з наявністю функціо­нальних груп (вода, кислоти, аміни). Неполярні розчинники — це рідини з малим дипольним моментом без активних функціональних груп (вуглеводні, сірковуглець).

Утворення розчинів відбувається спонтанно аж до стану стійкої рівноваги. Фізична теорія розчинів (Вант-Гофф, Арреніус, 1884— 1887) розглядає процес розчинення як хаотичний розподіл части­нок розчиненої речовини в індиферентному середовищі. Згідно з хімічною теорією розчинів (Менделєєв, 1887) між компонентами розчину відбувається хімічна взаємодія. Утворені сполуки назива­ють сольватами (якщо розчинником є вода — гідратами), а процес їх утворення — сольватацією (гідратацією). Існування сольватів (гідратів) підтверджується виділенням відповідних сполук із роз­чинів у вигляді кристалосольватів або кристалогідратів. Утворення соль­ватів супроводжується зміною об'єму (контракція), забарвлення і певним енергетичним ефектом. Зміна ентальпії при розчиненні одного моля речовини називається ентальпією розчинення цієї речовини у даному розчиннику.

При утворенні розчинів ΔG<0, ΔН<>О і ΔS<>0, але при розчиненні газів ΔН<0 і ΔS'<0. Ентальпія розчинення (ΔН) дорівнює алгеб­ричній сумі ендоефектів руйнування кристалічної ґратки, розриву зв'язків між атомами, руйнування структури розчинника (ΔH₁>0), екзоефектів сольватації (ΔН₂<0) та дифузії (ΔH₃>0):

Іноді тепловий ефект сольватації перевищує теплоту руйнування, тоді розчинення супроводжується виділенням теплоти (ΔH<0). Так розчиняються кислоти та основи. Частіше на руйнування витра­чається енергії більше, ніж виділяється при утворенні сольватів — теплота поглинається (ΔН>0). Саме так розчиняється більшість солей. Але і в цьому випадку процес розчинення спонтанний, бо ΔG<0. Отже, головною причиною процесу розчинення є збільшення ентропії (ΔS>0). Сучасна теорія розчинів є поєднанням фізичної та хімічної теорій розчинів (Каблуков, Кістяківський, Ізмайлов та ін.).