Змістовий модуль 2. Дисперсні системи і розчини Лекція 7. Загальна характеристика дисперсних систем План лекції

1. Основні ознаки дисперсних систем і їх класифікація.

2. Властивості дисперсних систем.

3. Стійкість дисперсних систем. Коагуляція.

4. Вода: значення, фізичні та хімічні властивості.

1. Дисперсні – системи, що складаються із часток однієї фази, розподілених в іншій. Диспергування – подрібнення речовини однієї фази в іншій. Дисперсна фаза (ДФ) складається із часток роздробленої речовини, дисперсійне середовище (ДС) – фаза, у якій розподілені частки. Характерна ознака дисперсних систем – гетерогенність (2 і більше фаз), вказує на наявність сильно розвиненої міжфазної поверхні. Друга ознака – розмір часток або величина, йому зворотна – дисперсність. Чим менше розмір часток, тим більше дисперсність.

Класифікацію дисперсних систем проводять за: розміром часток, агрегатним станом дисперсної фази й дисперсійного середовища, характером взаємодії часток дисперсної фази й дисперсійного середовища. Ступінь дисперсності Д – міра роздробленості речовини. ; де а – розмір частки (діаметр чи довжина ребра), м^-1. Для характеристики ступеня роздробленості служить величина питомої поверхні S_пит. – відношення поверхні частки до її об'єму V або маси m: .

За дисперсністю системи:	Розмір часток (радіус), м	Властивості
грубодисперсні (грубі суспензії, емульсії, порошки)	10-4-10-7	непрозорі, відбивають світло; не проходять через фільтр; гете-рогенні; видні в оптичний мікро-скоп; осідають або спливають
колоїднодисперсні (золі) вивчаються не іони й молекули, а агрегати, що складаються зі звичайних молекул - міцели (макромолекули) 100-1 нм.	10-7-10-9	прозорі, що опалесцирують - розсіюють світло; фільтруються; гетерогенні; видні в електронний мікроскоп; осідають поступово
молекулярні розчини, системи рівноважні, термодинамічно стійкі	менше10-9	прозорі; фільтруються; гомоген-ні; не видні в сучасні мікроскопи

Дисперсні системи із частками колоїдних розмірів називають золями. Частки в колоїдних системах розподіляються по всьому об'ємі рідини або газу.

Три агрегатних стани дозволяють виділити дев'ять типів дисперсних систем. Їх позначають дробом, чисельник якого вказує на агрегатний стан дисперсної фази, а знаменник - дисперсійного середовища.

Класифікація дисперсних систем за агрегатним станом

Дисперсійне середовище	Дисперсна фаза	Умовне позна-чення	Назва системи й приклади
Тверда	Тверда Рідка Газоподібна	Т/Т Р/Т Г/Т	Тверді гетерогенні системи: мінерали, сплави, бетон, кольорові суміші, композиційні матеріали Капілярні системи: ґрунт, рідина в пористих тілах, опал, перли, хризокола Пористі тіла: пемза, силікагель, активні вугілля
Рідка	Тверда Рідка Газоподібна	Т/Р Р/Р Г/Р	Суспензії й золі: пасти, суспензії, мул, пульпа Емульсії: нафта, креми, молоко Газові емульсії: піни
Газоподібна	Тверда Рідка Газоподібна	Т/Г Р/Г Г/Г	Аерозолі: (пилу, диму), порошки. Аерозолі: тумани, хмари. Колоїдні системи відсутні.

Системи з газовим дисперсійним середовищем незалежно від природи газу називають аерозолями, з рідким середовищем – ліозолями. Залежно від природи рідини ліозолі ділять на гідрозолі, органозолі, бензозолі.

Всі дисперсні системи за кінетичними властивостями дисперсної фази діляться на два класи: вільнодисперсні системи, у яких дисперсна фаза рухлива, і зв’язанодисперсні – системи із твердим дисперсійним середовищем, у якій частки дисперсної фази не можуть вільно пересуватися.

По взаємодії дисперсної фази з дисперсійним середовищем розрізняють системи:

1. Ліофільні (якщо дисперсійне середовище вода – гідрофільні). Системи в яких сильно виражена взаємодія часток дисперсної фази з розчинником (грец. «ліо» – розчиняю; «філіо – любов). Системи термодинамічно стійкі. Дисперсна фаза може піддаватися мимовільному диспергуванню. Дисперсії деяких глин; поверхнево-активні речовини (ПАР); розчини високомолекулярних речовин.

2. Ліофобні (гідрофобні). Дисперсна фаза слабко взаємодіє з дисперсійним середовищем («ліо» – розчиняю; «фобіо» – ненависть). Системи термодинамічно нестійкі й вимагають спеціальних методів стабілізації. Золі металів, ліозолі, аерозолі, емульсії, піни.

2. Властивості дисперсних систем визначаються факторами: роздробленістю дисперсної фази, її концентрацією і неоднаковим розміром часток ДФ; взаємодією між частками ДФ і ДС; взаємодією між самими частками дисперсної фази, наслідком якої є стійкість і структурно-механічні властивості ДС.

Оптичні властивості ДС

Дисперсні системи ДС здатні до розсіювання світла. У результаті розсіювання промінь світла, що проходить через колоїдний розчин, стає видимим (ефект Тиндаля). Цей вид розсіювання називається опалесценцією. Для молекулярних і йонних розчинів подібний ефект не спостерігається. Розсіювання світла полягає в перетворенні світла речовиною, що супроводжується зміною напрямку світла.

Проходження світла спостерігається для прозорих систем, у яких частки набагато менше довжини хвилі падаючого світла. Це має місце у випадку істинних розчинів.

Переломлення та відбиття спостерігається для систем, у яких частки дисперсної фази значно більше довжини падаючого світла. Це має місце для мікрогетерогенних і грубодисперсних систем. Візуально це явище виражається в мутності систем.

Розсіювання світла спостерігається для систем, у яких частки ДФ менше в порівнянні з довжиною хвилі падаючого світла. Саме таке співвідношення виконується для колоїдних розчинів.

Розсіювання світла (опалесценція) – найбільш типове оптичне явище в колоїдних розчинах. Опалесценцію, обумовлену світлорозсіюванням, спостерігали Фарадей (1857) і Тиндаль (1869), що виявив утворення світного конуса при пропущенні світла через колоїдний розчин. Релей вивів рівняння, що зв'язує інтенсивність розсіяного світла з інтенсивністю падаючого світла : , де: і – показники переломлення частки й дисперсійного середовища; - часткова концентрація дисперсної фази; – об'єм однієї частки; – довжина хвилі падаючого світла.

Рівняння справедливо за умови, якщо частки мають сферичну форму; не проводять електричний струм (є неметалічними); не поглинають світло (безбарвні); колоїдний розчин розведений так, що відстань між частками більше довжини падаючого світла. Рівняння Релея виведене для незабарвлених золів, тобто не поглинаюче світло. Однак багато колоїдних розчинів мають певне фарбування, тобто поглинають світло у відповідній частині спектра.

Золь завжди пофарбований у колір, додатковий до поглиненого. Поглинаючи синю частину спектра (λ = 435-480 нм) – золь виявляється жовтим; при поглинанні синьо-зеленої частини (λ = 490-500 нм) золь приймає червоне фарбування.

Оптичні властивості колоїдних розчинів, здатних до поглинання світла, можна характеризувати за зміною інтенсивності світла при проходженні через систему. Для цього використовують закон Бугера-Ламберта-Бера: , де: k – коефіцієнт поглинання; l – товщина шаруючи золячи; C – концентрація золячи; I_пр, I₀ – інтенсивність світла яке пройшло через золь і падаючого світла відповідно.

У логарифмічній формі: . Величину називають оптичною щільністю розчину (Д).

3. Ліофобні колоїди є термодинамічно нестійкими системами, що існують завдяки стабілізації за рахунок виникнення захисних йонних або молекулярних шарів. Зміна стану цих шарів може привести до втрати стійкості й потім до виділення дисперсної фази.

Коагуляція - процес злипання (злиття) колоїдних часток з утворенням більших агрегатів з наступною втратою стійкості.

Прихована стадія коагуляції (дуже швидка) – розмір часток збільшується, але осад не випадає – зміна фарбування, помутніння. Явна стадія – випадання осаду, виділення двох фаз у розчині. Осад називається коагулят. Кінцевим підсумком коагуляції можуть бути два результати: поділ фаз і утворення об'ємної структури, у якій рівномірно розподілена дисперсійне середовище (концентрування системи).

Коагуляція може бути викликана різними факторами: введенням електролітів; нагріванням або заморожуванням дисперсної системи; механічним впливом; високочастотними коливаннями; ультрацентрифугуванням і ін. факторами.

Будь-які електроліти можуть викликати коагуляцію, однак помітний вплив вони роблять при досягненні певної концентрації. Поріг коагуляції – мінімальна концентрація електроліту, що викликає коагуляцію (, моль/л; іноді С_к ).

Поріг коагуляції визначають по помутнінню, зміні фарбування або по початку виділення дисперсної фази в осад.

Суміші електролітів при коагуляції золів рідко діє незалежно. Спостережувані при цьому явища можна звести до трьох наступним: адитивність, антагонізм і синергізм електролітів.

Концентрацію електроліту, починаючи з якої швидкість коагуляції залишається постійної, називають порогом швидкої коагуляції.

Мимовільний процес укрупнення часток (зменшення ступеня дисперсності) у ліофобних золях, називається старінням або автокоагуляцією.

4. Вода має величезне значення в житті людини, тварин і рослин. Щоденна потреба дорослої людини у воді становить 2,5-4 дм³. Вода є одним з шести основних харчових елементів здорового харчування людини поряд з вуглеводами, білками, жирами, вітамінами і мінералами. Надмірна втрата води організмом (10-20 %) може призвести до загибелі. Енергія падіння води широко використовується на гідроелектростанціях для одержання дешевої електричної енергії. Воду використовують у будівельній, текстильній, шкіряній, металургійній і багатьох інших галузях промисловості. Широко застосовують воду у хімічній промисловості для процесів розчинення, фільтрування, промивання і як сировину для одержання різних хімічних продуктів: лугів, кислот, водню. Чиста вода – безбарвна прозора рідина, без запаху і смаку. За нормального атмосферного тиску при 0°С вона замерзає і перетворюється у лід, а при 100°С – кипить, перетворюючись у пару. У газоподібному стані вода існує і за нижчої температури, навіть нижче 0°С. Тому лід і сніг теж поступово випаровуються. У рідкому стані вода практично не стискається, при замерзанні розширюється на 1/11 від свого об'єму.

Найбільшу густину вода має при +4°С. Масу 1 см³ чистої води при цій температурі прийняли за одиницю і назвали грамом. На відміну від інших рідин, вода при охолодженні від +4 до 0°С розширюється. Тому лід легший від води (на 8%) і не тоне у ній. Завдяки цьому, а також малій теплопровідності шар льоду захищає глибокі водойми від промерзання до дна, і цим забезпечується у них життя.

Потрійна точка води, тобто умови, за яких одночасно у рівноважному стані можуть співіснувати вода, лід та пара, реалізується при температурі 0,01°C і тиску 611,73 Па. Значення 0,01°C точне – на ньому основане визначення одиниці вимірювання температури в Міжнародній системі (СІ), Кельвіна.

Вода характеризується великою питомою теплоємністю 1 кал/г-град. Завдяки цьому температура океанів і морів змінюється досить повільно, і цим регулюється температура на поверхні земної кори. Цим пояснюється також те, що клімат на островах рівномірніший, ніж на материках. Молекули води дуже полярні. Тому вони можуть притягатися одна до одної своїми протилежними полюсами і з'єднуватись у агрегати (Н₂О)n. Внаслідок цього вода складається не тільки з простих молекул Н₂О, а й агрегатів молекул (Н₂О)₂, (Н₂О)_3. У хімічному відношенні вода досить активна. З багатьма речовинами вона вступає в хімічні реакції вже при звичайній температурі. З оксидами лужних і лужноземельних металів вона утворює основи:

СаО + Н₂О = Са(ОН)_2.

З багатьма оксидами неметалів (ангідридами) вода утворює оксигеновмісні кислоти: Р₂О₅ + 3Н₂О = 2Н₃РО₄

З найактивнішими металами вона утворює основи з виділенням водню:

2Na + 2Н₂О = 2NaOH + Н₂ ↑

З деякими солями вода утворює кристалогідрати, які характеризуються строго визначеною кількістю молекул води, що припадають на одну молекулу солі. Наприклад, з сульфатом купруму (ІІ) вода утворює мідний купорос:

CuSO₄ + 5Н₂О = CuSO₄ • 5Н₂О

в якому на одну молекулу сульфату купруму (ІІ) припадає п'ять молекул води. Воду, що входить до складу кристалів, називають кристалізаційною.

Кристалізаційну воду не слід плутати з гігроскопічною водою, яка поглинається (адсорбується) поверхнею і порами всіх речовин на відкритому повітрі. Деякі речовини відзначаються підвищеною здатністю поглинати вологу повітря. Внаслідок цього вони мокріють (NaCl), а інколи навіть і розпливаються на повітрі (CaCl₂). Такі речовини називають гігроскопічними. На відміну від кристалізаційної, кількість гігроскопічної води в речовинах, змінна. Вона хімічно не взаємодіє з речовиною-адсорбантом.

При високій температурі водяна пара взаємодіє з залізом і іншими речовинами. 3Fe + 4Н₂О = Fe₃О₄ + 4Н₂.

Раніше цю реакцію застосовували в техніці для добування водню.

У термічному відношенні вода досить стійка. Проте при температурах, вищих 1000°С, вона починає розкладатися на водень і кисень: 2H₂O = 2H₂ + O_2.

Вода – найкращий розчинник внаслідок дипольного характеру її молекул. Вона розчиняє дуже багато речовин, проте сама залишається інертною і не змінюється від багатьох речовин, які розчинює. Завдяки цьому вода змогла стати носієм життя.