Дисперсная система дисперсная фаза и дисперсионная среда. Дисперсные системы: определение, классификации. Коагуляция коллоидов. Стабилизаторы

Дисперсные системы. Определение. Классификация.

Растворы

В предыдущем параграфе мы говорили о растворах . Здесь коротко напомним об этом понятии.

Растворами называют однородные (гомогенные) системы, состоящие из двух и более компонентов.

Гомогенная система – это однородная система, химический состав и физические свойства которой во всех частях одинаковы или меняются непрерывно, без скачков (между частями системы нет поверхностей раздела).

Такое определение раствора не вполне корректно. Оно скорее относится к истинным растворам .

В тоже время существуют ещё коллоидные растворы , которые являются не гомогенными, а гетерогенными , т.е. состоят из разных фаз, разделённых поверхностью раздела.

Для того чтобы достичь большей чёткости в определениях используют другой термин – дисперсные системы .

Перед рассмотрением дисперсных систем немного расскажем об истории их изучения и о появления такого термина как коллоидные растворы .

История вопроса

Ещё в 1845 г. химик Франческо Сельми, исследуя свойства различных растворов, заметил, что биологические жидкости – сыворотка и плазма крови, лимфа и другие – резко отличаются по своим свойствам от обычных истинных растворов, и поэтому такие жидкости были им названы псевдорастворами.

Коллоиды и кристаллоиды

Дальнейшие исследования в этом направлении, проводившиеся с 1861 г. английским учёным Томасом Грэмом, показали, что одни вещества, быстро диффундирующие и проходящие через растительные и животные мембраны, легко кристаллизуются, другие же обладают малой способностью к диффузии, не проходят через мембраны и не кристаллизуются, а образуют аморфные осадки.

Первые Грэм назвал кристаллоидами , а вторые – коллоидами (от греческого слова kolla – клей и eidos – вид) или клееподобными веществами.

В частности, было выявлено, что вещества, способные к образованию аморфных осадков, как, например, альбумин, желатин, гуммиарабик, гидроокиси железа и алюминия и некоторые другие вещества, диффундируют в воде медленно по сравнению со скоростью диффузии таких кристаллических веществ, как поваренная соль, сернокислый магний, тростниковый сахар и др.

В таблице ниже приведены коэффициенты диффузии D для некоторых кристаллоидов и коллоидов при 18С.

Из таблицы видно, что между молекулярным весом и коэффициентом диффузии существует обратная зависимость.

Кромме того у кристаллоидов была обнаружена способность не только быстро диффундировать, но и диализироваться , т.е. проходить через мембранны, в противоположность коллоидам, имеющим больший размер молекул и поэтому медленно диффундирующим и не проникающим через мембраны.

В качестве мембран используют стенки бычьего пузыря, целлофан, плёнки из железисто-синеродистой меди и т.д.

На основании сделанных наблюдений Грэм установил, что все вещества могут быть подразделены на кристаллоиды и коллоиды .

Русские не согласны

Против такого строго разделения химических веществ возражал профессор Киевского университета И.Г. Борщёв (1869). Мнение Борщёва позднее было подтвеждено исследованиями другого русского учёного Веймарна , который доказал, что одно и то же вещество в зависимости от условий может проявлять свойства коллоидов или кристаллоидов.

Так, например, раствор мыла в воде обладает свойствами коллоида , а мыло, растворённое в спирте, проявляет свойства истинных растворов .

Точно также кристаллические соли, например, поваренная соль, растворённая в воде, даёт истинный раствор , а в бензоле – коллоидный раствор и т.п.

Гемоглобин же или яичный альбумин, обладающие свойствами коллоидов, могут быть получены в кристаллическом состоянии.

Д.И. Менделеев полагал, что любое вещество, в зависимости от условий и природы среды, может проявлять свойства коллоида . В настоящее время любое вещество можно получить в коллоидном состоянии.

Таким образом, нет оснований подразделять вещества на два обособленных класса – на кристаллоиды и коллоиды, а можно говорить о коллоидном и кристаллоидном состоянии вещества.

Под коллоидным состоянием вещества подразумевается определённая степень его раздробленности или дисперсности и нахождении коллоидных частиц во взвешенном состоянии в растворителе.

Наука, изучающая физико-химические свойства гетерогенных высокодисперсных и высокомолекулярных систем называется коллоидной химией .

Дисперсные системы

Если одно вещество, находящееся в раздробленном (диспергированном) состоянии, равномерно распределено в массе другого вещества, то такую систему называют дисперсной.

В таких системах раздробленное вещество принято называть дисперсной фазой , а среду, в которой она распределена, - дисперсионной средой .

Так, например, система, представляющая собой взмученную глину в воде, состоит из взвешенных мелких частиц глины – дисперсной фазы и воды – дисперсионной среды.

Дисперсные (раздробленные) системы являются гетерогенными .

Дисперсные системы, в отличие от гетерогенных с относительно крупными, сплошными фазами, называют микрогетерогенными , а коллоиднодисперсные системы называют ультрамикрогетерогенными .

Классификация дисперсных систем

Классификацию дисперсных систем чаще всего производят исходя из степени дисперсности или агрегатного состояния дисперсной фазы и дисперсионной среды.

Классификация по степени дисперсности

Все дисперсные системы по величине частиц дисперсной фазы можно разделить на следующие группы:

Для справки прводим единицы размеров в системе СИ:
1 м (метр) = 102 см (сантиметра) = 103 мм (миллиметра) = 106 мкм (микрометра) = 109 нм (нанометра).

Иногда применяют другие единицы – мк (микрон) или ммк (миллимикрон), причём:
1 нм = 10 -9 м =10 -7 см = 1 ммк;
1 мкм = 10 -6 м = 10 -4 см = 1 мк.

Грубодисперсные системы.

Эти системы содержат в качестве дисперсной фазы наиболее крупные частицы диаметром от 0,1 мк и выше . К этим системам относятся суспензии и эмульсии .

Суспензиями называют системы, в которых твёрдое вещество находится в жидкой дисперсионной среде, например, взвесь крахмала, глины и др. в воде.

Эмульсиями называют дисперсионные системы двух несмешивающихся жидкостей, где капельки одной жидкости во взвешенном состоянии распределены в объёме другой жидкости. Например, масло, бензол, толуол в воде или капельки жира (диаметром от 0,1 до 22 мк) в молоке и др.

Коллоидные системы.

Они имеют размеры частиц дисперсной фазы от 0,1 мк до 1 ммк (или от 10 -5 до 10 -7 см). Такие частицы могут проходить через поры фильтровальной бумаги, но не проникают через поры животных и растительных мембран.

Коллоидные частицы при наличии у них электрического заряда и сольватно-ионных оболочек остаются во взвешенном состоянии и без изменения условий очень долго могут не выпадать в осадок.

Примерами коллоидных систем могут служить растворы альбумина, желатина, гуммиарабика, коллоидные растворы золота, серебра, сернистого мышьяка и др.

Молекулярно-дисперсные системы.

Такие системы имеют размеры частиц, не превышающие 1ммк. К молекулярно-дисперсным системам относятся истинные растворы неэлектролитов.

Ионно-дисперсные системы.

Это растворы различных электролитов, как, например, солей, оснований и т.д., распадающихся на соответствующие ионы, размеры которых весьма малы и выходят далеко за пределы
10 -8 см .

Уточнение по повду представления истинных растворов как дисперсных системах.

Из приведённой здесь классификации видно, что любой раствор (как истинный, так и коллоидный) можно представить как дисперсную среду. Истинные и коллоидные растворы будут различаться размерами частиц дисперсных фаз. Но выше мы писали о гомогенности истинных растворов, а дисперсионные системы гетерогенны. Как разрешить это противоречие?

Если говорить о структуре истинных растворов, то их гомогенность будет относительной. Структурные единицы истинных растворов (молекулы или ионы) значительно меньше частиц коллоидных растворов. Поэтому, можно сказать, что по сравнению с коллоидными растворами и взвесями, истинные растворы гомогенны.

Если же говорить о свойствах истинных растворов, то их нельзя в полной мере называть дисперсными системами, поскольку обязательным существованием дисперсных систем является взаимная нерастворимость диспергированного вещества и дисперсионной среды.

В коллоидных растворах и грубых взвесях дисперсная фаза и дисперсионная среда практически не смешиваются и не реагируют друг с другом химически. Этого совсем нельзя сказать об истинных растворах. В них при растворении вещества смешиваются и даже взаимодействуют друг с другом. По этой причине коллоидные растворы резко отличаются по свойствам от истинных растворов.

Размеры некоторых молекул, частиц, клеток.

По мере изменения размеров частиц от наиболее крупных к мелким и обратно будут соответственно меняться и свойства дисперсных систем. При этом коллоидные системы занимают как бы промежуточное положение между грубыми взвесями и молекулярно-дисперсными системами.

Классификация по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды.

Пены – это дисперсия газа в жидкости, причём в пенах жидкость вырождается до тонких плёнок, разделяющих отдельные пузырьки газа.

Эмульсиями называют дисперсные системы, в которых одна жидкость раздроблена другой, нерастворяющей её жидкостью (например вода в жире).

Суспензиями называют низкодисперсные системы твёрдых частиц в жидкостях.

Сочетания трех видов агрегатного состояния позволяют выделить девять видов дисперсных систем:

Золи – другое название коллоидных растворов.

Коллоидные растворы иначе называют золями (от латинского solutus – растворённый).

Дисперсные системы с газообразной дисперсионной средой называют аэрозолями . Туманы представляют собой аэрозоли с жидкой дисперсной фазой, а пыль и дым – аэрозоли с твёрдой дисперсной фазой. Дым более высокодисперсная система, чем пыль.

Дисперсные системы с жидкой дисперсионной средой называют лизолями (от греческого «лиос» – жидкость).

В зависимости от растворителя (дисперсионной среды), т.е. воды, спирта бензола или эфира и т.д., различают гидрозоли, алкозоли, бензоли, этерозоли и т.д.

Связнодисперсные системы. Гели.

Дисперсные системы могут быть свободнодисперсными и связнодисперсными в зависимости от отсутствия или наличия взаимодействия между частицами дисперсной фазы.

К свободнодисперсным системам относятся аэрозоли, лизоли, разбавленные суспензии и эмульсии. Они текучи. В этих системах частицы дисперсной фазы не имеют контактов, участвуют в беспорядочном тепловом движении, свободно перемещаются под действием силы тяжести.

На рисунках выше изображены свободно-дисперсные системы :
На рисунках а, б, в изображены корпускулярно-дисперсные системы :
а,б - монодисперсные системы,
в - полидисперсная система,
На рисунке г изображена волокнисто-дисперсная система
На рисунке д изображена плёночно-дисперсная система

– твердообразны. Они возникают при контакте частиц дисперсной фазы, приводящем к образованию структуры в виде каркаса или сетки.

Такая структура ограничивает текучесть дисперсной системы и придаёт ей способность сохранять форму. Подобные структурированные коллоидные системы называются гелями .

Переход золя в гель, происходящий в результате понижения устойчивости золя, называют гелеобразованием (или желатинированием).

На рисунках а, б, в изображены связнодисперсные системы :
а - гель,
б - коагулят с плотной структурой,
в - коагулят с рыхлой - "арочной" структурой
На рисунках г, д изображены капилярнодисперсные системы

Порошки (пасты), пены – примеры связнодисперсных систем.

Почва , образовавшаяся в результате контакта и уплотнения дисперсных частиц почвенных минералов и гумусовых (органических) веществ, также представляет собой связнодисперсную систему.

Сплошную массу вещества могут пронизывать поры и капиляры, образующие капилярнодисперсные системы. К ним относятся, например, древесина, кожа, бумага, картон, ткани .

Лиофильность и лиофобность

Общей характеристикой коллоидных растворов является свойство их дисперсной фазы взаимодействовать с дисперсионной средой. В этом отношении различают два типа золей:

1. Лиофобные (от греческого phobia – ненависть ) и

2. Лиофильные (от греческого philia – любовь ).

У лиофобных золей частицы не имеют сродства к растворителю, слабо с ним взаимодействуют и образуют вокруг себя тонкую оболочку из молекул растворителя.

В частности, если дисперсионной средой является вода, то такие системы называются гидрофобными , например, золи металлов железа, золота, сернистого мышьяка, хлористого серебра и т.д.

В лиофильных системах между диспергированным веществом и растворителем имеется сродство. Частицы дисперсной фазы, в этом случае, приобретают более объёмную оболочку из молекул растворителя.

В случае водной дисперсионной среды такие системы называются гидрофильными , как, например, растворы белка, крахмала, агар-агара, гуммиарабика и др.

Коагуляция коллоидов. Стабилизаторы.

Вещество на границе раздела фаз.

Все жидкости и твёрдые тела ограничены внешней поверхностью, на которой они соприкасаются с фазами другого состава и структуры, например, с паром, другой жидкостью или твёрдым телом.

Свойства вещества в этой межфазовой поверхности , толщиной в несколько поперечников атомов или молекул, отличаются от свойств внутри объёма фазы.

Внутри объёма чистого вещества в твёрдом, жидком или газообразном состоянии любая молекула окружена себе подобными молекулами.

В пограничном слое молекулы находятся во взаимодействии или с другим числом молекул (другим в сравнении с взаимодействием внутри объёма вещества).

Это происходит, например, на границе жидкости или твёрдого тела с их паром. Либо в пограничном слое молекулы вещества взаимодействуют с молекулами другой химической природы, например, на границе двух взаимно малорастворимых жидкостей.

В результате различия в характере взаимодействия внутри объёма фаз и на границе фаз возникают силовые поля , связанные с этой неравномерностью. (Подробнее об этом в параграфе Поверхностное натяжение жидкости.)

Чем больше различие в напряжённости межмолекулярных сил, действующих в каждой из фаз, тем больше потенциальная энергия межфазовой поверхности, кратко называемой поверхностной энергией .

Поверхностное натяжение
Для оценки поверхностной энергии пользуются такой величиной, как удельная свободная поверхностная энергия. Она равна работе затрачиваемой на образование единицы площади новой поверхности раздела фаз (при условии постоянной температуры).
В случае границы двух конденсированных фаз эту величину называют пограничным натяжением .
Когда говорят о границе жидкости с её парами, то эту величину называют поверхностным натяжением .

Коагуляция коллоидов

Все самопроизвольные процессы происходят в направлении уменьшения энергии системы (изобарного потенциала).

Аналогично, на границе раздела фаз самопроизвольно происходят процессы в направлении уменьшения свободной поверхностной энергии.

Свободная энергия тем меньше, чем меньше поверхность раздела фаз.

А поверхность раздела фаз, в свою очередь, связана со степенью дисперсности растворённого вещества. Чем выше дисперсность (мельче частицы дисперсной фазы), тем больше поверхность раздела фаз.

Таким образом, в дисперсных системах всегда существуют силы, приводящие к уменьшению суммарной поверхности раздела фаз , т.е. к укрупнению частиц. Поэтому происходит слияние мелких капель в туманах, дождевых облаках и эмульсиях – агрегация высокодисперсных частиц в более крупные образования.

Всё это приводит к разрушению дисперсных систем: туманы и дождевые облака проливаются дождём, эмульсии расслаиваются, коллоидные растворы коагулируют, т.е. разделяются на осадок дисперсной фазы (коагулят) и дисперсионную среду или в случае вытянутых частиц дисперсной фазы, превращаются в гель.

Способность раздробленных систем сохранять присущую им степень дисперсности называется агрегативной устойчивостью .

Стабилизаторы дисперсных систем

Как было сказано ранее, дисперсные системы принципиально термодинамически неустойчивы . Чем выше дисперсность, тем больше свободная поверхностная энергия, тем больше склонность к самопроизвольному уменьшению дисперсности.

Поэтому для получения устойчивых, т.е. длительно сохраняющихся суспензий, эмульсий, коллоидных растворов, необходимо не только достигнуть заданной дисперсности, но и создать условия для её стабилизации.

Ввиду этого устойчивые дисперсные системы состоят не менее чем из трёх компонентов: дисперсной фазы, дисперсионной среды и третьего компонента – стабилизатора дисперсной системы .

Стабилизатор может иметь как ионную, так и молекулярную, часто высокомолекулярную, природу.

Ионная стабилизация золей лиофобных коллоидов связана с присутствием малых концентраций электролитов, создающих ионные пограничные слои между дисперсной фазой и дисперсионной средой.

Высокомолекулярные соединения (белки, полипептиды, поливиниловый спирт и другие), добавляемые для стабилизации дисперсных систем, называют защитными коллоидами.

Адсорбируясь на границе раздела фаз, они образуют в поверхностном слое сетчатые и гелеобразные структуры, создающие структурно-механический барьер, который препятствует объединению частиц дисперсной фазы.

Структурно-механическая стабилизация имеет решающее значение для стабилизации взвесей, паст, пен, концентрированных эмульсий.

Дисперсными называют гетерогенные системы, в которых одно вещество в виде очень мелких частиц равномерно распределено в объеме другого.

То вещество, которое присутствует в меньшем количе­стве и распределено в объеме другого, называют дисперсной фазой . Она может состоять из нескольких веществ.

Вещество, присутствующее в большем количестве, в объеме которого распределена дисперсная фаза, называют дисперсионной средой . Между ней и частицами дисперсной фазы существует поверхность раздела, поэтому дисперсные системы называют гетерогенными (неоднородными).

И дисперсионную среду, и дисперсную фазу могут представлять вещества, находящиеся в различных агрегатных состояниях − твердом, жидком и газообразном.

В зависимости от сочетания агрегатного состояния дисперсионной среды и дисперсной фазы можно выделить 8 видов таких систем.

По величине частиц веществ, составляющих дисперсную фазу, дисперсные системы делят на грубодисперсные (взвеси) с размерами частиц более 100 нм и тонкодисперсные (коллоидные растворы или коллоидные системы) с размерами частиц от 100 до 1 нм. Если же вещество раздроблено до молекул или ионов размером менее 1 нм, образуется гомогенная система − раствор . Она однородна (гомогенна), поверхности раздела между частицами дисперсной фазы и средой нет.

Уже беглое знакомство с дисперсными системами и растворами показывает, насколько они важны в повседневной жизни и в природе (см. таблицу).

Таблица. Примеры дисперсных систем

Судите сами: без нильского ила не состоялась бы великая цивилизация Древнего Египта; без воды, воздуха, горных пород и минералов вообще бы не существовала живая планета − наш общий дом − Земля; без клеток не было бы живых организмов и т. д.

Если все частицы дисперсной фазы имеют одинаковые размеры, то такие системы называют монодисперсными (рис. 1, а и б). Частицы дисперсной фазы неодинакового размера образуют полидисперсные системы (рис.1, в).

Рис. 1. Свободнодисперсные системы: корпускулярно − (а-в), волокнисто − (г) и пленочно-дисперсные − (д); а, б − монодисперсные; в − полидисперсная система.

Дисперсные системы могут быть свободнодисперсными (рис. 1) и связнодисперсными (рис. 2, а − в) в зависимости от отсутствия или наличия взаимодействия между частицами дисперсной фазы. К свободнодисперсным системам относятся аэрозоли, разбавленные суспензии и эмульсии. Они текучи, в этих системах частицы дисперсной фазы не имеют контактов, участвуют в беспорядочном тепловом движении, свободно перемещаются под действием силы тяжести. Связнодисперсные системы − твердообразны; они возникают при контакте частиц дисперсной фазы, приводящем к образованию структуры в виде каркаса или сетки. Такая структура ограничивает текучесть дисперсной системы и придает ей способность сохранять форму. Порошки, концентрированные эмульсии и суспензии (пасты), пены, гели – примеры связнодисперсных систем. Сплошную массу вещества могут пронизывать поры и капилляры, образующие капиллярно-дисперсные системы (кожа, картон, ткани, древесина).

Рис. 3. Связнодисперсные (а-в) и капиллярно-дисперсные (г, д) системы: гель (а), коагулянт с плотной (б) и рыхлой – арочной (в) структурой.

Дисперсные системы, в соответствии с их промежуточным положением между миром молекул и крупных тел, могут быть получены двумя путями: методами диспергирования, т. е. измельчения крупных тел, и методами конденсации молекулярно- или ионнорастворенных веществ.

Под взаимодействием фаз дисперсных систем подразумевают процессы сольватации (гидратации в случае водных систем), т. е. образование сольватных (гидратных) оболочек из молекул дисперсионной среды вокруг частиц дисперсной фазы. Соответственно, по интенсивности взаимодействия между веществами дисперсной фазы и дисперсионной среды (только для систем с жидкой дисперсионной средой), по предложению Г. Фрейндлиха различают следующие дисперсные системы:

− Лиофильные (гидрофильные, если ДС – вода): мицеллярные растворы ПАВ, критические эмульсии, водные растворы некоторых природных ВМС, например, белков (желатина, яичного белка), полисахаридов (крахмала). Для них характерно сильное взаимодействие частиц ДФ с молекулами ДС. В предельном случае наблюдается полное растворение. Лиофильные дисперсные системы образуются самопроизвольно вследствие процесса сольватации. Термодинамически агрегативно устойчивы.

− Лиофобные (гидрофобные, если ДС – вода): эмульсии, суспензии, золи. Для них характерно слабое взаимодействие частиц ДФ с молекулами ДС. Самопроизвольно не образуются, для их образования необходимо затратить работу. Термодинамически агрегативно неустойчивы (т. е. имеют тенденцию к самопроизвольной агрегации частиц дисперсной фазы), их относительная устойчивость (так называемая метастабильность ) обусловлена кинетическими факторами (т. е. низкой скоростью агрегации).

3. Взвеси.

Взвеси – это дисперсные системы, в которых размер частицы фазы более 100 нм. Это непрозрачные системы, отдельные частицы которых можно заметить невооруженным глазом. Дисперсная фаза и дисперсная среда легко разделяются отстаиванием, фильтрованием. Такие системы разделяются на:

1. Эмульсии (и среда, и фаза – нерастворимые друг в друге жидкости). Из воды и масла можно приготовить эмульсию длительным встряхиванием смеси. Это хорошо известные вам молоко, лимфа, водоэмульсионные краски и т.д.

2. Суспензии (среда – жидкость, фаза – нерастворимое в ней твердое вещество).Чтобы приготовить суспензию, надо вещество измельчить до тонкого порошка, высыпать в жидкость и хорошо взболтать. Со временем частица выпадут на дно сосуда. Очевидно, чем меньше частицы, тем дольше будет сохраняться суспензия. Это строительные растворы, взвешенный в воде речной и морской ил, живая взвесь микроскопических живых организмов в морской воде – планктон, которым питаются гиганты – киты, и т.д.

3. Аэрозоли взвеси в газе (например, в воздухе) мелких частиц жидкостей или твердых веществ. Различаются пыли, дымы, туманы. Первые два вида аэрозолей представляют собой взвеси твердых частиц в газе (более крупные частицы в пылях), последний – взвесь капелек жидкости в газе. Например: туман, грозовые тучи – взвесь в воздухе капелек воды, дым – мелких твердых частиц. А смог, висящий над крупнейшими городами мира, также аэрозоль с твердой и жидкой дисперсной фазой. Жители населенных пунктов вблизи цементных заводов страдают от всегда висящей в воздухе тончайшей цементной пыли, образующейся при размоле цементного сырья и продукта его обжига – клинкера. Дым заводских труб, смоги, мельчайшие капельки слюны, вылетающих изо рта больного гриппом, также вредные аэролози. Аэрозоли играют важную роль в природе, быту и производственной деятельности человека. Скопление облаков, обработка полей химикатами, нанесение лакокрасочных покрытий при помощи пульверизатора, лечение дыхательных путей (ингаляция) – примеры тех явлений и процессов, где аэрозоли приносят пользу. Аэрозоли – туманы над морским прибоем, вблизи водопадов и фонтанов, возникающая в них радуга доставляет человеку радость, эстетическое удовольствие.

Для химии наибольшее значение имеют дисперсные системы, в которых средой является вода и жидкие растворы.

Природная вода всегда содержит растворенные вещества. Природные водные растворы участвуют в процессах почвообразования и снабжают растения питательными веществами. Сложные процессы жизнедеятельности, происходящие в организмах человека и животных, также протекают в растворах. Многие технологические процессы в химической и других отраслях промышленности, например получение кислот, металлов, бумаги, соды, удобрений, протекают в растворах.

4. Коллоидные системы.

Коллоидные системы (в переводе с греческого “колла” – клей, “еидос” вид клееподобные) – это такие дисперсные системы, в которых размер частиц фазы от 100 до 1 нм. Эти частицы не видны невооруженным глазом, и дисперсная фаза и дисперсная среда в таких системах отстаиванием разделяются с трудом.

Из курса общей биологии вам известно, что частицы такого размера можно обнаружить при помощи ультрамикроскопа, в котором используется принцип рассеивания света. Благодаря этому коллоидная частица в нем кажется яркой точкой на темном фоне.

Их подразделят на золи (коллоидные растворы) и гели (студни).

1. Коллоидные растворы , или золи . Это большинство жидкостей живой клетки (цитоплазма, ядерный сок – кариоплазма, содержимое органоидов и вакуолей). И живого организма в целом (кровь, лимфа, тканевая жидкость, пищеварительные соки и т.д.) Такие системы образуют клеи, крахмал, белки, некоторые полимеры.

Коллоидные растворы могут быть получены в результате химических реакций; например, при взаимодействии растворов силикатов калия или натрия (“растворимого стекла”) с растворами кислот образуется коллоидный раствор кремниевой кислоты. Золь образуется и при гидролизе хлорида железа (III) в горячей воде.

Характерное свойство коллоидных растворов – их прозрачность. Коллоидные растворы внешне похожи на истинные растворы. Их отличают от последних по образующейся “светящейся дорожке” – конусу при пропускании через них луча света. Это явление называют эффектом Тиндаля. Более крупные, чем в истинном растворе, частицы дисперсной фазы золя отражают свет от своей поверхности, и наблюдатель видит в сосуде с коллоидным раствором светящийся конус. В истинном растворе он не образуется. Аналогичный эффект, но только для аэрозольного, а не жидкого коллоида, вы можете наблюдать в лесу и в кинотеатрах при прохождении луча света от киноаппарата через воздух кинозала.

Пропускание луча света через растворы:

а – истинный раствор хлорида натрия;

б – коллоидный раствор гидроксида железа (III).

Частицы дисперсной фазы коллоидных растворов нередко не оседают даже при длительном хранении из-за непрерывных соударений с молекулами растворителя за счет теплового движения. Они не слипаются и при сближении друг с другом из-за наличия на их поверхности одноименных электрических зарядов. Это объясняется тем, что вещества в коллоидном, т.е., в мелкораздробленном, состоянии обладают большой поверхностью. На этой поверхности адсорбируются либо положительно, либо отрицательно заряженные ионы. Например, кремниевая кислота адсорбирует отрицательные ионы SiO 3 2- , которых в растворе много вследствие диссоциации силиката натрия:

Частицы же с одноименными зарядами взаимно отталкиваются и поэтому не слипаются.

Но при определенных условиях может происходить процесс коагуляции. При кипячении некоторых коллоидных растворов происходит десорбция заряженных ионов, т.е. коллоидные частицы теряют заряд. Начинают укрупняться и оседают. Тоже самое наблюдается при приливании какого-либо электролита. В этом случае коллоидная частица притягивает к себе противоположно заряженный ион и ее заряд нейтрализуется.

Коагуляция – явление слипания коллоидных частиц и выпадения их в осадок – наблюдается при нейтрализации зарядов этих частиц, когда в коллоидный раствор добавляют электролит. При этом раствор превращается в суспензию или гель. Некоторые органические коллоиды коагулируют при нагревании (клей, яичный белок) или при изменении кислотно-щелочной среды раствора.

2. Гели или студни представляют собой студенистые осадки, образующиеся при коагуляции золей. К ним относят большое количество полимерных гелей, столь хорошо известные вам кондитерские, косметические и медицинские гели (желатин, холодец, мармелад, хлеб, мясо, джем, желе, мармелад, кисель, сыр, творог, простокваша, торт “Птичье молоко”) и конечно же бесконечное множество природных гелей: минералы (опал), тела медуз, хрящи, сухожилия, волосы, мышечная и нервная ткани и т.д. Историю развития на Земле можно одновременно считать историей эволюции коллоидного состояния вещества. Со временем структура гелей нарушается (отслаивается) – из них выделяется вода. Это явление называют синерезисом .

Студни − это структурированные системы со свойствами эластичных твердых тел. Студнеобразное состояние вещества можно рассматривать как промежуточное между жидким и твердым состоянием.

Студни высокомолекулярных веществ могут быть получены в основном двумя путями: методом образования студней из растворов полимеров и методом набухания сухих высокомолекулярных веществ в соответствующих жидкостях.

Процесс перехода раствора полимера или золя в студень называется студнеобразованием . Студнеобразование связано с увеличением вязкости и замедлением броуновского движения и заключается в объединении частиц дисперсной фазы в форме сетки или ячеек и связывании при этом всего растворителя.

На процесс студнеобразования существенно влияет природа растворенных веществ, форма их частиц, концентрация, температура, время процесса и примеси других веществ, особенно электролитов.

На основании свойств студни делят на две большие группы:

а) эластичные, или обратимые, получаемые из высокомолекулярных веществ;

б) хрупкие, или необратимые, получаемые из неорганических гидрофобных золей.

Как уже говорилось, студни высокомолекулярных веществ могут быть получены не только методом студнеобразования растворов, но и методом набухания сухих веществ. Ограниченное набухание заканчивается образованием студня и не переходит в растворение, а при неограниченном набухании студень - промежуточная стадия на пути к растворению.

Для студней характерен ряд свойств твердых тел: они сохраняют форму, обладают упругими свойствами и эластичностью. Однако их механические свойства определяются концентрацией и температурой.

При нагревании студни переходят в вязкотекучее состояние. Этот процесс называется плавлением. Он обратим, так как при охлаждении раствор снова образовывает студень.

Многие студни способны разжижаться и переходить в растворы при механическом воздействии (перемешивание, встряхивание). Этот процесс обратим, так как в состоянии покоя через некоторое время раствор образовывает студень. Свойство студней многократно изотермически разжижаться при механических воздействиях и образовывать студень в состоянии покоя называется тиксотропией . К тиксотропным изменениям способны, например, шоколадная масса, маргарин, тесто.

Имея в своем составе огромное количество воды, студни, кроме свойств твердых тел, обладают и свойствами жидкого тела. В них могут протекать различные физико-химические процессы: диффузия, химические реакции между веществами.

Свежеприготовленные студни с течением времени подвергаются изменениям, так как процесс структурирования в студне продолжается. При этом на поверхности студня начинают появляться капельки жидкости, которые, сливаясь, образуют жидкую среду. Образующаяся дисперсионная среда является разбавленным раствором полимера, а дисперсная фаза – студнеобразная фракция. Такой самопроизвольный процесс разделения студня на фазы, сопровождающийся изменением объема студия, называет синерезисом (отмоканием).

Синерезис рассматривается как продолжение процессов, обусловливающих образование студня. Скорость синерезиса различных студней различна и зависит в основном от температуры и концентрации.

Синерезис у студней, образованных полимерами, частично обратим. Иногда достаточно нагревания, чтобы студень, претерпевший синерезис, вернуть в исходное состояние, В кулинарной практике этим способом пользуются, например, для освежения каш, пюре, черствого хлеба. Если при хранении студней возникают химические процессы, то синерезис усложняется и его обратимость теряется, происходит старение студня. При этом студень теряет способность удерживать связанную воду (черствение хлеба). Практическое значение синерезиса довольно велико. Чаще всего синерезис в быту и промышленности нежелателен. Это черствение хлеба, отмокание мармелада, желе, карамели, фруктовых джемов.

5. Растворы высокомолекулярных веществ.

Полимеры, подобно низкомолекулярным веществам, в зависимости от условий получения раствора (природа полимера и растворителя, температура и др.) могут образовывать как коллоидные, так и истинные растворы. В связи с этим принято говорить о коллоидном или истинном состоянии вещества в растворе. Мы не будем касаться систем «полимер – растворитель» коллоидного типа. Рассмотрим только растворы полимеров молекулярного типа. Следует отметить, что вследствие больших размеров молекул и особенностей их строения, растворы ВМС обладают рядом специфических свойств:

1. Равновесные процессы в растворах ВМС устанавливаются медленно.

2. Процессу растворения ВМС, как правило, предшествует процесс набухания.

3. Растворы полимеров не подчиняются законам идеальных растворов, т.е. законам Рауля и Вант-Гоффа.

4. При течении растворов полимеров возникает анизотропия свойств (неодинаковые физические свойства раствора в разных направлениях) за счет ориентации молекул в направлении течения.

5. Высокая вязкость растворов ВМС.

6. Молекулы полимеров, благодаря большим размерам, проявляют склонность к ассоциации в растворах. Время жизни ассоциатов полимеров более длительное, чем ассоциатов низкомолекулярных веществ.

Процесс растворения ВМС протекает самопроизвольно, но в течение длительного времени, и ему часто предшествует набухание полимера в растворителе. Полимеры, макромолекулы которых имеют симметричную форму, могут переходить в раствор, предварительно не набухая. Например, гемоглобин, печеночный крахмал – гликоген при растворении почти не набухают, а растворы этих веществ не обладают высокой вязкостью даже при сравнительно больших концентрациях. В то время, как вещества с сильно асимметрическими вытянутыми молекулами при растворении очень сильно набухают (желатин, целлюлоза, натуральный и синтетические каучуки).

Набухание – это увеличение массы и объема полимера за счет проникновения молекул растворителя в пространственную структуру ВМС.

Различают два вида набухания: неограниченное, заканчивающееся полным растворением ВМС (например, набухание желатины в воде, каучука в бензоле, нитроцеллюлозы в ацетоне) и ограниченное , приводящее к образованию набухшего полимера – студня (например, набухание целлюлозы в воде, желатина в холодной воде, вулканизованного каучука в бензоле).

В природе достаточно сложно встретить чистое вещество. В разных состояниях они могут образовывать смеси, гомогенные и гетерогенные - дисперсные системы и растворы. Что это за соединения? Каких типов они бывают? Рассмотрим эти вопросы подробнее.

Терминология

Для начала нужно понять, что такое дисперсные системы. Под этим определением понимают гетерогенные структуры, где одно вещество в качестве мельчайших частиц распределено равномерно в объеме другого. Тот компонент, который присутствует в меньшем количестве, называется дисперсной фазой. В ее состав может входить не одно вещество. Компонент, присутствующий в большем объеме, называется средой. Между частицами фазы и ею присутствует поверхность раздела. В связи с этим дисперсные системы именуются неоднородными - гетерогенными. И среда, и фаза могут быть представлены веществами, находящимися в различных агрегатных состояниях: жидком, газообразном либо твердом.

Дисперсные системы и их классификация

В соответствии с величиной частиц, входящих в фазу веществ, различают взвеси и коллоидные структуры. У первых величина элементов более 100 нм, а у вторых - от 100 и до 1 нм. Когда вещество раздроблено до ионов или молекул, чья величина меньше 1 нм, то формируется раствор - гомогенная система. От прочих она отличается своей однородностью и отсутствием поверхности раздела между средой и частицами. Коллоидные дисперсные системы представлены в виде гелей и золей. В свою очередь, взвеси подразделяются на суспензии, эмульсии, аэрозоли. Растворы бывают ионными, молекулярно-ионными и молекулярными.

Взвеси

Эти дисперсные системы включают в себя вещества с размером частиц больше 100 нм. Данные структуры непрозрачны: их отдельные компоненты можно увидеть невооруженным взглядом. Среда и фаза легко разделяются при отстаивании. Что собой представляют взвеси? Они могут быть жидкими либо газообразными. Первые подразделяются на суспензии и эмульсии. Последние являются структурами, в которых среда и фаза - жидкости, нерастворимые друг в друге. К ним можно отнести, например, лимфу, молоко, водоэмульсионную краску и прочие. Суспензией называют структуру, где среда представляет собой жидкость, а фаза является твердым, нерастворимым в ней веществом. Такие дисперсные системы хорошо знакомы многим. К ним, в частности, относят "известковое молоко", морской либо речной ил, взвешенный в воде, микроскопические живые организмы, распространенные в океане (планктон), и прочие.

Аэрозоли

Эти взвеси представляют собой распределенные мелкие частицы жидкости либо твердого вещества в газе. Различают туманы, дымы, пыли. Первый тип представляет собой распределение мелких жидких капелек в газе. Пыли и дымы - это взвеси твердых компонентов. При этом в первых частицы несколько крупнее. К природным аэрозолям относят грозовые тучи, собственно туман. Над крупными промышленными городами висит смог, состоящий из твердых и жидких компонентов, распределенных в газе. Необходимо отметить, что аэрозоли как дисперсные системы имеют большое практическое значение, выполняют важные задачи в производственной и бытовой деятельности. К примерам положительного результата от их применения можно отнести лечение органов дыхания (ингаляции), обработку химикатами полей, распыление краски при помощи пульверизатора.

Коллоидные структуры

Это дисперсные системы, в которых фаза состоит из частиц размером от 100 до 1 нм. Такие компоненты невооруженным глазом не видны. Фаза и среда в данных структурах при помощи отстаивания разделяются с затруднениями. Золи (коллоидные растворы) обнаруживаются в живой клетке и в организме в целом. К этим жидкостям относят ядерный сок, цитоплазму, лимфу, кровь и прочие. Данные дисперсные системы формируют крахмал, клеи, некоторые полимеры, белки. Эти структуры могут быть получены в процессе химических реакций. К примеру, в ходе взаимодействия растворов силикатов натрия или калия с кислотными соединениями формируется соединение кремниевой кислоты. Внешне коллоидная структура схожа с истинной. Однако от последних первые отличаются наличием "светящейся дорожки" - конуса при пропускании луча света через них. В золях содержатся более крупные, нежели в истинных растворах, частицы фазы. Их поверхность отражает свет - и в сосуде наблюдатель может увидеть светящийся конус. В истинном растворе такого явления нет. Аналогичный эффект также можно наблюдать в кинотеатре. В этом случае луч света проходит не через жидкий, а аэрозольный коллоид - воздух зала.

Выпадение частиц в осадок

В коллоидных растворах частицы фазы зачастую не оседают даже в процессе продолжительного хранения, что связано с непрерывными соударениями с молекулами растворителя под влиянием теплового движения. При сближении друг с другом они не слипаются, так как на их поверхностях присутствуют одноименные электрические заряды. Однако при определенных обстоятельствах может произойти процесс коагуляции. Он представляет собой эффект слипания и выпадения в осадок коллоидных частиц. Наблюдается данный процесс при нейтрализации зарядов на поверхности микроскопических элементов при добавлении электролита. В этом случае раствор превращается в гель либо суспензию. В некоторых случаях процесс коагуляции отмечается при нагревании или в случае изменения кислотно-щелочного баланса.

Гели

Эти коллоидные дисперсные системы представляют собой студенистые осадки. Формируются они при коагуляции золей. К этим структурам можно отнести многочисленные полимерные гели, косметические, кондитерские, медицинские субстанции (торт "Птичье молоко", мармелад, желе, холодец, желатин). К ним же относят и природные структуры: опал, тела медуз, волосы, сухожилия, нервную и мышечную ткань, хрящи. Процесс развития жизни на планете Земля можно, собственно, считать и историей эволюции коллоидной системы. С течением времени происходит нарушение гелевой структуры, и из нее начинает выделяться вода. Данное явление носит название синерезиса.

Гомогенные системы

Растворы включают в себя два или больше вещества. Они всегда однофазны, то есть являют собой твердое, газообразное вещество или жидкость. Но в любом случае их структура однородна. Такой эффект объясняется тем, что в одном веществе распределено другое в виде ионов, атомов либо молекул, величина которых меньше 1 нм. В том случае, когда необходимо подчеркнуть отличие раствора от коллоидной структуры, его называют истинным. В процессе кристаллизации жидкого сплава золота и серебра получают твердые разносоставные структуры.

Классификация

Ионные смеси представляют собой структуры с сильными электролитами (кислотами, солями, щелочами - NaOH, НС104 и другие). Еще одним типом являются молекулярно-ионные дисперсные системы. В них присутствует сильный электролит (сероводородная, азотистая кислота и прочие). Последним типом являются молекулярные растворы. Эти структуры включают в себя неэлектролиты - органические вещества (сахарозу, глюкозу, спирт и прочие). Растворителем является компонент, агрегатное состояние которого при образовании раствора не изменяется. Таким элементом может, например, являться вода. В растворе поваренной соли, углекислого газа, сахара она выступает в качестве растворителя. В случае смешивания газов, жидкостей или твердых веществ в качестве растворителя будет выступать тот компонент, которого в соединении окажется больше.

В окружающем нас мире чистые вещества встречаются крайне редко, в основном большинство веществ на земле и в атмосфере – это разнообразные смеси, содержащие более двух компонентов. Частицы размером примерно от 1 нм (несколько молекулярных размеров) до 10 мкм называются дисперсными (лат. dispergo – рассеивать, распылять). Разнообразные системы (неорганические, органические, полимерные, белковые), в которых хотя бы одно из веществ находится в виде таких частиц, называются дисперсными. Дисперсные - это гетерогенные системы, состоящие из двух или более фаз с сильно развитой поверхностью раздела между ними или смесь, состоящая как минимум из двух веществ, которые совершенно или практически не смешиваются друг с другом и не реагируют друг с другом химически. Одна из фаз – дисперсная фаза – состоит из очень мелких частиц, распределенных в другой фазе – дисперсионной среде.

Дисперсная система

По агрегатному состоянию дисперсные частицы могут быть твердыми, жидкими, газообразными, во многих случаях имеют сложное строение. Дисперсионные среды также бывают газообразными, жидкими и твердыми. В виде дисперсных систем существует большинство реальных тел окружающего нас мира: морская вода, грунты и почвы, ткани живых организмов, многие технические материалы, пищевые продукты и др.

Классификация дисперсных систем

Несмотря на многочисленные попытки предложить единую классификацию этих систем, она до сих пор отсутствует. Причина заключена в том, что в любой классификации принимаются в качестве критерия не все свойства дисперсных систем, а только какое-нибудь одно из них. Рассмотрим наиболее распространенные классификации коллоидных и микрогетерогенных систем.

В любой области знаний, когда приходится сталкиваться со сложными объектами и явлениями, для облегчения и установления определенных закономерностей целесообразно классифицировать их по тем или иным признакам. Это относится и к области дисперсных систем; в разное время для них были предложены различные принципы классификации. По интенсивности взаимодействия веществ дисперсионной среды и дисперсной фазы различают лиофильные и лиофобные коллоиды. Ниже кратко изложены другие приемы классификации дисперсных систем.

Классификация по наличию или отсутствию взаимодействия между частицами дисперсной фазы. Согласно этой классификации дисперсные системы делят на свободнодисперсные и связнодисперсные; классификация применима к коллоидным растворам и к растворам высокомолекулярных соединений.

К свободнодисперсным системам относят типичные коллоидные растворы, суспензии, взвеси, разнообразные растворы высокомолекулярных соединений, которые обладают текучестью, как обычные жидкости и растворы.

К связнодисперсным относят так называемые структурированные системы, в которых в результате взаимодействия между частицами возникает пространственная ажурная сетка-каркас, и система в целом приобретает свойство полутвердого тела. Например, золи некоторых веществ и растворы высокомолекулярных соединений при понижении температуры или с ростом концентрации выше известного предела, не претерпевая внешне каких-либо изменений, утрачивают текучесть - желатинируют (застудневают), переходят в состояние геля (студня). Сюда же можно отнести концентрированные пасты, аморфные осадки.

Классификация по дисперсности. Физические свойства вещества не зависят от размеров тела, но при высокой степени измельчения становятся функцией дисперсности. Например, золи металлов обладают различной окраской в зависимости от степени измельчения. Так, коллоидные растворы золота предельно высокой дисперсности имеют пурпурный цвет, менее дисперсные - синий, еще менее -зеленый. Есть основания полагать, что и другие свойства золей одного и того же вещества меняются по мере измельчения: Напрашивается естественный критерий классификации коллоидных систем по дисперсности, т. е. разделение области коллоидного состояния (10 -5 -10 -7 см ) на ряд более узких интервалов. Такая классификация была в свое время предложена, но она оказалась бесполезной, так как коллоидные системы практически всегда полидисперсны; монодисперсные встречаются очень редко. К тому же степень дисперсности может меняться во времени, т. е. зависит от возраста системы.

Дисперсные системы и коллоидно-химические процессы имеют место как в пищевой промышленности, так и в общественном питании. Коллоидно-химические процессы, такие как набухание, растворение, студнеобразование, агрегация, коагуляция, осаждение, пептизация, адсорбция, лежат в основе производства многих пищевых продуктов: бульонов, мороженого, различных кондитерских изделий, молочных продуктов, а также в основе хлебопечения, виноделия, пивоварения. Масло, маргарин, майонез, сметана, сливки, молоко, представляют собой сложные коллоидные системы. Для осуществления управления технологическими процессами производства пищевых продуктов инженерам-экономистам необходимо знание характеристик дисперсных систем и их основных свойств.

Дисперсными системами называют системы, состоящие из вещества, раздробленного до частиц большей или меньшей величины, и распределенного в другом веществе. Одно и то же вещество может находиться в различной степени раздробленности: макроскопически видимые частицы (>0,2-0,1 мм, разрешающая способность глаза), микроскопически видимые частицы (от 0,2-0,1 мм до 400-300 нм*, разрешающая способность микроскопа при освещении белым светом) и в молекулярном (или ионном) состоянии. Между миром молекул и микроскопически видимых частиц находится область раздробленности вещества с комплексом новых свойств, присущих этой форме организации вещества. Такие невидимые в оптический микроскоп частицы называют коллоидными, а раздробленное (диспергированное) состояние веществ с размером частиц от 400-300 нм до 1 нм - коллоидным состоянием вещества.

Дисперсные системы состоят из сплошной непрерывной фазы - дисперсионной среды, в которой распределены раздробленные частицы, и находящихся в этой среде самих раздробленных частиц того или иного размера и формы - дисперсной фазы. Дисперсные системыявляются гетерогенными, т.е. для них характерно существование реальных физических поверхностей раздела фаз между дисперсионной фазой и дисперсной средой.

Обязательным условием получения дисперсных систем является взаимная нерастворимость диспергируемого вещества и дисперсионной среды. Например, нельзя получить коллоидные растворы сахара или поваренной соли в воде, но они могут быть получены в керосине или в бензоле, в которых эти вещества практически нерастворимы.

Количественной характеристикой дисперсности (раздробленности) вещества является степень дисперсности (степень раздробленности, D) - величина, обратная размеру (а) дисперсных частиц:

Здесь а равно либо диаметру сферических или волокнистых частиц, либо длине ребра кубических частиц, либо толщине пленок (рис.1). Чем меньше размеры частиц, тем больше дисперсность, и наоборот.

* 1 нм (нанометр) = 10 –6 мм.