Дисперсниминазивають гетерогенні системи, в яких одна речовина у вигляді дуже дрібних частинокрівномірно розподілено обсягом іншого.
Та речовина, яка присутня у меншій кількості та розподілена в обсязі іншої, називають дисперсною фазою. Вона може складатися з кількох речовин.
Речовина, присутня у більшій кількості, в обсязі якої розподілена дисперсна фаза, називають дисперсійним середовищем. Між нею та частинками дисперсної фази існує поверхня розділу, тому дисперсні системи називають гетерогенними (неоднорідними).
І дисперсійне середовище, і дисперсну фазу можуть представляти речовини, що знаходяться в різних агрегатних станах – твердому, рідкому та газоподібному.
Залежно від поєднання агрегатного стану дисперсійного середовища та дисперсної фази можна виділити 8 видів таких систем.
За величиною частинок речовин, що становлять дисперсну фазу, дисперсні системи ділять на грубодисперсні(Зважи) з розмірами частинок понад 100 нм та тонкодисперсні(колоїдні розчини або колоїдні системи) із розмірами частинок від 100 до 1 нм. Якщо речовина роздроблена до молекул або іонів розміром менше 1 нм, утворюється гомогенна система − розчин. Вона однорідна (гомогена), поверхні розділу між частинками дисперсної фази та середовищем немає.
Вже знайомство з дисперсними системами і розчинами показує, наскільки вони важливі в повсякденному життіта у природі (див. таблицю).
Таблиця. Приклади дисперсних систем
| Дисперсійне середовище | Дисперсна фаза | Приклади деяких природних та побутових дисперсних систем |
| Газ | Рідина | Туман, попутний газ з крапельками нафти, карбюраторна суміш у двигунах автомобілів (крапельки бензину в повітрі), аерозолі |
| Тверда речовина | Пили в повітрі, дими, смог, самуми (пильні та піщані бурі), аерозолі | |
| Рідина | Газ | Шипучі напої, піни |
| Рідина | Емульсії. Рідкі середовища організму (плазма крові, лімфа, травні соки), рідкий вміст клітин (цитоплазма, каріоплазма) | |
| Тверда речовина | Золі, гелі, пасти (киселі, колодці, клеї). Річковий та морський мул, зважені у воді; будівельні розчини | |
| Тверда речовина | Газ | Сніг наст з бульбашками повітря в ньому, грунт, текстильні тканини, цегла і кераміка, поролон, пористий шоколад, порошки |
| Рідина | Вологий ґрунт, медичні та косметичні засоби (мазі, туш, помада тощо) | |
| Тверда речовина | Гірські породи, кольорові стекла, деякі сплави |
Судіть самі: без нільського мулу не відбулася б велика цивілізація Стародавнього Єгипту; без води, повітря, гірських поріді мінералів взагалі б не існувала жива планета− наш спільний будинок − Земля; без клітин був би живих організмів тощо.
Якщо всі частинки дисперсної фази мають однакові розміри, такі системи називають монодисперсними (рис. 1, а і б). Частинки дисперсної фази неоднакового розміру утворюють полідисперсні системи (рис.1, в).
Мал. 1. Вільнодисперсні системи: корпускулярно − (а-в), волокнисто − (г) та плівково-дисперсні − (д); а, б – монодисперсні; в – полідисперсна система.
Дисперсні системи можуть бути вільнодисперсними(рис. 1) та зв'язнодисперсними(рис. 2, а − в) залежно від відсутності чи наявності взаємодії між частинками дисперсної фази. До вільнодисперсних систем відносяться аерозолі, розбавлені суспензії та емульсії. Вони текучи, у цих системах частки дисперсної фази немає контактів, беруть участь у безладному тепловому русі, вільно переміщаються під впливом сили тяжкості. Зв'язнодисперсні системи – твердоподібні; вони виникають при контакті частинок дисперсної фази, що призводить до утворення структури каркаса або сітки. Така структура обмежує плинність дисперсної системи та надає їй здатності зберігати форму. Порошки, концентровані емульсії та суспензії (пасти), піни, гелі – приклади складнодисперсних систем. Суцільну масу речовини можуть пронизувати пори та капіляри, що утворюють капілярно-дисперсні системи (шкіра, картон, тканини, деревина).
Мал. 3. Зв'язнодисперсні (а-в) та капілярно-дисперсні (г, д) системи: гель (а), коагулянт із щільною (б) та пухкою – арочною (в) структурою.
Дисперсні системи, відповідно до їх проміжного положення між світом молекул і великих тіл, можуть бути отримані двома шляхами: методами диспергування, тобто подрібнення великих тіл, і методами конденсації молекулярно або іоннорозчинених речовин.
Під взаємодією фаз дисперсних систем мають на увазі процеси сольватації (гідратації у разі водних систем), тобто утворення сольватних (гідратних) оболонок із молекул дисперсійного середовища навколо частинок дисперсної фази. Відповідно, за інтенсивністю взаємодії між речовинами дисперсної фази та дисперсійного середовища (тільки для систем з рідким дисперсійним середовищем), за пропозицією Г. Фрейндліха розрізняють такі дисперсні системи:
− Ліофільні (гідрофільні, якщо ДС – вода): міцелярні розчини ПАР, критичні емульсії, водні розчини деяких природних ВМС, наприклад, білків (желатину, яєчного білка), полісахаридів (крохмалю). Для них характерно сильна взаємодіячастинок ДФ із молекулами ДС. У граничному випадку спостерігається повне розчинення. Ліофільні дисперсні системи утворюються спонтанно внаслідок процесу сольватації. Термодинамічно агрегативно стійкі.
− Ліофобні (гідрофобні, якщо ДС – вода): емульсії, суспензії, золі. Для них характерно слабка взаємодіячастинок ДФ із молекулами ДС. Мимоволі не утворюються, для їх утворення необхідно витратити роботу. Термодинамічно агрегативно нестійкі (тобто мають тенденцію до мимовільної агрегації частинок дисперсної фази), їх відносна стійкість (так звана метастабільність) обумовлена кінетичними факторами (тобто низькою швидкістю агрегації).
3. Зважи.
Зважи – це дисперсні системи, у яких розмір частинки фази понад 100 нм. Це непрозорі системи, окремі частки яких можна побачити неозброєним оком. Дисперсна фаза та дисперсне середовище легко поділяються відстоюванням, фільтруванням. Такі системи поділяються на:
1. Емульсії (і середовище, і фаза - нерозчинні один в одному рідини). З води та олії можна приготувати емульсію тривалим струшуванням суміші. Це добре відомі вам молоко, лімфа, водоемульсійні фарбиі т.д.
2. Суспензії (Середовище - рідина, фаза - нерозчинне в ній тверда речовина).Щоб приготувати суспензію, треба речовину подрібнити до тонкого порошку, висипати в рідину і добре збовтати. Згодом частка випаде на дно судини. Очевидно, що менше частинки, тим довше зберігатиметься суспензія. Це будівельні розчини, зважений у воді річковий і морський мул, жива завись мікроскопічних живих організмів морській воді- Планктон, яким харчуються гіганти - кити, і т.д.
3. Аерозолі суспензії в газі (наприклад, у повітрі) дрібних частинок рідин або твердих речовин. Розрізняються пилу, дими, тумани. Перші два види аерозолів є суспензією твердих частинок у газі (більші частинки в пилах), останній – завис крапельок рідини в газі. Наприклад: туман, грозові хмари – завись у повітрі крапельок води, дим – дрібних твердих частинок. А зміг, що висить над найбільшими містамисвіту, також аерозоль з твердою та рідкою дисперсною фазою. Мешканці населених пунктівпоблизу цементних заводів страждають від тонкого цементного пилу, що завжди висить у повітрі, що утворюється при розмелі цементної сировини і продукту його випалу - клінкеру. Дим заводських труб, смоги, дрібні крапельки слини, що вилітають з рота хворого на грип, а також шкідливі аеролозі. Аерозолі відіграють важливу роль у природі, побуті та виробничій діяльності людини. Скупчення хмар, обробка полів хімікатами, нанесення лакофарбових покриттівза допомогою пульверизатора лікування дихальних шляхів (інгаляція) – приклади тих явищ і процесів, де аерозолі приносять користь. Аерозолі – тумани над морським прибоєм, поблизу водоспадів і фонтанів, веселка, що виникає в них, доставляє людині радість, естетичне задоволення.
Для хімії найбільше значеннямають дисперсні системи, в яких середовищем є вода та рідкі розчини.
Природна водазавжди містить розчинені речовини. Природні водні розчини беруть участь у процесах ґрунтоутворення та постачають рослини поживними речовинами. Складні процеси життєдіяльності, що відбуваються в організмах людини та тварин, також протікають у розчинах. багато технологічні процесиу хімічній та інших галузях промисловості, наприклад одержання кислот, металів, паперу, соди, добрив, протікають у розчинах.
4. Колоїдні системи.
Колоїдні системи (у перекладі з грецького “колла” – клей, “єїдос” вид клеєподібні) – це дисперсні системи, у яких розмір частинок фази від 100 до 1 нм. Ці частинки не видно неозброєним оком, і дисперсна фаза та дисперсне середовище в таких системах відстоюванням поділяються насилу.
З курсу загальної біології вам відомо, що частинки такого розміру можна знайти за допомогою ультрамікроскопа, в якому використовується принцип розсіювання світла. Завдяки цьому колоїдна частка в ньому здається яскравою точкою на темному тлі.
Їх поділять на золі (колоїдні розчини) та гелі (студні).
1. Колоїдні розчини, або золі. Це більшість рідин живої клітини (цитоплазма, ядерний сік – каріоплазма, вміст органоїдів та вакуолей). І живого організму загалом (кров, лімфа, тканинна рідина, травні соки і т.д.) Такі системи утворюють клеї, крохмаль, білки, деякі полімери.
Колоїдні розчини можуть бути отримані в результаті хімічних реакцій; наприклад, при взаємодії розчинів силікатів калію або натрію (розчинного скла) з розчинами кислот утворюється колоїдний розчин кремнієвої кислоти. Золь утворюється і при гідролізі хлориду заліза (III) гарячій воді.
Характерна властивість колоїдних розчинів – їхня прозорість. Колоїдні розчини зовні схожі на дійсні розчини. Їх відрізняють від останніх по доріжці, що утворюється, – конусу при пропусканні через них променя світла. Це явище називають ефектом Тіндаля. Більші, ніж у істинному розчині, частинки дисперсної фази золю відбивають світло від своєї поверхні, і спостерігач бачить у посудині з колоїдним розчином конус, що світиться. У істинному розчині не утворюється. Аналогічний ефект, але тільки для аерозольного, а не рідкого колоїду, ви можете спостерігати в лісі та кінотеатрах при проходженні променя світла від кіноапарата через повітря кінозалу.
Пропускання променя світла через розчини:
а – істинний розчин натрію хлориду;
б - колоїдний розчин гідроксиду заліза (III).
Частинки дисперсної фази колоїдних розчинів нерідко не осідають навіть при тривалому зберіганні через безперервні зіткнення з молекулами розчинника за рахунок теплового руху. Вони не злипаються і при зближенні один з одним через наявність на їх поверхні однойменних електричних зарядів. Це пояснюється тим, що речовини в колоїдному, тобто, в дрібнороздробленому стані мають велику поверхню. На цій поверхні адсорбуються або позитивно або негативно заряджені іони. Наприклад, кремнієва кислота адсорбує негативні іони SiO 3 2- яких в розчині багато внаслідок дисоціації силікату натрію:
Частки ж із однойменними зарядами взаємно відштовхуються і тому не злипаються.
Але за певних умов може відбуватися процес коагуляції. При кип'ятінні колоїдних розчинів відбувається десорбція заряджених іонів, тобто. колоїдні частки втрачають заряд. Починають укрупнюватись і осідають. Те саме спостерігається при приливанні будь-якого електроліту. В цьому випадку колоїдна частка притягує до себе протилежно заряджений іон і її заряд нейтралізується.
Коагуляція – явище злипання колоїдних частинок та випадання їх в осад – спостерігається при нейтралізації зарядів цих частинок, коли колоїдний розчин додають електроліт. При цьому розчин перетворюється на суспензію або гель. Деякі органічні колоїди коагулюють при нагріванні (клей, яєчний білок) або зміні кислотно-лужного середовища розчину.
2. Гелі або колодці являють собою драглисті опади, що утворюються при коагуляції золів. До них відносять велика кількістьполімерних гелів, настільки добре відомі вам кондитерські, косметичні та медичні гелі (желатин, холодець, мармелад, хліб, м'ясо, джем, желе, мармелад, кисіль, сир, сир, кисле молоко, торт "Пташине молоко") і звичайно ж безліч природних гелів: мінерали (опал), тіла медуз, хрящі, сухожилля, волосся, м'язова та нервова тканини і т.д. Історію розвитку Землі можна одночасно вважати історією еволюції колоїдного стану речовини. Згодом структура гелів порушується (відшаровується) – із них виділяється вода. Це явище називають синерезисом .
Колодязі − це структуровані системи з властивостями еластичних твердих тіл. Студоподібний стан речовини можна розглядати як проміжний між рідким і твердим станом.
Колодязі високомолекулярних речовин можуть бути отримані в основному двома шляхами: методом утворення колодців з розчинів полімерів та методом набухання сухих високомолекулярних речовин у відповідних рідинах.
Процес переходу розчину полімеру або золю в холодець називається студнеутворенням . Студнеутворення пов'язане зі збільшенням в'язкості та уповільненням броунівського руху і полягає в об'єднанні частинок дисперсної фази у формі сітки або осередків та зв'язуванні при цьому всього розчинника.
На процес студнеутворення істотно впливає природа розчинених речовин, форма їх частинок, концентрація, температура, час процесу та домішки інших речовин, особливо електролітів .
На підставі властивостей колодця ділять на дві великі групи:
а) еластичні, або оборотні, одержувані з високомолекулярних речовин;
б) тендітні, або незворотні, що отримуються з неорганічних гідрофобних золів.
Як мовилося раніше, колодці високомолекулярних речовин може бути отримані як методом студнеобразования розчинів, а й методом набухання сухих речовин. Обмежене набухання закінчується утворенням холодця і не переходить у розчинення, а при необмеженому набуханні холодець - проміжна стадія на шляху до розчинення.
Для холодців характерний ряд властивостей твердих тіл: вони зберігають форму, мають пружні властивості і еластичність. Однак їх механічні властивостівизначаються концентрацією та температурою.
При нагріванні колодці переходять у в'язкотекучий стан. Цей процес називається плавленням. Він оборотний, оскільки при охолодженні розчин знову утворює холодець.
Багато холодців здатні розріджуватися і переходити в розчини при механічному впливі (перемішування, струшування). Цей процес оборотний, тому що в стані спокою через деякий час розчин утворює холодець. Властивість холодців багаторазово ізотермічно розріджуватися при механічних впливіві утворювати холодець у стані спокою називається тиксотропією . До тиксотропних змін здатні, наприклад, шоколадна маса, маргарин, тісто.
Маючи у своєму складі величезну кількість води, колодці, крім властивостей твердих тіл, мають і властивості рідкого тіла. Вони можуть протікати різні фізико-хімічні процеси: дифузія, хімічні реакції між речовинами.
Свіжоприготовлені колодці з часом піддаються змінам, оскільки процес структурування в колодці продовжується. При цьому на поверхні холодець починають з'являтися крапельки рідини, які, зливаючись, утворюють рідке середовище. Дисперсійне середовище, що утворюється, є розведеним розчином полімеру, а дисперсна фаза – студнеобразная фракція. Такий мимовільний процес поділу колодця на фази, що супроводжується зміною обсягу студія, називає синерезисом (відмокання).
Синерезис сприймається як продовження процесів, що зумовлюють освіту колодець. Швидкість синьорезису різних холодців різна і залежить в основному від температури та концентрації.
Синерезис у холодців, утворених полімерами, частково звернемо. Іноді достатньо нагрівання, щоб холодець, що зазнав синерезису, повернути у вихідний стан. У кулінарній практиці цим способом користуються, наприклад, для освіження каш, пюре, черствого хліба. Якщо при зберіганні холодців виникають хімічні процеси, то синерезис ускладнюється і його оборотність втрачається, відбувається старіння холодця. При цьому холодець втрачає здатність утримувати пов'язану воду(черствіння хліба). Практичне значеннясиньорезису досить велике. Найчастіше синерезис у побуті та промисловості небажаний. Це черствіння хліба, відмокання мармеладу, желе, карамелі, фруктових джемів.
5. Розчини високомолекулярних речовин.
Полімери, подібно до низькомолекулярних речовин, в залежності від умов отримання розчину (природа полімеру і розчинника, температура та ін) можуть утворювати як колоїдні, так і справжні розчини. У зв'язку з цим прийнято говорити про колоїдний або дійсний стан речовини в розчині. Ми не стосуватимемося систем «полімер – розчинник» колоїдного типу. Розглянемо лише розчини полімерів молекулярного типу. Слід зазначити, що внаслідок великих розмірів молекул та особливостей їх будови, розчини ВМС мають ряд специфічних властивостей:
1. Рівноважні процеси у розчинах ВМС встановлюються повільно.
2. Процесу розчинення ВМС, зазвичай, передує процес набухання.
3. Розчини полімерів не підкоряються законам ідеальних розчинів, тобто. законам Рауля та Вант-Гоффа.
4. При перебігу розчинів полімерів виникає анізотропія властивостей (неоднакові Фізичні властивостірозчину в різних напрямках) з допомогою орієнтації молекул у бік течії.
5. Висока в'язкість розчинів ВМС.
6. Молекули полімерів, завдяки великим розмірам, виявляють схильність до асоціації у розчинах. Час життя асоціатів полімерів триваліший, ніж асоціатів низькомолекулярних речовин.
Процес розчинення ВМС протікає мимовільно, але протягом тривалого часу, і часто передує набухання полімеру в розчиннику. Полімери, макромолекули яких мають симетричну форму, можуть переходити в розчин, попередньо не набухаючи. Наприклад, гемоглобін, печінковий крохмаль – глікоген при розчиненні майже не набухають, а розчини цих речовин не мають високої в'язкості навіть при порівняно великих концентраціях. У той час, як речовини з сильно асиметричними витягнутими молекулами при розчиненні дуже набрякають (желатин, целюлоза, натуральний і синтетичні каучуки).
Набухання – це збільшення маси та обсягу полімеру за рахунок проникнення молекул розчинника у просторову структуру ВМС.
Розрізняють два види набухання: необмежену,закінчується повним розчиненням ВМС (наприклад, набухання желатину у воді, каучуку в бензолі, нітроцелюлози в ацетоні) та обмежене, що призводить до утворення набряклого полімеру - холодець (наприклад, набухання целюлози у воді, желатину холодній воді, вулканізований каучук в бензолі).
Дисперсні системи.
Дисперсні системи широко поширені в природі і з давніх-давен використовуються людиною в його життєдіяльності. Практично будь-який живий організм або є дисперсною системою, або містить їх у різних формах.
Приклад: вільнодисперсні системи(немає суцільних жорстких структур - золі): кров, лімфа, шлунковий та кишковий соки, спинномозкова рідина тощо.
зв'язково-дисперсні системи(є жорсткі просторові структури - гелі): протоплазма, мембрани клітин, м'язове волокно, кришталик ока і т.д.
Дисперсні системи активно застосовують у медицині, це насамперед колоїдні розчини, аерозолі, креми, мазі. Біохімічні процеси в організмі протікають у дисперсних системах. Засвоєння їжі пов'язане з переходом поживних речовин у розчинений стан. Біорідини (дисперсні системи) беруть участь у транспорті поживних речовин (жирів, амінокислот, кисню), лікарських препаратівдо органів та тканин, а також у виведенні з організму метаболітів (сечовини, білірубіну, вуглекислого газу).
Знання закономірностей фізико-хімічних процесіву дисперсних системах важливо майбутнім лікарям як вивчення медико-біологічних і клінічних дисциплін, так глибшого розуміння процесів, які у організмі, і свідомого зміни в бажаному напрямі.
Дисперсні системи- Це багатокомпонентні системи, в яких одні речовини у вигляді дрібних частинок розподілені в іншій речовині. Речовина, що розподіляється, називається дисперсною фазою. Речовина, в якій розподіляється дисперсна фаза, називається дисперсійним середовищем.
Приклад: водний розчин глюкози
молекули глюкози – дисперсна фаза
вода – дисперсійне середовище
Дисперсність – величина, що характеризує розмір завислих частинок у дисперсних системах. Вона обернена діаметру частинок дисперсної фази. Чим менший розмірчастинок, тим більша дисперсність.
Класифікація дисперсних систем.
Дисперсні системи класифікують за п'ятьма ознаками.
1. За ступенем дисперсності:
· грубодисперсні
Д = 10 4 – 10 6 м –1 характеризуються нестійкістю, непрозорістю.
Приклад: суспензії, емульсії, піни, суспензії.
· колоїдно-дисперсні
Д = 10 7 – 10 9 м –1 , можуть бути прозорими і каламутними, мати стійкість і бути нестійкими.
приклад: колоїдні розчини, розчини високомолекулярних сполук.
· Молекулярно-дисперсні та іонно-дисперсні
Д = 10 10 – 10 11 м –1 , характеризуються прозорістю та стійкістю.
Приклад: розчини низькомолекулярних сполук.
2. За наявності фізичної поверхні поділу між дисперсною фазою та дисперсійним середовищем:
· Гомогенні (однофазні системи, межа розділу відсутня.
Приклад: розчини низькомолекулярних та високомолекулярних сполук.
· гетерогенні
існує межа поділу між дисперсною фазою та дисперсійним середовищем.
Приклад: колоїдні розчини та грубодисперсні системи.
3. За характером взаємодії між дисперсною фазою та дисперсійним середовищем:
· Ліофільні
між дисперсною фазою та дисперсійним середовищем існує спорідненість.
Приклад: усі гомогенні системи.
· ліофобні
між дисперсною фазою та дисперсійним середовищем слабка взаємодія або відсутня.
Приклад: усі гетерогенні системи.
4. За агрегатним станом дисперсної фази та дисперсійного середовища:
| дисп.фаза дисп.середовище | газоподібна | тверда | рідка |
| газоподібна | суміш газів (повітря) | тютюновий дим пил борошняний, космічна аерозолі | туман пар хмари |
| рідка | розчинений у крові CO 2 , O 2 , N 2 , піни мінеральні води | колоїдні розчини суспензії розчини ВМС розчини НМС | емульсії: молоко масло вершкове маргарин креми мазі нафта |
| тверда | тверді піни (пінопласт, активоване вугілля) іонообмінні смоли молекулярні сита | сплави металу кольорове скло, кришталь дорогоцінне каміння (рубін, аметист) супозиторії (лікувальні свічки) | кристалогідрати мінерали з рідкими включеннями (перли, опал) вологі ґрунти |
5. За природою дисперсійного середовища:
Справжні розчини.
Справжній розчин – це гомогенна дисперсна ліофільна система з розмірами частинок 10 –10 – 10 –11 м.
Справжні розчини – це однофазні дисперсні системи, вони характеризуються великою міцністю зв'язку між дисперсною фазою та дисперсійним середовищем. Справжній розчин зберігає гомогенність невизначено довгий час. Справжні розчини завжди прозорі. Частинки істинного розчину не видно навіть у електронному мікроскопі. Справжні розчини добре дифундують.
Компонент, агрегатний стан якого не змінюється під час утворення розчину, називають розчинником (дисперсійне середовище), а інший компонент – розчиненою речовиною (дисперсна фаза).
При однаковому агрегатному стані компонентів розчинником вважається компонент, кількість якого в розчині переважає.
У розчинах електролітів незалежно від співвідношення компонентів електроліти розглядаються як розчинені речовини.
Справжні розчини поділяються:
· За типом розчинника: водні та неводні
· За типом розчиненої речовини: розчини солей, кислот, лугів, газів і т.д.
· по відношенню до електричного струму: електроліти та неелектроліти.
· по концентрації: концентровані та розведені
· За ступенем досягнення межі розчинності: насичені та ненасичені
· З термодинамічної точки зору: ідеальні та реальні
· за агрегатним станом: газоподібні, рідкі, тверді
Справжні розчини бувають:
· Іонно-дисперсні (дисперсна фаза – гідратовані іони): водний розчин NaCl
· Молекулярно-дисперсні (дисперсна фаза - молекули): водний розчин глюкози
Іони кожен окремо чи спільно виконують певні функції в організмі. Вирішальна роль переносі води в організмі належить іонам Na + і Cl – , тобто беруть участь у водно-сольовому обміні. Іони електролітів беруть участь у процесах підтримки сталості осмотичного тиску, встановлення кислотно-лужної рівноваги, у процесах передачі нервових імпульсів, у процесах активації ферментів.
З позиції живих систем найбільший інтерес становлять розчини, у яких розчинником є вода.
У ньому розчиняється дуже багато речовин. Вона не лише розчинник, що забезпечує молекулярне розсіювання речовин по всьому організму. Вона також є учасником багатьох хімічних та біохімічних процесів в організмі. Наприклад, гідролізу, гідратації, набухання, транспорту поживних та лікарських речовин, газів, антитіл тощо.
В організмі відбувається безперервний обмін води та розчинених у ній речовин. Вода становить основну масу будь-якої живої істоти. Її вміст у тілі людини змінюється з віком: у ембріона людини – 97%, у новонародженої – 77%, у дорослих чоловіків – 61%, у дорослих жінок – 54%, у літніх людей старше 81 року – 49,8%. Більшість води в організмі знаходиться всередині клітин (70%), близько 23% - міжклітинної води, а решта (7%) - знаходиться всередині кровоносних судинта у складі плазми крові.
Усього в організмі 42 л води. На добу надходить у організм і виводиться із нього 1,5 – 3 л води. Це нормальний водний баланс організму.
Головний шлях виведення води з організму – нирки. Втрата 10-15% води небезпечна, а 20-25% смертельна для організму.
Найважливішою характеристикоюрозчину є його концентрація.
Способи вираження концентрації розчинів:
1. Масова частка w(х)– величина, що дорівнює відношенню маси розчиненої речовини m(x) до маси розчину m(p-p)
w(x) = × 100%
2. Молярна концентрація розчину з(х)- величина, що дорівнює відношенню кількості речовини n(х), що міститься в розчині, до обсягу цього розчину V(р-р).
з(х) = [моль/л], де n(х) = [моль]
Мілімолярний розчин – розчин з молярною концентрацією, що дорівнює 0,001 моль/л
Сантимолярний розчин – розчин з молярною концентрацією, що дорівнює 0,01 моль/л
Децимолярний розчин – розчин з молярною концентрацією, що дорівнює 0,1 моль/л
3. Молярна концентрація еквівалента з (x) - величина, що дорівнює відношенню кількості речовини еквівалента n (x) у розчині до обсягу цього розчину.
c (x) = [моль/л], де n (x) = [моль], а М(x) = × М(x)
Еквівалент – це реальна чи умовна частка речовини х, яка у цій кислотно-основної реакції еквівалентна одному іону водню або в даній ОВР – одному електрону.
Число еквівалентності z і фактор еквівалентності f=. Чинник еквівалентності показує, яка частка реальної частки речовини хеквівалентна одному іону водню або одному електрону. Число еквівалентності zрівно для:
а) кислот - основи кислоти H 2 SO 4 z = 2.
б) основ – кислотності основи Aℓ(OH) 3 z = 3.
в) солей – добутку ступеня окиснення (с.о.) металу на число його атомів у молекулі Fe 2 (SO 4) 3 z= 2×3 = 6.
г) окислювачів – числу приєднаних електронів
Mn +7 + 5? → Mn +2 z = 5
д) відновників – числу відданих електронів
Fe +2 – 1? → Fe +3 z = 1
4. Моляльна концентрація b(x)– величина, що дорівнює відношенню кількості речовини до маси розчинника (кг)
b(x) = = [моль/кг]
5. Молярна частка c (x i)дорівнює відношенню кількості речовини даного компонента до сумарної кількості всіх компонентів розчину
Формули взаємозв'язку концентрацій:
з(x) = c(x) × z
У розчинів є низка властивостей, які залежить від природи розчиненої речовини, а залежить лише з його концентрації. Найважливішим є осмос.
Завдяки осмосу через мембрани клітин органів та тканин здійснюється складний процес обміну речовин організму із зовнішнім середовищем.
Дифузія - процес мимовільного вирівнювання концентрації в одиниці обсягу.
Осмос – одностороння дифузія молекул розчинника через напівпроникну мембрану з розчинника в розчин або з розчину з меншою концентрацією розчин з більшою концентрацією.
розчин розчинник
Перенесення розчинника через мембрану обумовлено осмотичним тиском . Воно дорівнює надлишковому зовнішньому тиску, який слід прикласти з боку розчину, щоб припинити процес, тобто створити умови осмотичної рівноваги. Перевищення надлишкового тискунад осмотичним може призвести до звернення осмосу – зворотної дифузії розчинника. Зворотний осмосмає місце при фільтрації плазми крові в артеріальній частині капіляра та ниркових клубочках.
Осмотичний тиск - тиск, який потрібно докласти до розчину, щоб осмос припинився.
Рівняння Вант-Гоффа: Р осм = c RT×10 3
Осмотичний тиск крові: 780 - 820 кПа
Усі розчини, з погляду осмотичних явищ, можна поділити на 3 групи:
· Ізотонічні розчини – розчини, що мають однакові осмотичні тиски та осмолярні концентрації. Приклади: жовч, розчин NaCl (w=0,9%, =0,15 моль/л), розчин глюкози (w=7%, =0,3 моль/л)
Осмолярна концентрація (осмолярність) - сумарна кількість речовини всіх кінетично активних частинок, що містяться в 1 літрі розчину. з осм, осмоль/л
Осмоляльна концентрація (осмоляльність) - сумарна кількість речовини всіх кінетично активних частинок, що містяться в 1 кг розчинника. b осм, осмоль/кг
Для розведених розчинів осмолярна концентрація збігається з осмоляльною концентрацією. з осм ≈ b осм
· Гіпертонічний розчин - розчин з більш високою концентрацією розчинених речовин, отже, з більш високим осмотичним тиском у порівнянні з іншим розчином і здатний за наявності проникних мембран витягати з нього воду. Приклади: кишковий сік, сеча.
· Гіпотонічний розчин – розчин з нижчою концентрацією розчинених речовин, отже, з нижчим осмотичним тиском проти іншим розчином і здатний за наявності проникних мембран втрачати воду. Приклади: слина, піт.
Тварини та рослинні клітини відокремлені від довкіллямембраною. При поміщенні клітини в різні за осмолярними концентраціями або тиском розчини будуть спостерігатися наступні явища:
· Плазмоліз - зменшення клітини в обсязі. При цьому клітину поміщають гіпертонічний розчин. Різниця осмотичних тисків викликає переміщення розчинника з клітини гіпертонічний розчин.
· Лізіс - збільшення клітини в обсязі. При цьому клітину поміщають у гіпотонічний розчин. Різниця осмотичних тисків викликає переміщення розчинника у клітину. У разі розриву еритроцитарних мембран та переходу гемоглобіну в плазму явище називається гемолізом.
· Ізоосмія - обсяг клітини не змінюється. При цьому клітину поміщають у ізотонічний розчин.
За допомогою осмотичних явищ підтримується водно-сольовий обмін в організмі людини. Осмос – основа механізму роботи нирок. Ізотонічний (фізіологічний) розчин NaCl (0,9%) використовується при великих втратах крові. Гіпертонічний розчин NaCl (10%) використовують для накладання марлевих пов'язок на гнійні рани.
Онкотичний тиск- Це частина осмотичного тиску, створюваного білками.
У плазмі крові людини становить лише близько 0,5% осмотичного тиску (0,03-0,04 атм або 2,5 – 4,0 кПа). Тим не менш, онкотичний тиск відіграє найважливішу роль в утворенні міжклітинної рідини, первинної сечі та ін. Стінка капілярів вільно проникна для води та низькомолекулярних речовин, але не для білків. Швидкість фільтрації рідини через стінку капіляра визначається різницею між онкотичним тиском білків плазми та гідростатичним тиском крові, що створюється роботою серця. На артеріальному кінці капіляра сольовий розчин разом із поживними речовинами перетворюється на міжклітинний простір. На венозному кінці капіляра процес йде в протилежному напрямку, оскільки венозний тиск нижчий від онкотичного тиску. В результаті в кров переходять речовини, що віддаються клітинами. При захворюваннях, що супроводжуються зменшенням концентрації в крові білків (особливо альбумінів), онкотичний тиск знижується, і це може стати однією з причин накопичення рідини в міжклітинному просторі, внаслідок чого розвиваються набряки.
 |
У попередньому параграфі ми говорили про розчинах. Тут коротко нагадаємо про це поняття.
розчинаминазивають однорідні (гомогенні) системи, які з двох і більше компонентів.
Гомогенна система- це однорідна система, хімічний склад і фізичні властивості якої у всіх частинах однакові або змінюються безперервно, без стрибків (між частинами системи немає поверхонь розділу).
Таке визначення розчину не зовсім коректне. Воно швидше відноситься до істинним розчинам.
У той же час існують ще колоїдні розчини, які є не гомогенними, а гетерогенними, тобто.
складаються із різних фаз, розділених поверхнею розділу. Для того, щоб досягти більшої чіткості у визначеннях використовують інший термін –.
дисперсні системи колоїдні розчини.
Історія питання
Подальші дослідження в цьому напрямку, що проводилися з 1861 р. англійським вченим Томасом Гремом, показали, що одні речовини, що швидко дифундують і проходять через рослинні і тваринні мембрани, легко кристалізуються, інші ж мають малу здатність до дифузії, не проходять через мембрани і не проходять через мембрани а утворюють аморфні опади.
Перші Грем назвав кристалоїдами, а другі – колоїдами(від грецького слова kolla – клей та eidos – вид) або клеєподібними речовинами.
Зокрема, було виявлено, що речовини, здатні до утворення аморфних опадів, як, наприклад, альбумін, желатин, гуміарабік, гідроксиду заліза та алюмінію та деякі інші речовини, дифундують у воді повільно порівняно зі швидкістю дифузії таких кристалічних речовин, як кухонна сіль, сірчанокислий магній, тростинний цукор та ін.
У таблиці нижче наведені коефіцієнти дифузії D для деяких кристалоїдів та колоїдів при 18С.
З таблиці видно, що між молекулярною вагою та коефіцієнтом дифузії існує зворотна залежність.
Крім того, у кристалоїдів була виявлена здатність не тільки швидко дифундувати, але і діалізувати, тобто.
проходити через мембрани, на противагу колоїдам, що мають більший розмір молекул і тому повільно дифузним і не проникає через мембрани.
Як мембрани використовують стінки бичачого міхура, целофан, плівки із залізисто-синеродистої міді і т.д. На підставі зроблених спостережень Грем встановив, що всі речовини можуть бути поділені на.
Росіяни не згодні Проти такого строго поділухімічних речовин заперечував професор Київського університетуІ.Г. Борщів (1869).Думка Борщова пізніше була підтверджена дослідженнями іншого російського вченого
Веймарна , який довів, що одна і та ж речовина в залежності від умов може виявляти властивості колоїдів або кристалоїдів.Так, наприклад, розчин мила у воді має властивості колоїда.
, а мило, розчинене у спирті, виявляє властивості справжніх розчинівТак само кристалічні солі, наприклад, кухонна сіль, розчинена у воді, дає істинний розчин, а в бензолі –
колоїдний розчин
і т.п.Гемоглобін або яєчний альбумін, що володіють властивостями колоїдів, можуть бути отримані в кристалічному стані. , який довів, що одна і та ж речовина в залежності від умов може виявляти властивості колоїдів або кристалоїдів.Д.І. Менделєєв
Таким чином, немає підстав підрозділяти речовини на два відокремлені класи – на кристалоїди та колоїди, а можна говорити про колоїдний та кристалоїдний стан речовини.
Під колоїдним станом речовини мається на увазі певний ступінь його роздробленості або дисперсності та знаходження колоїдних частинок у зваженому стані розчинника.
Наука, що вивчає фізико-хімічні властивостігетерогенних високодисперсних та високомолекулярних систем називається колоїдною хімією.
Якщо одна речовина, що знаходиться в роздробленому (диспергованому) стані, рівномірно розподілена в масі іншої речовини, таку систему називають дисперсною.
У таких системах роздроблену речовину прийнято називати дисперсною фазою, а середовище, в якому воно розподілене, - дисперсійним середовищем.
Так, наприклад, система, що являє собою змучену глину у воді, складається з виважених дрібних частинок глини – дисперсної фази та води – дисперсійного середовища.
Дисперсні(роздроблені) системи є гетерогенними.
Дисперсні системи, на відміну від гетерогенних із відносно великими, суцільними фазами, називають мікрогетерогенними, а колоїднодисперсні системи називають ультрамікрогетерогенними.
Класифікацію дисперсних систем найчастіше проводять виходячи з ступеня дисперсностіабо агрегатного станудисперсної фази та дисперсійного середовища.
Усе Для того, щоб досягти більшої чіткості у визначеннях використовують інший термін –за величиною частинок дисперсної фази можна поділити на такі групи:
Для довідки проводимо одиниці розмірів у системі СІ:
1 м (метр) = 102 см (сантиметр) = 103 мм (міліметр) = 106 мкм (мікрометр) = 109 нм (нанометр).
Іноді застосовують інші одиниці - мк (мікрон) або ммк (мілімікрон), причому:
1 нм = 10 -9 м = 10 -7 см = 1 мм;
1 мкм = 10 -6 м = 10 -4 см = 1 мк.
Грубодисперсні системи.
Ці системи містять як дисперсну фазу найбільші частинки діаметром від 0,1 мк та вище. До цих систем належатьі суспензії.
емульсіїСуспензіями
називають системи, в яких тверда речовина знаходиться в рідкому дисперсійному середовищі, наприклад, завись крохмалю, глини та ін у воді.Емульсіями
називають дисперсійні системи двох рідин, що не змішуються, де крапельки однієї рідини у зваженому стані розподілені в обсязі іншої рідини.
Наприклад, масло, бензол, толуол у воді або крапельки жиру (діаметром від 0,1 до 22 мк) у молоці та ін. Колоїдні системи.(Або від 10 -5 до 10 -7 см).
Такі частинки можуть проходити через пори фільтрувального паперу, але не проникають через пори тварин та рослинних мембран.Колоїдні частки за наявності у нихелектричного заряду
і сольватно-іонних оболонок залишаються у зваженому стані та без зміни умов дуже довго можуть не випадати в осад.
Прикладами колоїдних систем можуть бути розчини альбуміну, желатину, гуміарабіку, колоїдні розчини золота, срібла, сірчистого миш'яку та ін.
Молекулярно-дисперсні системи.
Такі системи мають розміри частинок, що не перевищують 1ммк. До молекулярно-дисперсних систем належать справжні розчини неелектролітів.
Іонно-дисперсні системи.
Це розчини різних електролітів, як, наприклад, солей, основ і т.д., що розпадаються на відповідні іони, розміри яких дуже малі і виходять далеко за межі.
10 -8 см
Уточнення щодо подання справжніх розчинів як дисперсних системах.
З наведеної тут класифікації видно, будь-який розчин (як істинний, і колоїдний) можна як дисперсне середовище. Справжні та колоїдні розчини відрізнятимуться розмірами частинок дисперсних фаз. Але вище ми писали про гомогенність істинних розчинів, а дисперсійні системи гетерогенні. Як вирішити це протиріччя?Якщо говорити про
структурі істинних розчинів, їх гомогенність буде відносної.Структурні одиниці істинних розчинів (молекули чи іони) значно менше частинок колоїдних розчинів.
Тому, можна сказати, що в порівнянні з колоїдними розчинами та суспензією, справжні розчини гомогенні.
Якщо ж говорити про
властивостях істинних розчинів, їх не можна повною мірою називати дисперсними системами, оскільки обов'язковим існуванням дисперсних систем є взаємна нерозчинність диспергованої речовини і дисперсійної середовища.У колоїдних розчинах і грубих суспензіях дисперсна фаза та дисперсійне середовище практично не змішуються і не реагують один з одним хімічно. Цього зовсім не можна сказати про справжні розчини. Вони при розчиненні речовини змішуються і навіть взаємодіють друг з одним. Тому колоїдні розчини різко відрізняються за властивостями від істинних розчинів.між грубими суспензіями та молекулярно-дисперсними системами.
Піни- це дисперсія газу в рідині, причому в пінах рідина вироджується до тонких плівок, що розділяють окремі бульбашки газу.
називають системи, в яких тверда речовина знаходиться в рідкому дисперсійному середовищі, наприклад, завись крохмалю, глини та ін у воді.називають дисперсні системи, в яких одна рідина роздроблена іншою рідиною, що не розчиняється (наприклад вода в жирі).
емульсіїназивають низькодисперсні системи твердих частинок у рідинах.
Поєднання трьох видів агрегатного стану дозволяють виділити дев'ять видів дисперсних систем:
Дисперсна фаза | Дисперсійне середовище | Назва та приклад |
|---|---|---|
Газоподібна | Газоподібна | Дисперсна система не утворюється |
Газоподібна | Газові емульсії та піни |
|
Газоподібна | Пористі тіла: поролон пемза |
|
Газоподібна | Аерозолі: тумани, хмари |
|
Емульсії: нафта, крем, молоко, маргарин, олія |
||
Капілярні системи: Рідина в пористих тілах, грунт, грунт |
||
Газоподібна | Аерозолі (пилу, дими), поршки |
|
Суспензії: пульпа, мул, завис, паста |
||
Тверді системи: сплави, бетон |
Золі - інша назва колоїдних розчинів.
Колоїдні розчини інакше називають золями(Від латинського solutus - розчинений).
Дисперсні системи з газоподібним дисперсійним середовищем називають аерозолями. Тумани є аерозолі з рідкою дисперсною фазою, а пил і дим – аерозолі з твердою дисперсною фазою. Дим більш високодисперсна система, ніж пил.
Дисперсні системи з рідким дисперсійним середовищем називають лізолями(Від грецького "ліос" - рідина).
Залежно від розчинника (дисперсійної середовища), тобто. води, спирту бензолу чи ефіру тощо, розрізняють гідрозолі, алкозолі, бензолі, етерозолі тощо.
Зв'язнодисперсні системи. Гелі.
Дисперсні системиможуть бути вільнодисперснимиі зв'язнодисперснимизалежно від відсутності чи наявності взаємодії між частинками дисперсної фази.
До вільнодисперсним системамвідносяться аерозолі, лізолі, розбавлені суспензії та емульсії.
Вони текучи. У цих системах частинки дисперсної фази немає контактів, беруть участь у безладному тепловому русі, вільно переміщаються під впливом сили тяжкості. На рисунках вище зображено:
вільно-дисперсні системи На малюнкаха Б В зображені:
корпускулярно-дисперсні системиа,б
- монодисперсні системи,в
- Полідисперсна система, На малюнкуг зображена
- Полідисперсна система, волокнисто-дисперсна системаг д
плівково-дисперсна система
- Твердоподібні. Вони виникають при контакті частинок дисперсної фази, що призводить до утворення структури каркаса або сітки. гелями.
Перехід золю в гель, що відбувається в результаті зниження стійкості золю, називають гелеутворенням(або желатинування).
На малюнках На малюнкаха Б В зв'язково-дисперсні системи:
а- гель,
б- коагулят із щільною структурою,
- монодисперсні системи,- коагулят з пухкою - "арковою" структурою
вільно-дисперсні системи г, да Б В капілярнодисперсні системи
Порошки (пасти), піни- Приклади зв'язнодисперсних систем.
Грунт, що утворилася в результаті контакту та ущільнення дисперсних частинок ґрунтових мінералів та гумусових (органічних) речовин, також є зв'язнодисперсною системою.
Суцільну масу речовини можуть пронизувати пори та капіляри, що утворюють капілярнодисперсні системи. До них відносяться, наприклад, деревина, шкіра, папір, картон, тканини.
Загальною характеристикою колоїдних розчинів є властивість їхньої дисперсної фази взаємодіяти з дисперсійним середовищем.
1. ЛіофобніУ цьому відношенні розрізняють два типи золів: (від грецької phobia – ненависть
2.) таУ цьому відношенні розрізняють два типи золів: Ліофільні).
philia – кохання Уліофобних
золей частинки немає спорідненості до розчинника, слабо з нею взаємодіють і утворюють навколо себе тонку оболонку з молекул розчинника. Зокрема, якщо дисперсійним середовищем є вода, такі системи називаютьсягідрофобними
, наприклад, золі металів заліза, золота, сірчистого миш'яку, срібла хлористого і т.д. Уліофільних
системах між диспергованим речовиною і розчинником є спорідненість. Частинки дисперсної фази, в цьому випадку, набувають більшої оболонки з молекул розчинника. У разі водного дисперсійного середовища такі системи називаютьсягідрофільними
Речовина межі розділу фаз.
Усі рідини та тверді тіла обмежені зовнішньою поверхнею, на якій вони стикаються з фазами іншого складу та структури, наприклад, з парою, іншою рідиною або твердим тілом. Властивості речовини в ційміжфазової поверхні
, Товщиною в декілька діаметрів атомів або молекул, відрізняються від властивостей всередині об'єму фази.
Всередині об'єму чистої речовини у твердому, рідкому чи газоподібному стані будь-яка молекула оточена собі подібними молекулами.
Це відбувається, наприклад, на межі рідини або твердого тіла з їхньою парою.
Або в прикордонному шарі молекули речовини взаємодіють із молекулами іншої хімічної природи, наприклад, на межі двох взаємно малорозчинних рідин. Через війну відмінності у характері взаємодії всередині обсягу фаз і межі фаз виникаютьсилові поля
пов'язані з цією нерівномірністю. (Докладніше про це у параграфі Поверхневий натяг рідини.) Чим більша відмінність у напруженості міжмолекулярних сил, що діють у кожній із фаз, тим більша потенційна енергія міжфазової поверхні, коротко званої.
поверхневою енергією
Поверхневий натяг Для оцінки поверхневої енергії користуються такою величиною, як питома вільна поверхнева енергія.Вона дорівнює роботі витрачається на освіту одиниці площі
нової поверхні поділу фаз (за умови постійної температури)..
У разі межі двох конденсованих фаз цю величину називають прикордонним натягом.
поверхневим натягом
Коагуляція колоїдів
Усі мимовільні процеси відбуваються у напрямі зменшення енергії системи (ізобарного потенціалу).
Аналогічно, на межі розділу фаз мимовільно відбуваються процеси у напрямку зменшення вільної поверхневої енергії.
Вільна енергія тим менше, що менше поверхня розділу фаз. А поверхня розділу фаз, своєю чергою, пов'язана зі ступенем дисперсності розчиненої речовини.Чим вище дисперсність (дрібніші за частинки дисперсної фази), тим більша поверхня розділу фаз.
Таким чином,
у дисперсних системах завжди існують сили, що призводять до зменшення сумарної поверхні поділу фаз , тобто. до укрупнення частинок. Тому відбувається злиття дрібних крапель у туманах, дощових хмарах та емульсіях – агрегація високодисперсних частинок у більші утворення..
Здатність роздроблених систем зберігати властиву їм ступінь дисперсності називається агрегативною стійкістю.
Чим вище дисперсність, тим більша вільна поверхнева енергія, тим більша схильність до мимовільного зменшення дисперсності.
Тож отримання стійких, тобто. суспензій, емульсій, колоїдних розчинів, що тривало зберігаються, необхідно не тільки досягти заданої дисперсності, але і створити умови для її стабілізації. З огляду на це стійкі дисперсні системи складаються не менше ніж із трьох компонентів: дисперсної фази, дисперсійного середовища та третього компонента –.
стабілізатора дисперсної системи
Стабілізатор може мати як іонну, і молекулярну, часто високомолекулярну, природу.
Іонна стабілізація зол ліофобних колоїдів пов'язана з присутністю малих концентрацій електролітів, що створюють іонні прикордонні шари між дисперсною фазою та дисперсійним середовищем.
Високомолекулярні сполуки (білки, поліпептиди, полівініловий спирт та інші), що додаються для стабілізації дисперсних систем, називають захисними колоїдами.
Адсорбуючись на межі розділу фаз, вони утворюють у поверхневому шарі сітчасті та гелеподібні структури, що створюють структурно-механічний бар'єр, який перешкоджає поєднанню частинок дисперсної фази.
Структурно-механічна стабілізація має вирішальне значення для стабілізації суспензій, паст, пін, концентрованих емульсій.
Чисті речовини у природі зустрічаються дуже рідко. Суміші різних речовин у різних агрегатних станах можуть утворювати гетерогенні та гомогенні системи - дисперсні системи та розчини.
Ті речовини, які присутні в меншій кількості і розподілені в обсязі іншого, називають дисперсною фазою. Вона може складатися з кількох речовин.
Речовина, що є у більшій кількості, в обсязі якої розподілена дисперсна фаза, називають дисперсійним середовищем. Між нею та частинками дисперсної фази існує поверхня розділу, тому дисперсні системи називають гетерогенними (неоднорідними).
І дисперсійне середовище, і дисперсну фазу можуть представляти речовини, що знаходяться в різних агрегатних станах - твердому, рідкому та газоподібному.
Залежно від поєднання агрегатного стану дисперсійного середовища та дисперсної фази можна виділити 8 видів таких систем (табл. 11).
Таблиця 11
За величиною частинок речовин, що становлять дисперсну фазу, дисперсні системи ділять на грубодисперсні (суспензії) з розмірами частинок більше 100 нм і тонкодисперсні (колоїдні розчини або колоїдні системи) з розмірами частинок від 100 до 1 нм. Якщо речовина роздроблена до молекул або іонів розміром менше 1 нм, утворюється гомогенна система - розчин. Вона однорідна (гомогена), поверхні розділу між частинками дисперсної фази та середовищем немає.
Вже знайомство з дисперсними системами і розчинами показує, наскільки вони важливі в повсякденному житті і в природі (див. табл. 11).
Судіть самі: без нільського мулу не відбулася б велика цивілізація Стародавнього Єгипту; без води, повітря, гірських порід і мінералів взагалі не існувала жива планета - наш спільний будинок - Земля; без клітин був би живих організмів тощо.
Класифікація дисперсних систем та розчинів представлена на схемі 2.
Схема 2
Класифікація дисперсних систем та розчинів
Суспензії - це дисперсні системи, в яких розмір частинок фази більше 100 нм. Це непрозорі системи, окремі частки яких можна побачити неозброєним оком. Дисперсна фаза та дисперсійне середовище легко поділяються відстоюванням. Такі системи поділяють на три групи:
Аерозолі відіграють важливу роль у природі, побуті та виробничій діяльності людини. Скупчення хмар, обробка полів хімікатами, нанесення лакофарбових покриттів за допомогою пульверизатора, розпилення палива, вироблення сухих молочних продуктів, лікування дихальних шляхів (інгаляція) – приклади тих явищ та процесів, де аерозолі приносять користь.
Аерозолі - тумани над морським прибоєм, поблизу водоспадів і фонтанів, веселка, що виникає в них, доставляє людині радість, естетичне задоволення.
Для хімії найбільше значення мають дисперсні системи, у яких середовищем є вода.
Колоїдні системи - це дисперсні системи, в яких розмір частинок фази від 100 до 1 нм. Ці частинки не видно неозброєним оком, і дисперсна фаза та дисперсійне середовище в таких системах відстоюванням поділяються насилу.
Їх поділяють на золі (колоїдні розчини) та гелі (студні).
1. Колоїдні розчини, або золі. Це більшість рідин живої клітини (цитоплазма, ядерний сік – каріоплазма, вміст органоїдів та вакуолей) та живого організму в цілому (кров, лімфа, тканинна рідина, травні соки, гуморальні рідини тощо). Такі системи утворюють клеї, крохмаль, білки, деякі полімери.
Колоїдні розчини можуть бути одержані в результаті хімічних реакцій; наприклад, при взаємодії розчинів силікатів калію або натрію (розчинного скла) з розчинами кислот утворюється колоїдний розчин кремнієвої кислоти. Золь утворюється при гідролізі хлориду заліза (III) у гарячій воді. Колоїдні розчини зовні схожі на дійсні розчини. Їх відрізняють від останніх по «доріжці, що світиться» - конусу при пропусканні через них променя світла. Це явище називають ефектом Тіндаля. Більші, ніж у істинному розчині, частинки дисперсної фази золю відбивають світло від своєї поверхні, і спостерігач бачить у посудині з колоїдним розчином конус, що світиться. У істинному розчині не утворюється. Аналогічний ефект, але тільки для аерозольного, а не рідкого колоїду, ви можете спостерігати в кінотеатрах під час проходження світлового променя від кіноапарата через повітря кінозалу.
Частинки дисперсної фази колоїдних розчинів нерідко не осідають навіть при тривалому зберіганні через безперервні зіткнення з молекулами розчинника за рахунок теплового руху. Вони не злипаються і при зближенні один з одним через наявність на їх поверхні однойменних електричних зарядів. Але за певних умов може відбуватися процес коагуляції.
Коагуляція- явище злипання колоїдних частинок і випадання в осад - спостерігається при нейтралізації зарядів цих частинок, коли в колоїдний розчин додають електроліт. При цьому розчин перетворюється на суспензію або гель. Деякі органічні колоїди коагулюють при нагріванні (клей, яєчний білок) або зміні кислотно-лужного середовища розчину.
2. Друга підгрупа колоїдних систем – це гелі, або колодціу являють собою драглисті опади, що утворюються при коагуляції золів. До них відносять велику кількість полімерних гелів, настільки добре відомі вам кондитерські, косметичні та медичні гелі (желатин, холодець, желе, мармелад, торт-суфле «Пташине молоко») і звичайно ж безліч природних гелів: мінерали (опал), тіла медуз , Хрящі, сухожилля, волосся, м'язова та нервова тканини і т. д. Історію розвитку життя на Землі можна одночасно вважати історією еволюції колоїдного стану речовини. Згодом структура гелів порушується – з них виділяється вода. Це називають синерезисом.
Дисперсійні системи можна поділити за розміром частинок дисперсійної фази. Якщо розмір частинок становить менше одного нм – це молекулярно-іонні системи, від одного до ста нм – колоїдні, і понад сто нм – грубодисперсні. Групу молекулярно-дисперсних систем представляють розчини. Це однорідні системи, які складаються із двох або більше речовин і є однофазними. До них відносяться газ, тверда речовина чи розчини. У свою чергу, ці системи можна розділити на підгрупи:
- Молекулярні. Коли органічні речовини, такі як глюкоза, поєднуються з неелектролітами. Такі розчини назвали істинними для того, щоби можна було відрізняти від колоїдних. До них відносяться розчини глюкози, сахарози, спиртові та інші.
- Молекулярно-іонні. У разі взаємодії між собою слабких електролітів. До цієї групи входять кислотні розчини, азотисті, сірководневі та інші.
- Іонні. Поєднання сильних електролітів. Яскраві представники – це розчини лугів, солей та деяких кислот.
Колоїдні системи – це мікрогетерогенні системи, в яких розміри колоїдних частинок варіюють від 100 до 1 нм. Вони тривалий час можуть не випадати в осад за рахунок сольватної іонної оболонки та електричного заряду. При розподілі в середовищі колоїдні розчини заповнюють рівномірно весь об'єм і діляться на золі та гелі, які у свою чергу являють собою опади у вигляді колодця. До них відносяться розчин альбуміну, желатину, колоїдні розчини срібла. Холодець, суфле, пудинги - це яскраві колоїдні системи, що зустрічаються в повсякденному житті.
Непрозорі системи або суспензії, в яких дрібні інгредієнти частинки видно неозброєним оком. У процесі відстоювання дисперсна фаза легко відокремлюється від дисперсного середовища. Вони поділяються на суспензії, емульсії, аерозолі. Системи, в яких у рідкому дисперсійному середовищі розміщуються тверда речовина з більшими частинками, називаються суспензіями. До них відносяться водні розчини крохмалю та глини. На відміну від суспензій, емульсії утворюються в результаті змішування двох рідин, в яких одна крапельками розподіляється в іншій. Прикладом емульсії є суміш олії з водою, крапельки жиру в молоці. Якщо дрібні тверді або рідкі частинки розподіляються в газі - це аерозолі. По суті, аерозоль - це суспензія в газі. Одним із представників аерозолю на основі рідини є туман – це велика кількість дрібних водяних крапельок, зважених у повітрі. Твердотільний аерозоль - дим або пил - множина дрібних твердих частинок також зважених у повітрі.
