Степень дисперсности. Дисперсная фаза. Дисперсионная среда

Большинство окружающих нас веществ представляют собой смеси различных субстанций, поэтому изучение их свойств играет важную роль в развитии химии, медицины, пищевой промышленности и других отраслей народного хозяйства. В статье рассматриваются вопросы, что такое степень дисперсности, и как она влияет на характеристики системы.

Что такое дисперсные системы?

Прежде чем перейти к обсуждению вопроса о степени дисперсности, необходимо пояснить, к каким системам может применяться это понятие.

Представим себе, что у нас имеются два различных вещества, которые могут отличаться друг от друга химическим составом, например, поваренная соль и чистая вода, или же агрегатным состоянием, например, та же вода в жидком и твердом (лед) состояниях. Теперь необходимо взять и смешать эти две субстанции и интенсивно их перемешать. Какой будет результат? Он зависит от того, прошла при смешивании химическая реакция или нет. Когда речь ведут о дисперсных системах, то полагают, что при их образовании никакой реакции не происходит, то есть исходные вещества сохраняют свое строение на микроуровне и присущие им физические свойства, например, плотность, цвет, электропроводность и другие.

Таким образом, дисперсная система - это механическая смесь, в результате которой два и более вещества смешиваются друг с другом. При ее образовании пользуются понятиями "дисперсионная среда" и "фаза". Первая обладает свойством непрерывности внутри системы и, как правило, находится в ней в большом относительном количестве. Вторая (дисперсная фаза) характеризуется свойством прерывности, то есть в системе она находится в виде мелких частиц, которые ограничены поверхностью, отделяющей их от среды.

Гомогенные и гетерогенные системы

Понятно, что названные две составляющие дисперсной системы будут отличаться по своим физическим свойствам. Например, если бросить в воду песок и размешать его, то понятно, что существующие в воде песчинки, химическая формула которых SiO₂, ничем не будут отличаться от того состояния, когда они не находились в воде. В таких случаях говорят о гетерогенности. Иными словами, гетерогенная система представляет собой смесь из нескольких (двух и более) фаз. Под последней понимают некоторый конечный объем системы, который характеризуется определенными свойствами. В примере выше имеем две фазы: песок и вода.

Однако размеры частиц дисперсной фазы при их растворении в какой-либо среде могут стать настолько маленькими, что они перестанут проявлять свои индивидуальные свойства. В этом случае говорят о гомогенных или однородных субстанциях. В них хотя и находится несколько компонентов, но все они образуют одну фазу по всему объему системы. Примером гомогенной системы является раствор NaCl в воде. При его растворении из-за взаимодействия с полярными молекулами H₂O кристалл NaCl распадается на отдельные катионы (Na⁺) и анионы (Cl^-). Они однородно смешиваются с водой, и уже невозможно в такой системе найти границу раздела между растворимым веществом и растворителем.

Размер частиц

Что такое степень дисперсности? Эту величину необходимо рассмотреть подробнее. Что она собой представляет? Она обратно пропорциональна размеру частиц дисперсной фазы. Именно эта характеристика лежит в основе классификации всех рассматриваемых субстанций.

При изучении дисперсных систем студенты часто путаются в их названиях, поскольку полагают, что в основе их классификации также лежит агрегатное состояние. Это неверно. Смеси разных агрегатных состояний действительно имеют разные названия, например, эмульсии - это водяные субстанции, а аэрозоли уже предполагают существование газовой фазы. Однако свойства дисперсных систем зависят главным образом от размера частиц растворенной в них фазы.

Общепринятая классификация

Классификация дисперсных систем по степени дисперсности приведена ниже:

• Если условный размер частиц меньше 1 нм, то такие системы называют настоящими, или истинными растворами.
• Если условный размер частицы лежит в пределах между 1 нм и 100 нм, тогда рассматриваемая субстанция будет называться коллоидным раствором.
• Если же частицы больше 100 нм, то ведут речь о суспензиях или взвесях.

Касательно приведенной классификации проясним два момента: во-первых, приведенный цифры являются ориентировочными, то есть система, в которой размер частиц будет 3 нм, не обязательно является коллоидом, она может представлять собой и истинный раствор. Это можно установить, изучив ее физические свойства. Во-вторых, можно заметить, что в списке используется фраза "условный размер". Связано это с тем, что форма частиц в системе может быть совершенно произвольной, и в общем случае имеет сложную геометрию. Поэтому говорят о некотором среднем (условном) их размере.

Далее в статье дадим краткую характеристику отмеченных типов дисперсных систем.

Истинные растворы

Как выше было сказано, степень дисперсности частиц в настоящих растворах настолько велика (их размер очень маленький, < 1 нм), что не существует поверхности раздела между ними и растворителем (средой), то есть имеет место однофазная гомогенная система. Для полноты информации напомним, что размер атома составляет порядка одного ангстрема (0,1 нм). Последняя цифра говорит о том, что частицы в настоящих растворах имеют атомные размеры.

Главными свойствами истинных растворов, которые их отличают от коллоидов и суспензий, являются следующие:

• Состояние раствора существует сколь угодно долго в неизменном виде, то есть не образуется осадка дисперсной фазы.
• Растворенную субстанцию нельзя отделить от растворителя путем фильтрации через обычную бумагу.
• Субстанция также не отделяется в результате процесса перехода через пористую мембрану, который называется в химии диализом.
• Отделить растворенное вещество от растворителя можно только путем изменения агрегатного состояния последнего, например, путем выпаривания.
• Для идеальных растворов можно провести электролиз, то есть пропустить электрический ток, если приложить к системе разность потенциалов (два электрода).
• Они не рассеивают свет.

Примером истинных растворов является смешивание различных солей с водой, например, NaCl (соль поваренная), NaHCO₃ (пищевая сода), KNO₃ (нитрат калия) и другие.

Коллоидные растворы

Это промежуточные системы между настоящими растворами и суспензиями. Тем не менее, они обладают рядом уникальных характеристик. Перечислим их:

• Они сколь угодно долго являются механически стабильными, если не изменяются условия среды. Достаточно нагреть систему или изменить ее кислотность (показатель pH), как коллоид коагулирует (выпадет в осадок).
• Они не разделяются с помощью фильтровальной бумаги, однако, процесс диализ приводит к разделения дисперсной фазы и среды.
• Как и для истинных растворов, для них можно провести электролиз.
• Для прозрачных коллоидных систем характерен так называемый эффект Тиндаля: пропуская луч света через эту систему, можно его увидеть. Связано это с рассеиванием электромагнитных волн видимой части спектра во всех направлениях.
• Способность адсорбировать другие вещества.

Коллоидные системы, благодаря перечисленным свойствам, широко используются человеком в различных сферах деятельности (пищевая промышленность, химия), а также часто встречаются в природе. Примером коллоида является сливочное масло, майонез. В природе это туманы, облака.

Прежде чем переходить к описанию последнего (третьего) класса дисперсных систем, поясним подробнее некоторые из названных свойств для коллоидов.

Какие бывают коллоидные растворы?

Для этого типа дисперсных систем классификацию можно привести, учитывая разные агрегатные состояния среды и растворенной в ней фазы. Ниже дана соответствующая таблица/

Из таблицы видно, что коллоидные субстанции присутствуют повсеместно, как в быту, так и в природе. Отметим, что аналогичную таблицу можно привести также для суспензий, вспоминая, что разница с коллоидами у них заключается только в размере дисперсной фазы. Однако суспензии являются механически нестабильными, поэтому представляют меньший интерес для практики, чем коллоидные системы.

Причина механической стабильности коллоидов

Почему майонез может долго лежать в холодильнике, и взвешенные частицы в нем не выпадают в осадок? Почему растворенные в воде частицы красок со временем не "падают" на дно сосуда? Ответом на эти вопросы будет броуновское движение.

Этот тип движения был открыт в первой половине XIX века английским ботаником Робертом Броуном, который наблюдал под микроскопом, как движутся мелкие частицы пыльцы в воде. С физической точки зрения броуновское движение является проявлением хаотического перемещения молекул жидкости. Его интенсивность увеличивается, если повысить температуру жидкости. Именно этот тип движения заставляет находиться во взвешенном состоянии мелкие частицы коллоидных растворов.

Свойство адсорбции

Дисперсность - это величина, обратная среднему размеру частиц. Поскольку этот размер в коллоидах лежит в пределах от 1 нм до 100 нм, то они обладают очень развитой поверхностью, то есть отношение S/m является большой величиной, здесь S - суммарная площадь раздела между двумя фазами (дисперсионной средой и частицами), m - общая масса частиц в растворе.

Атомы, которые находятся на поверхности частиц дисперсной фазы, обладают ненасыщенными химическими связями. Это означает, что они могут образовывать соединения с другими молекулами. Как правило, эти соединения возникают за счет ван-дер-ваальсовых сил либо водородных связей. Они способны удержать несколько слоев молекул на поверхности коллоидных частиц.

Классическим примером адсорбента является активированный уголь. Он представляет собой коллоид, где дисперсионной средой является твердое тело, а фазой - газ. Удельная площадь поверхности для него может достигать 2500 м²/г.

Степень дисперсности и удельная поверхность

Расчет величины S/m является непростой задачей. Дело в том, что частицы в коллоидном растворе имеют различные размеры, форму, а также поверхность каждой частицы обладает уникальным рельефом. Поэтому теоретические методы решения этой задачи приводят к качественным результатам, а не к количественным. Тем не менее, полезно привести от степени дисперсности формулу удельной поверхности.

Если положить, что все частицы системы имеют сферическую форму и одинаковые размеры, тогда в результате незамысловатых расчетов получается такое выражение: S_ud = 6/(d*ρ), где S_ud - площадь поверхности (удельная), d - диаметр частицы, ρ - плотность вещества, из которого она состоит. Из формулы видно, что частицы самые маленькие и самые тяжелые будут давать наибольший вклад в рассматриваемую величину.

Экспериментальный способ определения S_ud заключается в вычислении объема газа, который адсорбируется исследуемым веществом, а также в измерении размера пор (дисперсная фаза) в нем.

Системы лиофильные и лиофобные

Лиофильность и лиофобность - это те характеристики, которые, по сути, обуславливают существование классификации дисперсных систем в том виде, в котором она приведена выше. Оба понятия характеризуют силовую связь между молекулами растворителя и растворяемого вещества. Если эта связь велика, то говорят о лиофильности. Так, все истинные растворы солей в воде являются лиофильными, поскольку их частицы (ионы) электрически связаны с полярными молекулами H₂O. Если же рассматривать такие системы, как сливочное масло или майонез, то это представители типичных гидрофобных коллоидов, покольку в них молекулы жиров (липидов) отталкиваются от полярных молекул H₂O.

Важно отметить, что лиофобные (гидрофобные, если растворителем является вода) системы являются термодинамически нестабильными, что их отличает от лиофильных.

Свойства суспензий

Теперь рассмотрим последний класс дисперсных систем - суспензии. Напомним, что они характеризуются тем, что самая маленькая частица в них больше или порядка 100 нм. Какими свойствами они обладают? Ниже дан соответствующий список:

• Они механически нестабильны, поэтому за короткий промежуток времени в них образуется осадок.
• Они являются мутными и непрозрачными для солнечных лучей.
• Фазу от среды можно отделить с помощью фильтровальной бумаги.

Примерами суспензий в природе можно назвать мутную воду в реках или вулканический пепел. Использование человеком суспензий связано, как правило, с медициной (растворы лекарственных препаратов).

Коагуляция

Что можно сказать смесях веществ с различной степенью дисперсности? Частично этот вопрос уже был освещен в статье, поскольку в любой дисперсной системе частицы имеют размер, лежащий в некоторых пределах. Здесь лишь рассмотрим один любопытный случай. Что будет, если смешать коллоид и истинный раствор электролита? Взвешенная система нарушится, и произойдет ее коагуляция. Причина ее заключается во влиянии электрических полей ионов истинного раствора на поверхностный заряд коллоидных частиц.