Дисперсті жүйенің жіктелуі

Барлық ғылым не өңдіріс салалары сияқты коллоидты химия да өздерінде кездесетін өзіндік ерекшеліктері мен қасиеттерге, өлшемдер мен көрсеткіштерге орай жіктеле келіп, сұрыпталады. Ондағы қайсыбір қасиеттер біріне-бірі ұқсас болғандықтан, олар өзара бірігіп кетеді. Мұны кеңістікте орналасқан денемен де теңестіруге болады, өйткені осы дененің кеңістіктегі нақтылы орнын табу үшін үш өлшемді координатаны не олардың проекциясын пайдалану қажет. Демек, коллоидты жүйені сипаттау үшін оны әртүрлі қасиет, ерекшелік тұрғысынан жіктеу керек. Енді осындай жіктеудің бірнешеуін қарастырайық.

Дисперстілік. Дисперстілік бойынша немесе дисперсті жүйедегі дисперсті фаза өлшемі бойынша, яғни дисперсті бөлшектің өлшемін, ұнтақтылығын көрсететін өлшеміне орай бөлінеді: ірі дисперсті; жоғары дисперсті (микрогетерогенді); коллоидты; молекулалық.

Мұндағы ірі дисперсті жүйенің бөлшектері сүзгіш қағаздан өтпейді, кәдімгі микроскопта көрінеді, өзінен жеңіл ортада жүзгін ретінде аз уақыт болып, тез отырады, ал өзінен ауырлау ортада жүзгін ретінде жүре береді. Жүйе жоғары дисперсті болса, біршама тұрақты, бөлшегі ұсақтау, сүзгіш қағаздан оңай өтсе де жартылай өткізгіштерден өтпейді, кәдімгі оптикалық микроскопта көрінбейді, дисперсті ортада жүзгін ретінде ұзақ сақталады.

Агрегаттық күй. Белгілі үш агрегаттық күйге сәйкес дисперстік жүйені 9 түрге бөлуге болады (1-кесте). Әдетте әрбір түрді ондағы бос әріптерді қысқартып, бөлшек алымына дисперсті фазаны, ал бөлшек бөліміне дисперсті ортаны жазады.

Заттағы дисперсті фазаның дисперсті ортада шекті ерігіштігі—дисперсті жүйенің пайда болуындағы қажетті жай. Мысалы, дисперсті г/г жүйесіндегі газдардың бір-бірінде шексіз еритіндігінен әдетте көріне бермейді.

 

№1– кесте. Үш агрегаттық күйге сәйкес дисперстік жүйенің түрлері

Реті	Диспер фаза	Диспер орта	Жүйе белгісі	Жүйе Түрі	Мысал
1.	қатты	сұйық	қ/с	зольдер,	жүзгін, металл золі
2.	сұйық	сұйық	с/с	Жүзгіндер	жүзгіндер
3.	газ	сұйық	г/с	эмульсиялар	сүт, мұнай, май
4.	қатты	қатты	қ /қ	көбіктер,	сабын көбігі
5.	сұйық	қатты	с/қ	Эмульсия	минералдар,
6.	газ	қатты	г/қ	қатты коллоид	қорытпа
7.	қатты	газ	қ/г	Ерітіндісі	топырақ, балшық
8.	сұйық	газ	с/г	Қуыс дене, гель капилляр, ксерогелдер	пемза, активті көмір
9.	газ	газ	г/г	аэрозоль, шаң түтін, тұман, ауа	атмосфера, ауа

 

Жоғары дисперсті жүйелерді зольдер дейді және осыған орай дисперсті ортаның сипатына сәйкес гидрозольдер, органикалық зольдер, аэрозольдер болып бөлінеді. Ал ірі дисперсті жүйедегі қатты фазаның сұйық ортада таралуын жүзгіндер (суспензиялар), ал фаза да, орта да сұйық болса, оны эмульсиялар дейді.

Құрылым. Барлық дисперсті жүйелер құрылым жағынан еркін (бос) дисперсті және біріккен (байланысқан) дисперсті болып бөлінеді. Еркін дисперсті жүйе дегеніміз- дисперсті фаза мен дисперсті орта бірімен-бірі өзара байланыспай әрқайсысы бос жүретін дисперсті жүйе. Оған жүзгіндер, эмульсиялар, аэрозольдер мен жалпы зольдер жатады. Дисперсті фаза мен дисперсті орта өзара берік байланысқан жүйелерді байланысқан дисперсті жүйе дейді. Оған капиллярлі кеуек заттар, диафрагмалы денелер, жұқа пленка- мембраналар, кәдімгі полимерлер, қатты ерітінді- қорытпалар жатады.

Фазааралық әрекет. Дисперсті фаза мен дисперсті ортадағы заттар фазааралық беткі қабатта әрқашанда молекулааралық әсерлесу күшінің есебінен әрекеттесіп жатады және мұндағы әрекеттесу дәрежесі әртүрлі болуы мүмкін. Мінеки, осы әрекеттесу шамасына орай дисперсті жүйелер лиофильді және лиофобты болып бөлінеді. Лиофильді жүйелер тобына жататын дисперсті жүйедегі дисперсті фаза мен дисперсті орта өзара әрекеттеседі. Мұның нәтижесінде жалпы химиядан белгілі сольватацияға (еріткіш су болғанда гидротация) ұқсас, дисперсті фаза бөлшегінің айналасында дисперсті орта бөлшектерімен қоршалған қабат пайда болады. Ал, лиофобты жүйелер тобына енетін дисперсті фаза мен дисперсті ортадағы заттар өзара нашар әрекеттеседі.

Фазалық өзгешелік. Жоғары молекулалыққосылыстардың ерітінділері нағыз молекулалық ерітінді болса да оларға коллоидты күйдің көптеген белгілері тән. Мысалы, жоғары молекулалық қосылыстар өздігінен ерігенде әуелі жекеленген макромолекулаларға ыдырап бірфазалы, гомогенді, тұрақты және қайтымды жүйе құрайды. Ал, дисперстілік жүйе қасиетіне едәуір әсер ететіндіктен, жоғары молекулалық қосылыс ерітінділері жоғары дисперсті, гетерогенді жүйелерге тән ортақ қасиеті болуы керек. Расында да жоғары молекулалық қосылыс ерітінділері диффузия жылдамдығы, ультра сүзгіштен өтпеуі, құрылымы, оптикалық, электрлік қасиеті тарапынан алғанда, олар нағыз ерітіндіден гөрі коллоидты жүйеге жақын.

Дисперсті жүйелерді тағы да үлкен екі топқа бөлуге болады:жүзгіндер (суспензиодтар) және молекулалық коллоидтар. Жүзгіндер дегеніміз өзін қоршаған ортадан анық белгіленген физикалық шегі бар, атомдар немесе молекулалардың бірігіп өз алдына жеке агрегат құраған бөлшектерден тұратын жоғары дисперсті, гетерогенді жүйелер. Ал, молекулалық коллоидты жүйелер дегеніміз, жеке кинетикалық өлшем ретінде болатын молекулалардың сольваттануын өздігінен құрайтын, тұрақты және қайтымды бір фазалық гомогенді жүйелер. Мұндағы ірімолекулалардың өлшемі коллоидтық дисперстілік өлшеміне шамалас болады. Мінеки осы тұрғыдан алғанда жоғары молекулалық қосылыс ерітінділері дисперсті молекулалық коллоидты жүйеге жатады, ал олардың гомогенділігі беткі бос энергия, фазааралық шек жайлы ойлауға да мүмкіндік қалдырмайды. Бұл да тек олардың өзіне ғана тән қасиет.

Коллоидты химияның орны. Химияның дамуында коллоидты жүйені зерттеу үлкен орын алады. Молекулалық және иондық ерітінділер табиғат пен техникадағы коллоидты ерітінділерден гөрі әлдеқайда сирек кездесетін құбылыс. Сондықтан да өзімізді қоршаған табиғи әлеміндегі кездесетін сан алуан құбылыстардың физикалық-химиялық процесін түсіну арқылы табиғаттың барынша жалпылама және нақтылы заңдылығын табуда, коллоидты химияның да заңдылықтарының орны ерекше.

Тамақ өнеркәсібінде кездесетін көптеген технологиялық процестер коллоидты процестер. Мысалы, нан өңдірісіндегі қамырды илеп, оны даярлау кездегі ісіну процесі және нан пісіру кезіндегі ұю мен коагуляция сияқты процестердің бәрі де коллоидты жүйедегі құбылыстар. Сол сияқты маргарин, шырын, майонез сияқтыларды әзірлеу ісі- эмульгирлеу процесіне сүйенеді. Сондай-ақ сүт өңдірісіндегі айран, сүзбе, құрт, ірімшік, май, қаймақ сияқтыларды алудың өзі тікелей коагуляция және ісінуге кері құбылыс синерезис сияқтыларға негізделеді. Кондитер саласындағы көптеген кремдер мен сан алуан конфеттерді, зефирлерді әзірлеу де коллоидты процестер арқылы жүзеге асады. Тағам даярлаудағы пісіру, тұздау сияқты құбылыстардың бәрі коагуляция немесе белоктың ыдырауы секілді процестер арқылы жүреді.

Қазір қоршаған ортаны сақтау, оны қорғау аса маңызды мәнге ие болып отыр. Бұған ғасырымыздың 80-жылдары Біріккен Ұлттар Ұйым жариялаған «Таза судың онжылдығы» атты шешімі дәлел. Оны әлемдегі ғалымдар «ғасыр міндеті» деп те жүр. Нақ осы тұрғыдан алғанда, бұл міндетті атқару коллоидты химияға көбірек тиесілі. Суды ластайтын заттар аса ірі, дисперсті, коллоидты және молекулалы бөлшектер болып төртке бөлінеді. Олардың арасындағы біріншісі, яғни аса ірілері тұну процесі кезінде бөлінсе, қалған үшеуі де коллоидты химиядағы ұю, коагуляция, диффузия, сүзу сияқты процестер көмегімен тазаланады.

Лабораториялық жұмыстар.

1-тәжірибе. Будың судағы суспензиясын алу.

Фарфор келіде борды өте майдалаңдар, 3,4 мл дист су құйып, бірнеше рет қатты сілкіңдер. Бордың ерітінді бойымен біркелкі орналасқанын байқаңдар. Пробирканы штативке қойып бірер минуттан соң алынған суспензияның қабаттарға бөлінуін бақылаңдар.

Суспензия деп қандай жүйені айтады? Осы суспензияда қайсы дисперстік фаза және дисперстік орта болады?

2-тәжірибе. Май эмульсиясын алу.

Екі пробиркаға 5-10 мл дист. су құйып, оған 2-3 тамшы өсімдік майын тамызыңдар. Біреуіне бірнеше тамшы сабын ерітіндісін қосыңдар. Пробиркаларды тығынмен жауып, қатты сілкіңдер. Қай пробиркада эмульсия тез бөлінеді? Эмульсияның тұрақтылығы жөнініде қандай қорытынды айтуға болады? Сабынның рөлі неде? Оның эмульсия тұрақтылығына әсерін түсіндіріңдер.

3-тәжірибе.Зольдерді конденсация әдісімен алу.

Ерітіндіні ауыстыру кезіндегі зольдердің түзілуі. Пробиркаға 1/2 су құйындар және оған 5-6 тамшы күкірттің спирттегі қаныққан ерітіндісін қосыңдар. Пробирканы сілкіп, ерітіндіні 2-3 минут қойындар. Не байқадыңдар? Өз байқағандарыңды дәптерге жазып оны түсіндіріңдер. Жарықпен сәуле түсіріп, коллоид ерітінді түзілгенін көріңдер.

Алмасу реакциясы арқылы кремний қышқылының зольін алу.

Пробиркаға жартылай сұйық тұз қышықылын құйып, оған араластырып тұрып 8-10 тамшы сұйық шыны ерітіндісін құйыңдар. Алынған кремний қышқылының гидролизін келесі тәжірибе (5) үшін сақтаңдар.Кремний қышқылының түзілу реакциясынның теңдеуін жазыңдар. Ядро мицелласына молекуласы, адсорбциялық қабатқа ионы кіретінін ескеріп коллоид бөлшектің құрылым сызбанұсқасын құрыңдар. Жарық сәуле көмегімен золь түзілгенін көріңдер.

Гидролиз арқылы темір (ІІІ) гидроксидінің золін алу.

Пробиркаға жартылай су құйып, қызған сеңгелге (ваннаға) қойыңдар. 5-7 минуттан соң пробиркаға 2-3 ташы темір (ІІІ) хлоридінің ерітіндісін қосыңдар. Қызыл темір гидроксиді золінің түзілуін бақылаңдар. Жарық сәулесі көмегімен золь түзілгенін көріңдер. Жоғары температура тұз гидролизін жүргізуге көмектесетінін ескере отырып, темір (ІІІ) хлоридінің гидролиз реакция теңдеуін жазыңдар. Коллоид агрегаттар бетіне ерітіндіден иондары адсорбцияланатынын ескеріп, мицелланың сызбанұсқалық құрылысын сызыңдар. Байқаған оптикалық эффектіні (Тиндаль эффектісі) және зольдің агрегаттық тұрақтылығының себебін түсіндіріңдер. Алынған коллоид ерітіндіні 5-тәжірибе үшін сақтаңдар.

4-тәжірибе. Тотықсыздану реакциясы арқылы марганец диоксидінің золін анықтау.

Калий перманганаты натрий тиосульфатымен марганец диоксидіне тотықсызданады:

Пробиркаға тамызғышпен 1мл калий перманганатының ерітіндісін құйып, оны 10мл-ге дейін сумен сұйылтыңдар. Содан соң пробиркаға тамшылатып 0,3-0,4 мл натрий тиосульфаты ерітіндісін қосыңдар. Алқызыл түсті марганец диоксидінің золі түзіледі. Мицелланың формуласын жазыңдар. Стабилизатор – .

5-тәжірибе. Коллоидты бөлшектердің зарядын анықтау.

3- тәжірибеде (3) алынған коллоид ерітінді тәрізді түтікке құйыңдар. Сұйыққа 0,5-1см ғана батырып электрод салыңдар. Ерітінді арқылы 10-15 минут тұрақты ток жіберіңдер. Өз байқағандарың ды жазыңдар және темір гидроксиді золінің грануласының заряды туралы қорытынды шығарыңдар. Заряд шамасы мицелла формуласындағы (3-тәжірибе (в)) – ның сәйкес келетінін тексеріңдер. Электр тогын өткізгенде золь тұрақтылығын өзгеруін түсіндіріңдер. Тұрақты ток әсерімен зольдерді коагуляциялауға арналған аспап.

1.Тұрақты ток көзі.

2. Көмір электроды.

3. Зерттелетін золь.

6-тәжірибе. Гидрозольдар коагуляциясы.

1. Қыздырғанда зольдердің коагуляциялануы.

3-тәжірибеде (2) алынған кремний қышқылы золін қайнағанға дейін қыздырыңдар. Пробирканы аударғанда төгілмейтін қоймалжың масса – гель түзілуін бақылаңдар.

2. Электролиттер арқылы зольдердің коагуляциялануы.

3-тәжірибеде (3) алынған темір гидроксидінің коллоид ерітіндісін үш пробиркаға бөліңдер. Бірін шіге – бюреткадан тамшылатып натрий фосфатын,екіншіге – натрий сульфатын, үшіншіге – натрий хлоридінің ерітінділерін тұман не тұнба түзілгенше қосыңдар. Натрий фосфаты мен сульфа тының электролиттік диссоциация теңдеуін жазыңдар. Осы электролиттердің қандай иондары гидроксидінің золін коагуляциялайды? Иондардың әртүрлі коагуляциялық қабілетін түсіндіріңдер.

7-тәжірибе. Диспергирлеу әдісімен золь алу.

1. Темір (ІІІ) гидроксидінің золін пептизация арқылы алу.

Темір (ІІІ) хлоридіне сілті әсер ету арқылы темір (ІІІ) гидроксидінің тұнбасын алыңдар. Тұнба ның түсіне назар аударыңдар. Реакция теңдеуін молекулалық және иондық түрде жазыңдар. Тұнба ны сүзіп, одан 2-3 г микрошкателмен алып концентрлі темір (ІІІ) хлориді бар ерітіндіге салып, қайнағанша қыздырыңдар. Қайнаған кезде темір (ІІІ) гидроксидінің золі түзілетіндіктен ерітінді түсінің өзгеруін байқаңдар.

Тұнба еруі мен коллоид ерітіндінің пайда болу себебі тұнбасының ерітіндіден иондарын адсорбциялауы болып табылады. Адсорбцияланған иондар тұнба бөлшектеріне аттас заряд береді, соның нәтижесінде бөлшектер бір-бірімен тебіліп, сұйық көлемінде бірыңғай тарайды, яғни пептизация процессі жүреді.