Классификация дисперсных систем

А. По величине частиц дисперсной фазы все дисперсные системы дeлят на 3 группы:

 

Вид системы	Размер частиц	Примеры	Свойства системы
I.Грубодис- персные	более 100 нм	Суспензии (твердая фаза в жидкой среде): раствор цемента, кофе, крахмала. Эмульсии (две несмешивающиеся жидкости: молоко, масло в воде)	Системы гетерогенны, неустойчивы, со временем фазы их разделяются.
II.Коллоидно-дисперсные (коллоидные растворы) или золи	от 1 до 100 нм	Золь берлинской лазури, твердые сплавы, туман и др.	Микрогетерогенные системы, не оседают под действием силы тяжести, не проходят через мембраны, интенсивно окрашены, рассеивают лучи света. В зависимости от природы растворителя золи называют гидрозоли (если дисперсионная среда – вода) и аэрозоли (если дисперсионная среда – воздух).
III. Молекулярно- и ионнодисперсные (ис- тинные р-ры)	1 нм	Растворы сахара, спиртов, электролитов (NaCl, HCl, NaOH и др.)	Гомогенные однофазные системы

К истинным растворам принадлежат и растворы высокомолекуляр­ных веществ, молекулярная масса которых достигает сотен тысяч дальтон. Это тоже гомогенные системы. Но так как размеры их частиц срав­нимы с таковыми коллоидных растворов, то они обладают целым рядом свойств коллоидных растворов.

Б. Дисперсные системы классифицируют также и по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды:

Дисперсионная среда	Дисперсная фаза
газ	жидкость	твердое тело
Газ	–	Аэрозоли (туман, облака)	Аэрозоли (дымы, пыль и др.)
Жидкость	Жидкие пены	Эмульсии (сливочное масло, маргарин, кремы и др.)	Суспензии и коллоидные растворы
Твердое тело	Твердые пены (пемза, пенопласты)	Жемчуг, вода в парафине и т.д.	Сплавы, драгоценные камни, окрашенные стекла

 

С. По степени взаимодействия дисперсной фазы и дисперсионной среды различают: лиофильные (гидрофильные) с сильным взаимодействием фазы и среды и лиофобные со слабым взаимодействием их.

Таким образом, коллоидные растворы представляют coбой частный случай дисперсных систем.

Процессы, протекающие с участием коллоидных систем, играют боль­шое значение для жизнедеятельности организма, а также в металлургии, сельском хозяйстве, производстве бумаги, пластических масс а др.

 

Поверхностные явления

Поверхностные явления в коллоидах играют первостепенную роль, т.к. являясь микрогетерогенными системами, они обладают колоссальной поверхностью раздела между частицами дисперсной фазы и дисперсионной среды. Наличие сильно развитой поверхности в коллоидных растворах объясняет многие физико-химические особенности этих систем. Поэтому можно сказать, что коллоидная химия – это физическая химия дисперс­ных систем и поверхностных явлений.

Адсорбция

Концентрирование вещества, равномерно распределенного в одной из фaз дисперсной системы, на границе раздела фаз на­зывается адсорбцией.

Адсорбция обусловлена наличием адсорбционных сил, имеющих раз­личную природу. Различают межмолеклярные (ван-дер-ваальсовы) ихи­мические (ионные, ковалентные) силы.

Иногда адсорбция, начавшись на поверхности, распространяется в глубь частицы. Такой процесс называют абсорбцией, если такое поглощение сопровождается химическим взаимодействием, то такой процесс носит название хемосорбции.

Вещество, способное адсорбировать на своей поверхности другое вещество или ионы, называется адсорбентом. Адсорбируемое вещество называется адсорбтивом.

Явления адсорбции, абсорбции и хемосорбции объединены общим по­нятием сорбции.

Процесс адсорбции обратим. Частицы в адсорбционных слоях совер­шают колебательные движения, то приближаясь к адсорбенту, то удаля­ясь от него. Некоторые из них могут выходить за пределы действия сил притяжения адсорбента. В этом случае наблюдается обратный процесс – десорбция,

Со временем система приходит в состояние адсорбционного равно­весия:

Адсорбция носит избирательный характер. Так, например, активированный уголь хорошо поглощает хлор, но не адсорбирует окись углерода.

Процесс адсорбции экзотермичен и, следовательно, в соответствии с принципом Ле-Шателье, с ростом температуры адсорбция падает, и рав­новесие сдвигается в сторону процесса десорбции.

Все растворимые вещества по их способности адсорбироваться на границе раздела фаз делятся на две группы: поверхностно-активные (ПАВ) вещества и поверхностно-неактивные. Характерной особенностью ПАВ является то, что молекулы ихсодержат две части: полярную гидрофильную (растворимую в воде) и неполярную гидрофобную (в воде нераствори­мую). При растворении таких веществ в воде они погружают свои гид­рофильные группы в воду, а гидрофобная часть располагается выше уровня воды, т.е. как бы «торчит» из воды.

 

 

Рис.1.3. Ориентация ПВА на границе раздела фаз

 

Если же поверхностно-активное вещество равномерно распределено в одной из двух неcмешивающихся жидкостей, то оно концентрируется на границе раздела этих двух фаз:

 

 

 

Рис.1.4. Концентрация частиц на границе раздела фаз (адсорбция)

 

Обычно углеводородный радикал гидрофобный, а функциональные группы -ОН, -CООH, -NH₂ и т.д. – гидрофильные Чем длиннее углеводородный радикал, тем меньше растворимость его в воде, но тем выше становится его способность к адсорбции. Эта закономерность получила название правила Траубе-Дюкло. Это правило применимо к разбавленным растворам.

Процессы адсорбции происходят ив живых организмах. Роль твердого тела играют здесь мембраны и коллоидные частицы. Так, вещества, образующиеся после переваривания в желудочно-кишечном тракте белков, углеводов и т.д. (это соответственно аминокислоты, глюкоза и т.д.), попадают в кровь и адсорбируются из крови на внешней мембране клеток. Только после этого процесса клетка поглощает эти питательные вещества (служащие либо источником энергии, либо строительным материалом клеток).

Одним из главных свойств абсорбции является её избирательность. На способности избирательного поглощения адсорбентами растворенных веществ основаны хроматографические методы анализа, позволяющие разделять сложные смеси на отдельные фракции. Впервые это метод был использован русским ботаником М.С.Цветом (1903 г.) для разделения зеленого вещества растений – хлорофилла на составные части. Хроматография широко применяется при разделении и очистке лекарственных веществ, витаминов, аминокислот, ионов, углеводородов нефтяных фракций и др.

Впоследние годы широкое распространение получили методы ионообменной хроматографии.

КОЛЛОИДНЫЕ РАСТВОРЫ (ЗОЛИ)

Методы получения

 

Коллоидные системы по степени дисперсности занимают промежуточное положение между грубодисперсными системами и истинными растворами. Поэтому их можно получать двумя путями:

а) методами диспергирования – дроблением более крупных частиц доколлоидной степени дисперсности – механическим, электрическим, ультразвуком, пептизацией (превращение осадков в коллоидный раствор под влиянием химических веществ – пептизаторов);

б) методами конденсации – укрупнением частиц в агрегаты коллоидной степени дисперсности (получение нерастворимых веществ в результате реакций различных типов);

в) ультрафильтрацией через полупроницаемые мембраны.