Класифікація дисперсних систем за агрегатним станом

РОЗДІЛ 8. Дисперсні системи

Біологічні рідини (кров, плазма, спинно-мозкова рідина, деякі лікарські препарати) є колоїдними системами. М’язева і нервові клітини, волокна, віруси – все це колоїдні утворення. Вивчення фізико-хімічних властивостей цих дисперсних систем є одним із ключів до пізнання життєвих процесів.

Колоїдна хімія – розділ хімії, що вивчає фізико-хімічні властивості гетерогенних високодисперсних і високомолекулярних сполук. Сам термін колоїдна від грецького kola- клей. Термін появився, коли Грем (1861р.) виявив речовини, які відрізнялись за своїми властивостями від речовин які швидко дифундували через рослинні і тваринні мембрани. Ці речовини утворювали аморфні осади і нагадували за своїми властивостями відомі на той час клеї.

Дисперсною називається така система, у якій речовина знаходиться в стані більш-менш високої подрібненості (дисперсності) частинок і рівномірно розподілених в рідкому, твердому або газоподібному середовищі (дисперсному середовищі).

Ступінь подрібненості, чи ступінь дисперсності, системи D є важливою характеристикою для фізико-хімічної класифікації систем і визначається як величина, обернена діаметру дисперсної частки - D = 1/d.

Розміри часток (молекул, йонів), що утворюють істинні розчини (d = 10^-10 - 10^-9 м), мають подібні розміри в порівнянні з молекулами розчинника Тому в молекулярних і йонних розчинах між розчиненою речовиною і розчинником не існує поверхні розділу, ці системи є гомогенними, термодинамично стійкими На істинні розчини поняття дисперсності звичайно не поширюється.

Колоїдно-дисперсні системи є гетерогенними, термодинамічно нестійкими, оскільки між частинками і середовищем є поверхня розділу, що володіє надлишком поверхневої енергії. Для цих систем характерні самодовільні процеси, що знижують надлишок енергії шляхом зменшення ступеня дисперсності.

Класифікацію дисперсних систем проводять за ступенем дисперсності, та за агрегатним станом дисперсної фази і дисперсійного середовища.

Класифікація за ступенем дисперсності подідяють:

 

Тип системи	Розмір частинок, м	Дисперс- ність	Приклади
Грубодисперсна	10-4 - I0-7	104 - I07	Видимі в звичайний мікроскоп: піна, емульсії.
Колоїдно-дисперсперсна	10-7 - 10-9	107 - 109	Видимі в ультрамікроскоп: сік рослин, золі.
Молекулярні та йонні розчини	менші за 10-9	більші за 109	Істинні розчини.

За агрегатним станом розрізняють тверді, рідкі, газоподібні речовини, які в свою чергу можуть утворювати на дев'ять типів дисперсних систем, які позначаються у вигляді дробу, що складається з початкових букв назв агрегатного стану компонентів (у чисельнику - фази, у знаменнику - середовища). Наприклад, система т/р означає: «тверда фаза в рідкому середовищі».

Класифікація дисперсних систем за агрегатним станом

Позначення системи	Дисперсійне середовище	Дисперсна фаза	Назва і приклади
т/т	тверде тіло	тверде тіло	Тверді золі, мінерали
р/т	тверде тіло	рідина	Тверді емульсії, капілярні системи, грунти
г/т	тверде тіло	газ	Пористі тіла, пінопласт
т/р	рідина	тверде тіло	Суспензії, ліозолі
р/р	рідина	рідина	Емульсії
г/р	рідина	газ	Піни
т/г	газ	тверде тіло	Пил, дим
р/г	газ	рідина	Туман, хмари
г/г	газ	газ	Відсутні

 

В колоїдній хімії прийнято всі системи, що мають колоїдні частинки дисперсності від 1 до 100 нм називають золями. Якщо дисперсійне середовище представлене газом, то такий золь носить назву аерозоль. Якщо дисперсна фаза рідина, то такий золь характеризується як ліозоль. Існують в цій групі - гідрозоль, алкозоль, етерозолі, органозолі, якщо дисперсна фаза відповідно - Н₂О, спирт, ефір, бензол, органічна рідина.

Емульсії - це система в якій дисперсна фаза і дисперсійне середовище представлені рідинами, що не змішуються між собою.

Суспензії - це дисперсні системи, в яких дисперсна фаза представлена твердою речовиною, а дисперсійна фаза - рідиною.

Взаємодія між дисперсною фазою і дисперсійним середовищем відбувається завжди, однак ступінь його прояву в різних системах істотно відрізняється. В залежності від ступеня цієї взаємодії всі системи поділяються на ліофільні (гідрофільні) і ліофобні (гідрофобні). У ліофільних системах взаємодія частинок дисперсної фази із середовищем досить сильна, тобто ці частинки добре сольватовані (гідратовані). У ліофобних системах взаємодія фази із середовищем слабка, тобто спорідненість дисперсної фази з середовищем мала. Характерною рисою багатьох ліофільних систем є їхня термодинамічна стійкість - вони можуть самовільно диспергуватися. До ліофільних систем відносяться багато розчинів високомолекулярних сполук. Наприклад, розчини багатьох білків і полінуклеїнових кислот у воді є гідрофільними дисперсними системами. Колоїдні розчини благородних металів є гідрофобними системами, оскільки спорідненість до води в частинок дисперсної фази дуже незначна.

Одержання колоїдних систем передбачає виконання двох операцій:

а) довести розміри колоїдних частинокк до величини 1 - 100 нм;

б) стабілізувати ці частинки в дисперсному середовищі.

Золі за розміром частинок дисперсійної фази займають проміжне положення між молекулярними (справжніми) розчинами і суспензіями. Відповідно, колоїдні частинки можна дістати або конденсацією окремих молекул, або диспергуванням порівнянно великих частинок. Методи отримання колоїдних розчинів, що грунтуються на конденсації молекул, в хімії дістали назву конденсаційних. Методи, в принципі одержання яких закладений процес подрібнення громіздких агрегатів до розмірів колоїдних частинок названі дисперсійними.

Дисперсійні методи поділяються:

1. Механічні методи. Для подрібнення речовини використовують спеціальні машини, які працюють за методом ударного подріблення. Це різного роду машини, так звані колоїдні млини.

2. Ультразвуковий метод. Для диспергування речовин останнім часом використовують ультразвук, дія якого супроводжується появою розриваючих сил, які призводять до подрібнення.

3. Метод пептизації. Це процес переходу речовини із гелю в золь під дією пептизаторів, тобто диспергуючих речовин. Пептизація свіжоутворених осадів AI(OH)₃, Fe(OH)₃ і ін. проходить внаслідок видалення із розчину коагулюючих йонів, які укрупнюють ці частинки. Вимивання цих йонів приводить до зменшення частинок дисперсної фази.

4. Метод розчинення. Для високомолекулярних сполук з твердих полімерів одержують розчин у відповідних розчинниках.

5. Метод заміни розчинника. Оснований на виділенні розчиненої речовини з розчину при заміні розчинника, при введенні в розчин розчинника в якому нерозчинна дисперсна фаза.

6. Електричний метод. Одержання колоїдних розчинів за допомогою електричного струму. Використовується для приготування гідрозолей благородних металів.

В основу конденсаційного методу покладено утворення нерозчинних сполук у результаті хімічних реакцій:

1. Метод окиснення. В результаті окиснення сірководню в розчині одержали блакитний колоїдний розчин елементарної сірки:

2H₂S + SO₂ ® 2Н₂О + 3S↓

2. Метод відновлення. При відновленні металічного срібла із аміачного розчину срібла:

[Ag(NH₃)₂]₂O + CH₂O ® 2Ag↓ + H₂O + CO₂ + 2NH₃↑

3. Метод гідролізу. При гідролізі розчину солі ферумтрихлориду утворюються його осксолі:

FeCl₃ + H₂O ® 3hcl + Fe(OH)CI₂

Fe(OH)CI₂ + Н₂О ® Fe(OH)₂CI + НСІ

Fe(OH)₂CI = FeOCI + НСІ

FeOCI = FeO⁺ + СІ^-

4. Метод подвійного обміну дає змогу одержати золі важкорозчинних сполук. Якщо змішувати розведені розчини AgNO₃ і KJ, то за умови, що один із компонентів знаходиться в надлишку AgJ, що випадає в осад, утворює колоїдний розчин.

AgNO₃ + КJ → AgJ↓ + KNO₃

Розглянемо на цьому прикладі утворення і будову ліофільних золів.

Основою колоїдної частинки служить агрегат із молекул малорозчинної в даному розчиннику речовини - AgJ, в якому йони срібла (Ag⁺) і йоду (J^-) утворюють кристалічну решітку. Новостворені частинки AgJ спочатку мають аморфну будову, а потім виникає процес кристалізації.

Агрегат молекул AgJ є тією твердою основою на якій іде утворення подвійного електричного шару, за рахунок йонів, що містяться в ядрі і знаходяться в розчину в надлишку. Агрегат із адсорбованими на ньому йонами називають ядром міцели. В залежності від реагента поверхня ядра набуває негативного або позитивного заряду.

Результат даної реакції залежить від кількісного співвідношення реагентів.

Можливі два варіанти:

Варіант 1. При надлишку AgNO₃ в розчині будуть знаходитися йони Ag⁺ і NO₃^-. Згідно з правилом Панета - Фаянса добудова кристалічної решітки АgJ може іти лише за рахунок йонів, що знаходяться в її складі; в даному випадку катіоном срібла (ag⁺).

Ag⁺ будуть добудовувати кристалічну решітку ядра, надійно входячи в його структуру, надаючи йому електричний заряд, що визначає так званий електротермодинамічний потенціал. Йони, що добудовують кристалічну решітку і визначають заряд ядра називаються потенціалвизначаючими йонами. Величина електротермодинамічного потенціалу або Е-потенціалу у багатьох колоїдних частинках досягає 1 В. Частинки з таким порівнянно високим зарядом притягають йони з протилежним знаком - в даному випадку нітрат-йони, що називаються протийонами.

Адсорбція протийонів приведе до досягнення визначеної динамічної рівноваги між адсорбованими і вільними йонами. Головна маса адсорбованих йонів на ядрі колоїдної частинки, разом з потенціаловизначаючими йонами утворює адсорбційний шар. Ядро і адсорбційний шар утворюють гранулу. Потенціал гранули того ж знаку що і Е потенціал, але величина його менша і залежить від кількості протийонів в адсорбційному шарі.

Потенціал гранули називається дзета-потенціалом або електрокінетичним. Електрокінетичним тому, що може бути знайдений і виміряний при русі частинок в електричному полі. Залишок протийонів, що утримуються електростатичними силами, поблизу гранули названий дифузійним шаром. Гранула разом з дифузійним шаром утворює міцелу. Товщина дифузного шару залежить від йонної сили розчину. Чим більша йонна сила, тим тонший дифузійний шар і навпаки.

Чим вищий електрокінетичний потенціал гранули, тим вищі сили взаємного відштовхування між колоїдними частинками і тим стабільніша колоїдна система. Міцела завжди електронейтральна.

Будова міцели AgJ в надлишку нітрату срібла можна показати схемою:

 

[(AgJ)m × n Ag⁺(n-x)NO₃^-] ^x+ × xNO₃^-

ядро адсорбційний шар дифуз.шар

 

гранула

 

міцела

 

Варіант 2.

При надлишку йодиду калію структуру міцели йодиду срібла, де потенціал визначальним йоном є І^-, а протийоном К⁺ можна подати таким чином:

[(AgJ)m × n J^-× (n-x)K⁺] ^x- × xK⁺

будова міцели гідроксиду заліза Fe(ОH)₃

Гідроксид заліза утворюється при гідролізі хлориду заліза - FeCl₃ :

mFeCl₃ + 3mH₂O ® [Fe (OH)₃]m + 3mhcl

Проміжним продуктом гідролізу є хлорокисзаліза.

FeСl₃ + 2H₂О ® FeOCl + 2H₂O

Хлорокис заліза, дисоціюючи - FeOCl ® FeO⁺ + Cl^-, виступає в якості стабілізатора колоїдних частинок. Добудова кристалічної решітки іде за рахунок FeO⁺. Будову міцели гідроксиду заліза можна представити таким чином:

{[Fe (OH)₃]m× n FeO⁺(n-x)Cl^-}^x+ × Cl^-

Наявність в колоїдних системах домішок електролітів та інших низькомолекулярних сполук, які понижують стійкість системи, сприяючи коагуляції. Тому колоїдні розчини необхідно очищати. Для цього використовують методи: діаліз, електродіаліз, ультрацентрифугування, компенсаційний діаліз і вівідіаліз.

Діаліз заснований на застосуванні напівпроникних мембран, які пропускають йони і молекули, малих розмірів але затримують колоїдні частинки. Як мембрани застосовують целофан, колодій і ін. матеріали. В результаті дифузії низькомолекулярні домішки видаляються в зовнішній шар, а золь очищається. Цей процес йде повільно, але може прискорюватись під дією температури, або дією електричного струму.

Електродіаліз – це процес діалізу прискорений завдяки проведенню його в електричному полі, яке прискорює рух йонів. Прилад складається з 3-х частин, розділених мембраною. При пропусканні струму завдяки направленому руху йонів до відповідних електродів діаліз прискорюється і колоїдний розчин швидко очищується в домішок електролітів низькомилекулярних сполук.

Компенсаційний діаліз полягає в тому, що діалізатор обмивається не чистим розчинником, а розчином із певною концентрацією визначуваної речовини і якщо концентрація у зовнішньому розчині не змінюється, то це значить, що вона такаж всередині діалізатора. До компенсаційного діалізу близький метод вівідіалізу. За його допомогою можна за життя людини визначити у крові вміст низькомолекулярних складових. Для цього перерізану кровяну судину приєднюють до трубок із напівпрониклого матеріалу і занурюють в посудину з фізіологічним розчином або водою. Так було виявлено у крові вміст вільної глюкози і амінокислот у вільному стані.

На цьому принципі працює апарат “штучна нирка” (АПШН), який застосовують при гострій нирковій недостатності викликані отруєннями, токсикозом, важкими опіками. При цьому кров під тиском протікає по вузькій щілині між двома напівпроникними мембранами, що омиваються зовні фізіологічним розчином в який і виходять через мембрану із крові сечовина, сечова кислота, надлишок йонів калію, хрому і ін.

Ультрафільтрація – це використання тиску чи розрідження при проведенні діалізу через мембрани.