A minket körülvevő anyagok többsége különféle anyagok keveréke, így tulajdonságaik vizsgálata fontos szerepet játszik a kémia, az orvostudomány, az élelmiszeripar és a gazdaság más ágazatainak fejlődésében. A cikk azt a kérdést tárgyalja, hogy mi a szóródás mértéke, és hogyan befolyásolja a rendszer jellemzőit.
Mik azok a diszperz rendszerek?
Mielőtt a szóródás mértékéről beszélnénk, tisztázni kell, hogy mely rendszerekre alkalmazható ez a fogalom.
Képzeljük el, hogy két különböző anyagunk van, amelyek kémiai összetételükben különbözhetnek egymástól, például asztali só és tiszta víz, vagy aggregált állapotban, például ugyanaz a víz folyékony és szilárd állapotban (jég) államok. Most vegye és keverje össze ezt a két anyagot, és intenzíven keverje össze. mi lesz az eredmény? Ez attól függ, hogy a kémiai reakció a keverés során ment végbe vagy sem. Amikor szórt rendszerekről beszélünk, úgy gondolják, hogy amikor azoka képződésben nem megy végbe reakció, vagyis a kiindulási anyagok megőrzik mikroszintű szerkezetüket és belső fizikai tulajdonságaikat, mint például sűrűség, szín, elektromos vezetőképesség stb.
Így a diszpergált rendszer egy mechanikai keverék, amelynek eredményeként két vagy több anyag keveredik egymással. Amikor létrejön, a "diszperziós közeg" és a "fázis" fogalmak használatosak. Az elsőnek a rendszeren belüli folytonossági tulajdonsága van, és általában viszonylag nagy mennyiségben megtalálható benne. A második (diszperz fázis) a folytonossági zavar jellemzője, vagyis a rendszerben kis részecskék formájában van jelen, amelyeket a közegtől elválasztó felület határol.
Homogén és heterogén rendszerek
Egyértelmű, hogy a szórt rendszer e két komponense fizikai tulajdonságaikban különbözni fog. Például, ha homokot dobunk a vízbe és keverjük, egyértelmű, hogy a vízben lévő homokszemcsék, amelyek kémiai képlete SiO2, nem különböznek egymástól. bármilyen módon abból az állapotból, amikor nem voltak a vízben. Ilyen esetekben heterogenitásról beszélünk. Más szavakkal, a heterogén rendszer több (két vagy több) fázis keveréke. Ez utóbbi alatt a rendszer valamilyen véges térfogatát értjük, amelyet bizonyos tulajdonságok jellemeznek. A fenti példában két fázisunk van: homok és víz.
A diszpergált fázis részecskéinek mérete azonban bármilyen közegben oldva olyan kicsivé válhat, hogy már nem mutatkozik meg egyedi tulajdonságaik. Ebben az esetben az ember arról beszélhomogén vagy homogén anyagok. Bár több komponenst tartalmaznak, mindegyik egy fázist alkot a rendszer teljes térfogatában. A homogén rendszerre példa a NaCl vizes oldata. Amikor feloldódik, a H2O poláris molekulákkal való kölcsönhatás következtében a NaCl kristály külön kationokra (Na+) és anionokra (Cl) bomlik.-). Vízzel homogénen keverednek, és egy ilyen rendszerben már nem lehet találni az oldott anyag és az oldószer közötti határfelületet.
Részecskeméret
Mekkora a szóródás mértéke? Ezt az értéket részletesebben figyelembe kell venni. Mit képvisel? Ez fordítottan arányos a diszpergált fázis részecskeméretével. Ez a jellemző az összes vizsgált anyag osztályozásának alapja.
A diszperz rendszerek tanulmányozása során a hallgatók gyakran összezavarodnak a nevükben, mert úgy gondolják, hogy osztályozásuk is az aggregáció állapotán alapul. Ez nem igaz. A különböző halmazállapotú keverékeknek valóban más a neve, például az emulziók vizes anyagok, az aeroszolok pedig már gázfázis létezésére utalnak. A diszperz rendszerek tulajdonságai azonban főként a bennük oldott fázis részecskeméretétől függenek.
Általánosan elfogadott besorolás
A diszperz rendszerek besorolása a diszperzió foka szerint:
- Ha a feltételes részecskeméret kisebb, mint 1 nm, akkor az ilyen rendszereket valós vagy valódi megoldásoknak nevezzük.
- Ha a feltételes részecskeméret 1 nm és között van100 nm, akkor a kérdéses anyagot kolloid oldatnak nevezzük.
- Ha a részecskék 100 nm-nél nagyobbak, akkor szuszpenziókról vagy szuszpenziókról beszélünk.
A fenti besorolással kapcsolatban két pontot tisztázunk: először is a megadott számok tájékoztató jellegűek, vagyis az a rendszer, amelyben a részecskeméret 3 nm, nem feltétlenül kolloid, hanem igaz is lehet. megoldás. Ezt fizikai tulajdonságainak tanulmányozásával lehet megállapítani. Másodszor, észreveheti, hogy a lista a „feltételes méret” kifejezést használja. Ez annak köszönhető, hogy a rendszerben lévő részecskék alakja teljesen tetszőleges lehet, és általában összetett geometriájú. Ezért valami átlagos (feltételes) méretről beszélnek.
A cikk későbbi részében röviden ismertetjük a diszperz rendszerek ismert típusait.
Igazi megoldások
Mint fentebb említettük, a részecskék valós oldatokban való diszperziós foka olyan magas (méretük nagyon kicsi, < 1 nm), hogy nincs határfelület köztük és az oldószer (közeg) között, azaz egyfázisú homogén rendszer. Az információk teljessége érdekében emlékezzünk arra, hogy egy atom mérete egy angström (0,1 nm) nagyságrendű. Az utolsó szám azt jelzi, hogy a valós oldatban lévő részecskék atomi méretűek.
A valódi oldatok főbb tulajdonságai, amelyek megkülönböztetik őket a kolloidoktól és szuszpenzióktól, a következők:
- Az oldat halmazállapota tetszőlegesen hosszú ideig változatlan, azaz nem képződik diszpergált fázis csapadéka.
- Feloldódottaz anyag nem választható el az oldószertől sima papíron történő szűréssel.
- Az anyag a porózus membránon való áthaladás eredményeként sem válik ki, amit a kémiában dialízisnek neveznek.
- Az oldott anyagot az oldószertől csak az utóbbi aggregációs állapotának megváltoztatásával, például párologtatással lehet elválasztani.
- Ideális megoldásokhoz elektrolízis is végezhető, azaz elektromos áramot lehet átvezetni, ha potenciálkülönbséget (két elektródát) alkalmazunk a rendszerre.
- Nem szórják a fényt.
Példa az igazi megoldásokra a különféle sók vízzel való keverése, például NaCl (étkezési só), NaHCO3 (szódabikarbóna), KNO 3(kálium-nitrát) és mások.
kolloid oldatok
Ezek köztes rendszerek a valódi megoldások és a felfüggesztések között. Azonban számos egyedi tulajdonsággal rendelkeznek. Soroljuk fel őket:
- Mechanikailag tetszőlegesen hosszú ideig stabilak, ha a környezeti feltételek nem változnak. Elegendő felfűteni a rendszert vagy megváltoztatni a savasságát (pH-érték), mivel a kolloid koagulál (kicsapódik).
- Nem választják el őket szűrőpapírral, azonban a dialízis folyamat a diszpergált fázis és a közeg elválasztásához vezet.
- A valódi oldatokhoz hasonlóan ezek is elektrolizálhatók.
- Az átlátszó kolloid rendszerekre jellemző az úgynevezett Tyndall-effektus: ha egy fénysugarat átengedünk ezen a rendszeren, akkor láthatjuk. Ez kapcsolódikelektromágneses hullámok szóródása a spektrum látható részén minden irányban.
- Képes más anyagok adszorbeálására.
A kolloid rendszereket a felsorolt tulajdonságok miatt az ember széles körben alkalmazza különféle tevékenységi területeken (élelmiszeripar, kémia), és gyakran előfordul a természetben is. Kolloidra példa a vaj, majonéz. A természetben ezek ködök, felhők.
Mielőtt folytatnánk a diszperz rendszerek utolsó (harmadik) osztályának leírását, magyarázzuk el részletesebben a kolloidok néhány megnevezett tulajdonságát.
Mik azok a kolloid oldatok?
Az ilyen típusú diszperz rendszerek esetében a besorolás megadható, figyelembe véve a közeg és a benne oldott fázis különböző aggregált állapotait. Alább látható a megfelelő táblázat/
| Szerda/Fázis | Gáz | Folyadék | merev test |
| gáz | minden gáz végtelenül oldódik egymásban, így mindig valódi oldatot képeznek | aeroszol (köd, felhők) | aeroszol (füst) |
| folyékony | hab (borotválkozás, tejszínhab) | emulzió (tej, majonéz, szósz) | sol (akvarellek) |
| masszív test | hab (habkő, szénsavas csokoládé) | zselé (zselatin, sajt) | szol (rubinkristály, gránit) |
A táblázat azt mutatja, hogy a kolloid anyagok mindenhol jelen vannak, mind a mindennapi életben, mind a természetben. Vegye figyelembe, hogy egy hasonló táblázat a felfüggesztésekhez is megadható, ne feledje, hogy a különbség akolloid bennük csak akkora, mint a diszpergált fázis. A felfüggesztések azonban mechanikailag instabilok, ezért gyakorlati szempontból kevésbé érdekesek, mint a kolloid rendszerek.
A kolloidok mechanikai stabilitásának oka
Miért fekhet sokáig a majonéz a hűtőszekrényben, és a lebegő részecskék nem válnak ki? Miért nem „hullanak” a vízben oldott festékrészecskék végül az edény aljára? Ezekre a kérdésekre a válasz a Brown-mozgás lesz.
Ezt a mozgástípust a 19. század első felében Robert Brown angol botanikus fedezte fel, aki mikroszkóp alatt figyelte meg, hogyan mozognak a kis pollenrészecskék a vízben. Fizikai szempontból a Brown-mozgás a folyadékmolekulák kaotikus mozgásának megnyilvánulása. Intenzitása nő, ha a folyadék hőmérsékletét emeljük. Ez a fajta mozgás okozza a kolloid oldatok kis részecskéinek szuszpenzióját.
Adszorpciós tulajdonság
A diszperzitás az átlagos részecskeméret reciproka. Mivel ez a méret a kolloidokban az 1 nm és 100 nm közötti tartományba esik, nagyon fejlett felülettel rendelkeznek, vagyis az S / m arány nagy érték, itt S a két fázis közötti teljes határfelület (diszperziós közeg) és részecskék), m - az oldatban lévő részecskék össztömege.
A diszpergált fázis részecskéinek felületén lévő atomok telítetlen kémiai kötésekkel rendelkeznek. Ez azt jelenti, hogy vegyületeket képezhetnek más anyagokkalmolekulák. Ezek a vegyületek általában van der Waals-erők vagy hidrogénkötések következtében keletkeznek. Képesek több réteg molekulát tartani a kolloid részecskék felületén.
Az adszorbens klasszikus példája az aktív szén. Ez egy kolloid, ahol a diszperziós közeg szilárd, a fázis pedig gáz. A fajlagos felülete elérheti a 2500 m2/g.
Finomsági fok és fajlagos felület
Az S/m kiszámítása nem könnyű feladat. A helyzet az, hogy a kolloid oldatban lévő részecskék különböző méretűek, formájúak, és mindegyik részecskék felülete egyedi domborművel rendelkezik. Ezért a probléma megoldására szolgáló elméleti módszerek minőségi eredményekhez vezetnek, nem pedig mennyiségi eredményekhez. Ennek ellenére hasznos a fajlagos felület képletét a szóródás mértékéből megadni.
Ha feltételezzük, hogy a rendszer minden részecskéje gömb alakú és azonos méretű, akkor egyszerű számítások eredményeként a következő kifejezést kapjuk: Sud=6/(dρ), ahol Sud - felület (fajlagos), d - részecskeátmérő, ρ - annak az anyagnak a sűrűsége, amelyből áll. A képletből látható, hogy a legkisebb és legnehezebb részecskék járulnak hozzá a legnagyobb mértékben a vizsgált mennyiséghez.
Az Sud meghatározásának kísérleti módja a vizsgált anyag által adszorbeált gáz térfogatának kiszámítása, valamint a pórusméret (diszperz fázis) mérése. benne.
Fagyasztva szárítás ésliofób
Liofilitás és liofóbitás – ezek azok a jellemzők, amelyek valójában meghatározzák a diszperz rendszerek besorolását a fent megadott formában. Mindkét fogalom az oldószer és az oldott anyag molekulái közötti erőkötést jellemzi. Ha ez a kapcsolat nagy, akkor liofilitásról beszélnek. Tehát minden valódi sóoldat vízben liofil, mivel részecskéi (ionjaik) elektromosan kapcsolódnak H2O poláris molekulákhoz. Ha az ilyen rendszereket vajnak vagy majonéznek tekintjük, akkor ezek a tipikus hidrofób kolloidok képviselői, mivel a bennük lévő zsír (lipid) molekulák taszítják a poláris molekulákat H2O.
Fontos megjegyezni, hogy a liofób (hidrofób, ha az oldószer víz) rendszerek termodinamikailag instabilak, ami megkülönbözteti őket a liofilektől.
Felfüggesztések tulajdonságai
Vegyük most a diszperz rendszerek utolsó osztályát – a szuszpenziókat. Emlékezzünk vissza, hogy jellemző rájuk, hogy a bennük lévő legkisebb részecske 100 nm-nél nagyobb vagy annak nagyságrendje. Milyen tulajdonságaik vannak? A megfelelő lista az alábbiakban található:
- Mechanikailag instabilak, ezért rövid időn belül üledéket képeznek.
- Felhősek és átlátszatlanok a napfény számára.
- A fázis szűrőpapírral elválasztható a közegtől.
A természetben előforduló szuszpenziókra példa a folyók sáros vize vagy a vulkáni hamu. A szuszpenziók emberi felhasználása összefüggésben áll aáltalában gyógyszerrel (gyógyszeres oldatokkal).
Alvadás
Mit lehet mondani a különböző diszperziós fokú anyagok keverékeiről? Részben ezzel a kérdéssel már foglalkoztunk a cikkben, mivel minden diszperz rendszerben a részecskék mérete bizonyos határokon belül van. Itt csak egy érdekes esetet veszünk figyelembe. Mi történik, ha kolloidot és valódi elektrolitoldatot keverünk össze? A súlyozott rendszer megszakad, és megtörténik a koagulációja. Ennek oka a valódi oldationok elektromos mezőinek a kolloid részecskék felületi töltésére gyakorolt hatásában rejlik.
