4.5. Дисперсні системи
Під час вивчення неорганічної хімії ви
дістали початкові уявлення про розчин і протікання процесу розчинення речовин у воді. Вам відомо також, що при змішуванні
речовин з водою
не завжди утворюються однорідні
(гомогенні) системи. Однорідність
— характерна властивість розчинів. Багато речовин з водою
утворюють каламутні на вигляд неоднорідні
(гетерогенні) системи, які
називаються суспензіями і емульсіями.
Під час
розчинення речовини подрібнюються, або диспергуються.
У зв'язку з цим розчини,
суспензії, емульсії називають дисперсними системами.
Існують різні дисперсні системи, в яких в одній речовині (дисперсному
середовищі) розподілена (диспергована) у вигляді дрібних частинок інша речовина. Дисперсне середовище може бути у
вигляді газу, рідини і твердої речовини. У різних агрегатних станах
може бути і диспергована речовина. Приклад дисперсної системи — дим або пил в
атмосфері. У цьому разі середовище дисперсної системи — повітря (суміш газів),
а частинки—дуже подрібнені тверді речовини. Середовищем може бути газ (повітря), а диспергованими частинками—дрібні
крапельки рідини (туман). Різні аерозолі також є дисперсними системами.
Середовищем у них є газ, в якому дисперговані тверді або рідкі частинки.
За ступенем дисперсності, тобто за величиною частинок,
розподілених
у
дисперсному середовищі, розрізняють грубодисперсні
І і
тонкодисперсні системи.
Найбільше
значення в практиці мають дисперсні системи,
в яких дисперсним середовищем є вода або інші рідини. Ці системи залежно
від розмірів частинок поділяють на істинні
розчини (або просто розчини), колоїдні розчини і грубодисперсні
і системи (суспензії та емульсії).
Істинні розчини також
належать до дисперсних систем. Розміри диспергованих частинок в них дуже малі.
Діаметр цих частинок менше 1 нм. Саме тому істинні розчини — однорідні системи, в яких
частинки розчиненої речовини не можна спостерігати навіть за допомогою ультрамікроскопа.
Найбільш поширений розчинник — вода. Крім води, як розчинник використо-вують
й інші рідини. Так, жири не розчиняються у воді, але розчиняються в бензині,
тетрахлорметані ССІ4 та в інших органічних розчинниках, які
використовують для видалення жирових плям на тканинах, виділення олії з насіння
і т. д. Для розчинення різних лаків і фарб застосовують спирт, ацетон та інші
розчинники.Велике значення мають і колоїдні
розчини, які відрізняються від істинних
розчинів розмірами частинок розчиненої речовиниі мають
специфічні властивості. Якщо в істинних розчинах діаметр частинок
менш як 1нм, то
розмір частинок у
колоїдних розчинах становить від 1 до 100 нм. Ці частинки звичайно
складаються із безлічі молекул або атомів.
Оскільки
розміри молекул деяких високомолекулярних речовин перевищують 1 нм, то розчини
цих речовин, наприклад білків, відносять до колоїдних розчинів. З курсу
загальної біології вам відомо, що частинки таких розмірів можна виявити за
допомогою ультрамікроскопа. В ультрамікроскопі використовується принцип
розсіювання світла, завдяки чому колоїдні частинки в ультрамікроскопі у вигляді
яскравих точок виділяються на темному фоні.
Колоїдні розчини утворюються від
розчинення у воді деяких високомолекулярних речовин, наприклад білків. Їх також дістають в результаті деяких
хімічних реакцій. Так, при взаємодії розчинів силікатів з кислотами виділяється
кремнієва кислота, яка з водою утворює колоїдний розчин.
Характерна властивість колоїдних розчинів — їх прозорість. У цьому їх
подібність до істинних розчинів. Але якщо крізь колоїдний розчин пропустити
промінь світла, то утворюється
світний конус . Цим вони відрізняються
від істинних розчинів.
На відміну від суспензій і емульсій колоїдні розчини відстоюються тривалий час. Це пояснюється тим, що частинки
колоїдних розчинів порівняно малі і перебувають у постійному русі.
Може виникнути запитання: чому від
взаємних зіткнень колоїдні частинки не злипаються? Це пояснюється тим, що речовина
в колоїдному, тобто в подрібненому, стані має велику поверхню зіткнення і
адсорбує або позитивно, або негативно заряджені іони. Наприклад, під час
добування кремнієвої кислоти її
молекули адсорбують силікат-іон SіО32- , які утворюються
в розчині:
nН2SO3 +mSіО32- = [Н2SіОз]n*mSіО32-
Частинки з
однойменними зарядами взаємно відштовхуються і тому не злипаються.
Під час нагрівання, а також введення електролітів
колоїдні частинки втрачають заряд, починають злипатися, укрупнюватись, а потім
осідають. Злипання колоїдних частинок
дістало назву коагуляції.
Колоїдні
розчини дуже поширені в природі і відіграють важливу роль у фізіологічних
процесах. Так, білок яйця, плазма крові — колоїди. Колоїдні розчини є також у
грунті. Багато продуктів харчування (молоко, какао) — також колоїдні розчини.
До колоїдів належать різні клеї, лаки і фарби.
Багато речовин
у колоїдному стані використовують як каталізатори. Дуже подрібнені фарби мають
кращу покривну властивість.
Деякі колоїдні
розчини під час коагуляції утворюють драглеподібну масу, яку називають гелем (драглем).
Наприклад, З %-ний розчин агару в теплій водіперетворюється в гель. Це
пояснюється тим, що колоїдні частинки зв'язують із розчину значну кількість
молекул води. Приклади гелів вам відомі з повсякденного життя — це желе,
мармелад, м'ясний холодець, кисле молоко та ін.
Гелі нестійкі, бо вода, зв'язана з колоїдними
частинками, з часом або від нагрівання відокремлюється. Так із кислого молока
добувають сироватку і сир. Процес самовільного виділення води із гелю називають
синерезисом.