Enamik meid ümbritsevatest ainetest on erinevate ainete segud, seega on nende omaduste uurimisel oluline roll keemia, meditsiini, toiduainetööstuse ja teiste majandusharude arengus. Artiklis käsitletakse küsimusi, mis on hajutuse aste ja kuidas see mõjutab süsteemi omadusi.
Mis on hajutatud süsteemid?
Enne dispersiooniastme üle arutlemist on vaja selgitada, milliste süsteemide puhul saab seda kontseptsiooni rakendada.
Kujutame ette, et meil on kaks erinevat ainet, mis võivad keemilise koostise poolest üksteisest erineda, näiteks lauasool ja puhas vesi, või agregatsiooni olekus, näiteks sama vesi vedelal ja tahkel kujul (jää) olekud. Nüüd peate need kaks ainet võtma ja segama ning intensiivselt segama. Mis saab olema tulemus? See sõltub sellest, kas keemiline reaktsioon toimus segamise ajal või mitte. Hajussüsteemidest rääkides arvatakse, et kui nadmoodustises reaktsiooni ei toimu, see tähendab, et algained säilitavad oma struktuuri mikrotasandil ja neile omased füüsikalised omadused, nagu tihedus, värvus, elektrijuhtivus ja muud.
Seega on hajutatud süsteem mehaaniline segu, mille tulemusena seguneb omavahel kaks või enam ainet. Selle moodustamisel kasutatakse mõisteid "dispersioonkeskkond" ja "faas". Esimesel on süsteemisisese järjepidevuse omadus ja seda leidub selles reeglina suhteliselt suures koguses. Teist (hajunud faasi) iseloomustab katkestuse omadus, see tähendab, et süsteemis on see väikeste osakeste kujul, mida piirab pind, mis eraldab neid keskkonnast.
Homogeensed ja heterogeensed süsteemid
On selge, et need kaks hajutatud süsteemi komponenti erinevad oma füüsikaliste omaduste poolest. Näiteks kui visata liiva vette ja segada, on selge, et vees leiduvad liivaterad, mille keemiline valem on SiO2, ei erine. mingil moel olekust, mil nad vees ei olnud. Sellistel juhtudel räägitakse heterogeensusest. Teisisõnu on heterogeenne süsteem mitme (kahe või enama) faasi segu. Viimase all mõeldakse süsteemi mingit lõplikku mahtu, mida iseloomustavad teatud omadused. Ül altoodud näites on meil kaks faasi: liiv ja vesi.
Kuid hajutatud faasi osakeste suurus mis tahes keskkonnas lahustumisel võib muutuda nii väikeseks, et ei näita enam oma individuaalseid omadusi. Sel juhul räägitaksehomogeensed või homogeensed ained. Kuigi need sisaldavad mitut komponenti, moodustavad nad kõik ühe faasi kogu süsteemi mahu ulatuses. Homogeense süsteemi näide on NaCl lahus vees. Kui see lahustub, laguneb NaCl kristall interaktsiooni tõttu polaarsete molekulidega H2O eraldi katioonideks (Na+) ja anioonideks (Cl-). Need segunevad homogeenselt veega ning sellises süsteemis ei ole enam võimalik lahustunud aine ja lahusti vahelist liidest leida.
Osakeste suurus
Milline on dispersiooniaste? Seda väärtust tuleb üksikasjalikum alt kaaluda. Mida ta esindab? See on pöördvõrdeline hajutatud faasi osakeste suurusega. Just see omadus on kõigi vaadeldavate ainete klassifitseerimise aluseks.
Hajutatud süsteeme õppides satuvad õpilased sageli oma nimedesse segadusse, kuna usuvad, et nende klassifikatsioon põhineb ka liitmisseisundil. See ei ole tõsi. Erineva agregatsiooniastmega segudel on tõesti erinevad nimed, näiteks emulsioonid on vesiained ja aerosoolid viitavad juba gaasifaasi olemasolule. Dispergeeritud süsteemide omadused sõltuvad aga peamiselt neis lahustunud faasi osakeste suurusest.
Üldtunnustatud klassifikatsioon
Hajusüsteemide klassifikatsioon dispersiooniastme järgi on toodud allpool:
- Kui osakeste tingimuslik suurus on väiksem kui 1 nm, nimetatakse selliseid süsteeme reaalseteks ehk tõelisteks lahendusteks.
- Kui tingimuslik osakeste suurus jääb vahemikku 1 nm ja100 nm, siis nimetatakse kõnealust ainet kolloidlahuseks.
- Kui osakesed on suuremad kui 100 nm, siis räägime suspensioonidest või suspensioonidest.
Seoses ül altoodud klassifikatsiooniga selgitame kahte punkti: esiteks on antud arvud indikatiivsed, st süsteem, milles osakeste suurus on 3 nm, ei pruugi olla kolloid, see võib olla ka tõene. lahendus. Seda saab kindlaks teha selle füüsikalisi omadusi uurides. Teiseks võite märgata, et loendis kasutatakse väljendit "tingimuslik suurus". See on tingitud asjaolust, et süsteemis olevate osakeste kuju võib olla täiesti suvaline ja üldiselt keeruka geomeetriaga. Seetõttu räägivad nad nende keskmisest (tingimuslikust) suurusest.
Hiljem artiklis kirjeldame lühid alt mainitud hajutatud süsteemide tüüpe.
Tõelised lahendused
Nagu eespool mainitud, on osakeste dispersiooniaste reaalsetes lahustes nii kõrge (nende suurus on väga väike, < 1 nm), et nende ja lahusti (keskkonna) vahel puudub liides. on ühefaasiline homogeenne süsteem. Teabe täielikkuse huvides tuletame meelde, et aatomi suurus on suurusjärgus üks angströmi (0,1 nm). Viimane number näitab, et osakesed reaalsetes lahustes on aatomi suurusega.
Tõeliste lahuste peamised omadused, mis eristavad neid kolloididest ja suspensioonidest, on järgmised:
- Lahuse olek püsib suvaliselt pikka aega muutumatuna, see tähendab, et hajutatud faasi sadet ei teki.
- Lahutatudainet ei saa lahustist eraldada filtrimisega läbi tavalise paberi.
- Aine ei eraldu ka poorse membraani läbimise protsessi tulemusena, mida keemias nimetatakse dialüüsiks.
- Laudust ainet on võimalik lahustist eraldada ainult viimase agregatsiooni olekut muutes, näiteks aurustamise teel.
- Ideaalsete lahenduste jaoks võib läbi viia elektrolüüsi, st elektrivoolu saab läbi lasta, kui süsteemile rakendatakse potentsiaalide erinevust (kaks elektroodi).
- Nad ei haju valgust.
Tõeliste lahenduste näide on erinevate soolade segamine veega, näiteks NaCl (lauasool), NaHCO3 (söögisoodat), KNO 3(kaaliumnitraat) ja teised.
kolloidlahused
Need on vahesüsteemid tegelike lahenduste ja vedrustuste vahel. Siiski on neil mitmeid ainulaadseid omadusi. Loetleme need:
- Need on mehaaniliselt stabiilsed suvaliselt pikka aega, kui keskkonnatingimused ei muutu. Piisab süsteemi soojendamisest või selle happesuse (pH väärtuse) muutmisest, kuna kolloid koaguleerub (sadeneb).
- Neid ei eraldata filterpaberiga, kuid dialüüsiprotsess viib dispergeeritud faasi ja keskkonna eraldamiseni.
- Nagu tõelisi lahuseid, saab ka neid elektrolüüsida.
- Läbipaistvatele kolloidsüsteemidele on iseloomulik nn Tyndalli efekt: valguskiire läbimisel seda süsteemi näete. See on seotudelektromagnetlainete hajumine spektri nähtavas osas igas suunas.
- Võime adsorbeerida teisi aineid.
Kolloidsüsteemid on loetletud omaduste tõttu inimeste poolt laialdaselt kasutusel erinevates tegevusvaldkondades (toiduainetööstus, keemia) ning neid leidub sageli ka looduses. Kolloidi näide on või, majonees. Looduses on need udud, pilved.
Enne viimase (kolmanda) hajutatud süsteemide klassi kirjeldamise juurde asumist selgitame üksikasjalikum alt mõnda kolloidide nimetatud omadust.
Mis on kolloidlahused?
Seda tüüpi hajutatud süsteemide puhul saab anda klassifikatsiooni, võttes arvesse keskkonna ja selles lahustunud faasi erinevaid agregaatolekuid. Allpool on vastav tabel/
| Kolmapäev/etapp | Gas | Vedel | Jäik kere |
| gaas | kõik gaasid lahustuvad üksteises lõpmatult, seega moodustavad nad alati tõelised lahused | aerosool (udu, pilved) | aerosool (suits) |
| vedelik | vaht (raseerimine, vahukoor) | emulsioon (piim, majonees, kaste) | sol (akvarellid) |
| tugev keha | vaht (pimsskivi, gaseeritud šokolaad) | geel (želatiin, juust) | sol (rubiinkristall, graniit) |
Tabel näitab, et kolloidaineid leidub kõikjal, nii igapäevaelus kui ka looduses. Pange tähele, et sarnase tabeli võib anda ka vedrustuste jaoks, pidades meeles, et erinevus onkolloidid neis on ainult hajutatud faasi suuruses. Kuid vedrustused on mehaaniliselt ebastabiilsed ja seetõttu on need vähem praktilised kui kolloidsüsteemid.
Kolloidide mehaanilise stabiilsuse põhjus
Miks võib majonees külmkapis pikka aega lebada ja selles olevad hõljuvad osakesed ei sadestu? Miks ei "kuku" vees lahustunud värviosakesed lõpuks anuma põhja? Vastus neile küsimustele on Browni liikumine.
Sellise liikumise avastas 19. sajandi esimesel poolel inglise botaanik Robert Brown, kes jälgis mikroskoobi all, kuidas väikesed õietolmuosakesed vees liiguvad. Füüsikalisest vaatenurgast on Browni liikumine vedelikumolekulide kaootilise liikumise ilming. Selle intensiivsus suureneb, kui vedeliku temperatuuri tõsta. Just seda tüüpi liikumine põhjustab kolloidsete lahuste väikeste osakeste suspensiooni.
Adsorptsiooniomadus
Hajutus on osakeste keskmise suuruse pöördväärtus. Kuna see suurus kolloidides jääb vahemikku 1 nm kuni 100 nm, on neil väga arenenud pind, st suhe S / m on suur väärtus, siin on S kahe faasi vaheline liidese kogupindala (dispersioonikeskkond). ja osakesed), m - osakeste kogumass lahuses.
Hajutatud faasi osakeste pinnal asuvatel aatomitel on küllastumata keemilised sidemed. See tähendab, et nad võivad moodustada ühendeid teistegamolekulid. Reeglina tekivad need ühendid van der Waalsi jõudude või vesiniksidemete mõjul. Nad suudavad hoida kolloidosakeste pinnal mitu kihti molekule.
Klassikaline adsorbendi näide on aktiivsüsi. See on kolloid, kus dispersioonikeskkond on tahke aine ja faas on gaas. Selle eripind võib ulatuda 2500 m2/g.
Peenusaste ja eripind
S/m arvutamine ei ole lihtne ülesanne. Fakt on see, et kolloidlahuses olevad osakesed on erineva suuruse, kujuga ja iga osakese pinnal on ainulaadne reljeef. Seetõttu viivad teoreetilised meetodid selle probleemi lahendamiseks kvalitatiivsete, mitte kvantitatiivsete tulemusteni. Sellest hoolimata on kasulik anda eripinna valem dispersiooniastme järgi.
Kui eeldame, et süsteemi kõik osakesed on sfäärilise kujuga ja ühesuurused, siis saadakse sirgjooneliste arvutuste tulemusena järgmine avaldis: Sud=6/(dρ), kus Sud - pindala (spetsiifiline), d - osakese läbimõõt, ρ - aine tihedus, millest see koosneb. Valemist on näha, et kõige väiksemad ja raskemad osakesed annavad vaadeldavale kogusele suurima panuse.
Eksperimentaalne viis Sud määramiseks on arvutada uuritava aine poolt adsorbeeritud gaasi maht, samuti mõõta pooride suurust (dispergeeritud faas) selles.
Külmkuivatamine jalüofoobne
Lüofiilsus ja lüofoobsus – need on omadused, mis tegelikult määravad hajussüsteemide klassifikatsiooni olemasolu ül altoodud kujul. Mõlemad mõisted iseloomustavad jõusidemeid lahusti ja lahustunud aine molekulide vahel. Kui see suhe on suur, räägivad nad lüofiilsusest. Seega on kõik tõelised soolade lahused vees lüofiilsed, kuna nende osakesed (ioonid) on elektriliselt ühendatud polaarsete molekulidega H2O. Kui arvestada selliseid süsteeme nagu või või majonees, siis on tegemist tüüpiliste hüdrofoobsete kolloidide esindajatega, kuna neis olevad rasva (lipiidide) molekulid tõrjuvad polaarseid molekule H2O.
Oluline on märkida, et lüofoobsed (hüdrofoobsed, kui lahustiks on vesi) süsteemid on termodünaamiliselt ebastabiilsed, mis eristab neid lüofiilsetest.
Peatamise omadused
Mõelge nüüd dispergeeritud süsteemide viimasele klassile – suspensioonidele. Tuletame meelde, et neid iseloomustab asjaolu, et nende väikseim osake on suurem või suurusjärgus 100 nm. Millised omadused neil on? Vastav loend on toodud allpool:
- Need on mehaaniliselt ebastabiilsed, mistõttu moodustuvad lühikese aja jooksul setted.
- Need on hägused ja päikesevalgusele läbipaistmatud.
- Faasi saab eraldada kandjast filterpaberiga.
Looduses esinevate suspensioonide näideteks on jõgede mudane vesi või vulkaaniline tuhk. Suspensioonide kasutamine inimestel on seotud kuitavaliselt koos ravimitega (ravimilahused).
Koagulatsioon
Mida saab öelda erineva dispersiooniastmega ainete segude kohta? Osaliselt on seda teemat artiklis juba käsitletud, kuna igas hajutatud süsteemis on osakeste suurus teatud piirides. Siin käsitleme ainult ühte kummalist juhtumit. Mis juhtub, kui segate kolloidi ja tõelise elektrolüüdilahuse? Kaalutud süsteem puruneb ja selle hüübimine toimub. Selle põhjuseks on tõeliste lahuse ioonide elektriväljade mõju kolloidosakeste pinnalaengule.
