В навколишньому світі чисті речовини зустрічаються вкрай рідко, в основному більшість речовин на землі та в атмосфері – це різноманітні суміші, що містять більше двох компонентів. Частинки розміром приблизно від 1 нм (кілька молекулярних розмірів) до 10 мкм називаються дисперсними(Лат. dispergo - розсіювати, розпорошувати). Різноманітні системи (неорганічні, органічні, полімерні, білкові), у яких хоча б одна з речовин знаходиться у вигляді таких частинок, називаються дисперсними. Дисперсні - це гетерогенні системи, що складаються з двох або більше фаз із сильно розвиненою поверхнею поділу між ними або суміш, що складається як мінімум з двох речовин, які абсолютно або практично не змішуються одна з одною і не реагують одна з одною хімічно. Одна з фаз – дисперсна фаза – складається з дуже дрібних частинок, розподілених на іншій фазі – дисперсійному середовищі.

Дисперсна система

За агрегатним станом дисперсні частинки можуть бути твердими, рідкими, газоподібними, у багатьох випадках мають складну будову. Дисперсійні середовища також бувають газоподібними, рідкими та твердими. У вигляді дисперсних систем існує більшість реальних тіл навколишнього світу: морська вода, ґрунти та ґрунти, тканини живих організмів, багато технічних матеріалів, харчові продуктита ін.

Класифікація дисперсних систем

Незважаючи на численні спроби запропонувати єдину класифікацію цих систем, вона досі відсутня. Причина полягає в тому, що в будь-якій класифікації приймаються як критерій не всі властивості дисперсних систем, а лише одне з них. Розглянемо найпоширеніші класифікації колоїдних та мікрогетерогенних систем.

У будь-якій галузі знань, коли доводиться стикатися зі складними об'єктами та явищами, для полегшення та встановлення певних закономірностей доцільно класифікувати їх за тими чи іншими ознаками. Це стосується й області дисперсних систем; у час їм було запропоновано різні принципи класифікації. За інтенсивністю взаємодії речовин дисперсійного середовища та дисперсної фази розрізняють ліофільні та ліофобні колоїди. Нижче стисло викладено інші прийоми класифікації дисперсних систем.

Класифікація щодо наявності або відсутності взаємодіїміж частинками дисперсної фазиВідповідно до цієї класифікації дисперсні системи ділять на вільнодисперсні та зв'язнодисперсні; класифікація застосовна до колоїдних розчинів та до розчинів високомолекулярних сполук.

До вільнодисперсних систем відносять типові колоїдні розчини, суспензії, суспензії, різноманітні розчини високомолекулярних сполук, які мають плинність, як звичайні рідини та розчини.

До зв'язнодисперсних відносять так звані структуровані системи, в яких в результаті взаємодії між частинками виникає просторова ажурна сітка-каркас, і система в цілому набуває властивостей напівтвердого тіла. Наприклад, золі деяких речовин і розчини високомолекулярних сполук при зниженні температури або зі зростанням концентрації вище за відому межу, не зазнаючи зовні будь-яких змін, втрачають плинність - желатинують (застудніють), переходять у стан гелю (студня). Сюди можна віднести концентровані пасти, аморфні опади.

Класифікація дисперсності.Фізичні властивості речовини не залежать від розмірів тіла, але за високого ступеня подрібнення стають функцією дисперсності. Наприклад, золі металів мають різне забарвлення в залежності від ступеня подрібнення. Так, колоїдні розчини золота гранично високої дисперсності мають пурпуровий колір, менш дисперсні – синій, ще менш – зелений. Є підстави вважати, що інші властивості золей однієї й тієї ж речовини змінюються в міру подрібнення: Напрошується природний критерій класифікації колоїдних систем з дисперсності, т. е. поділ області колоїдного стану (10 -5 -10 -7 см) ряд більш вузьких інтервалів. Така класифікація була свого часу запропонована, але вона виявилася марною, оскільки колоїдні системи практично завжди полідисперсні; монодисперсні зустрічаються дуже рідко. До того ж, ступінь дисперсності може змінюватися в часі, тобто залежить від віку системи.

Загальні уявлення про дисперсні системи

Хімічна взаємодія в гомогенних реакційвідбувається при ефективних зіткненнях активних частинок, а в гетерогенних - на поверхні розділу фаз при контакті реагуючих речовин, причому швидкість і механізм реакції залежать від площі поверхні, яка тим більше, чим сильніше розвинена поверхня. З цього погляду особливий інтерес становлять дисперсні системи, що мають високу питому поверхню.

Дисперсна система – це суміш, що складається як мінімум з двох речовин, які не реагують одна з одною хімічно і мають практично повну взаємну нерозчинність. Дисперсна система - це система, у якій дуже подрібнені частинки однієї речовини рівномірно розподілені обсягом іншого.

Розглядаючи дисперсні системи, розрізняють два поняття: дисперсна фаза та дисперсійне середовище (рис. 10.1).

Дисперсна фаза – це сукупність частинок диспергованої до дрібних розмірів речовини, рівномірно розподілених обсягом іншої речовини. Ознаками дисперсної фази є роздробленість та уривчастість.

Дисперсійне середовище- Це речовина, в якій рівномірно розподілені частинки дисперсної фази. Ознакою дисперсійного середовища є її безперервність.

Дисперсну фазу можна відокремити від дисперсійного середовища фізичним способом (центрифугуванням, сепаруванням, відстоюванням тощо).

Рисунок 10.1 – Дисперсна система: частинки дисперсної фази s (у вигляді дрібних твердих частинок, кристаликів, крапель рідини, бульбашок газу, асоціатів молекул або іонів), що володіють адсорбційним шаром d, розподілені в однорідному безперервному дисперсійному середовищі f.

Дисперсні системи класифікують за різними відмітними ознаками: дисперсності, агрегатного стану дисперсної фази та дисперсійного середовища, інтенсивності взаємодії між ними, відсутності чи утворенню структур у дисперсних системах.

Класифікація за ступенем дисперсності

Залежно від розмірів частинок дисперсної фази, всі дисперсні системи умовно поділяються на три групи (рис. 10.2).

Рисунок 10.2 – Класифікація дисперсних систем за розміром частинок (для порівняння наведено розміри частинок у дійсних розчинах)

1. Грубодисперсні системи , у яких розмір часток більше 1мкм (10 –5 м). Для цієї групи дисперсних систем характерні такі ознаки: частинки дисперсної фази осідають (або спливають) у полі гравітаційних сил, не проходять крізь паперові фільтри; їх можна розглянути у звичайному мікроскопі. До грубодисперсних систем відносяться суспензії, емульсії, пил, піна, аерозолі тощо.

Суспензія – це дисперсна система, в якій дисперснийфазою є тверда речовина, А дисперсійним середовищем – рідина.

Прикладом суспензії може бути система, що утворюється під час збовтування глини або крейди у воді, фарби, пасти.

Емульсія - це дисперсна система, у якій рідка дисперсна фаза рівномірно розподілена обсягом рідкої дисперсійної середовища, тобто. емульсія складається з двох взаємно нерозчинних рідин.

Як приклад емульсій можна назвати молоко (у ньому дисперсною фазою виступають краплі рідкого жиру, а дисперсійним середовищем – вода), вершки, майонез, маргарин, морозиво.

При відстоюванні суспензії та емульсії поділяються (розшаровуються) на складові: дисперсну фазу та дисперсійне середовище. Так, якщо енергійно збовтати бензол з водою, то утворюється емульсія, яка згодом поділяється на два шари: верхній бензольний і нижній водний. Для запобігання розшаровування емульсій до них додають емульгатори- Речовини, що надають емульсіям агрегатну стабільність.

Піна – пориста грубодисперсна система, в якій дисперсною фазою є сукупність бульбашок газу (або пари), а дисперсійним середовищем – рідина.

У пінах загальний обсяг газу, що знаходиться в бульбашках, може в сотні разів перевищувати об'єм рідкого дисперсійного середовища, укладеного в прошарках між бульбашками газу.

2. Мікрогетерогенні (аботонкодисперсні ) проміжні системи, в яких розмір часток коливається в межах 10 – 5 –10 –7 м. До них відносяться тонкі суспензії, дими, пористі тверді тіла.

3. Ультрамікрогетерогенні (абоколоїдно-дисперсні ) системи, в яких частинки розміром 1-100 нм (10–9 –10 –7 м) складаються з 10 3_ 10 9 атомів та відокремлені від розчинника поверхнею розділу. Колоїдні розчини характеризуються гранично-високодисперсним станом, їх зазвичай називаютьзолі , або часто ліозоліЩоб підкреслити, що дисперсійним середовищем є рідина. Якщо як дисперсійне середовище взята вода, то такі золі називаютьгідрозолями, а якщо органічна рідина -органозолями.

Для більшості тонкодисперсних систем властиві певні особливості:

невисока швидкість дифузії;

частинки дисперсної фази (тобто колоїдні частинки) можна розглянути лише за допомогою ультрамікроскопа або електронного мікроскопа;

розсіювання світла колоїдними частинками, внаслідок чого в ультрамікроскопі вони набувають вигляду світлових плям – ефект Тіндаля (рис. 10.3);

Малюнок 10.3 – Ультрамікрогетерогенна (тонкодисперсна) система: а) колоїдний розчин; б) схема відхилення вузького променя світла під час проходження через колоїдний розчин; в) розсіювання світла колоїдним розчином (ефект Тіндаля)

на поверхні розділу фаз у присутності стабілізаторів (іонів електролітів) утворюється іонний шар або сольватна оболонка, що сприяють існуванню частинок суспендованому вигляді;
дисперсна фаза є або зовсім нерозчинною, або трохи розчинною в дисперсійному середовищі.

Як приклади колоїдних частинок можна навести крохмаль, білки, полімери, каучук, мила, Алюміній та Ферум (III) гідроксиди.

Класифікація дисперсних систем співвідношенню агрегатних станів дисперсної фази та дисперсійного середовища

Ця класифікація запропонована Оставльдом (табл. 10.1). При схематичному записі агрегатного стану дисперсних систем першим вказують літерами Г (газ), Ж (рідина) або Т (тверде) агрегатний стандисперсної фази, а потім ставлять тире (або знак дробу) та записують агрегатний стан дисперсійного середовища.

Таблиця 10.1 - Класифікація дисперсних систем

Класифікація дисперсних систем з інтенсивності молекулярної взаємодії

Ця класифікація запропонована Г. Фрейндліхом і застосовується виключно для систем з рідким дисперсійним середовищем.

Ліофільні системи , В яких дисперсна фаза взаємодіє з дисперсійним середовищем і за певних умов здатна в ній розчинятися - це розчини колоїдних поверхнево-активних речовин (ПАР), розчини високомолекулярних сполук (ВМС). Серед різноманітних ліофільних систем найбільш важливі у практичному відношенні ПАР, які можуть бути як у молекулярно-розчиненому стані, так і у вигляді агрегатів (міцел), що складаються з десятків, сотень і більше молекул.
Ліофобні системи , В яких дисперсна фаза не здатна взаємодіяти з дисперсійним середовищем і розчинятися в ній. У ліофобних системах взаємодія між молекулами різних фаз значно слабша, ніж у разі ліофільних систем; міжфазний поверхневий натяг велике, внаслідок чого система виявляє тенденцію до мимовільного укрупнення частинок дисперсної фази.

Класифікація дисперсних систем за фізичним станом

Автор класифікації П.Ребіндером. За цією класифікацією дисперсна система позначається дробом, у якому дисперсна фаза ставиться в чисельнику, а дисперсійне середовище – у знаменнику. Наприклад: Т 1 /Ж 2 позначає дисперсну систему з твердою фазою (індекс 1) та рідким дисперсійним середовищем (індекс 2). Класифікація по Ребіндеру ділить дисперсні системи на два класи:

1. Вільнодисперсні системи - золі, в яких дисперсна фаза не утворює суцільних жорстких структур (сіток, ферм або каркасів), має плинність, а частинки дисперсної фази не контактує один з одним, беручи участь у безладному тепловому русі і вільно переміщаючись під дією сили тяжіння. До них відносяться аерозолі, ліозолі, розбавлені суспензії та емульсії.

Приклади вільнодисперсних систем:

Дисперсні системи в газах з колоїдною дисперсністю (Т1/Г2 – пил у верхніх шарах атмосфери, аерозолі), з грубою дисперсністю (Т1/Г2 – дими та Ж1/Г2 – тумани);
Дисперсні системи в рідинах з колоїдною дисперсністю (Т 1 /Ж 2 - ліозолі, дисперсні барвники у воді, латекси синтетичних полімерів), з грубою дисперсністю (Т 1 /Ж 2 - суспензії; Ж 1 /Ж 2 - рідкі емульсії; Г 1 / Ж 2 - газові емульсії);
Дисперсні системи в твердих тілах: Т 1 /Т 2 - тверді золі, наприклад, золь жовтого металу у склі, пігментовані волокна, наповнені полімери.

2. Зв'язнодисперсні (або суцільні) системи . У суцільних (зв'язково-дисперсних) системах частинки дисперсної фази утворюють жорсткі просторові структури. Такі системи чинять опір деформації зсуву. Зв'язнодисперсні системи твердоподібні; вони виникають при контакті частинок дисперсної фази, що призводить до утворення структури у вигляді каркаса або сітки, що обмежує плинність дисперсної системи і здатність зберігати форму. Подібні структуровані колоїдні системи називають гелями.

Приклади складнодисперсних систем:

Дисперсні системи з рідкою поверхнею розділу фаз (Г 1 /Ж 2 - піни; Ж1 / Ж 2 - піноподібні емульсії);
Дисперсні системи з твердою поверхнею розділу фаз (Г1/Т2 – пористі тіла, натуральні волокна, пемза, губка, деревне вугілля; Ж1/Т2 – волога в граніті; Т1/Т2 – взаємопроникні сітки полімерів).

Отримання та очищення колоїдних розчинів

Одержання колоїдних розчинів

Колоїдні розчини можуть бути отриманідиспергаційнимиабо до онденсаційнимиметодами.

1. Диспергаційні методи- це способи одержання ліофобних золів шляхом дроблення великих шматків до агрегатів колоїдних розмірів.

Механічнедроблення грубодисперсних систем здійснюється шляхом: роздроблення, удару, стирання, розщеплення. Подрібнення частинок до розмірів у кілька десятків мікронів здійснюється за допомогою кульових млинів.Дуже тонке роздроблення (до 0,1-1 мікрона) досягається на спеціальнихколоїдних млинахз вузьким зазором між ротором, що швидко обертається (10-20 тис.об/хв) і нерухомим корпусом, причому частинки розриваються або стираються в зазорі.Роботами П. А. Ребіндера встановлено явище зниження опору твердих тіл пружним та пластичним деформаціям, а також механічному руйнуванню під впливом адсорбції поверхнево-активних речовин. Поверхнево-активні речовини полегшують диспергування та сприяють значному підвищенню ступеня дисперсності.

2. Конденсаційні методи- це способи отримання колоїдних розчинів шляхом поєднання (конденсації) молекул та іонів в агрегати колоїдних розмірів. Система з гомогенної перетворюється на гетерогенну, тобто виникає нова фаза (дисперсна фаза). Обов'язковою умовою є пересиченістьвихідної системи.

Конденсаційні методи класифікують за природою сил, що викликають конденсацію, на фізичну конденсацію та хімічну конденсацію.

Фізична конденсаціяможе здійснюватися з пар або шляхом заміни розчинника.

Конденсація із пари.Початкова речовина знаходиться в парі. При зниженні температури пара стає пересиченою і частково конденсується, утворюючи дисперсну фазу. Таким шляхом отримують гідрозолі ртуті та деяких інших металів.

Метод заміни розчинника.Метод заснований на зміні складу та властивостей дисперсійного середовища. Наприклад, спиртовий розчин сірки, фосфору або каніфолі влити у воду, внаслідок зниження розчинності речовини в новому розчиннику розчин стає пересиченим і частина речовини конденсується, утворюючи частинки дисперсної фази.

Хімічна конденсаціяполягає в тому, що речовина, що утворює дисперсну фазу, виходить в результаті хімічної реакції. Щоб у ході реакції утворився колоїдний розчин, а не істинний розчин або осад, необхідно дотримання принаймні трьох умов:

речовина дисперсної фази нерозчинна в дисперсійному середовищі;
швидкість утворення зародків кристалів дисперсної фази набагато більша, ніж швидкість росту кристалів; ця умова виконується зазвичай тоді, коли концентрований розчин одного компонента вливається у сильно розведений розчин іншого компонента при інтенсивному перемішуванні;
одна з вихідних речовин взята в надлишку, саме вона є стабілізатором.

Методи очищення колоїдних розчинів.

Отримані у той чи інший спосіб колоїдні розчини зазвичай очищають від низькомолекулярних домішок (молекул та іонів). Видалення цих домішок здійснюється методами діалізу (електродіаліз), ультрафільтрації.

Діаліз– метод очищення за допомогою напівпроникної мембрани, яка відокремлює колоїдний розчин від чистого дисперсійного середовища. Як напівпроникну (тобто проникну для молекул та іонів, але непроникну для частинок дисперсної фази) мембрани застосовують пергамент, целофан, колодій, керамічні фільтри та інші тонкопористі матеріали. Внаслідок дифузії низькомолекулярні домішки переходять у зовнішній розчин.

Ультрафільтрацієюназивається діаліз, що проводиться під тиском у внутрішній камері. Фактично, ультрафільтрація не методом очищення золів, лише методом їх концентрування.

Оптичні властивості колоїдних розчинів

При падінні світла на дисперсну систему можуть спостерігатися такі явища:

проходження світла через систему;
заломлення світла частинками дисперсної фази (якщо ці частинки є прозорими);
відображення світла частинками дисперсної фази (якщо частки непрозорі);
розсіювання світла;
абсорбція (поглинання) світла дисперсною фазою.

Розсіювання світла спостерігається для систем, в яких частинки дисперсної фази менші, або можна порівняти з довжиною хвилі падаючого світла. Нагадаємо, що розміри частинок дисперсної фази в колоїдних розчинах - 10 -7 -10 -9 м. Отже, світлорозсіювання є характерним явищем для колоїдних систем, що вивчаються нами.

Теорію світлорозсіювання створив Релей. Він вивів рівняння, яке пов'язує інтенсивність розсіяного світла I з інтенсивністю падаючого світла I 0 . справедливе за умови, що:

частинки мають сферичну форму;
частки не проводять електричний струм(тобто є неметалевими);
частинки не поглинають світло, тобто є безбарвними;
колоїдний розчин є розведеним у такій мірі, що відстань між частинками більша за довжину хвилі падаючого світла.

Рівняння Релея:

де V - Об'єм однієї частинки,
λ - довжина хвилі;
n 1 - Показник заломлення частки;
n про - показник заломлення середовища.

З рівняння Релея випливають такі висновки:

Інтенсивність розсіяного світла тим більше, чим більше відрізняються показники заломлення частки та середовища (n 1 - п 0 ).
Якщо показники заломлення п 1 і n 0 однакові, то світлорозсіяння буде відсутнє і в неоднорідному середовищі.
Інтенсивність розсіяного світла тим більше, що більше часткова концентрація v. Масова концентрація c, г/дм 3 якої зазвичай користуються при приготуванні розчинів, пов'язана з частковою концентрацією виразом:

де ρ – щільність частинки.

Слід зазначити, що ця залежність зберігається лише області малих розмірів частинок. Для видимої частини спектра ця умова відповідає значенням 210 -6 см< r < 4 10 -6 см. С увеличением r рост I сповільнюється, а за r > λ, розсіювання замінюється відбитком. Інтенсивність розсіяного світла прямо пропорційна концентрації.

4. Інтенсивність розсіяного світла обернено пропорційна довжині хвилі в четвертому ступені.

Це означає, що при проходженні через колоїдний розчин пучка білого світла переважно розсіюються короткі хвилі – синій та фіолетової частин спектру. Тому безбарвний золь у розсіяному світлі має блакитнувате забарвлення, а в проходить світлі - червонувате. Блакитний колір піднебіння також обумовлений розсіюванням світла найдрібнішими крапельками води в атмосфері. Помаранчевий або червоний колір піднебіння при сході або заході Сонця пояснюється тим, що вранці або ввечері спостерігається, головним чином, світло, що пройшло через атмосферу.

поглинання світла. Рівняння Релея виведено для незабарвлених золів, тобто не поглинають світло. Проте багато колоїдні розчини мають певне забарвлення, тобто. поглинають світло у відповідній області спектру - золь завжди пофарбований у колір, додатковий до поглиненого. Так, поглинаючи синю частину спектра (435-480 нм), золь виявляється жовтою; при поглинанні синювато-зеленої частини (490-500 нм) він набуває червоного забарвлення.Якщо промені всього видимого спектра проходять через прозоре тіло або відбиваються від непрозорого, то прозоре тіло здається безбарвним, а непрозоре – білим. Якщо тіло поглинає випромінювання всього видимого діапазону, воно здається темним.Оптичні властивості колоїдних розчинів, здатних до поглинання світла, можна характеризувати зміни інтенсивності світла при проходженні через систему. Для цього використовують закон Бугера-Ламберта-Бера:

де I 0 - Інтенсивність падаючого світла ; I пр- інтенсивність світла, що пройшов через золь; k - Коефіцієнт поглинання; l- Товщина шару золю; з- Концентрація золю.

Якщо прологарифмувати вираз, отримаємо:

Величину називають оптичною щільністюрозчину . p align="justify"> При роботі з монохроматичним світлом завжди вказують, при якій довжині хвилі була визначена оптична щільність, позначаючи її D λ .

Міцелярна теорія будови колоїдних систем

Розглянемо будову гідрофобної колоїдної частки на прикладі утворення золю AgI обмінною реакцією

АgNO 3 + KI → AgI + KNO 3 .

Якщо речовини беруться в еквівалентних кількостях, випадає кристалічний осад AgI . Але, якщо одна з вихідних речовин буде надлишком, наприклад КI, процес кристалізації AgI веде до утворення колоїдного розчину - міцели AgI.

Схема будови міцели гідрозолю AgI показано на рис.10.4.

Малюнок 10.4 – Схема міцели гідрозолю AgI, що утворилася при надлишку KI

Агрегат молекул [mAgI] кількістю 100-1000 (мікрокристалів) - ядро, є зародком нової фази, на поверхні якого відбувається адсорбція іонів електроліту, що знаходяться в дисперсійному середовищі. Згідно з правилом Панета - Фаянса краще адсорбуються іони, однакові з іонами, які входять до кристалічних ґрат ядра і добудовують ці ґрати. Іони, які адсорбуються безпосередньо на ядрі, називаються потенціаловизначальніоскільки вони визначають величину потенціалу і знак заряду поверхні, а також і знак заряду всієї частинки. Потенціаловизначальними іонами в даній системі є іони I - , які перебувають у надлишку, входять до складу кристалічних ґратядра AgI виконують роль стабілізаторів і складають внутрішню оболонку в жорсткій частині подвійного електричного шару (ДЕС) міцели. Агрегат з адсорбованими на ньому іонами I утворює ядро міцели.

До негативно зарядженої поверхні частинок AgI на відстані, близькій до радіусу гідратованого іона, з розчину притягуються іони протилежного знака(протиіони) - позитивно заряджені іони К+. Шар протиіонів - зовнішня оболонка подвійного електричного шару (ДЕС), що утримується як електростатичними силами, так і силами адсорбційного тяжіння. Агрегат молекул разом із твердим подвійним шаром називається колоїдною частинкою-гранула.

Частина протиіонів внаслідок теплового рухурозміщується дифузно навколо гранули і пов'язані з нею тільки за рахунок електростатичних сил. Колоїдні частинки разом з навколишнім дифузним шаром називається міцелла. Міцелла електронейтральна, так як заряд ядра дорівнює заряду всіх протиіонів, а гранула зазвичай має заряд, який називається електрокінетичний або ξ - дзета - потенціал. У скороченому вигляді схему будови міцели для цього прикладу можна записати в такому вигляді:

Одним із основних положень теорії будови колоїдних частинок є уявлення про будову подвійного електричного шару (ДЕС). Згідно з сучасними уявленнями, подвійний електричний шар ДЕСскладається з адсорбційного та дифузійного шарів. Адсорбційний шар складається з:

зарядженої поверхні ядра міцели в результаті адсорбції на ній потенціалвизначальних іонів, які визначають величину потенціалу поверхні та його знак;
шару іонів протилежного знака - протиіонів, які притягуються із розчину до зарядженої поверхні. Адсорбційний шар протиіонівзнаходиться на відстані молекулярного радіусу від зарядженої поверхні. Між цією поверхнею та протиіонами адсорбційного шару існують як електростатичні, так і адсорбційні сили, і тому ці протиіони пов'язані особливо міцно з ядром. Адсорбційний шар дуже щільний, товщина його стала і не залежить від зміни зовнішніх умов(Концентрації електроліту, температури).

Внаслідок теплового руху частина протиіонів проникає вглиб дисперсійного середовища, та їх тяжіння до зарядженої поверхні гранули здійснюється лише за рахунок електростатичних сил. Ці протиіони складають дифузний шар, який менш міцно пов'язаний із поверхнею. Дифузний шар має змінну товщину, яка залежить від концентрації електролітів у дисперсійному середовищі.

При русі твердої та рідкої фаз одна щодо одної виникає розрив ДЕС у дифузній частині і на межі розділу фаз виникає стрибок потенціалу, який називають електрокінетичним ξ - потенціалом(Дета - потенціал). Його величина визначається різницею між загальною кількістюзарядів (φ) потенциалопределяющих іонів і кількістю зарядів протиіонів (ε), які у адсорбційному шарі, тобто. ξ = φ - ε. Падіння міжфазного потенціалу при віддаленні від твердої фази углиб розчину показано на рис.10.5.

Малюнок 10.5 Будова ДЕС

Наявність різниці потенціалів навколо частинок гідрофобного золю перешкоджає їх злипанню при зіткненні, тобто є фактором стійкості агрегатної золя. Якщо кількість дифузних іонів зменшується або прагне нуля, то гранула стає електронейтральною (ізоелектричний стан) і має найменшу стійкість.

Таким чином, величина електрокінетичного потенціалу визначає сили відштовхування, а отже, і агрегатну стійкість колоїдного розчину. Достатня стійкість колоїдного розчину забезпечується при величині електрокінетичного потенціалу ξ = 0,07В, при менших значеннях ξ = 0,03В сили відштовхування занадто слабкі, щоб протистояти агрегації, а тому відбувається коагуляція, яка неминуче закінчується седиментацією.

Величину електрокінетичного потенціалу можна визначити за допомогою приладу для електрофорезу за формулою (10.5):

де η - в'язкість; ϑ – швидкість переміщення частинок; l - відстань між електродами вздовж розчину; Е – електрорушійна сила, D – діелектрична постійна.

Фактори, що впливають на ξ - потенціал:

Наявність у розчині індиферентного електроліту - електроліту, який не містить потенціалозначного іону.

Індиферентний електроліт містить протиіон. У такому разі відбувається стиснення дифузійного шару та падіння ξ і як наслідок – коагуляція.
Індиферентний електроліт містить однознаковий іон з протиіоном, але не сам протиіон. І тут відбувається іонний обмін: протиіон заміщається на іони індиферентного електроліту. Спостерігається падіння ξ, але ступінь падіння залежатиме від природи іона – заступника, його валентності, ступеня гідратованості. Ліотропні ряди катіонів та аніонів – ряди, в яких іони розташовуються по збільшенню їхньої здатності стискати дифузний шар та викликати падіння ξ - потенціалу.

Li + - Na + - NH 4 + - K + - Rb + - Cs + - Mg 2+ - Ca 2+ - Ba 2+ …

CH 3 COO - - F - - NO 3 - - Cl - - I - - Br - - SCN - - OH - - SO 4 2-

2. Додавання розчину електроліту-стабілізатора- електроліту, що містить іон потенціалу, викликає збільшення ξ - потенціалу, а значить сприяє стійкості колоїдної системи, але до певної межі.

Стійкість та коагуляція колоїдних систем

Сучасну теорію стійкості та коагуляції колоїдних систем створювали кілька відомих вчених: Дерягіна, Ландау, Фервей, Овербек і тому її скорочено називаютьтеорія ДЛФО . Відповідно до цієї теорії стійкість дисперсної системи визначається балансом сил тяжіння та відштовхування, що виникають між частинками при їх зближенні в результаті броунівського руху. Розрізняють кінетичну та агрегатну стійкість колоїдних систем.

Кінетична (седиментаційна) стійкість- здатність дисперсних частинок перебувати у зваженому стані та не осідати (не седиментувати). У дисперсних системах, як і природних розчинах, існує броунівський рух. Броунівський рух залежить від розмірів частинок, в'язкості дисперсного середовища, температури тощо. Тонкодисперсні системи (золі), частки яких практично не осідають під дією сили тяжіння, відносяться до кінетично (седиментаційно) стійких. До них також відносяться гідрофільні золі – розчини полімерів, білків тощо. Гідрофобні золі, грубодисперсні системи (суспензії, емульсії) кінетично нестійкі. Вони досить швидко проходить поділ фази та середовища.
Агрегатна стійкість- здатність частинок дисперсної фази зберігати певну міру дисперсності незмінною. У агрегатностійких системах частки дисперсної фази при зіткненні не злипаються і утворюють агрегатів. Але при порушенні агрегатної стійкості колоїдні частинки утворюють великі агрегати з подальшим випаданням дисперсної фази осад. Такий процес називається коагуляцією, і протікає він мимоволі, тому що при цьому зменшується вільна енергіясистеми (ΔG<0) .

До факторів, що впливають на стабільність колоїдних систем, належать:

Наявність електричного заряду дисперсних частинок. Дисперсні частки ліофобних золів мають однаковий заряд, і тому при зіткненні вони відштовхуватимуться одна від одної тим сильніше, чим вище дзета - потенціал. Проте електричний чинник який завжди є визначальним.
Здатність до сольватації (гідратації) стабілізуючих іонів. Чим більше гідратовані (сольватовані) протиіони в дифузному шарі, тим більше загальна гідратна (сольватна) оболонка навколо гранул і тим стабільніша дисперсна система.

Відповідно до теорії при броунівському русі колоїдні частинки вільно зближуються на відстань до 10 -5 див. Характер зміни ван-дер-ваальсових сил тяжіння (1) та електростатичних сил відштовхування (2) між колоїдними частинками показаний на рис. 10.6. Результуюча крива (3) отримана шляхом геометричного додавання відповідних ординат. При мінімальних та великих відстанях між частинками переважає енергія тяжіння (I та II енергетичні мінімуми). У II енергетичному мінімумі енергія зчеплення частинок недостатня для утримання в агрегатованому стані. На середніх відстанях, що відповідають товщині подвійного електричного шару, переважає енергія відштовхування з потенційним бар'єром AB, що перешкоджає злипанню частинок. Практика показує, що при дзета-потенціалі ξ = 70 мВ колоїдні системи характеризуються високим потенційним бар'єром та великою агрегативною стійкістю. Для дестабілізації колоїдної системи, тобто. здійснення процесу коагуляції, необхідно знизити -Потенціал до значень 0 – 3 мВ.

Малюнок 10.6. Потенційні криві взаємодії колоїдних частинок

Коагуляція дисперсних систем

Коагуляція – процес злипання колоїдних частинок. Даний процес протікає порівняно легко під дією різних факторів: введення електролітів, неелектролітів, заморожування, кип'ятіння, перемішування, дії сонячного світла і т.д. електролітичної коагуляції (під впливом електролітів)часто спостерігається іонообмінна адсорбція: іони коагулянту з більшою валентністю або більшим адсорбційним потенціалом витісняють протиіони спочатку дифузного шару, а потім і адсорбційного шару. Обмін відбувається в еквівалентній кількості, але заміна протиіонів призводить до того, що при достатній концентрації електролітів у дисперсному середовищі частки втрачають стійкість і при зіткненні злипаються.

Для електролітичної коагуляції встановлено низку експериментальних загальних правил:

1. Коагуляцію ліофобних золів викликають будь-які електроліти, але з помітною швидкістю вона спостерігається при досягненні певної концентрації електроліту. Поріг коагуляції(С к) - це мінімальна концентрація електроліту, необхідна для початку коагуляції золю. При цьому спостерігаються зовнішні зміни, такі як помутніння розчину, зміна його фарбування і т.д.

де Сел - молярна концентрація електроліту, ммоль/л;
Vел - об'єм розчину електроліту, л;
Vз - об'єм золю, л.

Величина, зворотна порога коагуляції, називається коагулюючою здатністю () електроліту:

де Ск - поріг коагуляції.

2. Правило Шульца – Гарді:

коагулюючу дію виявляє той іон, заряд якого за знаком протилежний заряду поверхні колоїдних частинок (заряду гранули), причому ця дія зростає зі збільшенням валентності іона;
коагулюючий вплив іонів багаторазово збільшується зі збільшенням валентності іонів. Для одно - двох і тривалентних іонів коагулююча дія приблизно відносяться як 1: 50: 500.

Це пояснюється тим, що багатовалентні високозарядні іони коагулянтів значно сильніше притягуються зарядженою поверхнею колоїдної частинки, ніж одновалентні, і значно легше витісняють протиіони з дифузного і навіть адсорбційного шару.

3. Коагулююча дія органічних іонів значно вища, ніж неорганічних. Це пов'язано з їхньою високою адсорбційною здатністю, можливістю адсорбуватися в надеквівалентній кількості, а також викликати перезаряджання поверхні колоїдних частинок.

4. У ряді неорганічних іонів з однаковими зарядами коагулююча здатність залежить від радіуса іона - коагулянта: чим більше радіус, тим більша коагулююча здатність (див. ліотропні ряди). Це тим, що ступінь гідратації іонів зменшується, наприклад, від L + до Cs + , а це полегшує його впровадження в подвійний іонний шар.

5. З найбільшою швидкістю коагулюють електронейтральні частки ліофобних колоїдних золів.

6. Явище звикання золю. Якщо до золя швидко додати коагулянт, відбувається коагуляція, якщо ж повільно - коагуляція відсутня. Це можна пояснити тим, що між електролітом і золем відбувається реакція, в результаті якої утворюються пептизатори, які стабілізують дисперсну систему:

Fe (OH) 3 + HCl → FeOCl + 2H 2 O ,

FeOCl → FeO + + Cl - ,

де FeO + - пептизатор для золю Fe(OH) 3 .

Коагулююча дія суміші електролітів проявляється по-різному залежно від природи іона – коагулятора. У суміші електролітів дія може сумуватися з коагулюючою дією кожного електроліту. Це явище називаєтьсяадитивність іонів (NaCl, KCl). Якщо коагулююча дія іонів електроліту зменшується при введенні іонів іншого електроліту, спостерігаєтьсяантагонізм іонів (LiCl, MgCl 2 ). У разі коли коагулююча дія іонів електроліту збільшується при введенні іонів іншого електроліту таке явище називаєтьсясинергізм іонів.

Введення, наприклад, 10 мл 10 % розчину NaCl в 10 мл золю Fe (OH) 3 призводить до коагуляції цього золю. Але цього можна уникнути, якщо додатково ввести в розчин золю одну із захисних речовин: 5 мл желатину, 15 мл яєчного альбуміну, 20 мл декстрину.

Захист колоїдних частинок

Колоїдний захист- Підвищення агрегатної стійкості золю шляхом введення в нього високомолекулярного з'єднання (ВМС). Для гідрофобних золів як ВМС зазвичай використовуються білки, вуглеводи, пектини; для неводних золів – каучуки.

Захисна дія ВМС пов'язана з утворенням на поверхні колоїдних частинок певного адсорбційного шару (Малюнок 10.7). Явище зворотне коагуляції називається пептизація.

Малюнок 10.7 Механізм пептизації

Для характеристики захисної дії різних ВМС Зігмонді запропонував використати золоте число.Золоте число- це кількість міліграмів ВМС, яку треба додати до 10 см 3 0,0006 % - го червоного золю золота, щоб запобігти його посиніння (коагуляцію) при додаванні до нього 1см 3 10% розчину NaCl. Іноді для характеристики захисної дії ВМС замість золю золота використовуються колоїдні розчини срібла (срібне число), гідроксиду заліза (залізне число) та ін.У таблиці 10.2 наведено значення цих чисел деяких ВМС.

Таблиця 10.2 Захисний вплив ВМС

Урок з хімії в 11 класі: «Дисперсні системи та розчини»

Мета - дати поняття про дисперсні системи, їх класифікацію. Розкрити значення колоїдних систем у житті природи та суспільства. Показати відносність поділу розчинів на справжні та колоїдні.

Обладнання та матеріали:

Технологічні карти: схема-таблиця, лабораторна робота, інструкції.

Устаткування для лабораторних робіт:

Реактиви: розчин цукру, розчин хлориду заліза (III), суміш води та річкового піску, желатин, клейстер, нафта, розчин хлориду алюмінію, розчин кухонної солі, суміш води та олії.

Хімічні склянки

Паперові фільтри.

Чорний папір.

Ліхтарики

Хід уроку з хімії в 11 класі:

Етап уроку	Особливості етапу	Дії вчителя	Дії учнів
Організаційний (2 хв.)	Підготовка до уроку	Вітає учнів.	Готуються до уроку. Вітаються з учителем.
Введення (5 хв.)	Введення у нову тему.	Підводить до теми уроку, завдань та «питань для себе» Знайомить із темою уроку. Виводить на екран завдання сьогоднішнього уроку.	Беруть участь у обговоренні теми. Знайомляться з темою уроку та завданнями (ДОДАТОК №1) Записують три запитання на тему, на які хотіли б отримати відповіді.
Теоретична частина (15 хв.)	Пояснення нової теми.	Дає завдання для роботи в групах з пошуку нового матеріалу (ДОДАТОК №3,4)	Об'єднавшись у групи, виконують завдання відповідно до технологічної карти, наданої схемою (ДОДАТОК №4) і вимогами вчителя.
Підбиття підсумків з теоретичної частини (8 хв.)	Висновки з урахуванням отриманих теоретичних знань.	Наперед вивішує на дошці порожні схеми (формат А3) для наочного заповнення учнями. (ДОДАТОК №4) Спільно із учнями формулює основні теоретичні висновки.	Маркером заповнюють схеми, що відповідають тій, за якою працювали, звітують про проведену роботу в групах Записують у технологічних картах основні висновки.
Практична частина (10 хв.)	Виконує лабораторну роботу, закріплює отриманий досвід.	Пропонує виконати лабораторну роботу на тему «Дисперсні системи» (ДОДАТОК №2)	Виконують лабораторну роботу (ДОДАТОК №2), заповнюють бланки, відповідно до інструкції до лабораторної роботи та вимог вчителя.
Узагальнення та висновки (5 хв.)	Підбиття підсумків уроку. Домашнє завдання.	Разом із учнями робить висновок щодо теми. Пропонує співвіднести питання, написані на початку уроку з тим, що отримали наприкінці уроку.	Підбивають підсумки, записують домашнє завдання.

Форми та методи контролю:

Технологічні схеми для заповнення (ДОДАТОК №4).

Лабораторна робота (ДОДАТОК №2)

Контроль здійснюється фронтально в усній та письмовій формах. За підсумками виконання лабораторної роботи картки з лабораторними роботами здаються вчителю на перевірку.

1. Введення:

Дайте відповідь, чим відрізняються мармур і граніт? А мінеральна та дистильована вода?

(відповідь: мармур – чиста речовина, граніт – суміш речовин, дистильована вода – чиста речовина, мінеральна вода – суміш речовин).

Добре. А молоко? Це чиста речовина чи суміш? А повітря?

Стан будь-якої чистої речовини описується дуже просто – твердий, рідкий, газоподібний.

Але абсолютно чистих речовин у природі не існує. Навіть незначна кількість домішок може суттєво впливати на властивість речовин: температуру кипіння, електро- та теплопровідність, реакційну здатність тощо.

Отримання абсолютно чистих речовин - одне з найважливіших завдань сучасної хімії, адже саме чистота речовини визначає можливість прояву своїх індивідуальних засобів (демонстрація реактивів з маркуванням).

Отже, у природі та практичного життя людини зустрічаються не окремі речовини, а їхні системи.

Суміші різних речовин у різних агрегатних станах можуть утворювати гетерогенні та гомогенні системи. Гомогенні системи є розчини, з якими ми ознайомилися на минулому уроці.

Сьогодні ми познайомимося із гетерогенними системами.

2. Тема сьогоднішнього уроку – ДИСПЕРСНІ СИСТЕМИ.

Вивчивши тему уроку, ви дізнаєтесь:

Значення дисперсних систем.

Це, як ви знаєте, наші основні завдання. Вони написані у ваших технологічних картах. Але щоб наша робота була більш продуктивною та мотивованою, я пропоную вам поруч із основними завданнями написати не менше трьох питань, на які ви хотіли б знайти відповідь у процесі даного уроку.

3. Теоретична частина.

Дисперсні системи – що це?

Спробуємо разом вивести ухвалу, виходячи з побудови слів.

1) Система (від грец. «система» - ціле, складене з частин; з'єднання) - безліч елементів, що знаходяться у відносинах і зв'язках один з одним, яке утворює певну цілісність, єдність.

2) Дисперсія - (від латів. dispersio - розсіювання) розкид чогось, дроблення.

Дисперсні системи - гетерогенні (неоднорідні) системи, у яких одна речовина у вигляді дуже дрібних частинок рівномірно розподілена в обсязі іншої.

Якщо ми знову звернемося до повторення та попереднього уроку, ми зможемо згадати, що: розчини складаються з двох компонентів: розчинна речовина та розчинник.

Дисперсні системи, як суміші речовин, мають аналогічну будову: складаються з дрібних частинок, які рівномірно розподілені обсягом іншої речовини.

Погляньте у свої технологічні карти, і спробуйте з розрізнених частин скласти дві аналогічні схеми: для розчину та дисперсної системи.

Перевіримо результати, звіривши їх із зображенням на екрані.

Отже, дисперсійне середовище в дисперсній системі виконує роль розчинника і є т.зв. безперервною фазою, а дисперсна фаза – роль розчиненої речовини.

Так як дисперсійна система - гетерогенна суміш, то між дисперсним середовищем та дисперсійною фазою є поверхня розділу.

Класифікація дисперсних систем

Можна вивчати кожну дисперсну систему окремо, але краще класифікувати їх, виділити загальне, типове і це запам'ятати. Для цього слід визначити, за якими ознаками це зробити. Ви об'єднані в групи, кожній з яких дано завдання та блок-схема, що додається до нього.

Керуючись запропонованою вам літературою, знайдіть у тексті, запропонованому для вивчення ознака класифікації, вивчіть його.

Створіть кластер (блок-схема), вказавши ознаки та властивості дисперсних систем, наведіть до нього приклади. Для допомоги в цьому вам вже надано порожню блок-схему, яку вам потрібно заповнити.

4. Висновок за теоретичним завданням.

Давайте підіб'ємо підсумки.

Від кожної команди прошу вийти по одній людині та заповнити схеми, вивішені на дошці.

(учні підходять і маркером заповнюють кожну зі схем, після чого звітують про проведену роботу)

Молодці, тепер давайте закріпимо:

Що є основою класифікації дисперсних систем?

На які види діляться дисперсні системи?

Які особливості колоїдних розчинів ви знаєте?

Як інакше називаються гелі? Яке значення вони мають? У чому їхня особливість?

5. Практична частина.

Тепер, коли ви знайомі з особливостями дисперсних систем та їх класифікацією, а також визначили, за яким принципом класифікуються дисперсні системи, пропоную вам закріпити це знання на практиці, виконавши відповідну лабораторну роботу, запропоновану вам на окремому бланку.

Ви об'єднані у групи по 2 особи. На кожну групу у вас доданий відповідний бланк із лабораторною роботою, а також певний набір реактивів, які потрібно вивчити.

Вам видано зразок дисперсної системи.

Ваше завдання: користуючись інструкцією, визначити яка дисперсна система вам видана, заповнити таблицю і зробити висновок про особливості дисперсійної системи.

6. Узагальнення та висновки.

Отже, на цьому уроці ми з вами вивчили більш поглиблено класифікацію дисперсних систем, важливість їх у природі та житті людини.

Проте слід зазначити, що різкої межі між видами дисперсних систем немає. Класифікацію слід вважати відносною.

А тепер повернемося до поставлених на сьогодні урок завдань:

Що таке дисперсні системи?

якими бувають дисперсні системи?

які властивості мають дисперсні системи?

Значення дисперсних систем.

Зверніть увагу на запитання, які ви занотували для себе. У рамках рефлексії відзначте корисність даного уроку.

7. Домашнє завдання.

Ми постійно стикаємося з дисперсними системами у природі та побуті, навіть у нашому організмі існують дисперсні системи. Щоб закріпити знання про значущість дисперсних систем, вам пропонується виконати домашнє завдання у формі есе/

Виберіть дисперсну систему, з якою ви постійно стикаєтесь у своєму житті. Напишіть есе на 1-2 сторінки: Яке значення має дана дисперсна система в житті людини? Які схожі дисперсні системи зі схожими функціями ще відомі?

Дякую за урок.

Класифікація дисперсних систем може бути проведена на основі різних властивостей: по дисперсності, по агрегатному стану фаз, взаємодії дисперсної фази і дисперсного середовища, міжчастковому взаємодії.

Класифікація з дисперсності

Залежність величини питомої поверхні від дисперсності Sуд = f(d) графічно виражається рівносторонньою гіперболою (рис.).

З графіка видно, що із зменшенням поперечних розмірів частинок величина питомої поверхні значно зростає. Якщо кубик з розміром ребра 1 см подрібнити до кубічних частинок розмірами d = 10 -6 см, величина загальної міжфазної поверхні зросте з 6 см 2 до 600 м 2 .

При d ≤ 10 -7 см гіпербола обривається, тому що частинки зменшуються до розмірів окремих молекул, і гетерогенна система стає гомогенною, де міжфазна поверхня відсутня. За ступенем дисперсності дисперсні системи поділяються на:

грубодисперсні системи, d? 10 -3 см;
мікрогетерогенні системи, 10 -5 ≤ d ≤ 10 -3 см;
колоїдно-дисперсні системи або колоїдні розчини, 10 -7 ≤ d ≤ 10 -5 см;
дійсні розчини, d ≤ 10 -7 см.

Необхідно підкреслити, що найбільшу питому поверхню мають частинки дисперсної фази колоїдних розчинах.

Класифікація по агрегатному стану фаз

Класифікація по агрегатному стану фаз була запропонована Вольфгангом Оствальдом. Загалом можливо 9 комбінацій. Подаємо їх у вигляді таблиці.

Агрегатний стан дисперсної фази	Агрегатний стан дисперсного середовища	Умовне позначення	Назва системи	Приклади
г	г	г/г	аерозолі	атмосфера Землі
ж	г	ж/г		туман, шаруваті хмари
тв	г	тв/г		дими, пилу, перисті хмари
г	ж	г/ж	газові емульсії, піни	газована вода, мильна піна, лікувальний кисневий коктейль, пива
ж	ж	ж/ж	емульсії	молоко, вершкове масло, маргарин, креми і т.д.
тв	ж	тв/ж	ліозолі, суспензії	ліофобні колоїдні розчини, суспензії, пасти, фарби та ін. буд.
г	тв	г/тв	тверді піни	пемза, тверді піни, пінопласт, пінобетон, хліб, пористі тіла у газі іт. буд.
ж	тв	ж ТВ	тверді емульсії	вода в парафіні, природні мінерали з рідкими включеннями, пористі тіла в рідині
тв	тв	тв/тв	тверді золі	сталь, чавун, кольорове скло, дорогоцінне каміння: золь Аі в склі — рубінове скло (0,0001%) (1т скла — 1г Au)

Класифікація по взаємодії дисперсної фази та дисперсного середовища (за міжфазною взаємодією).

Ця класифікація придатна лише для систем з рідким дисперсійним середовищем. Г. Фрейндліх запропонував підрозділити дисперсних систем на два види:

ліофобні, в них дисперсна фаза не здатна взаємодіяти з дисперсійним середовищем, а отже, і розчинятися в ній, до них відносяться колоїдні розчини, мікрогетерогенні системи;
ліофільні, в них дисперсна фаза взаємодіє з дисперсійним середовищем і за певних умов здатна в ній розчинятися, до них відносяться розчини колоїдних ПАР та розчини ВМС.

Класифікація з міжчасткової взаємодії

Відповідно до цієї класифікації дисперсні системи поділяють на:

вільнодисперсні (безструктурні);
зв'язнодисперсні (структуровані).

У вільнодисперсних системах частинки дисперсної фази не пов'язані один з одним і здатні незалежно пересуватися в дисперсійному середовищі.

У зв'язнодисперсних системах частинки дисперсної фази пов'язані один з одним за рахунок міжмолекулярних сил, утворюючи в дисперсійному середовищі своєрідні просторові сітки або каркаси (структури). Частинки, що утворюють структуру, не здатні до взаємного переміщення і можуть здійснювати лише коливальні рухи.

Список використаної літератури

Гельфман М. І., Ковалевич О. Ст, Юстратов В. П.Колоїдна хімія. 2-ге вид., стер. – СПб.: Видавництво “Лань”, 2004. – 336 с.: іл. ISBN 5-8114-0478-6 [с. 8-10]

Системи, в яких одна речовина, що знаходиться в диспергованому (подрібненому або роздробленому) стані, рівномірно розподіляється в обсязі другої речовини, називаються дисперсними.(Поняття «дисперсний» походить від латинського dispersus – розсипаний, розсіяний).

Дисперсні системи, як правило, є гетерогенними та складаються з двох і більше фаз. Суцільну безперервну фазу в них називають інакше дисперсійним середовищем, а дискретні або перервні частинки іншої речовини, що знаходяться в цьому середовищі – дисперсною фазою.

Мірою роздробленості дисперсних систем служить або поперечний розмір частинок дисперсної фази а, Або зворотна йому величина - ступінь дисперсностіD, Що має розмірність 1/м або м -1:

Ступінь дисперсності є величина, що показує, яке число частинок можна впритул укласти на відрізку довжиною в 1 м.

Поняття поперечний розмір має чітко виражений сенс для сферичних частинок ( адорівнює діаметру d цих частинок) і для частинок, що мають форму куба ( адорівнює довжині ребра lкуба). Для частинок іншої форми (ниткоподібних, пластинчастих і т.д.) величина азалежить від напрямку, в якому вимірюються. У таких випадках дуже часто іншу форму частинок прирівнюють до сферичної з певною величиною d, вважаючи, що ці умовні частинки поводяться в системах так само, як і реальні.

Іноді застосовується й інша характеристика ступеня дисперсності – так звана питома поверхняS уд. ,яка відповідає загальній поверхні (м 2 ) всіх частинок дисперсної фази, що мають сумарну масу 1 кг або сумарний об'єм 1 м 3 . В першому випадку S уд. має розмірність м 2 / кг, у другому – 1/м або м –1 .

Таким чином, питому поверхню можна визначити так:

або

деS- Сумарна площа (м 2 ) поверхні частинок дисперсної фази;

m- загальна маса (кг) цих частинок;

V- загальний обсяг (м 3 ) цих частинок.

Існує прямо пропорційна залежність між S уд. іD:

деk- Коефіцієнт пропорційності.

У дисперсних системах частки дисперсної фази рідко бувають однакового розміру. Їх можна отримати такими лише штучно, користуючись спеціальними прийомами. У цьому випадку системи, що утворилися, називаються монодисперсними. Реальні системи найчастіше є полідисперснимита розміри частинок дисперсної фази в них лежать у певному інтервалі.

Усі дисперсні системи за величиною частинок дисперсної фази можна умовно поділити на 3 групи (табл. 14).

Таблиця 14. Класифікація дисперсних систем за розмірами частинок дисперсної фази

Кордон між цими типами систем не можна встановити точно. Для окремих систем вона може бути зрушена в той чи інший бік залежно від хімічної природи речовини дисперсної фази та дисперсійного середовища та фізико-хімічних властивостей самої системи.

Відмінною особливістю істинних розчинів є те, що частинки дисперсної фази в них є окремими молекулами або іонами. Внаслідок цього даних системах відсутня межфазная поверхню і тому, на відміну інших дисперсних систем, є гомогенними.

У колоїдно-дисперсних системах (або золях) частинки дисперсної фази утворені кількома десятками або сотнями молекул, іонів або атомів, поєднаних один з одним різними зв'язками.

Поперечні розміри таких частинок коливаються від 1 нм до 300-400 нм (1 · 10 -9 ÷ 4 · 10 -7 м). Через свої малі розміри вони не можуть бути візуально виявлені за допомогою світлового мікроскопа. Характерною особливістю колоїдних систем є їхня значна питома поверхня (табл. 15), внаслідок чого їх часто називають ультрамікрогетерогенними.

Таблиця 15 Зміна площі поверхні при дробленні 1 см 3 речовини

Це призводить до того, що більшість всіх молекул чи атомів речовини дисперсної фази перебуває в поверхні його частинок, тобто. на межі поділу фаз. Внаслідок цього колоїдні системи набувають особливих властивостей, які різко відрізняють їх від інших типів дисперсних систем.

Фізико-хімічні властивості колоїдних систем, процеси, що протікають на поверхні їх частинок, вивчаються у розділі фізичної хімії, що виділилися у самостійну галузь науки –колоїдну хімію.

Назва « колоїдна хімія» походить від грецького слова kola– клей та eidos- Вид. Його запропонував англійський вчений Томас Грем, який вивчав у другій половині XIX століття дифузію з розчинів різних речовин через рослинні та тваринні мембрани.

Томас Грем (1805 - 1869),Шотландський хімік. Роботи Грема присвячені дифузії в газах та рідинах, колоїдній хімії, хімії багатоосновних кислот. Грему належить ідея поділу всіх речовин на кристалоїди та колоїди. Перші утворюють стійкі розчини і кристалізуються, другі дають нестійкі розчини і легко коагулюють, утворюючи драглистий осад. Ці роботи заклали основи колоїдної хімії. Продовжуючи дослідження газів, Грем наприкінці 1860-х відкрив явище оклюзії – поглинання газів мікроскопічними порожнинами в металах.

При цьому речовини, які швидко дифундують у розчині та добре проходять через мембрану, були названі ним кристалоїдами, т.к. при висадженні вони утворюють щільні опади, які мають кристалічну структуру.

Речовини, що мають малу здатність до дифузії в розчині і не проходять через діалізаційні мембрани, отримали назву колоїди, тобто. клеєподібні. Виникнення цієї назви пов'язане з тим, що першими об'єктами такого типу, дослідженими вченим Т. Гремом, були розчини різних високомолекулярних сполук: полісахаридів, білків, які при висадженні зазвичай утворюють клейкі опади, що мають аморфну структуру.

Подальші роботи у цій галузі інших вчених: І.Г. Борщова, П.П. Веймарна, Д.І. Менделєєва – показали, що те саме речовина залежно від виду дисперсійної середовища може виявляти в розчинах як властивості колоїдів, і властивості кристалоїдів. Так, наприклад, мило, розчинене в Н 2 О, має властивості колоїду, а розчин мила в спирті - кристалоїду; кухонна сіль, розчинена в Н 2 О, утворює істинний розчин, а бензолі – колоїдний.

Таким чином, немає підстав підрозділяти хімічні сполуки на два відокремлені класи, а можна говорити лише про кристалоїдний та колоїдний стан речовини в розчині.

У кристалоїдному стані речовина присутня в розчинах у вигляді окремих молекул або іонів, а в колоїдному - у вигляді роздроблених (диспергованих) дрібних частинок, що складаються з певної кількості молекул, іонів або атомів, рівномірно розподілених по всьому об'єму системи.

Розчини високомолекулярних сполук, незважаючи на те, що в більшості випадків є істинними, також належать до дослідження колоїдної хімії, т.к. багато в чому схожі на властивості з колоїдними системами.

Колоїдна хімія вивчає також дисперсні системи та з більшими частинками дисперсної фази порівняно із золями. Поперечні розміри їх лежать, як правило, в інтервалі 10 -7 м ÷ 10 -5 м. У більшості випадків такі частинки видно в оптичний мікроскоп, їхня питома поверхня в сотні разів менша, ніж у золях (табл. 15). Ці системи називаються мікрогетерогенними або грубодисперсними.

Дисперсні системи широко поширені у природі і відіграють важливу практичну роль, чим визначається не лише наукове, а й народногосподарське значення колоїдної хімії.

Багато дорогоцінне каміння, різні мінерали в надрах Землі, харчові продукти, дим, хмари, пил, каламутна вода в природних водоймах, ґрунт, глина, нафта і т.д. є колоїдними чи грубодисперсними системами.

Велику роль відіграють колоїдні системи у біохімії та медицині. Найважливіші біологічні рідини: кров, плазма, лімфа, цитоплазма клітин, спинномозкова рідина – являють собою дисперсні системи, в яких ряд речовин (білки, холестерин та багато інших (табл. 16)) знаходяться в колоїдному стані. З хімічної точки зору, людський організм в цілому є складна сукупність дисперсних систем різного типу. У зв'язку з цим різні сторони явищ, що відбуваються в живому організмі, їх причинно-наслідкові зв'язки, можливість впливу на них і коригування ззовні можуть бути зрозумілі лише в міру пізнання колоїдного природи стану речовини.

Таблиця 16 Розміри деяких дисперсних частинок

Багато фізичних і хімічних властивостей речовини, що у вигляді дисперсних частинок, значно відрізняються від аналогічних властивостей його більших утворень. Ці відмінності називають розмірними чи масштабними ефектами. Вони виражені тим сильніше, що менший розмір дисперсних частинок, і тому особливо характерні для частинок нанометрового діапазону (1 · 10 –9 м ÷ 9 · 10 –9 м), так званих наночастинок.

Особливі якості наночастинок (у тому числі наявність у них і квантових властивостей) відкривають принципово нові практичні додатки хімії, фізики, біології та медицини. Останнім часом вивчення методів отримання, структури, фізичних та хімічних властивостей дисперсних частинок та дисперсних систем (розробка так званих нанотехнологій) відноситься до актуальних завдань не лише колоїдної хімії, а й інших наукових дисциплін.