Většina látek kolem nás jsou směsi různých látek, takže studium jejich vlastností hraje důležitou roli ve vývoji chemie, lékařství, potravinářského průmyslu a dalších odvětví hospodářství. Článek pojednává o tom, jaký je stupeň rozptylu a jak ovlivňuje vlastnosti systému.
Co jsou disperzní systémy?
Před diskuzí o stupni disperze je nutné si ujasnit, na které systémy lze tento koncept aplikovat.
Představme si, že máme dvě různé látky, které se od sebe mohou lišit chemickým složením, například kuchyňská sůl a čistá voda, nebo ve stavu agregace, například stejná voda v kapalném a pevném stavu (ledové) stavy. Nyní je potřeba vzít a smíchat tyto dvě látky a intenzivně je promíchat. jaký bude výsledek? Záleží na tom, zda k chemické reakci při míchání došlo či nikoliv. Když mluvíme o rozptýlených systémech, má se za to, že když onipři tvorbě nedochází k žádné reakci, to znamená, že výchozí látky si zachovávají svou strukturu na mikroúrovni a své vlastní fyzikální vlastnosti, jako je hustota, barva, elektrická vodivost a další.
Dispergovaný systém je tedy mechanická směs, v jejímž důsledku se dvě nebo více látek vzájemně mísí. Když se tvoří, používají se pojmy "disperzní médium" a "fáze". První má vlastnost kontinuity v rámci systému a zpravidla se v něm vyskytuje ve velkém relativním množství. Druhá (dispergovaná fáze) se vyznačuje vlastností diskontinuity, to znamená, že v systému je ve formě malých částic, které jsou omezeny povrchem, který je odděluje od média.
Homogenní a heterogenní systémy
Je jasné, že tyto dvě složky rozptýleného systému se budou lišit svými fyzikálními vlastnostmi. Pokud například hodíte písek do vody a zamícháte, je jasné, že zrnka písku, která existují ve vodě, jejíž chemický vzorec je SiO2, se nebudou lišit. jakýmkoliv způsobem ze stavu, kdy nebyli ve vodě. V takových případech se mluví o heterogenitě. Jinými slovy, heterogenní systém je směs několika (dvou nebo více) fází. Ten je chápán jako nějaký konečný objem systému, který se vyznačuje určitými vlastnostmi. Ve výše uvedeném příkladu máme dvě fáze: písek a vodu.
Velikost částic dispergované fáze, když jsou rozpuštěny v jakémkoli médiu, se však může stát tak malou, že přestanou vykazovat své individuální vlastnosti. V tomto případě se mluví ohomogenní nebo homogenní látky. Přestože obsahují několik složek, všechny tvoří jednu fázi v celém objemu systému. Příkladem homogenního systému je roztok NaCl ve vodě. Když se krystal NaCl rozpustí v důsledku interakce s polárními molekulami H2O, rozloží se na samostatné kationty (Na+) a anionty (Cl-). Jsou homogenně smíchány s vodou a v takovém systému již není možné najít rozhraní mezi rozpuštěnou látkou a rozpouštědlem.
Velikost částic
Jaký je stupeň rozptylu? Tuto hodnotu je třeba zvážit podrobněji. Co představuje? Je nepřímo úměrná velikosti částic dispergované fáze. Právě tato vlastnost je základem klasifikace všech uvažovaných látek.
Při studiu disperzních systémů jsou studenti často zmateni ve svých jménech, protože se domnívají, že jejich klasifikace je také založena na stavu agregace. To není pravda. Směsi různých stavů agregace mají skutečně různé názvy, například emulze jsou vodní látky a aerosoly již naznačují existenci plynné fáze. Vlastnosti disperzních systémů však závisí především na velikosti částic fáze v nich rozpuštěné.
Obecně přijímaná klasifikace
Klasifikace disperzních systémů podle stupně disperze je uvedena níže:
- Pokud je podmíněná velikost částic menší než 1 nm, pak se takové systémy nazývají skutečná nebo pravá řešení.
- Pokud je podmíněná velikost částic mezi 1 nm a100 nm, pak se daná látka bude nazývat koloidní roztok.
- Pokud jsou částice větší než 100 nm, pak mluvíme o suspenzích nebo suspenzích.
S ohledem na výše uvedenou klasifikaci si ujasněme dva body: za prvé, uvedené údaje jsou orientační, to znamená, že systém, ve kterém je velikost částic 3 nm, nemusí být nutně koloid, může to být také pravda řešení. To lze zjistit studiem jeho fyzikálních vlastností. Za druhé si můžete všimnout, že seznam používá frázi „podmíněná velikost“. To je způsobeno skutečností, že tvar částic v systému může být zcela libovolný a obecně má složitou geometrii. Proto mluví o nějaké jejich průměrné (podmíněné) velikosti.
Později v článku uvedeme stručný popis uvedených typů disperzních systémů.
Skutečná řešení
Jak bylo uvedeno výše, stupeň disperze částic v reálných roztocích je tak vysoký (jejich velikost je velmi malá, < 1 nm), že mezi nimi a rozpouštědlem (médiem) neexistuje žádné rozhraní, tj. je jednofázový homogenní systém. Pro úplnost informace připomeňme, že velikost atomu je řádově jeden angstrom (0,1 nm). Poslední číslo udává, že částice ve skutečných roztocích mají atomovou velikost.
Hlavní vlastnosti pravých roztoků, které je odlišují od koloidů a suspenzí, jsou následující:
- Stav roztoku existuje po libovolně dlouhou dobu nezměněn, to znamená, že se nevytváří žádná sraženina dispergované fáze.
- Rozpuštěnolátku nelze oddělit od rozpouštědla filtrací přes obyčejný papír.
- Látka se také neodděluje v důsledku procesu průchodu porézní membránou, který se v chemii nazývá dialýza.
- Oddělit solut od rozpouštědla je možné pouze změnou stavu agregace rozpouštědla, například odpařením.
- U ideálních řešení lze provést elektrolýzu, to znamená, že elektrický proud může projít, pokud je do systému aplikován rozdíl potenciálů (dvě elektrody).
- Nerozptylují světlo.
Příkladem skutečných řešení je smíchání různých solí s vodou, například NaCl (kuchyňská sůl), NaHCO3 (jedlá soda), KNO 3(dusičnan draselný) a další.
Koloidní roztoky
Jedná se o přechodné systémy mezi skutečnými řešeními a zavěšením. Mají však řadu jedinečných vlastností. Pojďme si je vyjmenovat:
- Pokud se nemění okolní podmínky, jsou mechanicky stabilní po libovolně dlouhou dobu. Systém stačí zahřát nebo změnit jeho kyselost (hodnota pH), protože koloid koaguluje (sráží se).
- Neoddělují se pomocí filtračního papíru, avšak proces dialýzy vede k oddělení dispergované fáze a média.
- Stejně jako u skutečných roztoků je lze elektrolyzovat.
- Pro transparentní koloidní systémy je charakteristický tzv. Tyndallův efekt: když tímto systémem procházíte paprsek světla, můžete ho vidět. Je to spojeno srozptyl elektromagnetických vln ve viditelné části spektra ve všech směrech.
- Schopnost adsorbovat jiné látky.
Koloidní systémy jsou díky uvedeným vlastnostem lidmi hojně využívány v různých oblastech činnosti (potravinářský průmysl, chemie) a často se vyskytují i v přírodě. Příkladem koloidu je máslo, majonéza. V přírodě jsou to mlhy, mraky.
Než přistoupíme k popisu poslední (třetí) třídy disperzních systémů, vysvětlíme podrobněji některé jmenované vlastnosti koloidů.
Co jsou koloidní roztoky?
U tohoto typu disperzních systémů lze klasifikaci uvést s ohledem na různé agregované stavy média a fáze v něm rozpuštěné. Níže je odpovídající tabulka/
| středa/fáze | Plyn | Liquid | Pevné tělo |
| plyn | všechny plyny jsou navzájem nekonečně rozpustné, takže vždy tvoří opravdová řešení | aerosol (mlha, mraky) | aerosol (kouř) |
| tekuté | pěna (na holení, šlehačka) | emulze (mléko, majonéza, omáčka) | sol (akvarelové barvy) |
| pevné tělo | pěna (pemza, provzdušněná čokoláda) | gel (želatina, sýr) | sol (rubínový krystal, žula) |
Tabulka ukazuje, že koloidní látky jsou přítomny všude, jak v každodenním životě, tak v přírodě. Všimněte si, že podobná tabulka může být také uvedena pro zavěšení, nezapomeňte, že rozdíl skoloidů v nich je pouze ve velikosti dispergované fáze. Suspenze jsou však mechanicky nestabilní, a proto jsou méně praktické než koloidní systémy.
Důvod mechanické stability koloidů
Proč může majonéza ležet v lednici dlouhou dobu a suspendované částice se v ní nesrážejí? Proč částečky barvy rozpuštěné ve vodě nakonec „neklesnou“na dno nádoby? Odpovědí na tyto otázky bude Brownův pohyb.
Tento typ pohybu objevil v první polovině 19. století anglický botanik Robert Brown, který pod mikroskopem pozoroval, jak se ve vodě pohybují malé částice pylu. Z fyzikálního hlediska je Brownův pohyb projevem chaotického pohybu molekul kapaliny. Jeho intenzita se zvyšuje, pokud se teplota kapaliny zvyšuje. Právě tento typ pohybu způsobuje, že malé částice koloidních roztoků jsou v suspenzi.
Adsorpční vlastnost
Disperzita je převrácená hodnota průměrné velikosti částic. Protože tato velikost u koloidů leží v rozmezí od 1 nm do 100 nm, mají velmi vyvinutý povrch, to znamená, že poměr S/m je velká hodnota, zde S je celková plocha rozhraní mezi dvěma fázemi (disperzní prostředí a částice), m - celková hmotnost částic v roztoku.
Atomy, které jsou na povrchu částic dispergované fáze, mají nenasycené chemické vazby. To znamená, že mohou tvořit sloučeniny s jinýmimolekul. Tyto sloučeniny zpravidla vznikají v důsledku van der Waalsových sil nebo vodíkových vazeb. Jsou schopny udržet několik vrstev molekul na povrchu koloidních částic.
Klasickým příkladem adsorbentu je aktivní uhlí. Je to koloid, kde disperzní prostředí je pevná látka a fáze je plyn. Specifická plocha povrchu může dosáhnout 2500 m2/g.
Stupeň jemnosti a specifický povrch
Výpočet S/m není snadný úkol. Faktem je, že částice v koloidním roztoku mají různé velikosti, tvary a povrch každé částice má jedinečný reliéf. Teoretické metody řešení tohoto problému proto vedou ke kvalitativním výsledkům, nikoli ke kvantitativním. Nicméně je užitečné uvést vzorec pro specifický povrch ze stupně disperze.
Pokud předpokládáme, že všechny částice systému mají kulový tvar a stejnou velikost, pak jako výsledek přímých výpočtů získáme následující výraz: Sud=6/(dρ), kde Sud - plocha povrchu (specifická), d - průměr částice, ρ - hustota látky, ze které se skládá. Ze vzorce je vidět, že nejmenší a nejtěžší částice budou nejvíce přispívat k uvažovanému množství.
Experimentálním způsobem stanovení Sud je výpočet objemu plynu, který je adsorbován zkoumanou látkou, a také měření velikosti pórů (dispergovaná fáze) v tom.
Sušení mrazem alyofobní
Lyofilita a lyofobnost – to jsou vlastnosti, které ve skutečnosti určují existenci klasifikace disperzních systémů ve formě, ve které je uvedena výše. Oba pojmy charakterizují silovou vazbu mezi molekulami rozpouštědla a rozpuštěné látky. Pokud je tento vztah velký, mluví se o lyofilitě. Takže všechny skutečné roztoky solí ve vodě jsou lyofilní, protože jejich částice (ionty) jsou elektricky spojeny s polárními molekulami H2O. Pokud vezmeme v úvahu takové systémy, jako je máslo nebo majonéza, pak se jedná o zástupce typických hydrofobních koloidů, protože tukové (lipidové) molekuly v nich odpuzují polární molekuly H2O.
Je důležité si uvědomit, že lyofobní (hydrofobní, pokud je rozpouštědlem voda) systémy jsou termodynamicky nestabilní, což je odlišuje od lyofilních.
Vlastnosti zavěšení
Nyní zvažte poslední třídu disperzních systémů – závěsy. Připomeňme, že se vyznačují tím, že nejmenší částice v nich je větší nebo řádově 100 nm. Jaké mají vlastnosti? Odpovídající seznam je uveden níže:
- Jsou mechanicky nestabilní, takže během krátké doby vytvoří sediment.
- Jsou zatažené a neprůhledné pro sluneční světlo.
- Fáze lze od média oddělit filtračním papírem.
Příklady suspenzí v přírodě zahrnují bahnitou vodu v řekách nebo sopečný popel. Lidské použití suspenzí je spojeno jakoobvykle s léky (roztoky léků).
Koagulace
Co lze říci o směsích látek s různým stupněm disperze? Částečně byla tato problematika již popsána v článku, protože v jakémkoli disperzním systému mají částice velikost, která leží v určitých mezích. Zde uvažujeme pouze o jednom kuriózním případu. Co se stane, když smícháte koloid a skutečný roztok elektrolytu? Zatížený systém se rozbije a dojde k jeho koagulaci. Jeho příčina spočívá ve vlivu elektrických polí skutečných roztokových iontů na povrchový náboj koloidních částic.
