Većina tvari koje nas okružuju mješavine su raznih tvari, pa proučavanje njihovih svojstava igra važnu ulogu u razvoju kemije, medicine, prehrambene industrije i drugih sektora gospodarstva. U članku se raspravlja o tome koliki je stupanj disperzije i kako on utječe na karakteristike sustava.
Što su disperzni sustavi?
Prije rasprave o stupnju disperzije, potrebno je razjasniti na koje se sustave ovaj koncept može primijeniti.
Zamislimo da imamo dvije različite tvari koje se mogu razlikovati jedna od druge po kemijskom sastavu, na primjer kuhinjska sol i čista voda, ili u stanju agregacije, na primjer, ista voda u tekućem i čvrstom (led) države. Sada trebate uzeti i pomiješati ove dvije tvari i intenzivno ih miješati. Što će biti rezultat? Ovisi o tome je li se kemijska reakcija odvijala tijekom miješanja ili ne. Kada se govori o raspršenim sustavima, vjeruje se da kada suu formiranju se ne događa nikakva reakcija, odnosno početne tvari zadržavaju svoju strukturu na mikrorazini i svoja inherentna fizička svojstva, kao što su gustoća, boja, električna vodljivost i ostalo.
Dakle, dispergirani sustav je mehanička smjesa, zbog koje se dvije ili više tvari miješaju jedna s drugom. Kada se formira, koriste se koncepti "disperzijskog medija" i "faze". Prvi ima svojstvo kontinuiteta unutar sustava i u pravilu se u njemu nalazi u velikom relativnom iznosu. Drugu (disperziranu fazu) karakterizira svojstvo diskontinuiteta, odnosno u sustavu je u obliku malih čestica, koje su ograničene površinom koja ih odvaja od medija.
Homogeni i heterogeni sustavi
Jasno je da će se ove dvije komponente raspršenog sustava razlikovati po svojim fizičkim svojstvima. Na primjer, ako bacite pijesak u vodu i promiješate, jasno je da se zrnca pijeska koja postoje u vodi, čija je kemijska formula SiO2, neće razlikovati na bilo koji način od države kad nisu bili u vodi. U takvim slučajevima se govori o heterogenosti. Drugim riječima, heterogeni sustav je mješavina nekoliko (dvije ili više) faza. Potonji se shvaća kao neki konačni volumen sustava koji karakteriziraju određena svojstva. U gornjem primjeru imamo dvije faze: pijesak i vodu.
Međutim, veličina čestica dispergirane faze kada su otopljene u bilo kojem mediju može postati toliko mala da prestanu pokazivati svoja pojedinačna svojstva. U ovom slučaju se govori ohomogene ili homogene tvari. Iako sadrže više komponenti, sve one čine jednu fazu kroz cijeli volumen sustava. Primjer homogenog sustava je otopina NaCl u vodi. Kada se otopi, zbog interakcije s polarnim molekulama H2O, kristal NaCl se raspada na zasebne katione (Na+) i anione (Cl-). Oni su homogeno pomiješani s vodom i više nije moguće pronaći međupovezanost između otopljene tvari i otapala u takvom sustavu.
Veličina čestica
Koji je stupanj disperzije? Ovu vrijednost treba detaljnije razmotriti. Što ona predstavlja? Ona je obrnuto proporcionalna veličini čestica dispergirane faze. Upravo je ova karakteristika temelj klasifikacije svih tvari koje se razmatraju.
Kada proučavaju disperzne sustave, studenti se često zbune u njihovim imenima, jer vjeruju da se njihova klasifikacija također temelji na stanju agregacije. Ovo nije istina. Smjese različitih agregacijskih stanja doista imaju različite nazive, na primjer, emulzije su vodene tvari, a aerosoli već upućuju na postojanje plinovite faze. Međutim, svojstva disperznih sustava uglavnom ovise o veličini čestica faze otopljene u njima.
Općeprihvaćena klasifikacija
Klasifikacija disperznih sustava prema stupnju disperzije data je u nastavku:
- Ako je uvjetna veličina čestice manja od 1 nm, tada se takvi sustavi nazivaju stvarnim ili istinitim rješenjima.
- Ako je uvjetna veličina čestica između 1 nm i100 nm, tada će se dotična tvar zvati koloidna otopina.
- Ako su čestice veće od 100 nm, tada govorimo o suspenzijama ili suspenzijama.
S obzirom na gornju klasifikaciju, razjasnimo dvije stvari: prvo, navedene brojke su indikativne, odnosno sustav u kojemu je veličina čestica 3 nm nije nužno koloid, već može biti i istinit riješenje. To se može utvrditi proučavanjem njegovih fizikalnih svojstava. Drugo, možete primijetiti da popis koristi izraz "uvjetna veličina". To je zbog činjenice da oblik čestica u sustavu može biti potpuno proizvoljan, au općem slučaju ima složenu geometriju. Stoga govore o nekoj njihovoj prosječnoj (uvjetnoj) veličini.
Kasnije u članku dat ćemo kratak opis navedenih vrsta disperznih sustava.
Prava rješenja
Kao što je gore spomenuto, stupanj disperzije čestica u stvarnim otopinama je toliko visok (njihova veličina je vrlo mala, < 1 nm) da ne postoji sučelje između njih i otapala (medija), tj. je jednofazni homogeni sustav. Radi potpunosti informacija, podsjećamo da je veličina atoma reda veličine jednog angstroma (0,1 nm). Posljednji broj označava da su čestice u stvarnim otopinama atomske veličine.
Glavna svojstva pravih otopina koja ih razlikuju od koloida i suspenzija su sljedeća:
- Stanje otopine postoji proizvoljno dugo nepromijenjeno, odnosno ne stvara se talog dispergirane faze.
- Raztvorenotvar se ne može odvojiti od otapala filtriranjem kroz običan papir.
- Tvar se također ne odvaja kao rezultat procesa prolaska kroz poroznu membranu, što se u kemiji naziva dijalizom.
- Moguće je odvojiti otopljenu tvar od otapala samo promjenom stanja agregacije potonjeg, na primjer, isparavanjem.
- Za idealna rješenja može se provesti elektroliza, odnosno može se proći električna struja ako se na sustav primijeni razlika potencijala (dvije elektrode).
- Ne rasipaju svjetlost.
Primjer pravih rješenja je miješanje raznih soli s vodom, na primjer, NaCl (kuhinjska sol), NaHCO3 (soda bikarbona), KNO 3(kalijev nitrat) i drugi.
Koloidne otopine
Ovo su posredni sustavi između stvarnih rješenja i suspenzija. Međutim, oni imaju niz jedinstvenih karakteristika. Nabrojimo ih:
- Mehanički su stabilni proizvoljno dugo ako se uvjeti okoline ne mijenjaju. Dovoljno je zagrijati sustav ili promijeniti njegovu kiselost (pH vrijednost), jer koloid koagulira (taloži).
- Ne odvajaju se filter papirom, međutim, proces dijalize dovodi do odvajanja dispergirane faze i medija.
- Kao i kod pravih rješenja, mogu se elektrolizirati.
- Za prozirne koloidne sustave karakterističan je takozvani Tyndallov efekt: prolazeći snop svjetlosti kroz ovaj sustav, možete ga vidjeti. Povezano je saraspršivanje elektromagnetskih valova u vidljivom dijelu spektra u svim smjerovima.
- Sposobnost adsorbiranja drugih tvari.
Koloidni sustavi, zbog navedenih svojstava, ljudi se naširoko koriste u raznim područjima djelatnosti (prehrambena industrija, kemija), a često se nalaze i u prirodi. Primjer koloida je maslac, majoneza. U prirodi su to magle, oblaci.
Prije nego pređemo na opis posljednje (treće) klase disperznih sustava, objasnimo detaljnije neka od imenovanih svojstava koloida.
Što su koloidne otopine?
Za ovu vrstu disperznih sustava može se dati klasifikacija, uzimajući u obzir različita agregatna stanja medija i faze otopljene u njemu. Ispod je odgovarajuća tablica/
| srijeda/faza | Plin | tekućina | Tvrdo tijelo |
| gas | svi plinovi su beskrajno topljivi jedan u drugom, tako da uvijek tvore prava rješenja | aerosol (magla, oblaci) | aerosol (dim) |
| tekućina | pjena (brijanje, šlag) | emulzija (mlijeko, majoneza, umak) | sol (vodene boje) |
| čvrsto tijelo | pjena (plovac, gazirana čokolada) | gel (želatina, sir) | sol (rubinski kristal, granit) |
Tablica pokazuje da su koloidne tvari prisutne posvuda, kako u svakodnevnom životu tako iu prirodi. Imajte na umu da se slična tablica može dati i za suspenzije, imajući na umu da je razlika skoloida u njima je samo u veličini dispergirane faze. Međutim, suspenzije su mehanički nestabilne i stoga su od manjeg praktičnog interesa od koloidnih sustava.
Razlog mehaničke stabilnosti koloida
Zašto majoneza može dugo ležati u hladnjaku, a suspendirane čestice u njoj se ne talože? Zašto čestice boje otopljene u vodi na kraju ne “padaju” na dno posude? Odgovor na ova pitanja bit će Brownovo gibanje.
Ovu vrstu kretanja otkrio je u prvoj polovici 19. stoljeća engleski botaničar Robert Brown, koji je pod mikroskopom promatrao kako se male čestice peluda kreću u vodi. S fizičke točke gledišta, Brownovo gibanje je manifestacija kaotičnog kretanja tekućih molekula. Njegov intenzitet se povećava ako se temperatura tekućine povisi. Upravo ova vrsta kretanja uzrokuje da male čestice koloidnih otopina budu u suspenziji.
Adsorpcijska svojstva
Disperznost je recipročna vrijednost prosječne veličine čestica. Budući da se ta veličina u koloidima nalazi u rasponu od 1 nm do 100 nm, oni imaju vrlo razvijenu površinu, odnosno omjer S/m je velika vrijednost, ovdje je S ukupna površina sučelja između dvije faze (disperzijski medij i čestice), m - ukupna masa čestica u otopini.
Atomi koji se nalaze na površini čestica dispergirane faze imaju nezasićene kemijske veze. To znači da mogu stvarati spojeve s drugimamolekule. U pravilu, ovi spojevi nastaju zbog van der Waalsovih sila ili vodikovih veza. Sposobni su držati nekoliko slojeva molekula na površini koloidnih čestica.
Klasičan primjer adsorbenta je aktivni ugljen. To je koloid, gdje je disperzijski medij krutina, a faza plin. Specifična površina za njega može doseći 2500 m2/g.
Stupanj finoće i specifična površina
Izračunavanje S/m nije lak zadatak. Činjenica je da čestice u koloidnoj otopini imaju različite veličine, oblike, a površina svake čestice ima jedinstven reljef. Stoga teorijske metode rješavanja ovog problema dovode do kvalitativnih, a ne kvantitativnih rezultata. Ipak, korisno je dati formulu za specifičnu površinu iz stupnja disperzije.
Ako pretpostavimo da sve čestice sustava imaju sferni oblik i istu veličinu, tada se kao rezultat jednostavnih proračuna dobije sljedeći izraz: Sud=6/(dρ), gdje je Sud - površina (specifična), d - promjer čestice, ρ - gustoća tvari od koje se sastoji. Iz formule se može vidjeti da će najmanje i najteže čestice najviše doprinijeti količini koja se razmatra.
Eksperimentalni način određivanja Sud je izračunavanje volumena plina koji je adsorbiran od strane ispitivane tvari, kao i mjerenje veličine pora (disperzne faze) u njemu.
Sušenje zamrzavanjem iliofobno
Liofilnost i liofobnost - to su karakteristike koje, zapravo, određuju postojanje klasifikacije disperznih sustava u onom obliku u kojem je gore navedena. Oba koncepta karakteriziraju vezu sile između molekula otapala i otopljene tvari. Ako je taj odnos velik, onda govore o liofilnosti. Dakle, sve prave otopine soli u vodi su liofilne, budući da su njihove čestice (ioni) električno povezane s polarnim molekulama H2O. Ako uzmemo u obzir takve sustave kao što su maslac ili majoneza, onda su to predstavnici tipičnih hidrofobnih koloida, budući da molekule masti (lipida) u njima odbijaju polarne molekule H2O.
Važno je napomenuti da su liofobni (hidrofobni ako je otapalo voda) sustavi termodinamički nestabilni, što ih razlikuje od liofilnih.
Svojstva suspenzija
Sada razmotrite posljednju klasu disperznih sustava - suspenzije. Podsjetimo da ih karakterizira činjenica da je najmanja čestica u njima veća od ili reda veličine 100 nm. Koja svojstva imaju? Odgovarajući popis je dat u nastavku:
- Mehanički su nestabilni, pa stvaraju sediment u kratkom vremenskom razdoblju.
- Oblačni su i neprozirni za sunčevu svjetlost.
- Faza se može odvojiti od medija pomoću filter papira.
Primjeri suspenzija u prirodi uključuju mutnu vodu u rijekama ili vulkanski pepeo. Ljudska uporaba suspenzija povezana je kaoobično s lijekovima (otopinama lijekova).
koagulacija
Što se može reći o mješavinama tvari s različitim stupnjevima disperzije? Djelomično je ovo pitanje već obrađeno u članku, budući da u svakom disperznom sustavu čestice imaju veličinu koja leži unutar određenih granica. Ovdje razmatramo samo jedan zanimljiv slučaj. Što se događa ako pomiješate koloidnu i pravu otopinu elektrolita? Ponderirani sustav će se slomiti i doći će do njegove koagulacije. Njegov razlog leži u utjecaju električnih polja iona pravih otopina na površinski naboj koloidnih čestica.
