Количество просмотров публикации И дисперсионной среды - 139
Классификация по характеру взаимодействия дисперсной фазы
Классификация по структурно-механическим свойствам
Классификация по агрегатному состоянию
Классификация по степени дисперсности
Классификация дисперсных систем
Учитывая зависимость отразмеров частиц различают высокодисперсные, среднедисперсные и грубодисперсные системы (табл. 1).
Таблица 1
| Класс | Размер частиц, м | Дисперсность | Примеры |
| Высокодисперсные (коллоидные системы) | 10-9-10-7 | 109-107 | Гидрозоли, аэрозоли |
| Среднедисперсные | 10-7-10-5 | 107-105 | Растворимый кофе, сахарная пудра |
| Грубодисперсные | Более 10-5 | Менее 105 | Суспензии |
Удельная поверхность частиц дисперсной фазы максимальна в высокодисперсных системах, при переходе к средне- и грубодисперсным системам она уменьшается. При размере частиц менее 10-9 м поверхность раздела между частицей и средой исчезает, образуются молекулярные или ионные растворы (истинные растворы).
Дисперсная фаза и дисперсионная среда могут находиться в любом из трех агрегатных состояний: твердом (Т), жидком (Ж) и газообразном (Г).
Каждая дисперсная система имеет свое обозначение и название: в числителе указывается агрегатное состояние дисперсной фазы, в знаменателе – дисперсионной среды. Возможно восемь вариантов дисперсных систем (табл. 2), поскольку система Г/Г не должна быть гетерогенной.
В общем случае все высокодисперсные коллоидные системы называют золями. К слову золь добавляют приставку, характеризующую дисперсионную среду. В случае если дисперсионная среда твердая – ксерозоли, жидкая – лиозоли (гидрозоли), газ – аэрозоли.
Таблица 2
| Дисперсионная среда | Дисперсная фаза | Дисперсная система | Название системы, примеры |
| Г | Г | Г/Г | Коллоидное состояние невозможно |
| Г | Ж | Ж/Г | Жидкие аэрозоли: туман, дезодорант |
| Г | Т | Т/Г | Твердые аэрозоли, порошки: пыль, дым, сахарная пудра, какао порошок, сухое молоко |
| Ж | Г | Г/Ж | Пены, газовые эмульсии: газированная вода, пиво, пена (пивная, мыльная) |
| Ж | Ж | Ж/Ж | Эмульсии: молоко, майонез |
| Ж | Т | Т/Ж | Золи, суспензии, гели, пасты: золи металлов, естественные водоемы, горчица, краски |
| Т | Г | Г/Т | Твердые пены: пемза, пенопласты, сыр, хлеб, пористый шоколад, зефир |
| Т | Ж | Ж/Т | Капиллярные системы: масло, фруктовые начинки |
| Т | Т | Т/Т | Сплавы металлов, драгоценные камни |
Помимо простых дисперсных систем существуют и сложные дисперсные системы, которые состоят из трех и более фаз.
К примеру, тесто после замеса представляет собой сложную дисперсную систему, состоящую из твердой, жидкой и газообразной фаз. Ее можно представить как систему типа Т, Г, Ж/Т. Зерна крахмала, частички оболочек зерна и набухшие нерастворимые белки составляют твердую фазу. В несвязанной воде растворены минеральные и органические вещества (водорастворимые белки, декстрины, сахара, соли и др.). Часть неограниченно набухающих белков образует коллоидные растворы. Присутствующий в тесте жир находится в виде капель. Газообразная среда образуется за счёт захвата пузырьков воздуха при замесе и в процессе брожения.
Различают свободнодисперсные и связнодисперсные системы.
В свободнодисперсных системах частицы дисперсной фазы не связаны друг с другом и свободно перемещаются по всему объёму системы (лиозоли, разбавленные суспензии и эмульсии, аэрозоли и др.).
В связнодисперсных системах частицы контактируют друг с другом, образуя каркас, сообщающий этим системам структурно-механические свойства – прочность, упругость, пластичность (гели, студни, твердые пены, концентрированные эмульсии и др.). Связнодисперсные пищевые массы бывают в виде полупродуктов (тесто, мясной фарш) или готовых продуктов питания (творог, сливочное масло, халва, мармелад, плавленый сыр и т. д.).
Лиофильные (гидрофильные) дисперсные системы характеризуются высоким сродством дисперсной фазы и дисперсионной среды и, следовательно, низкими значения поверхностной энергии Gпов. Οʜᴎ образуются самопроизвольно и термодинамически устойчивы. Свойства лиофильных дисперсных систем могут проявлять растворы коллоидных ПАВ (мыла), растворы высокомолекулярных соединений (белков, полисахаридов), критические эмульсии, микроэмульсии, некоторые золи.
Лиофобные (гидрофобные) - ϶ᴛᴏ системы, в которых межмолекулярное взаимодействие частица – среда невелико. Такие системы термодинамически неустойчивы. Для их образования необходимы определенные условия и воздействие извне. Для увеличения устойчивости в них вводят стабилизаторы. Большинство пищевых дисперсных систем лиофобны.
referatwork.ru
Реферат
на тему: «Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию. Особенности каждой системы»
Выполнил: студент гр. Э – 2
Федотов А.Ю.
Проверила: Бубнова О.А.
Пенза 2008
Содержание
1. Понятие о дисперсных системах
2. Классификация дисперсных систем
2.1 Грубодисперсные системы
2.2 Коллоидные системы
2.2.1 Золи
2.2.2 Гели
2.2.3 Мицеллы
Список используемой литературы
1. Понятие о дисперсных системах
Далеко не все вещества растворимы друг в друге, т. е. образуют истинные растворы. Конечно, можно искусственно измельчить одно вещество и распределить его в объеме другого, но в любом случае такая система будет гетерогенной. Например, можно разбить жидкость на мельчайшие капельки и распылить их в газовую среду (допустим, с помощью аэрозольного баллончика). Раствором полученную систему назвать нельзя, даже мельчайшая капелька жидкости будет отделена от газа поверхностью раздела двух фаз: жидкой и газообразной.
Аналогичную систему представляет собой зубная паста: мелкие частицы твердого вещества распределены в жидкости. Подобные системы веществ получили название дисперсных систем.
Дисперсными называют гетерогенные системы, в которых одно вещество в виде очень мелких частиц равномерно распределено в объеме другого.
То вещество, которое распределено в объеме другого, называют дисперсной фазой. Второе вещество носит название дисперсионной среды.
В зависимости от агрегатного состояния дисперсной фазы и дисперсионной среды различают восемь типов дисперсных систем.
2. Классификация дисперсных систем
По размеру частиц дисперсной фазы различают грубодисперсные системы (взвеси) с размером частиц более 500 нм и тонкодисперсные (коллоидные растворы или коллоиды) с размерами частиц от 1 до 500 нм.
Дисперсные системы классифицируют также по степени взаимодействия между дисперсионной средой и дисперсной фазой. Если такое взаимодействие выражено очень слабо, систему называют лиофобной (в случае воды — гидрофобной). Примером гидрофобной системы может служить «баритовая каша» — осадок сульфата бария, получаемый смешиванием растворов, содержащих катион бария и сульфат-анион. Если же дисперсная фаза и дисперсионная среда «тяготеют» друг к другу (например, образуют водородные связи), образуется лиофилъная (гидрофильная) дисперсионная система. Такие системы образуются самопроизвольно и очень устойчивы. К ним относятся растворы высокомолекулярных соединений, например белков. Многие глобулярные белки диспергированы в водных растворах до отдельных молекул, но, поскольку их размеры составляют десятки нанометров, раствор нельзя считать истинным — это дисперсная система.
Разновидность дисперсных систем.
| Дисперсионная среда | Дисперсная фаза | Название дисперсной системы | Примеры дисперсных систем |
| Газ | Жидкость | Аэрозоль | Туман, облака, карбюраторная смесь бензина с воздухом в двигателе автомобиля. |
| Твердое вещество | Аэрозоль | Дым, смог, пыль в воздухе | |
| Жидкость | Газ | Пена | Газированные напитки, взбитые сливки |
| Жидкость | Эмульсии | Молоко, майонез, жидкие среды организма (плазма крови, лимфа), жидкое содержимое клеток (цитоплазма, кариоплазма) | |
| Твердое вещество | Золь, суспензия | Речной и морской ил, строительные растворы, пасты. | |
| Твердое вещество | Газ | Твердая пена | Керамика, пенопласты, полиуретан, поролон, пористый шоколад. |
| Жидкость | Гель | Желе, желатин, косметические и медицинские средства (мази, тушь, помада) | |
| Твердое вещество | Твердый золь | Горные породы, цветные стекла, некоторые сплавы. |
2.1 Грубодисперсные системы
Коэффициент растворимости карбоната кальция (мел) очень мал (6,2-10"4 г/100 г Н2 О).
Попробуем приготовить из этого вещества и воды дисперсную систему. Как можно более тщательно разотрем мел в Ступке, перенесем в стакан с водой и перемешаем. Получим мутную жидкость — дисперсную систему, называемую суспензией. Однако пройдет немного времени, и мел осядет на дно стакана, жидкость станет прозрачной. Под действием силы тяжести частицы твердого вещества седиментируют. Это aw кое доказательство того, что наша система получилась Грубодисперсной. Получить дисперсную систему карбонат кальция-вода можно химическим способом: пропусканием углекислого газа через известковую воду (раствор гидроксид кальция). При этом раствор мутнеет. Полученная система также грубодисперсна, через непродолжительное время в результате осаждения карбоната кальция она расслоится.
Грубодисперсные системы с твердой дисперсной фазой и жидкой дисперсионной средой называют суспензиями. Суспензиями являются многие краски, побелка, строительные растворы (цементный раствор, бетон). Особую группу составляют грубодисперсные системы, в которых концентрация дисперсной фазы относительно велика. Примерами таких систем могут служить пасты (в том числе зубная), кремы, мази.
Суспензии, в которых седиментация идет очень медленно из-за малой разности в плотностях дисперсионной среды и дисперсной фазы, называют взвесями. Вода из грязной лужи, сколько ее не отстаивай, всегда остается мутноватой, в ней во взвешенном состоянии находятся мельчайшие частицы пыли.
Грубодисперсную систему можно получить из двух несмешивающихся друг с другом жидкостей. Если несколько капель растительного масла энергично взболтать в пробирке с несколькими миллилитрами воды, образуется мутная дисперсная система — эмульсия. Со временем она расслоится, поскольку представляет собой грубодисперсную систему.
Примерами эмульсий могут служить некоторые смазоно-охлаждающие жидкости, пестицидные препараты, лекарственные и косметические средства. Например, в медицинской практике применяются жировые эмульсии для энергетического обеспечения голодающего или ослабленного организма путем внутривенного вливания. Типичные биологические эмульсии — это капельки жира в лимфе, кровь. Млечный сок каучуконосных деревьев (латекс) — тоже эмульсия. В химической технологии широко применяют эмульсионную полимеризацию, как основной метод получения каучуков, полистирола, поливинилацетата.
2.2 Коллоидные системы
Коллоиды занимают промежуточное положение между грубодисперсными системами и истинными растворами.
На основании таблицы вы можете убедиться, что дисперсные системы чрезвычайно многообразны. Можно сказать, что они составляют основу всего живого мира. Распространенность их в быту, в технике, в промышленности также очень велика.
Большое значение имеют коллоидные системы для биологии и медицины. В состав любого живого организма входят твердые, жидкие и газообразные вещества, находящиеся в сложнейших взаимоотношениях друг с другом и окружающей средой. Цитоплазма клеток обладает свойствами, характерными как для жидких, так и студнеобразных веществ. С химической точки зрения организм в целом — это сложная совокупность многих коллоидных систем, включающих в себя и жидкие коллоиды, и гели.
Если частицы дисперсной фазы достаточно малы, коллоидная система напоминает истинный раствор, отсюда и происходит название — коллоидный раствор. Такая систем образуется, например, при растворении небольшого количества яичного белка в воде.
Коллоидные растворы, как правило, опалесцируют, т.е. рассеивают падающий свет за счет частиц дисперсной фазы, размеры которых сравнимы с длиной волны излучения. При этом коллоидный раствор при освещении как бы светится сам. Характерным проявлением опалесценции является эффект Тиндаля. Он заключается в появлении в коллоидном растворе светящейся дорожки при пропускании через него луча света. Такой эффект можно наблюдать, выпустив на луч лазерной указки немного аэрозоля.
Существует несколько основных способов получения коллоидных растворов. Первый из них — дисперсионный, а проще говоря, дробление вещества на мелкие частицы в дисперсионной среде или вне ее. Такое дробление можно осуществлять механически с помощью специальных машин — коллоидных мельниц. Так получают, например, тушь, жидкие акварельные, водоэмульсионные и вододисперсионные краски. Дробление можно производить при помощи электрического тока (коллоидные растворы серебра, золота, платины) или ультразвука (коллоидные растворы гипса, графита, смол).
Второй способ получения коллоидов — химический, он основан на проведении различных реакций, приводящих к образованию нерастворимых в жидкости веществ.
При сливании очень разбавленных растворов нитрата серебра и хлорида натрия удается получить коллоидный раствор хлорида серебра:
AgNO3 + NaCl =AgCl+ NaNO3 .
С помощью реакции взаимодействия растворов тиосульфата натрия и кислоты можно получить коллоидный раствор серы:
Na2 S2 O3 + 2НС1 = 2NaCl + Н2 О + SO2 + S
Восстановлением соли золота формальдегидом можно получить коллоидный раствор этого металла:
2NaAuO2 + ЗНСНО + Na2 CO3 = = 2Au| + 3HCOONa + NaHCO3 + h3 O.
Важнейшими типами коллоидных систем являются золи и гели.
2.2.1 Золи
Золи — это коллоидные системы, в которых дисперсионной средой является жидкость, а дисперсной фазой — твердое вещество. Отдельные частицы золя изолированы друг от друга дисперсионной средой. С течением времени они могут укрупняться, сталкиваясь друг с другом. Такое явление получило название коагуляция. В результате действия силы тяжести такие частицы выпадают в осадок, происходит их седиментация.
2.2.2 Гели
Кроме коагуляции, при длительном хранении гидрофильные золи могут превращаться в гели — особое студнеобразное коллоидное состояние. При этом отдельные частицы золя связываются друг с другом, образуя сплошную пространствен ную сетку. Внутрь ячеек сетки попадают частицы растворителя. Получается, что дисперсная фаза и дисперсионная среда меняются ролями! Твердая фаза становится непрерывной, а частички жидкости — изолированными. Дисперсная система теряет свою текучесть, приобретая новые механические свойства. При нагревании гель может вновь превратиться в золь.
Гели широко распространены в нашей повседневной жизни. Любому известны пищевые гели (зефир, мармелад, холодец), косметические (гель для душа, кремы), медицин ские (мази, пасты). Однако немногие знают, что хрящи, сухожилия, волосы представляют собой органические гели, а опал, жемчуг, сердолик, хальцедон — минеральные.
Для некоторых гелей характерно явление синерезиса (или расслоения) — самопроизвольного выделения жидкости. При этом пространственная сетка геля уплотняется, ее объем уменьшается, образуется так называемый твердый коллош). Схематично описанные процессы представлены на рисунке.
Чаще всего с явлением синерезиса приходится бороться, поскольку именно оно определяет сроки годности пищевых, косметических, медицинских гелей. Например, при дли тельном хранении мармелад или торт «Птичье молоко» выделят жидкость, становятся непригодными к употреблению. Однако в некоторых случаях синерезис — великое благо.
Благодаря биологическому синерезису мы наблюдаем такое явлении, как свертывание крови, суть которого состоит в превращении растворимого белка фибриногена в нерастворимый — фибрин.
Процессы, изображенные на рисунке, являются обратимыми. Из твердого коллоида желатина (продукта белкового происхождения) при набухании в теплой воде образуется студнеобразный гель — желе. Но в кулинарных рецептах всегда предупреждают: нельзя доводить желе до кипения, иначе гель превратится в золь, и дисперсная система вновь приобретет текучесть.
Частицы дисперсной фазы коллоидных растворов нередко не оседают даже при длительном хранении. Почему так происходит? Первая причина заключается в том, что мельчайшие коллоидные частицы за счет теплового движения постоянно сталкиваются с молекулами дисперсионной среды, изменяя направление движения, т. е. оседания не наблюдается. Но почему при столкновении частиц дисперсной фазы не происходит их коагуляция, укрупнение, что неизбежно привело бы к расслоению коллоида? Слипанию препятствует электрический заряд на поверхности коллоидных частиц, все они оказываются одноименно заряженными, что приводит к их взаимному отталкиванию. Остается выяснить, как же образуется этот заряд? Для этого рассмотрим строение коллоидной частицы.
2.2.3 Мицеллы
Частицы дисперсной фазы золей называют мицеллами. Если исключить влияние растворителя, в котором образуется коллоидная система, то упрощенную схему строения мицеллы золя хлорида серебра (при избытке хлорид-анионов) можно представить следующим образом. Предположим, что золь хлорида серебра получен сливанием сильно разбавленных растворов хлорида калия и нитрата серебра, причем хлорид калия взят в избытке.
При взаимодействии катионов серебра с хлорид-анионами образуются частицы нерастворимого в воде хлорида серебра. Поскольку растворы сильно разбавлены, микрокристаллы получаются коллоидных размеров, очень мелкие. Такой микрокристалл образует ядро мицеллы.
Рост кристалла прекращается, когда в растворе практически до нуля падает концентрация ионов серебра. Но хлорид-анионы присутствуют в избытке. Часть из них адсорбируется на поверхности ядра, достраивая его кристаллическую решетку. Хлорид-анионы в данном случае называют потенциалопределяющими ионами. Именно они обусловливают наличие отрицательного заряда агрегата ядра с избытком ионов С1-. Если бы в растворе присутствовал избыток нитрата серебра, потенциалопределяющими ионами были бы катионы Ag+ .
Естественно, после возникновения заряда образовавшаяся частица начинает притягивать из раствора ионы с противоположным знаком — катионы калия (противоионы), образуется так называемый двойной электрический слой. Некоторая часть противоионов очень прочно притягивается к агрегату, образуя адсорбционный слой. Часть мицеллы, включающую ядро, потенциал определяющие ионы и адсорбционный слой, называют гранулой. Ионы К+, которые не входят в адсорбционный слой, слабее связаны с гранулой и могут диссоциировать в раствор. Они составляют диффузный слой противоионов.
В целом мицелла представляет собой электронейтральную частицу, но за счет перехода части ионов диффузного слоя в раствор гранулы имеют на поверхности избыточный отрицательный заряд, который и препятствует их коагуляции в более крупные частицы.
Строение мицеллы можно изобразить с помощью формулы. Последовательные шаги в составлении формулы мицеллы таковы.
1)Ядро мицеллы состоит из т частиц AgCl, образующих микрокристалл: m[AgCl].
2)Потенциалопределяющие ионы адсорбируются на поверхности ядра; предположим, что для нашего примера их число равно п: m[AgCl] • nСl-.
3)Затем следует слой противоионов. Их общее число так же равно п, однако часть (допустим, х) из них образуют диффузный слой, остальные (п — х) вместе с ядром и потенциалопределяющими ионами составляют гранулу. Часть формулы, относящуюся к грануле мицеллы, заключают в фигурные скобки. Заряд гранулы в данной мицелле равен х~. Таким образом, формула мицеллы золя хлорида серебра в избытке хлорид-анионов такова:
{m[AgCl] • TiCl" • (п — х)К+ }х — хК+
Зная строение мицеллы, можно управлять процессом коагуляции. Каким образом можно «заставить» коллоидные частицы коагулировать? Очевидно, необходимо лишить их поверхностного заряда. Этого можно добиться с помощью растворов электролитов. Действительно, если к золю хлорида серебра добавить, например, раствор сульфата алюминия, катионы А13+ нейтрализуют отрицательный заряд гранулы, мицеллы укрупняются и оседают под действием силы тяжести. Очевидно, что при равных концентрациях трехзарядный ион алюминия обладает большей коагулирующей способностью, чем, например, однозарядный ион лития Li+ .
В некоторых случаях, напротив, необходимо поддерживать устойчивость коллоидной системы или преобразовать коагулят в золь. Вспомните, например, принцип действия поверхностно-активного вещества, например мыла, при удавлении жира с загрязненной поверхности. Гидрофобный углердородный радикал растворяется в частицах жира, а гидрофильный карбоксилат-анион оказывается на поверхности. Мельчайшие (коллоидные) капельки жира с «одуванчиком» анионов -СОО- на поверхности переходят в раствор и не слипаются вновь из-за наличия отрицательного заряда.
Список используемой литературы
1. Калоус В. Биофизическая химия. /Калоус В., Павличек З. – М., 1985 г.
2. Общая химия. Биофизическая химия. Химия биогенных элементов: Учеб. для вузов/Ю.А. Ершов, В.А. Попков, А.С. Берлянд и др.; Под. Ред. Ю.А. Ершова. – 2-е изд., испр. и доп.- М.: Высш. шк., 2000м – 560 с.: ил.
3. Маршелл Э. Биофизическая химия. – М.: Мир, 1981.
www.ronl.ru
В окружающем нас мире чистые вещества встречаются крайне редко, в основном большинство веществ на земле и в атмосфере – это разнообразные смеси, содержащие более двух компонентов. Частицы размером примерно от 1 нм (несколько молекулярных размеров) до 10 мкм называются дисперсными (лат. dispergo – рассеивать, распылять). Разнообразные системы (неорганические, органические, полимерные, белковые), в которых хотя бы одно из веществ находится в виде таких частиц, называются дисперсными. Дисперсные - это гетерогенные системы, состоящие из двух или более фаз с сильно развитой поверхностью раздела между ними или смесь, состоящая как минимум из двух веществ, которые совершенно или практически не смешиваются друг с другом и не реагируют друг с другом химически. Одна из фаз – дисперсная фаза – состоит из очень мелких частиц, распределенных в другой фазе – дисперсионной среде.
Дисперсная система
По агрегатному состоянию дисперсные частицы могут быть твердыми, жидкими, газообразными, во многих случаях имеют сложное строение. Дисперсионные среды также бывают газообразными, жидкими и твердыми. В виде дисперсных систем существует большинство реальных тел окружающего нас мира: морская вода, грунты и почвы, ткани живых организмов, многие технические материалы, пищевые продукты и др.
Несмотря на многочисленные попытки предложить единую классификацию этих систем, она до сих пор отсутствует. Причина заключена в том, что в любой классификации принимаются в качестве критерия не все свойства дисперсных систем, а только какое-нибудь одно из них. Рассмотрим наиболее распространенные классификации коллоидных и микрогетерогенных систем.
В любой области знаний, когда приходится сталкиваться со сложными объектами и явлениями, для облегчения и установления определенных закономерностей целесообразно классифицировать их по тем или иным признакам. Это относится и к области дисперсных систем; в разное время для них были предложены различные принципы классификации. По интенсивности взаимодействия веществ дисперсионной среды и дисперсной фазы различают лиофильные и лиофобные коллоиды. Ниже кратко изложены другие приемы классификации дисперсных систем.
Классификация по наличию или отсутствию взаимодействия между частицами дисперсной фазы. Согласно этой классификации дисперсные системы делят на свободнодисперсные и связнодисперсные; классификация применима к коллоидным растворам и к растворам высокомолекулярных соединений.
К свободнодисперсным системам относят типичные коллоидные растворы, суспензии, взвеси, разнообразные растворы высокомолекулярных соединений, которые обладают текучестью, как обычные жидкости и растворы.
К связнодисперсным относят так называемые структурированные системы, в которых в результате взаимодействия между частицами возникает пространственная ажурная сетка-каркас, и система в целом приобретает свойство полутвердого тела. Например, золи некоторых веществ и растворы высокомолекулярных соединений при понижении температуры или с ростом концентрации выше известного предела, не претерпевая внешне каких-либо изменений, утрачивают текучесть — желатинируют (застудневают), переходят в состояние геля (студня). Сюда же можно отнести концентрированные пасты, аморфные осадки.
Классификация по дисперсности. Физические свойства вещества не зависят от размеров тела, но при высокой степени измельчения становятся функцией дисперсности. Например, золи металлов обладают различной окраской в зависимости от степени измельчения. Так, коллоидные растворы золота предельно высокой дисперсности имеют пурпурный цвет, менее дисперсные — синий, еще менее —зеленый. Есть основания полагать, что и другие свойства золей одного и того же вещества меняются по мере измельчения: Напрашивается естественный критерий классификации коллоидных систем по дисперсности, т. е. разделение области коллоидного состояния (10-5—10-7см) на ряд более узких интервалов. Такая классификация была в свое время предложена, но она оказалась бесполезной, так как коллоидные системы практически всегда полидисперсны; монодисперсные встречаются очень редко. К тому же степень дисперсности может меняться во времени, т. е. зависит от возраста системы.
studfiles.net
Реферат
на тему: «Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию. Особенности каждой системы»
Выполнил: студент гр. Э – 2
Федотов А.Ю.
Проверила: Бубнова О.А.
Пенза 2008
Содержание
1. Понятие о дисперсных системах
2. Классификация дисперсных систем
2.1 Грубодисперсные системы
2.2 Коллоидные системы
2.2.1 Золи
2.2.2 Гели
2.2.3 Мицеллы
Список используемой литературы
1. Понятие о дисперсных системах
Далеко не все вещества растворимы друг в друге, т. е. образуют истинные растворы. Конечно, можно искусственно измельчить одно вещество и распределить его в объеме другого, но в любом случае такая система будет гетерогенной. Например, можно разбить жидкость на мельчайшие капельки и распылить их в газовую среду (допустим, с помощью аэрозольного баллончика). Раствором полученную систему назвать нельзя, даже мельчайшая капелька жидкости будет отделена от газа поверхностью раздела двух фаз: жидкой и газообразной.
Аналогичную систему представляет собой зубная паста: мелкие частицы твердого вещества распределены в жидкости. Подобные системы веществ получили название дисперсных систем.
Дисперсными называют гетерогенные системы, в которых одно вещество в виде очень мелких частиц равномерно распределено в объеме другого.
То вещество, которое распределено в объеме другого, называют дисперсной фазой. Второе вещество носит название дисперсионной среды.
В зависимости от агрегатного состояния дисперсной фазы и дисперсионной среды различают восемь типов дисперсных систем.
2. Классификация дисперсных систем
По размеру частиц дисперсной фазы различают грубодисперсные системы (взвеси) с размером частиц более 500 нм и тонкодисперсные (коллоидные растворы или коллоиды) с размерами частиц от 1 до 500 нм.
Дисперсные системы классифицируют также по степени взаимодействия между дисперсионной средой и дисперсной фазой. Если такое взаимодействие выражено очень слабо, систему называют лиофобной (в случае воды - гидрофобной). Примером гидрофобной системы может служить «баритовая каша» - осадок сульфата бария, получаемый смешиванием растворов, содержащих катион бария и сульфат-анион. Если же дисперсная фаза и дисперсионная среда «тяготеют» друг к другу (например, образуют водородные связи), образуется лиофилъная (гидрофильная) дисперсионная система. Такие системы образуются самопроизвольно и очень устойчивы. К ним относятся растворы высокомолекулярных соединений, например белков. Многие глобулярные белки диспергированы в водных растворах до отдельных молекул, но, поскольку их размеры составляют десятки нанометров, раствор нельзя считать истинным - это дисперсная система.
Разновидность дисперсных систем.
| Дисперсионная среда | Дисперсная фаза | Название дисперсной системы | Примеры дисперсных систем |
| Газ | Жидкость | Аэрозоль | Туман,облака, карбюраторная смесь бензина с воздухом в двигателе автомобиля. |
| Твердое вещество | Аэрозоль | Дым, смог, пыль в воздухе | |
| Жидкость | Газ | Пена | Газированные напитки, взбитые сливки |
| Жидкость | Эмульсии | Молоко, майонез, жидкие среды организма (плазма крови, лимфа), жидкое содержимое клеток (цитоплазма, кариоплазма) | |
| Твердое вещество | Золь, суспензия | Речной и морской ил, строительные растворы, пасты. | |
| Твердое вещество | Газ | Твердая пена | Керамика, пенопласты, полиуретан, поролон, пористый шоколад. |
| Жидкость | Гель | Желе, желатин, косметические и медицинские средства (мази, тушь, помада) | |
| Твердое вещество | Твердый золь | Горные породы, цветные стекла, некоторые сплавы. |
2.1 Грубодисперсные системы
Коэффициент растворимости карбоната кальция (мел) очень мал (6,2-10"4 г/100 г Н2О).
Попробуем приготовить из этого вещества и воды дисперсную систему. Как можно более тщательно разотрем мел в Ступке, перенесем в стакан с водой и перемешаем. Получим мутную жидкость - дисперсную систему, называемую суспензией. Однако пройдет немного времени, и мел осядет на дно стакана, жидкость станет прозрачной. Под действием силы тяжести частицы твердого вещества седиментируют. Это aw кое доказательство того, что наша система получилась Грубодисперсной. Получить дисперсную систему карбонат кальция-вода можно химическим способом: пропусканием углекислого газа через известковую воду (раствор гидроксид кальция). При этом раствор мутнеет. Полученная система также грубодисперсна, через непродолжительное время в результате осаждения карбоната кальция она расслоится.
Грубодисперсные системы с твердой дисперсной фазой и жидкой дисперсионной средой называют суспензиями. Суспензиями являются многие краски, побелка, строительные растворы (цементный раствор, бетон). Особую группу составляют грубодисперсные системы, в которых концентрация дисперсной фазы относительно велика. Примерами таких систем могут служить пасты (в том числе зубная), кремы, мази.
Суспензии, в которых седиментация идет очень медленно из-за малой разности в плотностях дисперсионной среды и дисперсной фазы, называют взвесями. Вода из грязной лужи, сколько ее не отстаивай, всегда остается мутноватой, в ней во взвешенном состоянии находятся мельчайшие частицы пыли.
Грубодисперсную систему можно получить из двух несмешивающихся друг с другом жидкостей. Если несколько капель растительного масла энергично взболтать в пробирке с несколькими миллилитрами воды, образуется мутная дисперсная система - эмульсия. Со временем она расслоится, поскольку представляет собой грубодисперсную систему.
Примерами эмульсий могут служить некоторые смазоно-охлаждающие жидкости, пестицидные препараты, лекарственные и косметические средства. Например, в медицинской практике применяются жировые эмульсии для энергетического обеспечения голодающего или ослабленного организма путем внутривенного вливания. Типичные биологические эмульсии - это капельки жира в лимфе, кровь. Млечный сок каучуконосных деревьев (латекс) - тоже эмульсия. В химической технологии широко применяют эмульсионную полимеризацию, как основной метод получения каучуков, полистирола, поливинилацетата.
2.2 Коллоидные системы
Коллоиды занимают промежуточное положение между грубодисперсными системами и истинными растворами.
На основании таблицы вы можете убедиться, что дисперсные системы чрезвычайно многообразны. Можно сказать, что они составляют основу всего живого мира. Распространенность их в быту, в технике, в промышленности также очень велика.
Большое значение имеют коллоидные системы для биологии и медицины. В состав любого живого организма входят твердые, жидкие и газообразные вещества, находящиеся в сложнейших взаимоотношениях друг с другом и окружающей средой. Цитоплазма клеток обладает свойствами, характерными как для жидких, так и студнеобразных веществ. С химической точки зрения организм в целом - это сложная совокупность многих коллоидных систем, включающих в себя и жидкие коллоиды, и гели.
Если частицы дисперсной фазы достаточно малы, коллоидная система напоминает истинный раствор, отсюда и происходит название - коллоидный раствор. Такая систем образуется, например, при растворении небольшого количества яичного белка в воде.
Коллоидные растворы, как правило, опалесцируют, т.е. рассеивают падающий свет за счет частиц дисперсной фазы, размеры которых сравнимы с длиной волны излучения. При этом коллоидный раствор при освещении как бы светится сам. Характерным проявлением опалесценции является эффект Тиндаля. Он заключается в появлении в коллоидном растворе светящейся дорожки при пропускании через него луча света. Такой эффект можно наблюдать, выпустив на луч лазерной указки немного аэрозоля.
Существует несколько основных способов получения коллоидных растворов. Первый из них - дисперсионный, а проще говоря, дробление вещества на мелкие частицы в дисперсионной среде или вне ее. Такое дробление можно осуществлять механически с помощью специальных машин - коллоидных мельниц. Так получают, например, тушь, жидкие акварельные, водоэмульсионные и вододисперсионные краски. Дробление можно производить при помощи электрического тока (коллоидные растворы серебра, золота, платины) или ультразвука (коллоидные растворы гипса, графита, смол).
Второй способ получения коллоидов - химический, он основан на проведении различных реакций, приводящих к образованию нерастворимых в жидкости веществ.
При сливании очень разбавленных растворов нитрата серебра и хлорида натрия удается получить коллоидный раствор хлорида серебра:
AgNO3 + NaCl =AgCl + NaNO3.
С помощью реакции взаимодействия растворов тиосульфата натрия и кислоты можно получить коллоидный раствор серы:
Na2S2O3 + 2НС1 = 2NaCl + Н2О + SO2 + S
Восстановлением соли золота формальдегидом можно получить коллоидный раствор этого металла:
2NaAuO2 + ЗНСНО + Na2CO3 = = 2Au| + 3HCOONa + NaHCO3 + h3O.
Важнейшими типами коллоидных систем являются золи и гели.
2.2.1 Золи
Золи - это коллоидные системы, в которых дисперсионной средой является жидкость, а дисперсной фазой - твердое вещество. Отдельные частицы золя изолированы друг от друга дисперсионной средой. С течением времени они могут укрупняться, сталкиваясь друг с другом. Такое явление получило название коагуляция. В результате действия силы тяжести такие частицы выпадают в осадок, происходит их седиментация.
2.2.2 Гели
Кроме коагуляции, при длительном хранении гидрофильные золи могут превращаться в гели - особое студнеобразное коллоидное состояние. При этом отдельные частицы золя связываются друг с другом, образуя сплошную пространствен ную сетку. Внутрь ячеек сетки попадают частицы растворителя. Получается, что дисперсная фаза и дисперсионная среда меняются ролями! Твердая фаза становится непрерывной, а частички жидкости - изолированными. Дисперсная система теряет свою текучесть, приобретая новые механические свойства. При нагревании гель может вновь превратиться в золь.
Гели широко распространены в нашей повседневной жизни. Любому известны пищевые гели (зефир, мармелад, холодец), косметические (гель для душа, кремы), медицин ские (мази, пасты). Однако немногие знают, что хрящи, сухожилия, волосы представляют собой органические гели, а опал, жемчуг, сердолик, хальцедон - минеральные.
Для некоторых гелей характерно явление синерезиса (или расслоения) - самопроизвольного выделения жидкости. При этом пространственная сетка геля уплотняется, ее объем уменьшается, образуется так называемый твердый коллош). Схематично описанные процессы представлены на рисунке.
Чаще всего с явлением синерезиса приходится бороться, поскольку именно оно определяет сроки годности пищевых, косметических, медицинских гелей. Например, при дли тельном хранении мармелад или торт «Птичье молоко» выделят жидкость, становятся непригодными к употреблению. Однако в некоторых случаях синерезис - великое благо.
Благодаря биологическому синерезису мы наблюдаем такое явлении, как свертывание крови, суть которого состоит в превращении растворимого белка фибриногена в нерастворимый - фибрин.
Процессы, изображенные на рисунке, являются обратимыми. Из твердого коллоида желатина (продукта белкового происхождения) при набухании в теплой воде образуется студнеобразный гель - желе. Но в кулинарных рецептах всегда предупреждают: нельзя доводить желе до кипения, иначе гель превратится в золь, и дисперсная система вновь приобретет текучесть.
Частицы дисперсной фазы коллоидных растворов нередко не оседают даже при длительном хранении. Почему так происходит? Первая причина заключается в том, что мельчайшие коллоидные частицы за счет теплового движения постоянно сталкиваются с молекулами дисперсионной среды, изменяя направление движения, т. е. оседания не наблюдается. Но почему при столкновении частиц дисперсной фазы не происходит их коагуляция, укрупнение, что неизбежно привело бы к расслоению коллоида? Слипанию препятствует электрический заряд на поверхности коллоидных частиц, все они оказываются одноименно заряженными, что приводит к их взаимному отталкиванию. Остается выяснить, как же образуется этот заряд? Для этого рассмотрим строение коллоидной частицы.
2.2.3 Мицеллы
Частицы дисперсной фазы золей называют мицеллами. Если исключить влияние растворителя, в котором образуется коллоидная система, то упрощенную схему строения мицеллы золя хлорида серебра (при избытке хлорид-анионов) можно представить следующим образом. Предположим, что золь хлорида серебра получен сливанием сильно разбавленных растворов хлорида калия и нитрата серебра, причем хлорид калия взят в избытке.
При взаимодействии катионов серебра с хлорид-анионами образуются частицы нерастворимого в воде хлорида серебра. Поскольку растворы сильно разбавлены, микрокристаллы получаются коллоидных размеров, очень мелкие. Такой микрокристалл образует ядро мицеллы.
Рост кристалла прекращается, когда в растворе практически до нуля падает концентрация ионов серебра. Но хлорид-анионы присутствуют в избытке. Часть из них адсорбируется на поверхности ядра, достраивая его кристаллическую решетку. Хлорид-анионы в данном случае называют потенциалопределяющими ионами. Именно они обусловливают наличие отрицательного заряда агрегата ядра с избытком ионов С1-. Если бы в растворе присутствовал избыток нитрата серебра, потенциалопределяющими ионами были бы катионы Ag+.
Естественно, после возникновения заряда образовавшаяся частица начинает притягивать из раствора ионы с противоположным знаком - катионы калия (противоионы), образуется так называемый двойной электрический слой. Некоторая часть противоионов очень прочно притягивается к агрегату, образуя адсорбционный слой. Часть мицеллы, включающую ядро, потенциал определяющие ионы и адсорбционный слой, называют гранулой. Ионы К+, которые не входят в адсорбционный слой, слабее связаны с гранулой и могут диссоциировать в раствор. Они составляют диффузный слой противоионов.
В целом мицелла представляет собой электронейтральную частицу, но за счет перехода части ионов диффузного слоя в раствор гранулы имеют на поверхности избыточный отрицательный заряд, который и препятствует их коагуляции в более крупные частицы.
Строение мицеллы можно изобразить с помощью формулы. Последовательные шаги в составлении формулы мицеллы таковы.
1) Ядро мицеллы состоит из т частиц AgCl, образующих микрокристалл: m[AgCl].
2) Потенциалопределяющие ионы адсорбируются на поверхности ядра; предположим, что для нашего примера их число равно п: m[AgCl] • nСl-.
3) Затем следует слой противоионов. Их общее число так же равно п, однако часть (допустим, х) из них образуют диффузный слой, остальные (п - х) вместе с ядром и потенциалопределяющими ионами составляют гранулу. Часть формулы, относящуюся к грануле мицеллы, заключают в фигурные скобки. Заряд гранулы в данной мицелле равен х~. Таким образом, формула мицеллы золя хлорида серебра в избытке хлорид-анионов такова:
{m[AgCl] • TiCl" • (п - х)К+}х- хК+
Зная строение мицеллы, можно управлять процессом коагуляции. Каким образом можно «заставить» коллоидные частицы коагулировать? Очевидно, необходимо лишить их поверхностного заряда. Этого можно добиться с помощью растворов электролитов. Действительно, если к золю хлорида серебра добавить, например, раствор сульфата алюминия, катионы А13+ нейтрализуют отрицательный заряд гранулы, мицеллы укрупняются и оседают под действием силы тяжести. Очевидно, что при равных концентрациях трехзарядный ион алюминия обладает большей коагулирующей способностью, чем, например, однозарядный ион лития Li+.
В некоторых случаях, напротив, необходимо поддерживать устойчивость коллоидной системы или преобразовать коагулят в золь. Вспомните, например, принцип действия поверхностно-активного вещества, например мыла, при удавлении жира с загрязненной поверхности. Гидрофобный углердородный радикал растворяется в частицах жира, а гидрофильный карбоксилат-анион оказывается на поверхности. Мельчайшие (коллоидные) капельки жира с «одуванчиком» анионов -СОО- на поверхности переходят в раствор и не слипаются вновь из-за наличия отрицательного заряда.
Список используемой литературы
1. Калоус В. Биофизическая химия. /Калоус В., Павличек З. – М., 1985 г.
2. Общая химия. Биофизическая химия. Химия биогенных элементов: Учеб. для вузов/Ю.А. Ершов, В.А. Попков, А.С. Берлянд и др.; Под. Ред. Ю.А. Ершова. – 2-е изд., испр. и доп.- М.: Высш. шк., 2000м – 560 с.: ил.
3. Маршелл Э. Биофизическая химия. – М.: Мир, 1981.
www.neuch.ru
Реферат на тему:
Диспе́рсная систе́ма — это образования из двух или более числа фаз (тел), которые совершенно или практически не смешиваются и не реагируют друг с другом химически. Первое из веществ (дисперсная фаза) мелко распределено во втором (дисперсионная среда). Если фаз несколько, их можно отделить друг от друга физическим способом (центрифугировать, сепарировать и т. д.).
Обычно дисперсные системы — это коллоидные растворы, золи. К дисперсным системам относят также случай твёрдой дисперсной среды, в которой находится дисперсная фаза.
Диспе́ргатор РПГ- это аппарат, позволяющий диспергировать и получить коллоидный раствор двух и более практически несмешиваемых веществ. Обычно бывают рециркуляционного, встроенного и погружного типа.
Наиболее общая классификация дисперсных систем основана на различии в агрегатном состоянии дисперсионной среды и дисперсной фазы. Сочетания трех видов агрегатного состояния позволяют выделить девять видов дисперсных систем. Для краткости записи их принято обозначать дробью, числитель которой указывает на дисперсную фазу, а знаменатель на дисперсионную среду, например для системы «газ в жидкости» принято обозначение Г/Ж.
| Г/Г | Газообразная | Газообразная | Дисперсная система не образуется |
| Ж/Г | Жидкая | Газообразная | Аэрозоли: туманы, облака |
| Т/Г | Твёрдая | Газообразная | Аэрозоли (пыли, дымы), порошки |
| Г/Ж | Газообразная | Жидкая | Газовые эмульсии и пены |
| Ж/Ж | Жидкая | Жидкая | Эмульсии: нефть, крем, молоко |
| Т/Ж | Твёрдая | Жидкая | Суспензии и золи: пульпа, ил, взвесь, паста |
| Г/Т | Газообразная | Твёрдая | Пористые тела |
| Ж/Т | Жидкая | Твёрдая | Капиллярные системы: жидкость в пористых телах, грунт, почва |
| Т/Т | Твёрдая | Твёрдая | Твёрдые гетерогенные системы: сплавы, бетон, ситаллы, композиционные материалы |
По кинетическим свойствам дисперсной фазы дисперсные системы можно разделить на два класса:
В свою очередь эти системы классифицируются по степени дисперсности.
Системы с одинаковыми по размерам частицами дисперсной фазы называются монодисперсными, а с неодинаковыми по размеру частицами — полидисперсными. Как правило, окружающие нас реальные системы полидисперсны.
По размерам частиц свободнодисперсные системы подразделяют на:
| Ультрамикрогетерогенные | 10−9…10−7 |
| Микрогетерогенные | 10−7…10−5 |
| Грубодисперсные | более 10−5 |
Ультрамикрогетерогенные системы также называют коллоидными или золями. В зависимости от природы дисперсионной среды, золи подразделяют на твёрдые золи, аэрозоли (золи с газообразной дисперсионной средой) и лиозоли (золи с жидкой дисперсионной средой). К микрогетерогенным системам относят суспензии, эмульсии, пены и порошки. Наиболее распространёнными грубодисперсными системами являются системы «твёрдое — газ», например, песок.
Связнодисперсные системы (пористые тела) по классификации М. М. Дубинина подразделяют на:
| Микропористые | менее 2 |
| Мезопористые | 2-200 |
| Макропористые | более 200 |
По рекомендации ИЮПАК[1] микропористыми называют пористые материалы с размерами пор до 2 нм, мезопористыми — от 2 до 50 нм, макропористыми — свыше 50 нм.
wreferat.baza-referat.ru
При введении в дисперсные системы в качестве стабилизатора ПАВ фактором стабилизации могут быть "термодинамическая упругость" пленок среды, разделяющей частицы. Стабилизация обеспечивается тем, что при сближении частиц, например, капель или газовых пузырей, происходит растяжение и утоньшение разделяющей их прослойки, содержащей ПАВ, и, как следствие, нарушение адсорбции равновесия. Восстановление этого равновесия и приводит к повышению устойчивости прослойки среды, разделяющей частицы. Гидродинамическое сопротивление вытеснению жидкой дисперсионной среды из прослойки между сближающимися частицами - один из кинетических факторов стабилизации дисперсных систем. Он особенно эффективен в системах с высоковязкой дисперсионной средой, а при застекловывании последней делает систему неограниченно устойчивой к агрегации частиц и коалесценции. Структурно-механически фактор стабилизации, по П. А. Ребиндеру, возникает при образовании на межфазной границе полимолекулярных защитных слоев из мицеллообразующих ПАВ, высокомолекулярных соединении, а иногда и тонких сплошных или дискретных фазовых пленок. Межфазный защитный слой должен обладать способностью сопротивляться деформациям и разрушению, достаточной подвижностью для "залечивания" возникших в нем дефектов и, что особенно важно, быть лиофилизованным с внешней стороны, обращенной в сторону дисперсионной среды. Если защитный слой недостаточно лиофилен, он, предохраняя частицы от коалесценции, не сможет предотвратить коагуляции. Структурно-механически барьер является, по существу, комплексным фактором стабилизации, который включает термодинамичкие, кинетические и структурные составляющие. Он универсален и способен обеспечить высокую агрегативную устойчивость любых дисперсных систем с жидкой дисперсионной средой, в том числе высококонцентрированных, наиболее важных в практических отношении. Основные свойства дисперсных систем определяются поверхностными явлениями: адсорбцией, образованием двойного электрического слоя и обусловленных им электрокинетических явлений, контактными взаимодействиями частиц дисперсной фазы. Размер частиц определяет оптические (светорассеяние и др.) и молекулярно-кинетические свойства. Дисперсные системы повсеместно распространены в природе. Это - горные породы, грунты, почвы, гидросферные осадки, растительные и животные ткани. Дисперсные системы широко используют в технологических процессах; в виде дисперсных систем выпускается большинство промышленных продуктов и предметов бытового потребления. Высокодисперсные технические материалы отличаются чрезвычайно большой прочностью. На высокоразвитых поверхностях интенсивно протекают гетерогенные и гетерогенно-каталитические химические процессы. Учение о дисперсных системах и поверхностных явлениях в них составляет сущность коллоидной химии. Самостоятельный раздел коллоидной химии - физико-химическая механика - изучаeт закономерности структурообразования и механические свойства структурированных дисперсных систем и материалов в их связи с физическими-химическими явлениями на межфазных границах.
Методы исследования дисперсионной системы.
Таким образом, изучение гетерогенности и дисперсности системы всецело зависит от методов, которые имеются для различения или для фактического разделения обеих фаз дисперсной системы. Первой цели служат оптические методы. В случае суспензии и эмульсий гетерогенность обнаруживается непосредственно микроскопическим наблюдением. Для коллоидальных растворов оптическая гетерогенность обнаруживается явлением Фарадея-Тиндаля (Faraday, Tyndall): если на раствор направить сбоку сильный пучок света, то благодаря рассеиванию его коллоидальными частицами путь луча в растворе обнаружится в виде светящегося конуса— так называемые «конуса Тиндаля»; молекулярно- и ионно-дисперсные растворы остаются в этих условиях темными, «оптически пустыми». На подобном рассеянии света коллоидальными частицами основана возможность наблюдать их в ультрамикроскоп. От размеров частиц во многих случаях зависит также окраска коллоидальных растворов. Бесцветные вещества при известных размерах своих частиц могут путем рассеяния света давать ту или иную окраску. Согласно теории, разработанной Релеем (Rayleigh), этим обусловлена окраска так называемых «мутных сред» (напр. гидрозоль мастики имеет в проходящем свете желтую или коричневую окраску, в падающем— голубоватую). Таким же рассеянием света мельчайшими частицами в верхних слоях атмосферы объясняется, как известно, голубой цвет неба. При изменении степени дисперсности коллоида и размеров его частиц изменяется во многих случаях и его окраска. В прочем возможность обнаружить гетерогенность системы оптическими методами зависит не только от размеров дисперсных частиц, но и от их оптических свойств. Чем сильнее отличается показатель преломления частицы от показателя преломления окружающей среды, тем легче может она быть обнаружена. Поэтому, например: в гидрозолях тяжелых металлов (золото, серебро и т. п.), имеющих очень плотные частицы, последние легко обнаруживаются под ультрамикроскопом, между тем как сильно набухшие (и потому мало отличающиеся от окружающей воды) белковые частицы могут—при значительно больших размерах—оставаться незамеченными. Химически гетерогенная система может быть оптически гомогенной. Не менее существенным признаком для характеристики дисперсной системы могут служить те приемы, которые позволяют отделять друг от друга их фазы. Находящееся в истинном растворе вещество может быть нацело отделено от растворителя лишь при помощи больших или малых специфических химических реакций. У коллоидных растворов и особенно у более грубых дисперсных систем для такого разделения применимы чисто механические методы. Грубо гетерогенные взвеси могут быть отделены от своей дисперсионной среды путем фильтрации. Тот же прием применим и к коллоидальным растворам, если только взять более плотный фильтр с соответственно уменьшенными порами. В зависимости от диаметра своих пор такие «ультрафильтры» задерживают все или некоторые коллоидальные частицы. Пользуясь серией ультрафильтров различной пористости и исследуя, какие из них пропускают коллоидальный раствор и какие задерживают его частицы, можно определить величину последних. Прохождение жидкости совершается при этом под более или менее значительным давлением и требует применения специальных приборов. Другим способом механического разделения обеих фаз дисперсных систем служит центрифугирование. В некоторых случаях при значительном увеличении числа оборотов этот метод может быть применен не только к суспензиям и эмульсиям, но также и к коллоидальным растворам. Удельная поверхность. По мере раздробления одной из фаз гетерогенной системы на все более и более мелкие частицы, по мере увеличения степени дисперсности, пограничная поверхность, разделяющая обе фазы, непрерывно возрастает. Это увеличение пограничной поверхности легко выразить количественно. Как известно, поверхность тела пропорциональна квадрату, а объем (или масса)— кубу его линейного измерения. Если шарообразную каплю масла, взвешенную в водном растворе, разбить на более мелкие капли, имеющие в десять раз меньший диаметр, то поверхность каждой новой капли будет в сто раз меньше первоначальной. В то же время масса капли уменьшится в тысячу раз, т. е. вместо одной капли мы получим теперь тысячу капель, общая поверхность которых будет в десять раз больше исходной. Общую поверхность дисперсной фазы, отнесенную к единице ее объема, называют удельной поверхностью. Таким образом, с увеличением раздробленности дисперсной системы ее удельная поверхность возрастает. Поверхность соприкосновения крови и клеток направления возрастает путем распределения крови по все более и более мелким сосудам и капиллярам. В других случаях величина поверхности увеличивается за счет усложнения ее формы. Так, возрастает всасывающая поверхность кишок благодаря развитию кишечных ворсинок. Особенно мощным средством увеличения пограничных поверхностей является, однако, и в организме образование дисперсной системы. Примером грубой дисперсной системы может служить кровь, представляющая суспензию эритроцитов в дисперсионной среде—плазме. Наконец само клеточное строение всех живых организмов может служить наиболее ярким доказательством значения мелко раздробленного состояния и большой удельной поверхности для жизни. Только в состоянии покоя протоплазма может собираться большими или малыми значительными сплошными массами, какие можно видеть например в крупных яйцах некоторых животных. Развитие организма начинается с дробления яйца на более мелкие клетки: прежде всего: растет не масса, а поверхность зародыша. Протоплазма многоклеточного организма образует огромную "поверхность, омываемую кровью и тканевыми жидкостями. Еще более мелко раздроблены ядра, образующие свою поверхность раздела с протоплазмой. Наконец кроме этих легко заметных микроскопических структур в клетке имеются более мелкие коллоидальные образования, постепенно уменьшающиеся до ультрамикроскопических размеров. В гетерогенных системах скорость химических процессов в большинстве случаев зависит от величины пограничной поверхности, по которой происходит обмен веществ между обеими соприкасающимися фазами. Та же поверхность является местом действия значительных поверхностных сил. Изменения степени дисперсности и связанные с ними изменения удельной поверхности являются, мощным средством, влияющим на интенсивность биологических процессов.
Список использованной литературы:
Гатчек Э., Введение в физику и химию коллоидов, Москва «КолосС», 1927, с. 65-90.
Дерягин Б. В., "Успехи химии", 1979, т. 48, в. 4, с. 675-721.
Ребиндер П. А., Поверхностные явления в дисперсных системах. Коллоидная химия, Избранные труды, Москва «Просвещения», 1978, с. 525-610.
Урьев Н. Б., Высококонцентрированные дисперсные системы, Москва «КолосС», 1980, с. 278-325.
Щукин Е. Д., Перцов А. В., Амелина Е. А., Коллоидная химия, Москва, 1982, с. 189-267.
www.allfuel.ru
freepapers.ru
13
Реферат
на тему: «Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию. Особенности каждой системы»
Выполнил: студент гр. Э - 2
Федотов А.Ю.
Проверила: Бубнова О.А.
Пенза 2008
Содержание
1. Понятие о дисперсных системах
2. Классификация дисперсных систем
2.1 Грубодисперсные системы
2.2 Коллоидные системы
2.2.1 Золи
2.2.2 Гели
2.2.3 Мицеллы
Список используемой литературы
1. Понятие о дисперсных системах
Далеко не все вещества растворимы друг в друге, т. е. образуют истинные растворы. Конечно, можно искусственно измельчить одно вещество и распределить его в объеме другого, но в любом случае такая система будет гетерогенной. Например, можно разбить жидкость на мельчайшие капельки и распылить их в газовую среду (допустим, с помощью аэрозольного баллончика). Раствором полученную систему назвать нельзя, даже мельчайшая капелька жидкости будет отделена от газа поверхностью раздела двух фаз: жидкой и газообразной.
Аналогичную систему представляет собой зубная паста: мелкие частицы твердого вещества распределены в жидкости. Подобные системы веществ получили название дисперсных систем.
Дисперсными называют гетерогенные системы, в которых одно вещество в виде очень мелких частиц равномерно распределено в объеме другого.
То вещество, которое распределено в объеме другого, называют дисперсной фазой. Второе вещество носит название дисперсионной среды.
В зависимости от агрегатного состояния дисперсной фазы и дисперсионной среды различают восемь типов дисперсных систем.
2. Классификация дисперсных систем
По размеру частиц дисперсной фазы различают грубодисперсные системы (взвеси) с размером частиц более 500 нм и тонкодисперсные (коллоидные растворы или коллоиды) с размерами частиц от 1 до 500 нм.
Дисперсные системы классифицируют также по степени взаимодействия между дисперсионной средой и дисперсной фазой. Если такое взаимодействие выражено очень слабо, систему называют лиофобной (в случае воды - гидрофобной). Примером гидрофобной системы может служить «баритовая каша» - осадок сульфата бария, получаемый смешиванием растворов, содержащих катион бария и сульфат-анион. Если же дисперсная фаза и дисперсионная среда «тяготеют» друг к другу (например, образуют водородные связи), образуется лиофилъная (гидрофильная) дисперсионная система. Такие системы образуются самопроизвольно и очень устойчивы. К ним относятся растворы высокомолекулярных соединений, например белков. Многие глобулярные белки диспергированы в водных растворах до отдельных молекул, но, поскольку их размеры составляют десятки нанометров, раствор нельзя считать истинным - это дисперсная система.
Разновидность дисперсных систем.
Дисперсионная среда | Дисперсная фаза | Название дисперсной системы | Примеры дисперсных систем | |
Газ | Жидкость | Аэрозоль | Туман,облака, карбюраторная смесь бензина с воздухом в двигателе автомобиля. | |
Твердое вещество | Аэрозоль | Дым, смог, пыль в воздухе | ||
Жидкость | Газ | Пена | Газированные напитки, взбитые сливки | |
Жидкость | Эмульсии | Молоко, майонез, жидкие среды организма (плазма крови, лимфа), жидкое содержимое клеток (цитоплазма, кариоплазма) | ||
Твердое вещество | Золь, суспензия | Речной и морской ил, строительные растворы, пасты. | ||
Твердое вещество | Газ | Твердая пена | Керамика, пенопласты, полиуретан, поролон, пористый шоколад. | |
Жидкость | Гель | Желе, желатин, косметические и медицинские средства (мази, тушь, помада) | ||
Твердое вещество | Твердый золь | Горные породы, цветные стекла, некоторые сплавы. |
2.1 Грубодисперсные системы
Коэффициент растворимости карбоната кальция (мел) очень мал (6,2-10"4 г/100 г Н2О).
Попробуем приготовить из этого вещества и воды дисперсную систему. Как можно более тщательно разотрем мел в Ступке, перенесем в стакан с водой и перемешаем. Получим мутную жидкость - дисперсную систему, называемую суспензией. При этом пройдет немного времени, и мел осядет на дно стакана, жидкость станет прозрачной. Под действием силы тяжести частицы твердого вещества седиментируют. Это aw кое доказательство того, что наша система получилась Грубодисперсной. Получить дисперсную систему карбонат кальция-вода можно химическим способом: пропусканием углекислого газа через известковую воду (раствор гидроксид кальция). При этом раствор мутнеет. Полученная система также грубодисперсна, через непродолжительное время в результате осаждения карбоната кальция она расслоится.
Грубодисперсные системы с твердой дисперсной фазой и жидкой дисперсионной средой называют суспензиями. Суспензиями являются многие краски, побелка, строительные растворы (цементный раствор, бетон). Особую группу составляют грубодисперсные системы, в которых концентрация дисперсной фазы относительно велика. Примерами таких систем могут служить пасты (в том числе зубная), кремы, мази.
Суспензии, в которых седиментация идет очень медленно из-за малой разности в плотностях дисперсионной среды и дисперсной фазы, называют взвесями. Вода из грязной лужи, сколько ее не отстаивай, всегда остается мутноватой, в ней во взвешенном состоянии находятся мельчайшие частицы пыли.
Грубодисперсную систему можно получить из двух несмешивающихся друг с другом жидкостей. Если несколько капель растительного масла энергично взболтать в пробирке с несколькими миллилитрами воды, образуется мутная дисперсная система - эмульсия. Со временем она расслоится, поскольку представляет собой грубодисперсную систему.
Примерами эмульсий могут служить некоторые смазоно-охлаждающие жидкости, пестицидные препараты, лекарственные и косметические средства. Например, в медицинской практике применяются жировые эмульсии для энергетического обеспечения голодающего или ослабленного организма путем внутривенного вливания. Типичные биологические эмульсии - это капельки жира в лимфе, кровь. Млечный сок каучуконосных деревьев (латекс) - тоже эмульсия. В химической технологии широко применяют эмульсионную полимеризацию, как основной метод получения каучуков, полистирола, поливинилацетата.
2.2 Коллоидные системы
Коллоиды занимают промежуточное положение между грубодисперсными системами и истинными растворами.
На основании таблицы вы можете убедиться, что дисперсные системы чрезвычайно многообразны. Можно сказать, что они составляют основу всего живого мира. Распространенность их в быту, в технике, в промышленности также очень велика.
Большое значение имеют коллоидные системы для биологии и медицины. В состав любого живого организма входят твердые, жидкие и газообразные вещества, находящиеся в сложнейших взаимоотношениях друг с другом и окружающей средой. Цитоплазма клеток обладает свойствами, характерными как для жидких, так и студнеобразных веществ. С химической точки зрения организм в целом - это сложная совокупность многих коллоидных систем, включающих в себя и жидкие коллоиды, и гели.
Если частицы дисперсной фазы достаточно малы, коллоидная система напоминает истинный раствор, отсюда и происходит название - коллоидный раствор. Такая систем образуется, например, при растворении небольшого количества яичного белка в воде.
Коллоидные растворы, как правило, опалесцируют, т.е. рассеивают падающий свет за счет частиц дисперсной фазы, размеры которых сравнимы с длиной волны излучения. При этом коллоидный раствор при освещении как бы светится сам. Характерным проявлением опалесценции является эффект Тиндаля. Он заключается в появлении в коллоидном растворе светящейся дорожки при пропускании через него луча света. Такой эффект можно наблюдать, выпустив на луч лазерной указки немного аэрозоля.
Существует несколько основных способов получения коллоидных растворов. Первый из них - дисперсионный, а проще говоря, дробление вещества на мелкие частицы в дисперсионной среде или вне ее. Такое дробление можно осуществлять механически с помощью специальных машин - коллоидных мельниц. Так получают, например, тушь, жидкие акварельные, водоэмульсионные и вододисперсионные краски. Дробление можно производить при помощи электрического тока (коллоидные растворы серебра, золота, платины) или ультразвука (коллоидные растворы гипса, графита, смол).
Второй способ получения коллоидов - химический, он основан на проведении различных реакций, приводящих к образованию нерастворимых в жидкости веществ.
При сливании очень разбавленных растворов нитрата серебра и хлорида натрия удается получить коллоидный раствор хлорида серебра:
AgNO3 + NaCl =AgCl + NaNO3.
С помощью реакции взаимодействия растворов тиосульфата натрия и кислоты можно получить коллоидный раствор серы:
Na2S2O3 + 2НС1 = 2NaCl + Н2О + SO2 + S
Восстановлением соли золота формальдегидом можно получить коллоидный раствор этого металла:
2NaAuO2 + ЗНСНО + Na2CO3 = = 2Au| + 3HCOONa + NaHCO3 + h3O.
Важнейшими типами коллоидных систем являются золи и гели.
2.2.1 Золи
Золи - это коллоидные системы, в которых дисперсионной средой является жидкость, а дисперсной фазой - твердое вещество. Отдельные частицы золя изолированы друг от друга дисперсионной средой. С течением времени они могут укрупняться, сталкиваясь друг с другом. Такое явление получило название коагуляция. В результате действия силы тяжести такие частицы выпадают в осадок, происходит их седиментация.
2.2.2 Гели
Кроме коагуляции, при длительном хранении гидрофильные золи могут превращаться в гели - особое студнеобразное коллоидное состояние. При этом отдельные частицы золя связываются друг с другом, образуя сплошную пространствен ную сетку. Внутрь ячеек сетки попадают частицы растворителя. Получается, что дисперсная фаза и дисперсионная среда меняются ролями! Твердая фаза становится непрерывной, а частички жидкости - изолированными. Дисперсная система теряет свою текучесть, приобретая новые механические свойства. При нагревании гель может вновь превратиться в золь.
Гели широко распространены в нашей повседневной жизни. Любому известны пищевые гели (зефир, мармелад, холодец), косметические (гель для душа, кремы), медицин ские (мази, пасты). При этом немногие знают, что хрящи, сухожилия, волосы представляют собой органические гели, а опал, жемчуг, сердолик, хальцедон - минеральные.
Для некоторых гелей характерно явление синерезиса (или расслоения) - самопроизвольного выделения жидкости. При этом пространственная сетка геля уплотняется, ее объем уменьшается, образуется так называемый твердый коллош). Схематично описанные процессы представлены на рисунке.
Чаще всего с явлением синерезиса приходится бороться, поскольку именно оно определяет сроки годности пищевых, косметических, медицинских гелей. Например, при дли тельном хранении мармелад или торт «Птичье молоко» выделят жидкость, становятся непригодными к употреблению. При этом в некоторых случаях синерезис - великое благо.
Благодаря биологическому синерезису мы наблюдаем такое явлении, как свертывание крови, суть которого состоит в превращении растворимого белка фибриногена в нерастворимый - фибрин.
Процессы, изображенные на рисунке, являются обратимыми. Из твердого коллоида желатина (продукта белкового происхождения) при набухании в теплой воде образуется студнеобразный гель - желе. Но в кулинарных рецептах всегда предупреждают: нельзя доводить желе до кипения, иначе гель превратится в золь, и дисперсная система вновь приобретет текучесть.
Частицы дисперсной фазы коллоидных растворов нередко не оседают даже при длительном хранении. Почему так происходит? Первая причина заключается в том, что мельчайшие коллоидные частицы за счет теплового движения постоянно сталкиваются с молекулами дисперсионной среды, изменяя направление движения, т. е. оседания не наблюдается. Но почему при столкновении частиц дисперсной фазы не происходит их коагуляция, укрупнение, что неизбежно привело бы к расслоению коллоида? Слипанию препятствует электрический заряд на поверхности коллоидных частиц, все они оказываются одноименно заряженными, что приводит к их взаимному отталкиванию. Остается выяснить, как же образуется этот заряд? Для этого рассмотрим строение коллоидной частицы.
2.2.3 Мицеллы
Частицы дисперсной фазы золей называют мицеллами. Если исключить влияние растворителя, в котором образуется коллоидная система, то упрощенную схему строения мицеллы золя хлорида серебра (при избытке хлорид-анионов) можно представить следующим образом. Предположим, что золь хлорида серебра получен сливанием сильно разбавленных растворов хлорида калия и нитрата серебра, причем хлорид калия взят в избытке.
При взаимодействии катионов серебра с хлорид-анионами образуются частицы нерастворимого в воде хлорида серебра. Поскольку растворы сильно разбавлены, микрокристаллы получаются коллоидных размеров, очень мелкие. Такой микрокристалл образует ядро мицеллы.
Рост кристалла прекращается, когда в растворе практически до нуля падает концентрация ионов серебра. Но хлорид-анионы присутствуют в избытке. Часть из них адсорбируется на поверхности ядра, достраивая его кристаллическую решетку. Хлорид-анионы в данном случае называют потенциалопределяющими ионами. Именно они обусловливают наличие отрицательного заряда агрегата ядра с избытком ионов С1-. Если бы в растворе присутствовал избыток нитрата серебра, потенциалопределяющими ионами были бы катионы Ag+.
Естественно, после возникновения заряда образовавшаяся частица начинает притягивать из раствора ионы с противоположным знаком - катионы калия (противоионы), образуется так называемый двойной электрический слой. Некоторая часть противоионов очень прочно притягивается к агрегату, образуя адсорбционный слой. Часть мицеллы, включающую ядро, потенциал определяющие ионы и адсорбционный слой, называют гранулой. Ионы К+, которые не входят в адсорбционный слой, слабее связаны с гранулой и могут диссоциировать в раствор. Они составляют диффузный слой противоионов.
В целом мицелла представляет собой электронейтральную частицу, но за счет перехода части ионов диффузного слоя в раствор гранулы имеют на поверхности избыточный отрицательный заряд, который и препятствует их коагуляции в более крупные частицы.
Строение мицеллы можно изобразить с помощью формулы. Последовательные шаги в составлении формулы мицеллы таковы.
Ядро мицеллы состоит из т частиц AgCl, образующих микрокристалл: m[AgCl].
Потенциалопределяющие ионы адсорбируются на поверхности ядра; предположим, что для нашего примера их число равно п: m[AgCl] * nСl-.
Затем следует слой противоионов. Их общее число так же равно п, однако часть (допустим, х) из них образуют диффузный слой, остальные (п - х) вместе с ядром и потенциалопределяющими ионами составляют гранулу. Часть формулы, относящуюся к грануле мицеллы, заключают в фигурные скобки. Заряд гранулы в этой мицелле равен х~. Таким образом, формула мицеллы золя хлорида серебра в избытке хлорид-анионов такова:
{m[AgCl] * TiCl" * (п - х)К+}х- хК+
Зная строение мицеллы, можно управлять процессом коагуляции. Каким образом можно «заставить» коллоидные частицы коагулировать? Очевидно, необходимо лишить их поверхностного заряда. Этого можно добиться с помощью растворов электролитов. Действительно, если к золю хлорида серебра добавить, например, раствор сульфата алюминия, катионы А13+ нейтрализуют отрицательный заряд гранулы, мицеллы укрупняются и оседают под действием силы тяжести. Очевидно, что при равных концентрациях трехзарядный ион алюминия обладает большей коагулирующей способностью, чем, например, однозарядный ион лития Li+.
В некоторых случаях, напротив, необходимо поддерживать устойчивость коллоидной системы или преобразовать коагулят в золь. Вспомните, например, принцип действия поверхностно-активного вещества, например мыла, при удавлении жира с загрязненной поверхности. Гидрофобный углердородный радикал растворяется в частицах жира, а гидрофильный карбоксилат-анион оказывается на поверхности. Мельчайшие (коллоидные) капельки жира с «одуванчиком» анионов -СОО- на поверхности переходят в раствор и не слипаются вновь из-за наличия отрицательного заряда.
Список используемой литературы
1. Калоус В. Биофизическая химия. /Калоус В., Павличек З. - М., 1985 г.
2. Общая химия. Биофизическая химия. Химия биогенных элементов: Учеб. для вузов/Ю.А. Ершов, В.А. Попков, А.С. Берлянд и др.; Под. Ред. Ю.А. Ершова. - 2-е изд., испр. и доп.- М.: Высш. шк., 2000м - 560 с.: ил.
3. Маршелл Э. Биофизическая химия. - М.: Мир, 1981.
referatwork.ru
