Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию. Особенности каждой системы
СОДЕРЖАНИЕ: Понятие о дисперсных системах. Разновидность дисперсных систем. Грубодисперсные системы с твердой дисперсной фазой. Значение коллоидной системы для биологии. Мицеллы как частицы дисперсной фазы золей. Последовательность в составлении формулы мицеллы.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 (6,2-104 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 + H2 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.