De meeste stoffen om ons heen zijn mengsels van verschillende stoffen, dus de studie van hun eigenschappen speelt een belangrijke rol bij de ontwikkeling van chemie, medicijnen, de voedingsindustrie en andere sectoren van de economie. Het artikel bespreekt de kwestie van wat de mate van dispersie is en hoe dit de kenmerken van het systeem beïnvloedt.
Wat zijn verspreidingssystemen?
Alvorens de mate van dispersie te bespreken, is het noodzakelijk om te verduidelijken op welke systemen dit concept kan worden toegepast.
Stel je voor dat we twee verschillende stoffen hebben die van elkaar kunnen verschillen in chemische samenstelling, bijvoorbeeld keukenzout en zuiver water, of in aggregatietoestand, bijvoorbeeld hetzelfde water in vloeistof en vaste stof (ijs) stelt. Nu moet je deze twee stoffen nemen en mengen en intensief mengen. Wat zal het resultaat zijn? Het hangt ervan af of de chemische reactie tijdens het mengen plaatsvond of niet. Wanneer we het hebben over verspreide systemen, wordt aangenomen dat wanneer ze:er vindt geen reactie plaats in de formatie, dat wil zeggen, de oorspronkelijke stoffen behouden hun structuur op microniveau en hun inherente fysische eigenschappen, zoals dichtheid, kleur, elektrische geleidbaarheid en andere.
Een gedispergeerd systeem is dus een mechanisch mengsel, waardoor twee of meer stoffen met elkaar worden gemengd. Wanneer het wordt gevormd, worden de concepten "dispersiemedium" en "fase" gebruikt. De eerste heeft de eigenschap van continuïteit binnen het systeem en wordt er in de regel relatief veel in aangetroffen. De tweede (gedispergeerde fase) wordt gekenmerkt door de eigenschap van discontinuïteit, dat wil zeggen, in het systeem is het in de vorm van kleine deeltjes, die worden beperkt door het oppervlak dat hen scheidt van het medium.
Homogene en heterogene systemen
Het is duidelijk dat deze twee componenten van het verspreide systeem zullen verschillen in hun fysieke eigenschappen. Als je bijvoorbeeld zand in het water gooit en het roert, is het duidelijk dat de zandkorrels die in het water voorkomen, waarvan de chemische formule SiO2 is, niet zullen verschillen. op welke manier dan ook van de staat toen ze niet in het water waren. In zulke gevallen spreekt men van heterogeniteit. Met andere woorden, een heterogeen systeem is een mengsel van meerdere (twee of meer) fasen. Dit laatste wordt opgevat als een eindig volume van het systeem, dat wordt gekenmerkt door bepaalde eigenschappen. In het bovenstaande voorbeeld hebben we twee fasen: zand en water.
De grootte van de deeltjes van de gedispergeerde fase kan echter zo klein worden wanneer ze in een medium worden opgelost dat ze hun individuele eigenschappen niet meer vertonen. In dit geval spreekt men vanhomogene of homogene stoffen. Hoewel ze verschillende componenten bevatten, vormen ze allemaal één fase door het hele volume van het systeem. Een voorbeeld van een homogeen systeem is een oplossing van NaCl in water. Wanneer het oplost, door de interactie met polaire moleculen H2O, v alt het NaCl-kristal uiteen in afzonderlijke kationen (Na+) en anionen (Cl-). Ze worden homogeen gemengd met water en het is niet langer mogelijk om het grensvlak tussen de opgeloste stof en het oplosmiddel in een dergelijk systeem te vinden.
Deeltjesgrootte
Wat is de mate van verspreiding? Deze waarde moet nader worden bekeken. Wat vertegenwoordigt ze? Het is omgekeerd evenredig met de deeltjesgrootte van de gedispergeerde fase. Het is deze eigenschap die ten grondslag ligt aan de classificatie van alle stoffen in kwestie.
Bij het bestuderen van verspreide systemen raken studenten vaak in de war in hun naam, omdat ze denken dat hun classificatie ook gebaseerd is op de aggregatiestatus. Dit is niet waar. Mengsels van verschillende aggregatietoestanden hebben echt verschillende namen, emulsies zijn bijvoorbeeld watersubstanties en aerosolen suggereren al het bestaan van een gasfase. De eigenschappen van disperse systemen hangen echter voornamelijk af van de deeltjesgrootte van de daarin opgeloste fase.
Algemeen aanvaarde classificatie
De classificatie van dispersiesystemen volgens de mate van dispersie wordt hieronder gegeven:
- Als de voorwaardelijke deeltjesgrootte kleiner is dan 1 nm, worden dergelijke systemen reële of echte oplossingen genoemd.
- Als de voorwaardelijke deeltjesgrootte tussen 1 nm en. ligt100 nm, dan wordt de betreffende stof een colloïdale oplossing genoemd.
- Als de deeltjes groter zijn dan 100 nm, dan hebben we het over suspensies of suspensies.
Laten we met betrekking tot de bovenstaande classificatie twee punten verduidelijken: ten eerste zijn de gegeven cijfers indicatief, dat wil zeggen, een systeem waarin de deeltjesgrootte 3 nm is, is niet noodzakelijk een colloïde, het kan ook een echte oplossing. Dit kan worden vastgesteld door de fysieke eigenschappen ervan te bestuderen. Ten tweede is het je misschien opgevallen dat de lijst de uitdrukking "voorwaardelijke grootte" gebruikt. Dit komt door het feit dat de vorm van de deeltjes in het systeem volledig willekeurig kan zijn en in het algemeen een complexe geometrie heeft. Daarom spreken ze van een gemiddelde (voorwaardelijke) grootte ervan.
Later in het artikel zullen we een korte beschrijving geven van de genoemde soorten dispergeersystemen.
Echte oplossingen
Zoals hierboven vermeld, is de mate van dispersie van deeltjes in echte oplossingen zo hoog (hun grootte is erg klein, < 1 nm) dat er geen interface is tussen hen en het oplosmiddel (medium), dat wil zeggen dat er is een eenfasig homogeen systeem. Voor de volledigheid van de informatie herinneren we ons dat de grootte van een atoom in de orde van grootte van één angström (0,1 nm) is. Het laatste cijfer geeft aan dat de deeltjes in echte oplossingen atomaire afmetingen hebben.
De belangrijkste eigenschappen van echte oplossingen die ze onderscheiden van colloïden en suspensies zijn als volgt:
- De toestand van de oplossing blijft een willekeurig lange tijd onveranderd bestaan, dat wil zeggen dat er geen neerslag van de gedispergeerde fase wordt gevormd.
- Opgelostde stof kan niet van het oplosmiddel worden gescheiden door filtratie door gewoon papier.
- De stof wordt ook niet gescheiden als gevolg van het proces van passage door het poreuze membraan, dat in de chemie dialyse wordt genoemd.
- Het is alleen mogelijk om een opgeloste stof van een oplosmiddel te scheiden door de aggregatietoestand van de laatste te veranderen, bijvoorbeeld door verdamping.
- Voor ideale oplossingen kan elektrolyse worden uitgevoerd, dat wil zeggen, een elektrische stroom kan worden doorgegeven als een potentiaalverschil (twee elektroden) op het systeem wordt toegepast.
- Ze verspreiden geen licht.
Een voorbeeld van echte oplossingen is het mengen van verschillende zouten met water, bijvoorbeeld NaCl (tafelzout), NaHCO3 (zuiveringszout), KNO 3(kaliumnitraat) en anderen.
Colloïde oplossingen
Dit zijn tussenliggende systemen tussen echte oplossingen en ophangingen. Ze hebben echter een aantal unieke kenmerken. Laten we ze opsommen:
- Ze zijn mechanisch stabiel gedurende een willekeurig lange tijd als de omgevingsomstandigheden niet veranderen. Het is voldoende om het systeem te verwarmen of de zuurgraad (pH-waarde) te veranderen, aangezien het colloïde stolt (precipiteert).
- Ze worden niet gescheiden met filtreerpapier, maar het dialyseproces leidt tot scheiding van de gedispergeerde fase en het medium.
- Net als bij echte oplossingen, kunnen ze worden geëlektrolyseerd.
- Voor transparante colloïdale systemen is het zogenaamde Tyndall-effect kenmerkend: als je een lichtstraal door dit systeem laat gaan, kun je het zien. Het is verbonden metverstrooiing van elektromagnetische golven in het zichtbare deel van het spectrum in alle richtingen.
- Mogelijkheid om andere stoffen te adsorberen.
Colloïdale systemen worden vanwege de genoemde eigenschappen veel gebruikt door mensen in verschillende werkgebieden (voedingsindustrie, chemie) en worden ook vaak in de natuur aangetroffen. Een voorbeeld van een colloïde is boter, mayonaise. In de natuur zijn dit mist, wolken.
Laten we, voordat we verder gaan met de beschrijving van de laatste (derde) klasse van dispersiesystemen, enkele van de genoemde eigenschappen voor colloïden nader toelichten.
Wat zijn colloïdale oplossingen?
Voor dit type dispersiesystemen kan de classificatie worden gegeven, rekening houdend met de verschillende aggregaattoestanden van het medium en de daarin opgeloste fase. Hieronder vindt u de bijbehorende tabel/
| woensdag/fase | Gas | Vloeistof | Stijve lichaam |
| gas | alle gassen zijn oneindig in elkaar oplosbaar, dus ze vormen altijd echte oplossingen | aërosol (mist, wolken) | aërosol (rook) |
| vloeistof | schuim (scheerbeurt, slagroom) | emulsie (melk, mayonaise, saus) | sol (aquarel) |
| vast lichaam | schuim (puimsteen, luchtige chocolade) | gel (gelatine, kaas) | sol (robijn kristal, graniet) |
De tabel laat zien dat colloïdale stoffen overal aanwezig zijn, zowel in het dagelijks leven als in de natuur. Merk op dat een vergelijkbare tabel ook kan worden gegeven voor schorsingen, onthoud dat het verschil metcolloïden daarin hebben alleen de grootte van de gedispergeerde fase. Suspensies zijn echter mechanisch onstabiel en daarom van minder praktisch belang dan colloïdale systemen.
De reden voor de mechanische stabiliteit van colloïden
Waarom kan mayonaise lange tijd in de koelkast liggen en zwevende deeltjes daarin niet neerslaan? Waarom "vallen" verfdeeltjes die in water zijn opgelost niet uiteindelijk naar de bodem van het vat? Het antwoord op deze vragen zal de Brownse beweging zijn.
Dit type beweging werd in de eerste helft van de 19e eeuw ontdekt door de Engelse botanicus Robert Brown, die onder een microscoop observeerde hoe kleine stuifmeeldeeltjes in water bewegen. Vanuit fysiek oogpunt is Brownse beweging een manifestatie van de chaotische beweging van vloeibare moleculen. De intensiteit neemt toe als de temperatuur van de vloeistof wordt verhoogd. Het is dit soort beweging dat ervoor zorgt dat kleine deeltjes colloïdale oplossingen in suspensie zijn.
Adsorptie-eigenschap
Dispersiteit is het omgekeerde van de gemiddelde deeltjesgrootte. Aangezien deze grootte in colloïden in het bereik van 1 nm tot 100 nm ligt, hebben ze een zeer ontwikkeld oppervlak, dat wil zeggen dat de verhouding S / m een grote waarde is, hier is S het totale grensvlak tussen de twee fasen (dispersiemedium en deeltjes), m - totale massa van deeltjes in oplossing.
Atomen die zich op het oppervlak van de deeltjes van de gedispergeerde fase bevinden, hebben onverzadigde chemische bindingen. Dit betekent dat ze verbindingen kunnen vormen met anderemoleculen. In de regel ontstaan deze verbindingen door van der Waals-krachten of waterstofbruggen. Ze zijn in staat om verschillende lagen moleculen op het oppervlak van colloïdale deeltjes vast te houden.
Een klassiek voorbeeld van een adsorbens is actieve kool. Het is een colloïde, waarbij het dispersiemedium een vaste stof is en de fase een gas. Het specifieke oppervlak hiervoor kan 2500 m2/g.
bereiken
Mate van fijnheid en specifiek oppervlak
Het berekenen van S/m is geen gemakkelijke taak. Feit is dat de deeltjes in een colloïdale oplossing verschillende afmetingen en vormen hebben en dat het oppervlak van elk deeltje een uniek reliëf heeft. Daarom leiden theoretische methoden om dit probleem op te lossen tot kwalitatieve resultaten, en niet tot kwantitatieve. Desalniettemin is het nuttig om de formule voor het specifieke oppervlak te geven vanuit de mate van dispersie.
Als we aannemen dat alle deeltjes van het systeem een bolvorm en dezelfde grootte hebben, dan wordt als resultaat van eenvoudige berekeningen de volgende uitdrukking verkregen: Sud=6/(dρ), waarbij Sud - oppervlakte (specifiek), d - deeltjesdiameter, ρ - dichtheid van de stof waaruit het bestaat. Uit de formule blijkt dat de kleinste en zwaarste deeltjes het meest zullen bijdragen aan de beschouwde hoeveelheid.
De experimentele manier om Sud te bepalen, is door het gasvolume te berekenen dat wordt geadsorbeerd door de onderzochte stof, en door de poriegrootte te meten (gedispergeerde fase) erin.
Vriesdrogen enlyofoob
Lyofiliteit en lyofobiciteit - dit zijn de kenmerken die in feite het bestaan bepalen van de classificatie van disperse systemen in de vorm waarin deze hierboven wordt gegeven. Beide concepten karakteriseren de krachtbinding tussen de moleculen van het oplosmiddel en de opgeloste stof. Als deze relatie groot is, spreken ze van lyofiliciteit. Dus alle echte oplossingen van zouten in water zijn lyofiel, omdat hun deeltjes (ionen) elektrisch verbonden zijn met polaire moleculen H2O. Als we systemen als boter of mayonaise beschouwen, dan zijn dit vertegenwoordigers van typische hydrofobe colloïden, omdat vetmoleculen daarin polaire moleculen afstoten H2O.
Het is belangrijk op te merken dat lyofobe (hydrofoob als het oplosmiddel water is) systemen thermodynamisch onstabiel zijn, wat ze onderscheidt van lyofiele systemen.
Eigenschappen van ophangingen
Beschouw nu de laatste klasse van dispergeersystemen - ophangingen. Bedenk dat ze worden gekenmerkt door het feit dat het kleinste deeltje erin groter is dan of in de orde van 100 nm. Welke eigenschappen hebben ze? De bijbehorende lijst wordt hieronder gegeven:
- Ze zijn mechanisch onstabiel, dus vormen ze in korte tijd sediment.
- Ze zijn troebel en ondoorzichtig voor zonlicht.
- Fase kan met filtreerpapier van medium worden gescheiden.
Voorbeelden van suspensies in de natuur zijn modderig water in rivieren of vulkanische as. Menselijk gebruik van suspensies wordt geassocieerd met:meestal met medicijnen (medicamenteuze oplossingen).
Coagulatie
Wat kan er gezegd worden over mengsels van stoffen met verschillende mate van dispersie? Gedeeltelijk is deze kwestie al behandeld in het artikel, aangezien in elk dispergeersysteem de deeltjes een grootte hebben die binnen bepaalde grenzen ligt. Hier beschouwen we slechts één merkwaardig geval. Wat gebeurt er als je een colloïde en een echte elektrolytoplossing mengt? Het gewogen systeem zal worden verbroken en de coagulatie ervan zal optreden. De reden ligt in de invloed van de elektrische velden van de echte oplossingsionen op de oppervlaktelading van colloïdale deeltjes.
