Загальна хімія: підручник / О. В. Жолнін; за ред. В. А. Попкова, А. В. Жолніна. – 2012. – 400 с.: іл.

Глава 13. ФІЗИЧНА ХІМІЯ ДИСПЕРСНИХ СИСТЕМ

Глава 13. ФІЗИЧНА ХІМІЯ ДИСПЕРСНИХ СИСТЕМ

Життя - це особлива колоїдна система, це особливе царство природних вод.

В.І. Вернадський

13.1 ДИСПЕРСНІ СИСТЕМИ, ЇХ КЛАСИФІКАЦІЇ, ВЛАСТИВОСТІ

Колоїдні розчини

Матеріальна основа сучасної цивілізації та самого існування людини та всього біологічного світу пов'язана з дисперсними системами. Людина живе та працює в оточенні дисперсних систем. Повітря, особливо повітря робочих приміщень, – це дисперсна система. Багато харчових продуктів, напівпродуктів і продуктів їх переробки представляють дисперсні системи (молоко, м'ясо, хліб, масло, маргарин). Багато лікарських речовин виробляються у формі тонких суспензій або емульсій, мазей, паст або кремів (протаргол, коларгол, желатиноль та ін.). Дисперсними є всі живі системи. М'язові та нервові клітини, волокна, гени, віруси, протоплазма, кров, лімфа, спинномозкова рідина – все це високодисперсні утворення. Протікають у яких процеси управляються фізико-хімічними закономірностями, які вивчає фізикохімія дисперсних систем.

Дисперсними називають системи, в яких речовина перебуває в стані більш менш високої роздробленості і рівномірно розподілено в навколишньому середовищі. Науку про високодисперсні системи називають колоїдною хімією. В основі живої речовини лежать сполуки, що знаходяться у колоїдному стані.

Дисперсна система складається з дисперсійного середовища та дисперсної фази. Існує кілька класифікацій дисперсних систем, що ґрунтуються на різних ознаках дисперсних систем.

1. За агрегатним станом дисперсійного середовищавсі дисперсні системи можна звести до трьох типів. Дисперсні системи з газоподібною

дисперсійним середовищем - аерозолі(Дим, повітря робочих приміщень, хмари тощо). Дисперсні системи з рідким дисперсійним середовищем ліозолі(Піни, емульсії - молоко, суспензії, пил, що потрапив у дихальні шляхи; кров, лімфа, сеча являють собою гідрозолі). Дисперсні системи з твердим дисперсійним середовищем - солідозолі(Пемза, силікагель, сплави).

2. Друга класифікація групує дисперсні системи, залежно від розміру частинок дисперсної фази. Мірою роздробленості частинок служить поперечний розмір частинок - радіус (r), або

(Радіус) частинок (r) виражати в сантиметрах, то дисперсність Д - це число частинок, яке можна укласти впритул по довжині одного сантиметра. Нарешті, можна характеризувати питомою поверхнею (∑), одиницями виміру ∑ є м2/г або м2/л. Під питомою поверхнеюрозуміють відношення поверхні (S) дисперсної фази до її

коефіцієнт залежності питомої поверхні форми частинок. Питома поверхня прямо пропорційна дисперсності (Д) і обернено пропорційна поперечному розміру частинки (r). З підвищенням дисперсності, тобто. із зменшенням розміру частинок, її питома поверхня зростає.

Друга класифікація групує дисперсні системи залежно від розміру частинок дисперсної фази на такі групи (табл. 13.1): - грубодисперсні системи; колоїдні розчини; справжні розчини.

Колоїдні системи можуть бути газоподібними, рідкими та твердими. Найбільш поширені та вивчені рідкі (Ліозолі).Колоїдні розчини для стислості зазвичай називають золями. Залежно від природи розчинника дисперсійної середовища, тобто. води, спирту або ефіру, ліозол називають відповідно гідрозолі, алкозолі або етерозолі. За інтенсивністю взаємодії частинок дисперсної фази та дисперсійного середовища золі ділять на 2 групи: ліофільні- Інтенсивна взаємодія, в результаті якої утворюються розвинені сольватні шари, наприклад, золь протоплазми, крові, лімфи, крохмалю, білка тощо; ліофобні золі- слабку взаємодію частинок дисперсної фази з частинками дисперсійного середовища. Золі металів, гідроксидів, практично всі класичні колоїдні системи. ВМС та розчини ПАР виділяють в окремі групи.

Таблиця 13.1.Класифікація дисперсних систем за розміром частинок та їх властивості

Великий внесок у теорію колоїдних розчинів зробили наші вітчизняні вчені І.Г. Борщов, П.П. Веймарн, Н.П. Пєсков, Д.І. Менделєєв, Б.В. Дерягін, П.А. Ребіндер і т.д.

Кожен колоїдний розчин є мікрогетерогенною, багатофазною, високо- та полідисперсною системою з високим ступенем дисперсності. Умовою утворення колоїдного розчину є нерозчинність речовини однієї фази в іншій речовині, бо тільки між такими речовинами можуть існувати фізичні поверхні розділу. За силою взаємодії між частинками дисперсної фази розрізняють вільно-дисперсні та зв'язнодисперсні системи. Приклад останніх є біологічні мембрани.

Отримання колоїдних розчинів проводять двома методами: диспергування великих частинок до колоїдного ступеня дисперсності і конденсацією - створенням умов, за яких атоми, молекули або іони з'єднуються в агрегати колоїдного ступеня дисперсності.

Утворити гідрозолі можуть метали, малорозчинні у воді солі, оксиди та гідроксиди, багато неполярних органічних речовин. Речовини, що добре розчиняються у воді, але малорозчинні в неполярних сполуках не здатні утворювати гідрозолі, але можуть утворювати органозолі.

В якості стабілізаторіввикористовуються речовини, що перешкоджають агрегації колоїдних частинок у більші та випадання їх в осад. Таку дію мають: невеликий надлишок одного з реагентів, з яких виходить речовина дисперсної фази, ПАР, у тому числі білки та полісахариди.

Для досягнення необхідної для колоїдних систем дисперсності (10-7-10-9 м) застосовують:

Механічне дроблення за допомогою кульових та колоїдних млинів у присутності рідкого дисперсного середовища та стабілізатора;

Дія ультразвуку (наприклад, гідрозолю сірки, графіту, гідроксидів металів тощо);

Метод пептизації, додавання невеликої кількості електроліту - пептизатор;

Однією з різновидів конденсаційного методу є спосіб заміни розчинника, у результаті відбувається зниження розчинності речовини дисперсної фази. Молекули речовини конденсуються в частинки колоїдних розмірів в результаті руйнування сольватних шарів молекул в істинному розчині та утворення більших частинок. В основі хімі-

чеських конденсаційних методів лежать хімічні реакції (окислення, відновлення, гідролізу, обміну), що призводять до утворення малорозчинних речовин у присутності тих чи інших стабілізаторів.

13.2. МОЛЕКУЛЯРНО-КІНЕТИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ КОЛОЇДНИХ РОЗЧИН. ОСМОС.

ОСМОТИЧНИЙ ТИСК

Броунівський рух - це тепловий рух частинок у колоїдних системах, що має молекулярно-кінетичну природу.Встановлено, що рух колоїдних частинок є наслідком безладних ударів, які вони завдають молекулами дисперсійного середовища, що знаходяться в тепловому русі. В результаті колоїдна частка часто змінює свій напрямок і швидкість. За 1 с колоїдна частка може змінити свій напрямок понад 10 20 разів.

Дифузією називається мимовільно протікає процес вирівнювання концентрації колоїдних частинок у розчині під впливом їх теплового хаотичного руху. Явище дифузії необоротне. Коефіцієнт дифузії чисельно дорівнює кількості речовини, що продиффундував через одиницю площі в одиницю часу при градієнті концентрації, що дорівнює 1 (тобто зміни концентрації в 1 моль/см 3 на відстані в 1 см). А. Ейнштейн (1906) вивів рівняння, що зв'язує коефіцієнт дифузії з абсолютною температурою, в'язкістю та розміром частинок дисперсної фази:

де T- Температура, К; r- радіус частки, м; η - в'язкість, Н с/м 2; до Б- Постійна Больцмана, 1,38 10 -23; D- Коефіцієнт дифузії, м 2 /с.

Коефіцієнт дифузії прямо пропорційний температурі і обернено пропорційний в'язкості середовища (η) і радіусу частинок (r). Причиною дифузії, як і броунівського руху, є молекулярно-кінетичний рух частинок розчинника та речовини. Відомо, що кінетична енергія молекули, що рухається, тим менша, чим більший її обсяг (табл. 13.2).

Користуючись рівнянням Ейнштейна, можна легко визначити масу 1 молячи речовини, якщо відомі D, T,η та r. З рівняння (13.1) можна визначити r:

де R- Універсальна газова постійна, 8,3 (Дж/моль-К); N aпостійна Авогадро.

Таблиця 13.2.Коефіцієнт дифузії деяких речовин

Якщо система відокремлена від інших частин системи перегородкою, яка проникна для одного компонента (наприклад, вода) і непроникна для іншого (наприклад, розчиненої речовини), дифузія стає односторонньою (осмос). Сила, що обумовлює осмос, віднесена до одиниці поверхні мембрани, називається осмотичний тиск.Роль напівпроникних перегородок (мембран) можуть виконувати тканини людини, тварин і рослин (сечовий міхур, стінки кишечника, оболонки клітин та ін.). Для колоїдних розчинів осмотичний тиск менший, ніж у справжніх розчинах. Процес дифузії супроводжується виникненням різниці потенціалу внаслідок різної рухливості іонів та утворення градієнта концентрації (мембранного потенціалу).

Седиментація.На розподіл частинок впливає як дифузія, а й гравітаційне поле. Кінетична стійкість колоїдної системи залежить від дії двох факторів, спрямованих взаємно протилежно: сили тяжіння, під дією якої частинки осідають, і сили, при якій частки прагнуть розійтися по всьому об'єму та протидіяти осіданню.

Оптичні властивості колоїдних розчинів. Світлорозсіювання. Рівняння Д. Релея.Розрізнити колоїдний та істинний розчини з першого погляду неможливо. Добре приготовлена ​​золь - практично чиста прозора рідина. Мікрогетерогенність його можна виявити спеціальними методами. Якщо золь, що у неосвітленому місці, висвітлити вузьким променем, то спостереженні збоку можна побачити світлий конус, вершина якого перебуває у місці входу променя в негомогенное простір. Це так званий конус Тіндаля - своєрідне каламутне світіння колоїдів, яке спостерігається при бічному освітленні, називається ефектом Фарадея-Тіндаля.

Причина цього характерного для колоїдів явища в тому, що розмір колоїдних частинок менше половини довжини світлової хвилі, при цьому спостерігається дифракція світла, в результаті розсіювання частки світяться, перетворюючись на самостійне джерело світла, і промінь стає видимим.

Теорія розсіювання світла розроблена Релеєм у 1871 році, який вивів для сферичних частинок рівняння, що зв'язує інтенсивність падаючого світла (I 0) з інтенсивністю світла, розсіяного одиницею об'єму системи (I p).

де I, I 0- Інтенсивність розсіяного і падаючого світла, Вт/м 2 ; до р - константа Релея, постійна, яка залежить від показників заломлення речовин дисперсної фази та дисперсійного середовища, м -3; з v- Концентрація частинок золю, моль/л; λ - довжина хвилі падаючого світла, м; r- Радіус частки, м.

13.3. Міцелярна теорія будови колоїдних частинок

Міцели утворюють дисперсну фазу золю, а інтерміцелярна рідина - дисперсійне середовище, до складу якого входять розчинник, іони електролітів та молекули неелектролітів. Міцелла складається з електронейтрального агрегату та іоногенної частки. Маса колоїдної частки зосереджена головним чином агрегаті. Агрегат може мати як аморфну, так і кристалічну будову. Згідно з правилом Панета-Фаянса на агрегаті адсорбується незворотно з утворенням міцних зв'язків з атомами агрегату іони, які входять до складу кристалічних ґрат агрегату (або ізоморфні з нею). Показником цього є нерозчинність цих сполук. Вони називаються потенціаловизначальними іонами.Агрегат в результаті вибіркової адсорбції іонів або іонізації поверхневих молекул набуває заряду. Отже, агрегат і потенциалопределяющие іони утворюють ядро ​​міцели і групують навколо ядра іони протилежного знака - протиіони. Агрегат разом із іоногенною частиною міцели утворюють подвійний електричний шар (адсорбційний шар). Агрегат разом із адсорбційним шаром називають гранулою. Заряд гранули дорівнює сумі зарядів протиіонів і потенціалів іонів. Іоногенна

частина міцели складається з двох шарів: адсорбційного та дифузного. На цьому закінчується формування електронейтральної міцели, яка є основою колоїдного розчину. Міцеллу зображують у вигляді колоїдно-хімічної формули.

Розглянемо будову міцели гідрозолів на прикладі утворення колоїдного розчину сульфату барію за умови надлишку BaCl 2:

Важкорозчинний барій сульфат утворює кристалічний агрегат, що складається з mмолекул BaSO 4 . На поверхні агрегату адсорбується nіонів 2+ . З поверхнею ядра пов'язано 2(n - x)хлорид іонів С1-. Інші протиіони (2x) розташовуються в дифузному шарі:

Будова міцели золю барію сульфату, отриманого при надлишку натрій сульфату, записується у вигляді:

З наведених вище даних випливає, що знак заряду колоїдної частки залежить від умов одержання колоїдного розчину.

13.4. ЕЛЕКТРОКІНЕТИЧНИЙ ПОТЕНЦІАЛ

КОЛОЇДНОЇ ЧАСТИНИ

Дзета-(ζ )-Потенціал.Величину заряду ζ-потенціалу визначає заряд гранули. Вона визначається різницею суми зарядів потенціал-визначальних іонів та зарядів протиіонів, що знаходяться в адсорбційному шарі. Він зменшується зі збільшенням числа протиіонів в адсорбційному шарі і може стати рівним нулю, якщо заряд проти-іонів дорівнює заряду ядра. Частка перебуватиме в ізоелектричному стані. За величиною ζ-потенціалу можна судити про стійкість дисперсної системи, її структуру та про електрокінетичні властивості.

ζ-потенціал різних клітин організму відрізняється. Жива протоплазма заряджена негативно. При pH 7,4 величина ζ-потенціалу еритроцитів від -7 до -22 мВ, у людини дорівнює -16,3 МВ. У моноцитів приблизно вдвічі нижче. Електрокінетичний потенціал розраховують, визначаючи швидкість руху частинок дисперсної фази при електрофорезі.

Електрофоретична рухливість частинок залежить від низки величин і розраховується за рівнянням Гельмгольця-Смолуховського:

де та еф- електрофоретична рухливість (швидкість електрофорезу), м/с; ε- відносна діелектрична проникність розчину; ε 0 - електрична постійна, 8,9 10 -12 А з/Вт м; Δφ - різницю потенціалів від зовнішнього джерела струму, В; ζ - електрокінетичний потенціал,; η - в'язкість дисперсійного середовища, Н с/м 2; l- Відстань між електродами, м; до ф- Коефіцієнт, значення якого залежить від форми колоїдної частинки.

13.5. ЕЛЕКТРОКІНЕТИЧНІ ЯВИЩА.

ЕЛЕКТРОФОРЕЗ. ЕЛЕКТРОФОРЕЗ

У МЕДИКО-БІОЛОГІЧНИХ ДОСЛІДЖЕННЯХ

Електрокінетичні явища відображають зв'язок, що існує між рухом фаз дисперсної системи щодо один одного та електричними властивостями межі поділу цих фаз. Розрізняють чотири види електрокінетичних явищ - електрофорез, електроосмос, потенціал перебігу (протікання) та потенціал осідання (седиментації).Електрокінетичні явища відкриті Ф.Ф. Рейс. У шматок вологої глини він занурив на деяку відстань дві скляні трубки, в які насипав трохи кварцового піску, налив води до однакового рівня та опустив електроди (рис. 13.1).

Пропускаючи постійний струм, Рейсс встановив, що у анодному просторі вода над шаром піску стає каламутною внаслідок появи суспензії глинистих частинок, водночас рівень води у коліні знижується; у катодній трубці вода залишається прозорою, але рівень її підвищується. За результатами досвіду можна дійти невтішного висновку: частинки глини, які рухаються до позитивного електрода, заряджені негативно, а прилеглий шар води заряджений позитивно, оскільки переміщається до негативного полюсу.

Рис. 13.1.Електрокінетичні явища руху частинок дисперсної фази

у дисперсній системі

Явище руху заряджених частинок дисперсної фази щодо частинок дисперсійного середовища під дією електричного поля отримало назву електрофорезу. Явище руху рідини щодо твердої фази через пористе тверде тіло (мембрану) називається електроосмосом.В умовах описаного досвіду спостерігалося одночасно два електрокінетичні явища - електрофорез та електроосмос. Пересування колоїдних частинок в електричному полі є яскравим доказом того, що колоїдні частинки несуть на поверхні заряд.

Колоїдну частинку - міцеллу можна як величезний за розміром складний іон. Колоїдний розчин під дією постійного струму піддається електролізу, колоїдні частинки переносяться до анода або катода (залежить від заряду колоїдної частки). Таким чином, Електрофорез є електролізом високодисперсної системи.

Пізніше було виявлено 2 явища, протилежні електрофорезу та електроосмосу. Дорн виявив, що при осіданні будь-яких частинок рідини, наприклад піску у воді, виникає ЕРС між 2 електродами, введеними в різні місця стовпа рідини, зване потенціалом седиментації (ефект Дорна)

При продавлюванні рідини через пористу перегородку, з обох боків якої знаходяться електроди, також з'являється ЕРС - потенціал течії (протікання).

Колоїдна частка рухається зі швидкістю, пропорційною величиноюζ -Потенціалу.Якщо в системі складна суміш, то можна вивчити та розділити її, використовуючи метод електрофорезу, заснований на електрофоретичній рухливості частинок. Це широко використовується в медико-біологічних дослідженнях у вигляді макро та мікроелектрофорезу.

Створюване електричне поле викликає рух частинок дисперсної фази зі швидкістю, пропорційною величиною ζ-потенціалу, яке можна спостерігати за переміщенням межі розділу між досліджуваним розчином і буфером за допомогою оптичних пристроїв. В результаті суміш поділяється на ряд фракцій. При реєстрації отримують криву з декількома піками, висота піку – кількісний показник вмісту кожної фракції. Цим методом вдається виділити та дослідити окремі фракції білків плазми крові. Електрофореграми плазми крові всіх людей у ​​нормі однакові. При патології вони мають характерний кожному за захворювання вид. Вони використовуються для встановлення діагнозу та лікування захворювань. Електрофорез використовується для поділу амінокислот, антибіотиків, ферментів, антитіл і т.д. Мікроелектрофорез полягає у визначенні швидкості руху частинок під мікроскопом, електрофорез – на папері. Явище електрофорезу відбувається при міграції лейкоцитів у запальні вогнища. Як методи лікування зараз розробляються і впроваджуються імуноелек-трофорез, диск-електрофорез, ізотахофорез та ін. Вони вирішують багато медико-біологічних завдань як препаративного, так і аналітичного характеру.

13.6. СТІЙКІСТЬ КОЛОЇДНИХ РОЗЧИН. СЕДИМЕНТАЦІЙНА, АГРЕГАТИВНА ТА КОНДЕНСАЦІЙНА СТІЙКІСТЬ ЛІОЗОЛІВ. ФАКТОРИ, ЩО ВПЛИВАЮТЬ НА СТІЙКІСТЬ

Питання стійкості колоїдних систем - дуже важливе питання, що стосується безпосередньо їх існування. Седиментаційна стійкість- стійкість частинок дисперсної системи до осідання під впливом сил тяжіння.

Пєсков запровадив поняття агрегативної та кінетичної стійкості. Кінетична стійкість- здатність дисперсної фази колоїдної системи перебувати у зваженому стані, не седиментувати і протидіяти силам тяжкості. Високодисперсні системи – кінетично стійкі.

Під агрегативною стійкістюНеобхідно розуміти здатність дисперсної системи зберігати початкову ступінь дисперсності. Це можливо лише за наявності стабілізатора. Наслідком порушення агрегативної стійкості є кінетична нестійкість,

бо агрегати, що утворилися з початкових частинок, під дією сил тяжіння виділяються (осідають або спливають).

Агрегативна та кінетична стійкість взаємопов'язані. Чим більша агрегативна стійкість системи, тим більша її кінетична стійкість. Стійкість визначається результатом боротьби сил тяжіння та броунівського руху. Це приклад прояву закону єдності та боротьби протилежностей. Фактори, що визначають стійкість систем: броунівський рух, дисперсність частинок дисперсної фази, в'язкість та іонний склад дисперсійного середовища тощо.

Чинники стійкості колоїдних розчинів: наявність електричного заряду колоїдних частинок.Частинки несуть однойменний заряд, тому під час зустрічі частки відштовхуються; здатність до сольватації (гідратації) іонів дифузного шаруЧим гідратовані іони в дифузному шарі, тим товщі загальна гідратна оболонка, тим стабільніша система. Пружні сили сольватних шарів надають дію, що розклинює, на дисперсні частинки і не дають їм зближуватися; адсорбційно-структуруючі властивості системТретій чинник пов'язані з адсорбційними властивостями дисперсних систем. На розвиненій поверхні дисперсної фази легко абсорбуються молекули поверхнево-активних речовин (ПАР) та високомолекулярних сполук (ВМС). Великі розміри молекул, що несуть власні сольватні шари, створюють на поверхні частинок адсорбційно-сольватні шари значної протяжності та щільності. Такі системи стійкості близькі до ліофільних систем. Всі ці шари мають певну структуру, створюють за П.А. Ребіндер структурно-механічний бар'єр на шляху зближення дисперсних частинок.

13.7. КОАГУЛЯЦІЯ ЗОЛІВ. ПРАВИЛА КОАГУЛЯЦІЇ. КІНЕТИКА КОАГУЛЯЦІЇ

Золі є термодинамічно нестійкими системами. Частинки дисперсної фази золів прагнуть зменшення вільної поверхневої енергії за рахунок скорочення питомої поверхні колоїдних частинок, що відбувається при їх об'єднанні. Процес об'єднання колоїдних частинок у більші агрегати, і в кінцевому підсумку випадання їх в осад, називається коагуляцією.

Коагуляцію викликають різні фактори: механічний вплив, зміна температури (кип'ятіння і виморожування), випромінювання

ня, сторонні речовини, особливо електроліти, час (старіння), концентрація дисперсної фази.

Найбільш вивченим процесом є коагуляція золів електролітами. Існують такі правила коагуляції золів електролітами.

1.Всі електроліти здатні викликати коагуляцію ліофобних золів. Коагулюючою дією (Р) мають іони, що мають заряд, протилежний заряду гранули (потенціаловизначальних іонів) і однаковий за знаком з протиіонами (Правило Гарді).Коагуляцію позитивно заряджених золів викликають аніони.

2.Коагулююча здатність іонів (Р) залежить від величини їхнього заряду. Чим вищий заряд іона, тим вища його коагулююча дія (Правило Шульце):РА1 3+ > PCa 2+ > PK+.

Відповідно для порога коагуляції можна записати:

тобто. що нижче заряд іона, то при більшої концентрації відбуватиметься коагуляція.

3. Для іонів одного заряду коагулююча здатність залежить від радіусу (r) сольватованого іона: чим більше радіус, тим більша його коагулююча дія:

4. Кожен електроліт характеризується граничною концентрацією процесу коагуляції колоїдного розчину (поріг коагуляції), тобто. найменшою концентрацією, вираженою в мілімолях, яку необхідно додати до одного літра колоїдного розчину, щоб спричинити його коагуляцію. Поріг коагуляції або порогова концентрація позначається С к. Поріг коагуляції є відносною характеристикою стійкості золю по відношенню до даного електроліту і є величиною, коагулюючої зворотної здатності:

5. Коагулююча дія органічних іонів більша, ніж неорганічних; коагуляція багатьох ліофобних золів настає раніше,

чим досягається їхній ізоелектричний стан, при якому починається явна коагуляція. Ця дія називається критичним.Його величина становить +30 мВ.

Процес коагуляції кожної дисперсної системи йде з певною швидкістю. Залежність швидкості коагуляції від концентрації електроліту-коагулятора показано на рис. 13.2.

Рис. 13.2.Залежність швидкості коагуляції від концентрації електролітів.

Пояснення у тексті

Виділено 3 області та дві характерні точки АіБ. Область, обмежена лінією ОА (по осі концентрації), називається областю прихованої коагуляції. Тут швидкість коагуляції практично дорівнює нулю. Це зона стійкості золю. Між точками А та Б розташована область повільної коагуляції, у якій швидкість коагуляції залежить від концентрації електроліту. Точка А відповідає найменшій концентрації електроліту, коли він починається явна коагуляція (поріг коагуляції), і має критичне значення. Про цю стадію можна судити за зовнішніми ознаками: зміною забарвлення, появою каламуті. Відбувається повне руйнування колоїдної системи: виділення речовини дисперсної фази в осад, що називається коагулятом.У точці Б починається швидка коагуляція, тобто. всі зіткнення частинок виявляються ефективними і не залежать від концентрації електроліту. У точці Б-потенціал дорівнює 0. Кількість речовини, необхідне для коагуляції колоїдного, розчину залежить від того, додається електроліт відразу або поступово, невеликими порціями. Помічено, що в останньому випадку доводиться більше додавати речовини, щоб викликати таке ж явище коагуляції. Це використовується при дозуванні ліків.

Якщо злити два колоїдні розчини з протилежними зарядами, то вони швидко коагулюють. Процес має електростатичний характер. Це використовують для очищення промислових та стічних вод. На водопровідних станціях до води додають перед піщаними фільтрами сульфат алюміній або залізо (III) хлорид. При їхньому гідролізі утворюються позитивно заряджені золі гідроксидів металів, які викликають коагуляцію негативно заряджених частинок мікрофлори, ґрунту, органічних домішок.

У біологічних системах явища коагуляції грають дуже значної ролі. Цілісна кров - це емульсія. Форменні елементи крові – дисперсна фаза, плазма – дисперсійне середовище. Плазма є високодисперсною системою. Дисперсна фаза: білки, ферменти, гормони. У крові працюють система згортання крові та антизгортаюча система. Перше забезпечується тромбіном, який діє на фібриноген та викликає утворення ниток фібрину (згустку крові). Еритроцити седиментують із певною швидкістю (ШОЕ). Процес згортання забезпечує мінімальну втрату крові та утворення тромбів у кровоносній системі. При патології еритроцити адсорбують великі молекули гамма-глобулінів та фібриногенів та ШОЕ збільшується. Основною антизгортаючою здатністю крові є гепаринантикоагулянт крові. У клініках користуються коагулограмами - сукупністю аналізів по здатності крові, що згортає і антизгортає (зміст протромбіну, час рекальцифікації плазми, толерантність до гепарину, загальна кількість фібриногену і т.д.), це важливо при сильних кровотечах, при утворенні тромбів. Згортання крові необхідно враховувати при її консервуванні. Видаляють нітратом натрію осад іони Са 2+ , який підвищує згортання. Застосовують антикоагулянт, гепарин, дикумарин. Полімери, що використовуються для ендопротезування елементів серцево-судинної системи, повинні мати антитромбогенні або тромборезистентні властивості.

13.8. СТАБІЛІЗАЦІЯ КОЛОЇДНИХ СИСТЕМ (ЗАХИСТ КОЛОЇДНИХ РОЗЧИН)

Стабілізація колоїдних розчинів по відношенню до електролітів шляхом створення на поверхні колоїдних частинок додаткових адсорбційних шарів з підвищеними структурно-механічними властивостями, додаванням незначної кількості розчину висо-

комолекулярних сполук (желатин, казеїнат натрію, яєчний альбумін та ін.) отримала назву колоїдного захисту.Захищені золі дуже стійкі до електролітів. Захищений золь набуває всіх властивостей адсорбованого полімеру. Дисперсна система стає ліофільною і тому стійкою. Захисну дію ВМС чи ПАР характеризують захисним числом. Під захисним числом слід розуміти мінімальну масу ВМС (у міліграмах), яку необхідно додати до 10 мл досліджуваного золю, щоб захистити його від коагуляції при введенні до системи 1 мл 10% розчину хлориду натрію. Ступінь захисної дії розчинів ВМС залежать: від природи ВМС, природи золя, що захищається, ступеня дисперсності, pH середовища, від домішок.

Явище колоїдного захисту в організмі грає дуже важливу роль у низці фізіологічних процесів. Захисною дією в організмі мають різні білки, полісахариди, пептиди. Вони адсорбують Са на колоїдних частках таких гідрофобних систем організму, як карбонати, фосфати кальцію, переводячи їх у стійкий стан. Прикладом захищених золів є кров та сеча. Якщо випарувати 1 л сечі, зібрати осад і потім спробувати розчинити його у воді, то для цього потрібно 14 л розчинника. Отже, сеча – колоїдний розчин, у якому дисперсні частинки захищені альбумінами, муцинами та іншими білками. Протеїни сироватки крові збільшують розчинність карбонату кальцію майже 5 разів. Підвищений вміст кальцій фосфату в молоці обумовлений білковим захистом, який при старінні порушується.

У розвитку атеросклерозу відіграє велику роль лейцетино-холестеринове рівновагу, при порушенні якого змінюється співвідношення між холестерином, фосфоліпідами та білками, що призводить до відкладення холестерину на стінках судин, наслідком чого є атерокальциноз. Велика роль захисту відводиться великомолекулярным жиробелковым компонентам. З іншого боку здатність крові утримувати у розчиненому стані у великих концентраціях газів вуглецю та кисню, також обумовлено захисною дією білків. В даному випадку білки обволікають мікробульбашки газів і оберігають їх від злипання.

Захист колоїдних частинок, що застосовуються при виготовленні лікарських препаратів.В організм часто необхідно вводити лікарські речовини в колоїдному стані, щоб вони рівномірно розподілялися в організмі та засвоювалися. Так, захищені білковими речовинами колоїдні розчини срібла, ртуті, сірки, що використовуються

як лікарські препарати (протаргол, коларгол, лізоргінон), стають не тільки малочутливими до електролітів, але і можуть бути випарені насухо. Сухий залишок після обробки водою знову переходить у сіль.

13.9. ПЕПТИЗАЦІЯ

Пептизація -процес, зворотний коагуляції, процес переходу коагуляту в сіль. Пептизація йде при додаванні до осаду (коагулята) речовин, що сприяють переходу осаду в сіль. Їх називають пепті-заторами.Зазвичай пептизаторами є потенціаловизначальні іони. Наприклад, осад заліза (ІІІ) гідроксиду пептизується солями заліза (ІІІ). Але роль пептизатора може виконувати розчинник (Н 2 Про). Процес пептизації обумовлений адсорбційними явищами. Пептизатор полегшує утворення структури подвійного електричного шару та утворення дзета-потенціалу.

Отже, процес пептизації в основному обумовлений адсорбцією потенціаловизначальних іонів і десорбцією протиіонів, в результаті яких відбуваються підвищення ζ-потенціалу дисперсних частинок і збільшення ступеня сольвації (гідратації), утворення навколо часток сольватних оболонок, що виробляють розклинювальну дію (адсорбційна пептизація).

Крім адсорбційної розрізняють ще дисолюційну пептизацію.Цей вид охоплює все, коли процес пептизації пов'язаний із хімічною реакцією поверхнево розташованих молекул дисперсної фази. Він складається із двох фаз: утворення пептизатора шляхом хімічної реакції введеного електроліту пептизатора з дисперсною частинкою; адсорбцією пептизатора, що утворився, на поверхні дисперсної фази, що призводить до утворення міцел і пептизації осаду. Типовим прикладом дисолюційної пептизації може бути пептизація гідроксидів металів кислотами.

Максимальна дисперсність золів, що одержуються при адсорбційній пептизації, визначається ступенем дисперсності первинних частинок, що утворюють пластівці осаду. При дисолюційній пептизації межа дроблення частинок може виходити з колоїдів і досягати молекулярного ступеня дисперсності. Процес пептизації має велике значення в живих організмах, оскільки колоїди клітин та біологічних рідин постійно відчувають на собі дію електролітів в організмі.

Дія багатьох детергентів, у тому числі миючих засобів, ґрунтується на явищі пептизації. Колоїдний іон мила є диполем, адсорбується частинками бруду, повідомляє їм заряд та сприяє їх пептизації. Бруд у вигляді золю легко видаляється з поверхні.

13.10. ГЕЛІ І СТУДНІ. ТИКСОТРОПІЯ. СИНЕРЕЗА

Розчини ВМС та золі деяких гідрофобних колоїдів здатні за відомих умов зазнавати змін: відбуваються втрата плинності, застуднівання, желатування розчинів, при цьому утворюються колодні та гелі (від латів. «замерзлий»).

Студні (гелі)- це твердоподібні нетекучі структуровані системи, що виникають в результаті дії молекулярних сил зчеплення між колоїдними частинками або макромолекулами полімерів. Сили міжмолекулярної взаємодії призводять до утворення просторового сітчастого каркаса, комірки просторових сіток заповнені рідким розчином, як губка, просочена рідиною. Утворення колодця можна уявити як висолення ВМС або початкову стадію коагуляції, виникнення коагуляційного структурування.

Водний розчин желатину при нагріванні суміші до 45 °C стає гомогенним рідким середовищем. При охолодженні до кімнатної температури в'язкість розчину збільшується, система втрачає плинність, застудніє, консистенція напівтвердої маси зберігає форму (можна різати ножем).

Залежно від природи речовин, що утворюють холодець або гель, розрізняють: побудовані з твердих частинок - тендітні (незворотні); утворені гнучкими макромолекулами – еластичні (оборотні). Крихкі утворені колоїдними частинками (TiO 2 , SiO 2). Висушені – це тверда піна з великою питомою поверхнею. Висушений холодець не набухає, висушування викликає незворотні зміни.

Еластичні гелі утворені полімерами. При висушуванні легко деформуються, стискуються, виходить сухий полімер (пірогель), що зберігає еластичність. Він здатний набухати у відповідному розчиннику, процес оборотний, можна повторювати неодноразово.

Слабкі молекулярні зв'язки в холодцях можна механічно зруйнувати (струшуванням, переливанням, температурою). Розрив зв'язку викликає руйнування структури, частки набувають здатності

до теплового руху система розріджується і стає плинною. Через деякий час структура мимовільно відновлюється. Це можна повторити десятки разів. Таке оборотне перетворення отримало назву тиксотропії.Це ізотермічне перетворення можна уявити схемою:

Тиксотропія спостерігається у слабких розчинах желатину, протоплазми клітин. Оборотність тиксотропії свідчить про те, що структурування у відповідних системах обумовлено міжмолекулярними (ван-дер-ваальсовими) силами - коагуляційно-тиксотропна структура.

Гелями в організмі є мозок, шкіра, очне яблуко. Конденсаційно-кристалізаційний тип структури характеризується міцнішим зв'язком хімічного характеру. В цьому випадку оборотність тиксотропних змін порушується (гель кремнієвої кислоти).

Студень - це нерівноважний стан системи, деякий етап процесу, що повільно протікає, поділу фаз і наближення системи до стану рівноваги.Процес зводиться до поступового стиснення каркаса холодець у більш щільну компактну масу з опресуванням другої рухомої рідкої фази, яка механічно утримується в просторовій сітці каркаса. На поверхні холодців при зберіганні спочатку з'являються окремі краплі рідини, згодом збільшуються і зливаються в суцільну масу рідкої фази. Такий мимовільний процес розшаровування холодець отримав назву синьорезису. Для крихких холодців синьорезис – незворотна агрегація частинок, ущільнення всієї структури. Для холодців ВМС підвищенням температури можна призупинити синьорезис і повернути холодець у вихідне положення. Розшарування згустків крові, що згорнулася, очерствіння хліба, відмокання кондитерських виробів - приклади синерези-са. Тканини молодих людей еластичні, містять більше води, з віком еластичність втрачається, менше води – це синьорезис.

13.11. ПИТАННЯ ТА ЗАВДАННЯ ДЛЯ САМОПРОВІРКИ

ПІДГОТОВЛЕНІ ДО ЗАНЯТТЯ ТА ІСПИТІВ

1. Дати поняття про дисперсні системи, дисперсну фазу та дисперсійне середовище.

2.Як класифікуються дисперсні системи по агрегатному стану дисперсної фази та дисперсійного середовища? Наведіть приклади медико-біологічного профілю.

3.Як класифікуються дисперсні системи за силою міжмолекулярної взаємодії у них? Наведіть приклади медико-біологічного профілю.

4. Основною частиною апарату «штучна нирка» є діалізатор. Який принцип влаштування найпростішого діалізатора? Від яких домішок можна очистити кров за допомогою діалізу? Від яких чинників залежить швидкість діалізу?

5.Якими способами можна розрізнити розчин низькомолекулярної речовини та колоїдний розчин? На яких властивостях ґрунтуються ці способи?

6.Якими способами можна відрізнити золь від грубодисперсної системи? На яких властивостях ґрунтуються ці способи?

7. Які існують методи одержання колоїдно-дисперсних систем? У чому вони відрізняються одна від одної?

8.У чому полягають особливості молекулярно-кінетичних та оптичних властивостей колоїдно-дисперсних систем? Що їх відрізняє від справжніх розчинів та грубодисперсних систем?

9.Дати поняття агрегативної, кінетичної та конденсаційної стійкості дисперсних систем. Чинники, що визначають стійкість систем.

10.Покажіть взаємозв'язок електрокінетичних властивостей колоїдно-дисперсних систем.

11. Які електрокінетичні явища спостерігаються при механічному перемішуванні частинок дисперсної фази: а) щодо дисперсійного середовища; б) щодо частинок дисперсної фази?

12.Поясніть, який із наведених нижче препаратів відноситься до колоїдних розчинів: а) препарат барій сульфату у воді, що застосовується як контрастна речовина при рентгенологічних дослідженнях з розміром частинок 10 -7 м; б) препарат срібла у воді - коларгол, що застосовується для обробки гнійних ран з розміром частинок 10 -9 м.

13. Поняття коагуляції золів. Коагуляція ліофільних золів. Якими є зовнішні ознаки коагуляції? Вкажіть можливі продукти коагуляції золів.

14.Фактори, що викликають коагуляцію золів. Правила коагуляції золів електролітами. Кінетика коагуляції. Поріг коагуляції.

15. В результаті порушення мікро (Са 2+)- і макро (С 2 Про 4 2-)-елементного та кислотно-основного гомеостазу в ШКТ у нирках відбувається реакція:

Який заряд золю? Які із зазначених іонів матимуть коагулюючу дію для частинок цього золю: K + , Mg 2+ , SO 4 2- , NO 3 - , PO 4 3- , Al 3+ ?

Утворюється золь кальцію оксалату. Запишемо формулу міцели золю

(13.3.).

Заряд гранули золю позитивний, отже, коагулюючою дією (к) для частинок цього золя володітимуть іони: SO 4 2- , PO 4 3- , NO 3 - згідно правила Гарді. Чим вищий заряд коагулюючого іона, тим сильніша його коагулююча дія (правило Шульце). Згідно з правилом Шульце, дані аніони можна розмістити в наступний ряд: С до Р0 4 3-> С до SO 4 2-> С до NO 3 - . Чим нижчий заряд іона, тим при великих концентраціях відбуватиметься коагуляція. Поріг коагуляції (р) є відносною характеристикою стійкості золю до даного електроліту і є величиною, зворотною

13.12. ТЕСТОВІ ЗАВДАННЯ

1. Виберіть неправильне твердження:

а) до конденсаційних методів отримання колоїдних розчинів відносяться ОВР, гідроліз, заміна розчинника;

б)до дисперсійних методів отримання колоїдних розчинів відносяться механічний, УЗ, пептизація;

в)до оптичних властивостей колоїдних систем відносяться опалесценція, дифракція, ефект Тіндаля;

г)до молекулярно-кінетичних властивостей колоїдних систем відносяться броунівський рух, світлорозсіювання, зміна забарвлення розчину.

2. Виберіть неправильне твердження:

а) електрофорез - це переміщення в електричному полі дисперсної фази щодо нерухомого дисперсійного середовища;

б) електроосмос – це переміщення в електричному полі дисперсійного середовища щодо нерухомої дисперсної фази;

в)проникнення рідин, що містять лікувальні іони та молекули, через капілярну систему під дією електричного поля, називається електродіаліз;

г) електрофорез застосовується для поділу білків, нуклеїнових кислот та формених елементів крові.

3. Колоїдний розчин, що втратив плинність, - це:

а) емульсія;

б) гель;

в)золь;

г)суспензія.

4. Плазма крові - це:

а)золь;

б) гель;

в) справжній розчин;

г) емульсія.

5. Гетерогенна система, що складається з мікрокристалу дисперсної фази, оточена сольватованими іонами стабілізатора, називається:

а) гранулою;

б) ядром;

в) агрегатом;

г)міцелою.

6. При утворенні міцели потенційно-визначальні іони адсорбуються за правилом:

а) Шульце-Гарді;

б) Ребіндера;

в) Панета-Фаянса;

г) Шилова.

7. Гранулою міцели називають агрегат:

а)разом з адсорбційним шаром;

б)дифузійним шаром;

в) адсорбційним та дифузійним шарами;

г)потенціаловизначальними іонами.

8. Міжфазний потенціал - це потенціал між:

а)твердої та рідкої фазами;

б) адсорбційним та дифузним шарами на межі ковзання;

в) ядром та протиіонами;

г)потенціаловизначальними іонами та протиіонами.

9. Здатність дрібнопористих мембран затримувати частинки дисперсної фази та вільно пропускати іони та молекули, називається:

В навколишньому світі чисті речовини зустрічаються вкрай рідко, в основному більшість речовин на землі та в атмосфері – це різноманітні суміші, що містять більше двох компонентів. Частинки розміром приблизно від 1 нм (кілька молекулярних розмірів) до 10 мкм називаються дисперсними(Лат. dispergo - розсіювати, розпорошувати). Різноманітні системи (неорганічні, органічні, полімерні, білкові), у яких хоча б одна з речовин знаходиться у вигляді таких частинок, називаються дисперсними. Дисперсні - це гетерогенні системи, що складаються з двох або більше фаз з сильно розвиненою поверхнею поділу між ними або суміш, що складається як мінімум з двох речовин, які абсолютно або практично не змішуються один з одним і не реагують хімічно один з одним. Одна з фаз – дисперсна фаза – складається з дуже дрібних частинок, розподілених на іншій фазі – дисперсійному середовищі.

Дисперсна система

За агрегатним станом дисперсні частинки можуть бути твердими, рідкими, газоподібними, у багатьох випадках мають складну будову. Дисперсійні середовища також бувають газоподібними, рідкими та твердими. У вигляді дисперсних систем існує більшість реальних тіл навколишнього світу: морська вода, ґрунти і ґрунти, тканини живих організмів, багато технічних матеріалів, харчові продукти та ін.

Класифікація дисперсних систем

Незважаючи на численні спроби запропонувати єдину класифікацію цих систем, вона досі відсутня. Причина полягає в тому, що в будь-якій класифікації приймаються як критерій не всі властивості дисперсних систем, а лише одне з них. Розглянемо найпоширеніші класифікації колоїдних та мікрогетерогенних систем.

У будь-якій галузі знань, коли доводиться стикатися зі складними об'єктами та явищами, для полегшення та встановлення певних закономірностей доцільно класифікувати їх за тими чи іншими ознаками. Це стосується й області дисперсних систем; у час їм було запропоновано різні принципи класифікації. За інтенсивністю взаємодії речовин дисперсійного середовища та дисперсної фази розрізняють ліофільні та ліофобні колоїди. Нижче стисло викладено інші прийоми класифікації дисперсних систем.

Класифікація щодо наявності або відсутності взаємодіїміж частинками дисперсної фазиВідповідно до цієї класифікації дисперсні системи ділять на вільнодисперсні та зв'язнодисперсні; класифікація застосовна до колоїдних розчинів та до розчинів високомолекулярних сполук.

До вільнодисперсних систем відносять типові колоїдні розчини, суспензії, суспензії, різноманітні розчини високомолекулярних сполук, які мають плинність, як звичайні рідини і розчини.

До зв'язководисперсних відносять так звані структуровані системи, в яких в результаті взаємодії між частинками виникає просторова ажурна сітка-каркас, і система в цілому набуває властивостей напівтвердого тіла. Наприклад, золі деяких речовин і розчини високомолекулярних сполук при зниженні температури або зі зростанням концентрації вище за відому межу, не зазнаючи зовні будь-яких змін, втрачають плинність - желатинують (застудніють), переходять у стан гелю (студня). Сюди можна віднести концентровані пасти, аморфні опади.

Класифікація дисперсності.Фізичні властивості речовини не залежать від розмірів тіла, але за високого ступеня подрібнення стають функцією дисперсності. Наприклад, золі металів мають різне забарвлення в залежності від ступеня подрібнення. Так, колоїдні розчини золота гранично високої дисперсності мають пурпуровий колір, менш дисперсні – синій, ще менш – зелений. Є підстави вважати, що інші властивості золей однієї й тієї ж речовини змінюються в міру подрібнення: Напрошується природний критерій класифікації колоїдних систем з дисперсності, т. е. поділ області колоїдного стану (10 -5 -10 -7 см) ряд більш вузьких інтервалів. Така класифікація була свого часу запропонована, але вона виявилася марною, оскільки колоїдні системи практично завжди полідисперсні; монодисперсні зустрічаються дуже рідко. До того ж, ступінь дисперсності може змінюватися в часі, тобто залежить від віку системи.

Колоїдна хімія – наука, яка вивчає методи отримання, склад, внутрішню структуру, хімічні та фізичні властивості дисперсних систем. Дисперсні системи - це системи, які складаються з роздроблених частинок (дисперсна фаза), розподілених у навколишньому (дисперсному) середовищі: газах, рідинах або твердих тілах. Розміри частинок дисперсійної фази (кристаликів, крапельок, бульбашок) відрізняються ступенем дисперсності, величина якої прямо пропорційна розміру частинок. Крім цього, дисперсні частинки розрізняють і за іншими ознаками, як правило, за дисперсною фазою та середовищем.

Дисперсні системи та їх класифікація

Усі дисперсійні системи за розміром частинок дисперсійної фази можна класифікувати на молекулярно-іонні (менше одного нм), колоїдні (від одного до ста нм), грубодисперсні (більше ста нм).

Молекулярно-дисперсні системи.Зазначені системи містять частинки, розмір яких не перевищує одного нм. До цієї групи належать різноманітні справжні розчини неелектролітів: глюкози, сечовини, спирту, сахарози.

Грубодисперсні системихарактеризуються найбільшими частинками. До них відносять емульсії та суспензії. Дисперсні системи, у яких тверда речовина локалізується у рідкому дисперсійному середовищі (розчин крохмалю, глини), називаються суспензіями. Емульсії - це системи, які отримують в результаті змішування двох рідин, де одна у вигляді крапель диспергована в іншій (олія, толуол, бензол у воді або крапельки триацилгліцеролів (жиру) у молоці).

Колоїдні дисперсні системи. Вони розміри досягають до 100 нм. Такі частинки легко проникають через пори паперових фільтрів, проте не проникають через пори біологічних мембран рослин та тварин. Оскільки колоїдні частинки (міцели) мають електрозаряд і сольватні іонні оболонки, завдяки яким вони залишаються у зваженому стані, досить тривалий час можуть не випадати в осад. Яскравим прикладом є розчини желатину, альбуміну, гуміарабіку, золота та срібла.

Дозволяє розрізнити гомогенні та гетерогенні дисперсні системи. У гомогенних дисперсних системах частинки фази подрібнені до молекул, атомів та іонів. Прикладом таких дисперсійних систем може бути розчин глюкози у воді (молекулярно-дисперсна система) та кухонної солі у воді (іонно-дисперсна система). Вони є розмір молекул дисперсної фази не перевищує одного нанометра.

Дисперсні системи та розчини

З усіх представлених систем та розчинів у житті живих організмів найбільше значення мають колоїдні дисперсні системи. Як відомо, хімічною основою існування живого організму є обмін білків у ньому. У середньому концентрація білків у організмі становить від 18 до 21 %. Більшість білків розчиняються у воді (концентрація якої в організмі людини та тварин становить приблизно 65 %) та утворюють колоїдні розчини.

Розрізняють дві групи колоїдних розчинів: рідкі (золі) та гелеподібні (гелі). Усі процеси життєдіяльності, які у живих організмах, пов'язані з колоїдним станом матерії. У кожній живій клітині біополімери (нуклеїнові кислоти, білки, гікозаміноглікани, глікоген) знаходяться у вигляді дисперсних систем.

Колоїдні розчини широко поширені і до таких розчинів відносять нафту, тканини, пластмаси, Безліч харчових продуктів можна віднести до колоїдних розчинів: кефір, молоко і т.д. Більшість лікарських засобів (сироватки, антигени, вакцини) є колоїдними розчинами. До колоїдних розчинів відносять і фарби.

Неоднорідної, або гетерогенної, Вважається система, яка складається з двох або декількох фаз. Кожна фаза має власну поверхню розділу, яку можна механічно розділити.

Неоднорідна система складається з дисперсної (внутрішньої) фази та дисперсійного (зовнішнього) середовища, що оточує частинки дисперсної фази.

Системи, у яких зовнішньою фазою є рідини, називаються неоднорідними рідкими системами, а системи, у яких зовнішньої фазою є гази, – неоднорідними газовими системами. Гетерогенні системи часто називають дисперсними системами.

Розрізняють такі види неоднорідних систем: суспензії, емульсії, піни, пилу, дими, тумани.

Суспензія– це система, що складається з рідкої дисперсійної фази та твердої дисперсної фази (наприклад, соуси з борошном, крохмальне молоко, патока із кристалами цукру). Суспензії в залежності від розмірів частинок поділяються на грубі (розмір часток понад 100 мкм), тонкі (0,1-100 мкм) та колоїдні (0,1 мкм і менше).

Емульсія– це система, що складається з рідини та розподілених у ній крапель іншої рідини, що не змішується з першою (наприклад, молоко, суміш олії та води). Під дією сили тяжкості емульсії розшаровуються, але при незначних розмірах крапель (менше 0,4-0,5 мкм) або додаванні стабілізаторів емульсії стають стійкими, не здатними до розшарування протягом тривалого періоду.

Збільшення концентрації дисперсної фази може викликати її перехід у дисперсійну фазу, і навпаки. Такий взаємний перехід називається інверсією фаз. Є газові емульсії, у яких дисперсійне середовище – рідина, а дисперсна фаза – газ.

Піна– це система, що складається з рідкої дисперсійної фази та розподілених у ній бульбашок газу (газова дисперсна фаза) (наприклад, креми та інші збиті продукти). Піни за своїми властивостями близькі до емульсій. Для емульсій та пін характерна інверсія фаз.

Пили, дими, тумани є аерозолі.

Аерозоляминазивають дисперсну систему з газоподібним дисперсійним середовищем і твердою або рідкою дисперсною фазою, яка складається з частинок від квазимолекулярного до мікроскопічного розміру, що володіють властивістю перебувати у зваженому стані більш-менш тривалий час (наприклад, борошняний пил, що утворюється при просіюванні, транспортуванні; пил, що утворюється при , та ін). Дим утворюється при спалюванні твердого палива, туман – при конденсації пари.

В аерозолях дисперсійним середовищем є газ або повітря, а дисперсною фазою в пилу та димі – тверді речовини, у туманах – рідина. Розміри твердих частинок пилу становлять 3–70 мкм, диму – 0,3–5 мкм.

Туман– це система, що складається з газового дисперсійного середовища та розподілених у ній крапель рідини (рідка дисперсна фаза). Розмір рідких крапель, що утворилися внаслідок конденсації у тумані, становить 0,3–3 мкм. Якісним показником, що характеризує однорідність частинок аерозолю за розміром, є ступінь дисперсності.

Аерозоль називають монодисперсним, коли його частинки мають однаковий розмір, і полідисперсним при вмісті в ньому частинок різного розміру. Монодисперсних аерозолів у природі практично не існує. Лише деякі аерозолі за розмірами частинок наближаються до монодисперсних систем (гіфи грибів, тумани та ін.).

Дисперсні, або гетерогенні системи залежно від кількості дисперсних фаз можуть бути одно- і багатокомпонентними. Наприклад, багатокомпонентною системою є молоко (має дві дисперсні фази: жир та білок); соуси (дисперсними фазами є борошно, жир та ін.).

І дисперсійне середовище, і дисперсну фазу можуть становити речовини, що знаходяться в різних агрегатних станах. Залежно від поєднання станів дисперсійного середовища та дисперсної фази можна виділити вісім видів таких систем

Класифікація дисперсних систем за агрегатним станом

Так само як класифікаційну ознаку можна виділити таке поняття як розмір частинок дисперсної системи:

• - Грубодисперсні (> 10 мкм): цукор-пісок, ґрунти, туман, краплі дощу, вулканічний попіл, магма тощо.
• - Середньодисперсні (0,1-10 мкм): еритроцити крові людини, кишкова паличка тощо.

дисперсний емульсія суспензія гель

• - Високодисперсні (1-100 нм): вірус грипу, дим, каламут у природних водах, штучно отримані золі різних речовин, водні розчини природних полімерів (альбумін, желатин та ін) тощо.
• - нанорозмірні (1-10 нм): молекула глікогену, тонкі пори вугілля, золі металів, отримані в присутності молекул органічних речовин, що обмежують зростання частинок, вуглецеві нанотрубки, магнітні наноніти із заліза, нікелю тощо.

Грубодисперсні системи: емульсії, суспензії, аерозолі

За величиною частинок речовини, що становлять дисперсну фазу, дисперсні системи ділять на грубодисперсні з розмірами частинок більше 100 нм та тонкодисперсні з розмірами частинок від 1 до 100 нм. Якщо речовина роздроблена до молекул або іонів розміром менше 1 нм, утворюється гомогенна система - розчин. Розчин однорідний, поверхні поділу між частинками та середовищем немає, а тому до дисперсних систем він не відноситься. Грубодисперсні системи поділяються на три групи: емульсії, суспензії та аерозолі.

Емульсії - це дисперсні системи з рідким дисперсійним середовищем та рідкою дисперсною фазою.

Їх можна розділити на дві групи: 1) прямі - краплі неполярної рідини в полярному середовищі (олія у воді); 2) зворотні (вода в олії). Зміна складу емульсій або зовнішній вплив можуть призвести до перетворення прямої емульсії на зворотну і навпаки. Прикладами найбільш відомих природних емульсій є молоко (пряма емульсія) та нафта (зворотна емульсія). Типова біологічна емульсія – це крапельки жиру у лімфі.

З відомих у практичній діяльності людини емульсій можна назвати мастильно-охолодні рідини, бітумні матеріали, пестицидні препарати, лікарські та косметичні засоби, харчові продукти. Наприклад, у медичній практиці широко застосовують жирові емульсії для енергетичного забезпечення голодуючого чи ослабленого організму шляхом внутрішньовенного вливання. Для отримання таких емульсій використовують оливкову, бавовняну та соєву олії. У хімічній технології широко використовують емульсійну полімеризацію як основний метод отримання каучуків, полістиролу, полівінілацетату та ін. Суспензії – це грубодисперсні системи з твердою дисперсною фазою та рідким дисперсійним середовищем.

Зазвичай частинки дисперсної фази суспензії настільки великі, що осідають під дією сили тяжіння – седиментують. Системи, в яких седиментація йде дуже повільно через малу різницю в щільності дисперсної фази та дисперсійного середовища, також називають суспензією. Практично значущими будівельними суспензіями є побілка («вапняне молоко»), емалеві фарби, різні будівельні суспензії, наприклад ті, які називають цементним розчином. До суспензій відносять також медичні препарати, наприклад, рідкі мазі - лініменти. Особливу групу складають грубодисперсні системи, в яких концентрація дисперсної фази відносно висока порівняно з невеликою концентрацією в суспензіях. Такі дисперсні системи називають пастами. Наприклад, вам добре відомі із повсякденного життя зубні, косметичні, гігієнічні та ін.

Аерозолі - це грубодисперсні системи, в яких дисперсійним середовищем є повітря, а дисперсною фазою можуть бути крапельки рідини (хмари, веселка, випущений з балончика лак для волосся або дезодорант) або частинки твердої речовини (пилова хмара, смерч)

Колоїдні системи – у них розміри колоїдних частинок досягають до 100 нм. Такі частинки легко проникають через пори паперових фільтрів, проте не проникають через пори біологічних мембран рослин та тварин. Оскільки колоїдні частинки (міцели) мають електрозаряд і сольватні іонні оболонки, завдяки яким вони залишаються у зваженому стані, досить тривалий час можуть не випадати в осад. Яскравим прикладом колоїдної системи є розчини желатину, альбуміну, гуміарабіку, колоїдні розчини золота та срібла.

Колоїдні системи займають проміжне положення між грубодисперсними системами та справжніми розчинами. Вони широко поширені у природі. Грунт, глина, природні води, багато мінералів, у тому числі і деякі дорогоцінні камені, - все це колоїдні системи.

Розрізняють дві групи колоїдних розчинів: рідкі (колоїдні розчини – золі) та гелеподібні (студні – гелі).

Більшість біологічних рідин клітини (вже згадані цитоплазма, ядерний сік – каріоплазма, вміст вакуолей) та живого організму в цілому є колоїдними розчинами (золями). Усі процеси життєдіяльності, які у живих організмах, пов'язані з колоїдним станом матерії. У кожній живій клітині біополімери (нуклеїнові кислоти, білки, гікозаміноглікани, глікоген) знаходяться у вигляді дисперсних систем.

Гелі – це колоїдні системи, в яких частинки дисперсної фази утворюють просторову структуру.

Гелі можуть бути: харчові – мармелад, зефір, холодець, желе; біологічні-хрящі, сухожилля, волосся, м'язова та нервові тканини, тіла медуз; косметичні - гелі для душу, крему; медичні-ліки, мазі; мінеральні – перли, опал, сердолік, халцедон.

Велике значення мають колоїдні системи для біології та медицини. До складу будь-якого живого організму входять тверді, рідкі та газоподібні речовини, що перебувають у складному взаємовідносинах із навколишнім середовищем. З хімічної точки зору організм загалом – це найскладніша сукупність багатьох колоїдних систем.

Біологічні рідини (кров, плазма, лімфа, спинномозкова рідина та ін) являють собою колоїдні системи, в яких такі органічні сполуки, як білки, холестерин, глікоген та багато інших, знаходяться в колоїдному стані. Чому саме йому природа віддає таку перевагу? Ця особливість пов'язана, насамперед, з тим, що речовина в колоїдному стані має велику поверхню поділу між фазами, що сприяє кращому перебігу реакцій обміну речовин.

Приклади природних та штучних дисперсних систем. Мінерали та гірські породи як природні суміші

Вся навколишня природа - організми тварин і рослин, гідросфера і атмосфера, земна кора і надра є складною сукупністю безлічі різноманітних і різнотипних грубодисперсних і колоїдних систем. Хмари нашої планети є такі ж живі сутності, як вся природа, яка нас оточує. Вони мають значення для Землі, оскільки є інформаційними каналами. Адже хмари складаються з капілярної субстанції води, а вода, як відомо, дуже добрий накопичувач інформації. Кругообіг води в природі призводить до того, що інформація про стан планети та настрої людей накопичується в атмосфері, і разом із хмарами пересувається по всьому простору Землі. Дивовижний витвір природи-хмари, який приносить людині радість, естетичне задоволення і просто бажання іноді подивитися на небо.

Туман теж може бути прикладом природної дисперсної системи, скупчення води в повітрі, коли утворюються дрібні продукти конденсації водяної пари (при температурі повітря вище? 10 ° - дрібні крапельки води, при? льоду, при температурі нижче?15° - кристалики льоду, що сяють у сонячних променях або у світлі місяця та ліхтарів). Відносна вологість повітря при туманах зазвичай близька до 100% (принаймні перевищує 85-90%). Однак у сильні морози (?30° і нижче) у населених пунктах, на залізничних станціях та аеродромах тумани можуть спостерігатися за будь-якої відносної вологості повітря (навіть менше 50 %) - за рахунок конденсації водяної пари, що утворюється при згорянні палива (у двигунах, печах тощо) і викидається в атмосферу через вихлопні труби та димарі.

Безперервна тривалість туманів зазвичай становить від кількох годин (а іноді півгодини-годину) до кількох діб, особливо в холодну пору року.

Тумани перешкоджають нормальній роботі всіх видів транспорту (особливо авіації), тому прогноз туманів має велике народногосподарське значення.

Прикладом складної дисперсної системи може бути молоко, основними складовими частинами якого (крім води) є жир, казеїн і молочний цукор. Жир знаходиться у вигляді емульсії і при стоянні молока поступово піднімається догори (вершки). Казеїн міститься у вигляді колоїдного розчину і мимоволі не виділяється, але легко може бути осаджений (у вигляді сиру) при підкисленні молока, наприклад оцтом. У природних умовах виділення казеїну відбувається при скисанні молока. Нарешті, молочний цукор перебуває як молекулярного розчину і виділяється лише за випаровуванні води.

Багато газів, рідин і твердих речовин розчиняються у воді. Цукор та кухонна сіль легко розчиняються у воді; вуглекислий газ, аміак та багато інших речовин, стикаючись з водою, переходять у розчин і втрачають свій попередній агрегатний стан. Розчинену речовину певним способом можна виділити з розчину. Якщо випарувати розчин кухонної солі, то сіль залишається у вигляді твердих кристалів.

При розчиненні речовин, у воді (чи іншому розчиннику) утворюється однорідна (гомогенная) система. Таким чином, розчином називається гомогенна система, що складається із двох або більше компонентів. Розчини можуть бути рідкими, твердими та газоподібними. До рідких розчинів відносяться, наприклад, розчин цукру або кухонної солі у воді, спирту у воді тощо. До твердих розчинів одного металу в іншому належать сплави: латунь - це сплав міді та цинку, бронза - сплав міді та олова тощо. Газоподібною речовиною є повітря або будь-яка суміш газів.