Suurin osa ympärillämme olevista aineista on erilaisten aineiden seoksia, joten niiden ominaisuuksien tutkimuksella on tärkeä rooli kemian, lääketieteen, elintarviketeollisuuden ja muiden talouden sektoreiden kehityksessä. Artikkelissa käsitellään kysymyksiä siitä, mikä on hajautusaste ja miten se vaikuttaa järjestelmän ominaisuuksiin.
Mitä ovat hajajärjestelmät?
Ennen kuin puhutaan dispersioasteesta, on tarpeen selvittää, mihin järjestelmiin tätä käsitettä voidaan soveltaa.
Kuvitellaan, että meillä on kaksi erilaista ainetta, jotka voivat erota toisistaan kemialliselta koostumukseltaan, esimerkiksi pöytäsuola ja puhdas vesi, tai aggregaatiotilassa, esimerkiksi sama vesi nesteessä ja kiinteässä (jää) toteaa. Nyt sinun on otettava ja sekoitettava nämä kaksi ainetta ja sekoitettava niitä intensiivisesti. Mikä on tulos? Se riippuu siitä, tapahtuiko kemiallinen reaktio sekoittamisen aikana vai ei. Hajautetuista järjestelmistä puhuttaessa uskotaan, että kun nemuodostumisessa ei tapahdu reaktiota, eli alkuaineet säilyttävät rakenteensa mikrotasolla ja niiden luontaiset fysikaaliset ominaisuudet, kuten tiheyden, värin, sähkönjohtavuuden ja muut.
Hajotettu järjestelmä on siis mekaaninen seos, jonka seurauksena kaksi tai useampia aineita sekoittuu keskenään. Kun se muodostetaan, käytetään käsitteitä "dispersioväliaine" ja "faasi". Ensimmäisellä on jatkuvuuden ominaisuus järjestelmän sisällä, ja sitä esiintyy siinä yleensä suhteellisen paljon. Toiselle (dispergoituneelle faasille) on tunnusomaista epäjatkuvuusominaisuus, eli se on järjestelmässä pienten hiukkasten muodossa, joita rajoittaa pinta, joka erottaa ne väliaineesta.
Homogeeniset ja heterogeeniset järjestelmät
On selvää, että nämä kaksi hajotetun järjestelmän komponenttia eroavat toisistaan fysikaalisten ominaisuuksiensa suhteen. Jos esimerkiksi heität hiekkaa veteen ja sekoitat sitä, on selvää, että vedessä olevat hiekkajyvät, joiden kemiallinen kaava on SiO2, eivät eroa millään tavalla tilasta, kun he eivät olleet vedessä. Tällaisissa tapauksissa puhutaan heterogeenisyydestä. Toisin sanoen heterogeeninen järjestelmä on useiden (kahden tai useamman) faasien seos. Jälkimmäinen ymmärretään järjestelmän joksikin rajalliseksi tilavuudeksi, jolle on tunnusomaista tietyt ominaisuudet. Yllä olevassa esimerkissä meillä on kaksi vaihetta: hiekka ja vesi.
Kuitenkin dispergoituneen faasin hiukkasten koosta, kun ne liuotetaan mihin tahansa väliaineeseen, ne voivat muuttua niin pieneksi, että ne eivät enää näytä yksilöllisiä ominaisuuksiaan. Tässä tapauksessa puhutaanhomogeeniset tai homogeeniset aineet. Vaikka ne sisältävät useita komponentteja, ne kaikki muodostavat yhden vaiheen koko järjestelmän tilavuuden läpi. Esimerkki homogeenisesta järjestelmästä on NaCl:n liuos vedessä. Kun se liukenee, NaCl-kide hajoaa vuorovaikutuksessa polaaristen molekyylien H2O kanssa erillisiksi kationeiksi (Na+) ja anioneiksi (Cl)-). Ne sekoitetaan homogeenisesti veden kanssa, eikä tällaisessa järjestelmässä enää ole mahdollista löytää rajapintaa liuenneen aineen ja liuottimen välillä.
hiukkaskoko
Mikä on dispersioaste? Tätä arvoa on harkittava tarkemmin. Mitä hän edustaa? Se on kääntäen verrannollinen dispergoidun faasin hiukkaskokoon. Juuri tämä ominaisuus on kaikkien tarkasteltavien aineiden luokituksen taustalla.
Hajajärjestelmiä opiskellessaan opiskelijat usein hämmentyvät nimissään, koska he uskovat luokittelunsa perustuvan myös aggregaatiotilaan. Tämä ei ole totta. Eri aggregaatioasteisilla seoksilla on todellakin eri nimiä, esimerkiksi emulsiot ovat vesiaineita ja aerosolit viittaavat jo kaasufaasin olemassaoloon. Dispersoituneiden järjestelmien ominaisuudet riippuvat kuitenkin pääasiassa niihin liuenneen faasin hiukkaskoosta.
Yleisesti hyväksytty luokitus
Hajaantuneiden järjestelmien luokitus dispersioasteen mukaan on annettu alla:
- Jos ehdollinen hiukkaskoko on alle 1 nm, tällaisia järjestelmiä kutsutaan todellisiksi tai tosiratkaisuiksi.
- Jos ehdollinen hiukkaskoko on välillä 1 nm ja100 nm, silloin kyseistä ainetta kutsutaan kolloidiseksi liuokseksi.
- Jos hiukkaset ovat suurempia kuin 100 nm, puhumme suspensioista tai suspensioista.
Edellä olevan luokituksen suhteen selvennetään kaksi asiaa: ensinnäkin annetut luvut ovat suuntaa antavia, eli järjestelmä, jossa hiukkaskoko on 3 nm, ei välttämättä ole kolloidi, se voi olla myös tosi ratkaisu. Tämä voidaan todeta tutkimalla sen fysikaalisia ominaisuuksia. Toiseksi saatat huomata, että luettelossa käytetään ilmausta "ehdollinen koko". Tämä johtuu siitä, että järjestelmän hiukkasten muoto voi olla täysin mieliv altainen, ja sillä on yleensä monimutkainen geometria. Siksi he puhuvat jostain keskimääräisestä (ehdollisesta) koostaan.
Myöhemmin artikkelissa annamme lyhyen kuvauksen tunnetuista dispersiojärjestelmien tyypeistä.
Todelliset ratkaisut
Kuten edellä mainittiin, hiukkasten dispersioaste todellisissa liuoksissa on niin korkea (niiden koko on hyvin pieni, < 1 nm), että niiden ja liuottimen (väliaineen) välillä ei ole rajapintaa, eli on yksivaiheinen homogeeninen järjestelmä. Tietojen täydellisyyden vuoksi muistetaan, että atomin koko on yhden angströmin (0,1 nm) luokkaa. Viimeinen numero osoittaa, että todellisissa liuoksissa olevat hiukkaset ovat kooltaan atomikokoisia.
Todellisten liuosten pääominaisuudet, jotka erottavat ne kolloideista ja suspensioista, ovat seuraavat:
- Liuoksen tila on olemassa mieliv altaisen pitkään muuttumattomana, eli dispergoituneen faasin sakkaa ei muodostu.
- Haettuainetta ei voida erottaa liuottimesta suodattamalla tavallisen paperin läpi.
- Aine ei myöskään erotu huokoisen kalvon läpi kulkevan prosessin seurauksena, jota kemiassa kutsutaan dialyysiksi.
- Liuotettu aine voidaan erottaa liuottimesta vain muuttamalla viimeksi mainitun aggregaatiotilaa esimerkiksi haihduttamalla.
- Ihanteellisissa ratkaisuissa voidaan suorittaa elektrolyysi, eli sähkövirta voidaan johtaa, jos järjestelmään kohdistetaan potentiaaliero (kaksi elektrodia).
- Ne eivät hajoa valoa.
Esimerkki todellisista ratkaisuista on erilaisten suolojen sekoittaminen veteen, esimerkiksi NaCl (ruokasuola), NaHCO3 (ruokasooda), KNO 3(kaliumnitraatti) ja muut.
kolloidiratkaisut
Nämä ovat välijärjestelmiä todellisten ratkaisujen ja jousituksen välillä. Niillä on kuitenkin useita ainutlaatuisia ominaisuuksia. Listataan ne:
- Ne ovat mekaanisesti stabiileja mieliv altaisen pitkän ajan, jos ympäristöolosuhteet eivät muutu. Riittää, kun lämmittää järjestelmää tai muuttaa sen happamuutta (pH-arvo), koska kolloidi koaguloituu (saostuu).
- Niitä ei eroteta suodatinpaperilla, mutta dialyysiprosessi johtaa dispergoituneen faasin ja väliaineen erottumiseen.
- Kuten todelliset ratkaisut, ne voidaan elektrolysoida.
- Läpinäkyville kolloidisille systeemeille on ominaista niin kutsuttu Tyndall-ilmiö: kun valonsäde kulkee tämän järjestelmän läpi, näet sen. Se on yhteydessäsähkömagneettisten a altojen sironta spektrin näkyvässä osassa kaikkiin suuntiin.
- Kyky adsorboida muita aineita.
Kolloidisysteemit ovat lueteltujen ominaisuuksien vuoksi laaj alti ihmisten käytössä eri toiminta-aloilla (elintarviketeollisuus, kemia), ja niitä esiintyy usein myös luonnossa. Esimerkki kolloidista on voi, majoneesi. Luonnossa nämä ovat sumuja, pilviä.
Ennen kuin siirrymme viimeisen (kolmannen) dispersiojärjestelmien luokan kuvaukseen, selitetään yksityiskohtaisemmin joitakin kolloidien nimettyjä ominaisuuksia.
Mitä ovat kolloidiset liuokset?
Tällaisille hajautetuille järjestelmille luokitus voidaan antaa ottaen huomioon väliaineen ja siihen liuenneen faasin erilaiset aggregaattitilat. Alla on vastaava taulukko/
| Keskiviikko/Vaihe | Kaasu | Neste | Jäykkä runko |
| kaasu | kaikki kaasut ovat rajattomasti liukoisia toisiinsa, joten ne muodostavat aina todellisia liuoksia | aerosoli (sumu, pilvet) | aerosoli (savu) |
| neste | vaahto (parranajo, kermavaahto) | emulsio (maito, majoneesi, kastike) | sol (vesivärit) |
| kiinteä runko | vaahto (hohkakivi, hiilihapotettu suklaa) | geeli (gelatiini, juusto) | sol (rubiinikide, graniitti) |
Taulukko osoittaa, että kolloidisia aineita on kaikkialla, sekä arjessa että luonnossa. Huomaa, että samanlainen taulukko voidaan antaa myös jousituksille, muistaen, että ero onkolloideja niissä on vain dispergoituneen faasin kokoinen. Suspensiot ovat kuitenkin mekaanisesti epävakaita ja siksi niillä on vähemmän käytännön merkitystä kuin kolloidiset järjestelmät.
Syy kolloidien mekaaniseen stabiilisuuteen
Miksi majoneesi voi olla jääkaapissa pitkään, eivätkä siinä olevat suspendoituneet hiukkaset saostu? Mikseivät veteen liuenneet maalihiukkaset lopulta "pudo" astian pohjalle? Vastaus näihin kysymyksiin on Brownin liike.
Tällaisen liikkeen löysi 1800-luvun ensimmäisellä puoliskolla englantilainen kasvitieteilijä Robert Brown, joka havaitsi mikroskoopilla, kuinka pienet siitepölyhiukkaset liikkuvat vedessä. Fysikaalisesta näkökulmasta Brownin liike on ilmentymä nestemolekyylien kaoottisesta liikkeestä. Sen intensiteetti kasvaa, jos nesteen lämpötilaa nostetaan. Juuri tämäntyyppinen liike aiheuttaa kolloidisten liuosten pienten hiukkasten suspension.
Adsorptioominaisuus
Dispersiteetti on keskimääräisen hiukkaskoon käänteisluku. Koska tämä koko kolloideissa on alueella 1 nm - 100 nm, niillä on erittäin kehittynyt pinta, eli suhde S / m on suuri arvo, tässä S on kahden faasin välinen rajapinta-ala (dispersioväliaine). ja hiukkaset), m - liuoksessa olevien hiukkasten kokonaismassa.
Atomeissa, jotka ovat dispergoituneen faasin hiukkasten pinnalla, on tyydyttymättömiä kemiallisia sidoksia. Tämä tarkoittaa, että ne voivat muodostaa yhdisteitä muiden kanssamolekyylejä. Yleensä nämä yhdisteet syntyvät van der Waalsin voimien tai vetysidosten vaikutuksesta. Ne pystyvät pitämään useita molekyylikerroksia kolloidisten hiukkasten pinnalla.
Klassinen esimerkki adsorptioaineesta on aktiivihiili. Se on kolloidi, jossa dispersioväliaine on kiinteä aine ja faasi on kaasu. Sen ominaispinta-ala voi olla 2500 m2/g.
Hienoaste ja ominaispinta-ala
S/m:n laskeminen ei ole helppo tehtävä. Tosiasia on, että kolloidisen liuoksen hiukkasilla on eri kokoja, muotoja ja kunkin hiukkasen pinnalla on ainutlaatuinen kohokuvio. Siksi teoreettiset menetelmät tämän ongelman ratkaisemiseksi johtavat laadullisiin tuloksiin, eivät kvantitatiivisiin tuloksiin. Siitä huolimatta on hyödyllistä antaa kaava ominaispinta-alalle dispersioasteen perusteella.
Jos oletetaan, että kaikki järjestelmän hiukkaset ovat pallomaisia ja samankokoisia, saadaan suorien laskelmien tuloksena seuraava lauseke: Sud=6/(dρ), jossa Sud - pinta-ala (spesifinen), d - hiukkasen halkaisija, ρ - aineen, josta se koostuu, tiheys. Kaavasta voidaan nähdä, että pienimmät ja raskaimmat hiukkaset vaikuttavat eniten tarkasteltavaan määrään.
Kokeellinen tapa määrittää Sud on laskea kaasun tilavuus, jonka tutkittava aine adsorboi, sekä mitata huokoskoko (hajotettu faasi) siinä.
Pakastuskuivaus jalyofobinen
Lyofiilisyys ja lyofobisuus – nämä ovat ominaisuudet, jotka itse asiassa määräävät hajautettujen järjestelmien luokituksen olemassaolon siinä muodossa, jossa se on annettu edellä. Molemmat käsitteet luonnehtivat liuottimen ja liuenneen aineen molekyylien välistä voimasidosta. Jos tämä suhde on suuri, he puhuvat lyofiilisyydestä. Joten kaikki todelliset suolaliuokset vedessä ovat lyofiilisiä, koska niiden hiukkaset (ionit) ovat sähköisesti yhteydessä polaarisiin molekyyleihin H2O. Jos tarkastellaan sellaisia järjestelmiä kuten voita tai majoneesia, niin nämä ovat tyypillisten hydrofobisten kolloidien edustajia, koska niissä olevat rasva- (lipidi)molekyylit hylkivät polaarisia molekyylejä H2O.
On tärkeää huomata, että lyofobiset (hydrofobiset, jos liuotin on vesi) järjestelmät ovat termodynaamisesti epävakaita, mikä erottaa ne lyofiilisistä.
Keskeytysten ominaisuudet
Ajattele nyt viimeistä dispersiojärjestelmien luokkaa - suspensioita. Muista, että niille on ominaista se, että pienin hiukkanen niissä on suurempi tai luokkaa 100 nm. Mitä ominaisuuksia heillä on? Vastaava luettelo on alla:
- Ne ovat mekaanisesti epävakaita, joten ne muodostavat sedimenttiä lyhyessä ajassa.
- Ne ovat sameita ja läpinäkymättömiä auringonvalolle.
- Vaihe voidaan erottaa väliaineesta suodatinpaperilla.
Esimerkkejä luonnossa esiintyvistä suspensioista ovat jokien mutainen vesi tai vulkaaninen tuhka. Suspensioiden ihmiskäyttöön liittyy mmyleensä lääkkeiden kanssa (lääkeliuokset).
Koagulaatio
Mitä voidaan sanoa aineiden seoksista, joiden dispersioaste on erilainen? Tämä kysymys on osittain jo käsitelty artikkelissa, koska missä tahansa hajautetussa järjestelmässä hiukkasten koko on tietyissä rajoissa. Tässä tarkastellaan vain yhtä omituista tapausta. Mitä tapahtuu, jos sekoitat kolloidin ja oikean elektrolyyttiliuoksen? Painotettu järjestelmä rikkoutuu ja sen koaguloituminen tapahtuu. Syynä on todellisten liuosionien sähkökenttien vaikutus kolloidisten hiukkasten pintavaraukseen.