Većina supstanci oko nas su mješavine različitih supstanci, pa proučavanje njihovih svojstava igra važnu ulogu u razvoju hemije, medicine, prehrambene industrije i drugih sektora privrede. U članku se razmatraju pitanja koliki je stepen disperzije i kako on utiče na karakteristike sistema.
Šta su disperzni sistemi?
Prije diskusije o stepenu disperzije, potrebno je razjasniti na koje sisteme se ovaj koncept može primijeniti.
Zamislimo da imamo dvije različite supstance koje se mogu razlikovati jedna od druge po hemijskom sastavu, na primjer kuhinjska so i čista voda, ili u stanju agregacije, na primjer, ista voda u tečnom i čvrstom stanju (led) države. Sada trebate uzeti i pomiješati ove dvije supstance i intenzivno ih miješati. Šta će biti rezultat? Zavisi od toga da li je došlo do hemijske reakcije tokom mešanja ili ne. Kada se govori o disperzovanim sistemima, veruje se da kada oniu formiranju se ne dešava nikakva reakcija, odnosno početne supstance zadržavaju svoju strukturu na mikro nivou i svoja inherentna fizička svojstva, kao što su gustina, boja, električna provodljivost i druge.
Dakle, dispergovani sistem je mehanička mešavina, usled koje se dve ili više supstanci mešaju jedna s drugom. Kada se formira, koriste se koncepti "disperzioni medij" i "faza". Prvi ima svojstvo kontinuiteta unutar sistema i po pravilu se nalazi u njemu u velikoj relativnoj količini. Drugu (disperznu fazu) karakteriše svojstvo diskontinuiteta, odnosno u sistemu je u obliku malih čestica, koje su ograničene površinom koja ih odvaja od sredine.
Homogeni i heterogeni sistemi
Jasno je da će se ove dvije komponente dispergovanog sistema razlikovati po svojim fizičkim svojstvima. Na primjer, ako bacite pijesak u vodu i promiješate, jasno je da se zrnca pijeska koja postoje u vodi, čija je hemijska formula SiO2, neće razlikovati na bilo koji nacin od drzave kada nisu bili u vodi. U takvim slučajevima se govori o heterogenosti. Drugim riječima, heterogeni sistem je mješavina nekoliko (dvije ili više) faza. Potonje se shvata kao neka konačna zapremina sistema, koju karakterišu određena svojstva. U gornjem primjeru imamo dvije faze: pijesak i vodu.
Međutim, veličina čestica dispergovane faze kada se rastvore u bilo kom mediju može postati toliko mala da prestanu da pokazuju svoja individualna svojstva. U ovom slučaju se govori ohomogene ili homogene supstance. Iako sadrže više komponenti, sve one čine jednu fazu kroz čitav volumen sistema. Primer homogenog sistema je rastvor NaCl u vodi. Kada se rastvori, usled interakcije sa polarnim molekulima H2O, kristal NaCl se raspada na odvojene katione (Na+) i anjone (Cl-). Oni su homogeno pomešani sa vodom i više nije moguće pronaći međupovezanost između rastvorene supstance i rastvarača u takvom sistemu.
Veličina čestica
Koji je stepen disperzije? Ovu vrijednost treba detaljnije razmotriti. Šta ona predstavlja? Ona je obrnuto proporcionalna veličini čestica dispergirane faze. Upravo ova karakteristika leži u osnovi klasifikacije svih supstanci koje se razmatraju.
Kada proučavaju disperzne sisteme, studenti se često zbune u njihovim imenima, jer vjeruju da je njihova klasifikacija također zasnovana na stanju agregacije. Ovo nije istina. Smjese različitih agregatnih stanja zaista imaju različite nazive, na primjer, emulzije su vodene tvari, a aerosoli već sugeriraju postojanje plinovite faze. Međutim, svojstva disperznih sistema zavise uglavnom od veličine čestica faze rastvorene u njima.
Općeprihvaćena klasifikacija
Klasifikacija disperznih sistema prema stepenu disperzije data je u nastavku:
- Ako je uslovna veličina čestice manja od 1 nm, tada se takvi sistemi nazivaju stvarnim ili istinitim rješenjima.
- Ako je uslovna veličina čestice između 1 nm i100 nm, tada će se supstanca u pitanju zvati koloidna otopina.
- Ako su čestice veće od 100 nm, onda govorimo o suspenzijama ili suspenzijama.
S obzirom na gornju klasifikaciju, razjasnimo dvije stvari: prvo, date brojke su indikativne, odnosno sistem u kojem je veličina čestica 3 nm nije nužno koloid, može biti i tačan rješenje. To se može utvrditi proučavanjem njegovih fizičkih svojstava. Drugo, možda ćete primijetiti da lista koristi izraz "uslovna veličina". To je zbog činjenice da oblik čestica u sistemu može biti potpuno proizvoljan, au opštem slučaju ima složenu geometriju. Stoga govore o nekoj njihovoj prosječnoj (uslovnoj) veličini.
Kasnije u članku ćemo dati kratak opis navedenih tipova disperznih sistema.
Prava rješenja
Kao što je gore pomenuto, stepen disperzije čestica u stvarnim rastvorima je toliko visok (njihova veličina je veoma mala, < 1 nm) da ne postoji interfejs između njih i rastvarača (medija), tj. je jednofazni homogeni sistem. Radi potpunosti informacija, podsjećamo da je veličina atoma reda veličine jednog angstroma (0,1 nm). Posljednji broj označava da su čestice u stvarnim otopinama atomske veličine.
Glavna svojstva pravih otopina koja ih razlikuju od koloida i suspenzija su sljedeća:
- Stanje rastvora postoji proizvoljno dugo nepromenjeno, odnosno ne stvara se talog dispergovane faze.
- Rastvorensupstanca se ne može odvojiti od rastvarača filtriranjem kroz običan papir.
- Supstanca se takođe ne odvaja kao rezultat procesa prolaska kroz poroznu membranu, što se u hemiji naziva dijalizom.
- Moguće je odvojiti otopljenu tvar od otapala samo promjenom stanja agregacije potonjeg, na primjer, isparavanjem.
- Za idealna rješenja može se provesti elektroliza, odnosno može se proći električna struja ako se na sistem primjenjuje razlika potencijala (dvije elektrode).
- Ne rasipaju svjetlost.
Primjer pravih rješenja je miješanje različitih soli s vodom, na primjer, NaCl (kuhinjska so), NaHCO3 (soda bikarbona), KNO 3(kalijev nitrat) i drugi.
Koloidne otopine
Ovo su posredni sistemi između stvarnih rješenja i suspenzija. Međutim, oni imaju niz jedinstvenih karakteristika. Nabrojimo ih:
- Oni su mehanički stabilni proizvoljno dugo ako se uslovi okoline ne promene. Dovoljno je zagrijati sistem ili promijeniti njegovu kiselost (pH vrijednost), jer koloid koagulira (taloži).
- Ne razdvajaju se filter papirom, međutim, proces dijalize dovodi do odvajanja dispergirane faze i medijuma.
- Kao i kod pravih rješenja, mogu se elektrolizirati.
- Za prozirne koloidne sisteme karakterističan je takozvani Tyndall efekat: prolazeći snop svjetlosti kroz ovaj sistem, možete ga vidjeti. To je povezano sarasipanje elektromagnetnih talasa u vidljivom delu spektra u svim pravcima.
- Sposobnost adsorpcije drugih supstanci.
Koloidni sistemi, zbog navedenih svojstava, ljudi se široko koriste u raznim oblastima delatnosti (prehrambena industrija, hemija), a često se nalaze i u prirodi. Primjer koloida je puter, majonez. U prirodi su to magle, oblaci.
Pre nego što pređemo na opis poslednje (treće) klase disperznih sistema, objasnimo detaljnije neka od imenovanih svojstava koloida.
Šta su koloidne otopine?
Za ovu vrstu disperznih sistema, klasifikacija se može dati, uzimajući u obzir različita agregatna stanja medija i faze rastvorene u njemu. Ispod je odgovarajuća tabela/
| srijeda/faza | Gas | Tečnost | Tvrdo tijelo |
| gas | svi gasovi su beskrajno rastvorljivi jedan u drugom, tako da uvek formiraju istinita rešenja | aerosol (magla, oblaci) | aerosol (dim) |
| tečnost | pjena (brijanje, šlag) | emulzija (mlijeko, majonez, sos) | sol (vodene boje) |
| čvrsto tijelo | pjena (plovac, gazirana čokolada) | gel (želatin, sir) | sol (rubinski kristal, granit) |
Tabela pokazuje da su koloidne supstance prisutne svuda, kako u svakodnevnom životu, tako iu prirodi. Imajte na umu da se slična tabela može dati i za suspenzije, imajući na umu da je razlika sakoloida u njima je samo u veličini dispergirane faze. Međutim, suspenzije su mehanički nestabilne i stoga su od manjeg praktičnog interesa od koloidnih sistema.
Razlog mehaničke stabilnosti koloida
Zašto majonez može dugo ležati u frižideru, a suspendovane čestice u njemu se ne talože? Zašto čestice boje rastvorene u vodi na kraju ne "padaju" na dno posude? Odgovor na ova pitanja bit će Brownovo kretanje.
Ovu vrstu kretanja otkrio je u prvoj polovini 19. stoljeća engleski botaničar Robert Brown, koji je pod mikroskopom promatrao kako se male čestice polena kreću u vodi. Sa fizičke tačke gledišta, Brownovo kretanje je manifestacija haotičnog kretanja tečnih molekula. Njegov intenzitet se povećava ako se temperatura tečnosti podigne. Upravo ova vrsta kretanja uzrokuje da male čestice koloidnih otopina budu u suspenziji.
Adsorpcijska svojstva
Disperznost je recipročna vrijednost prosječne veličine čestica. Budući da se ova veličina u koloidima nalazi u rasponu od 1 nm do 100 nm, oni imaju vrlo razvijenu površinu, odnosno odnos S/m je velika vrijednost, ovdje je S ukupna površina interfejsa između dvije faze (disperzioni medij i čestice), m - ukupna masa čestica u rastvoru.
Atomi koji se nalaze na površini čestica dispergirane faze imaju nezasićene hemijske veze. To znači da mogu formirati spojeve s drugimmolekule. U pravilu, ova jedinjenja nastaju zbog van der Waalsovih sila ili vodoničnih veza. Oni su u stanju da drže nekoliko slojeva molekula na površini koloidnih čestica.
Klasičan primjer adsorbenta je aktivni ugljen. To je koloid, gdje je disperzioni medij čvrsta, a faza gas. Specifična površina za njega može doseći 2500 m2/g.
Stepen finoće i specifična površina
Izračunavanje S/m nije lak zadatak. Činjenica je da čestice u koloidnoj otopini imaju različite veličine, oblike, a površina svake čestice ima jedinstven reljef. Stoga teorijske metode rješavanja ovog problema dovode do kvalitativnih, a ne kvantitativnih rezultata. Ipak, korisno je dati formulu za specifičnu površinu iz stepena disperzije.
Ako pretpostavimo da sve čestice sistema imaju sferni oblik i istu veličinu, onda se kao rezultat jednostavnih proračuna dobija sljedeći izraz: Sud=6/(dρ), gdje je Sud - površina (specifična), d - prečnik čestice, ρ - gustina supstance od koje se sastoji. Iz formule se vidi da će najmanje i najteže čestice najviše doprinijeti količini koja se razmatra.
Eksperimentalni način određivanja Sud je izračunavanje zapremine gasa koji je adsorbovan od strane supstance koja se proučava, kao i merenje veličine pora (disperzne faze) u njemu.
Sušenje zamrzavanjem iliofobičan
Liofilnost i liofobnost - to su karakteristike koje, u stvari, određuju postojanje klasifikacije disperznih sistema u formi u kojoj je ona gore data. Oba koncepta karakteriziraju vezu sile između molekula rastvarača i otopljene tvari. Ako je ovaj odnos veliki, onda govore o liofilnosti. Dakle, svi pravi rastvori soli u vodi su liofilni, jer su njihove čestice (joni) električno povezane sa polarnim molekulima H2O. Ako uzmemo u obzir takve sisteme kao što su puter ili majonez, onda su to predstavnici tipičnih hidrofobnih koloida, jer molekuli masti (lipida) u njima odbijaju polarne molekule H2O.
Važno je napomenuti da su liofobni (hidrofobni ako je rastvarač voda) sistemi termodinamički nestabilni, što ih razlikuje od liofilnih.
Svojstva suspenzija
Sada razmotrite posljednju klasu disperznih sistema - suspenzije. Podsjetimo da ih karakterizira činjenica da je najmanja čestica u njima veća od ili reda veličine 100 nm. Koja svojstva imaju? Odgovarajuća lista je data ispod:
- Oni su mehanički nestabilni, tako da formiraju sediment u kratkom vremenskom periodu.
- One su oblačne i neprozirne za sunčevu svjetlost.
- Faza se može odvojiti od medija sa filter papirom.
Primjeri suspenzija u prirodi uključuju mutnu vodu u rijekama ili vulkanski pepeo. Ljudska upotreba suspenzija povezana je kaoobično uz lijekove (rastvore lijekova).
Koagulacija
Šta se može reći o mješavinama supstanci s različitim stupnjevima disperzije? Djelomično, ovo pitanje je već obrađeno u članku, jer u bilo kojem disperznom sistemu čestice imaju veličinu koja leži u određenim granicama. Ovdje razmatramo samo jedan zanimljiv slučaj. Šta se događa ako pomiješate koloid i pravi rastvor elektrolita? Ponderirani sistem će biti slomljen i doći će do njegove koagulacije. Njegov razlog leži u uticaju električnih polja jona pravih rastvora na površinski naboj koloidnih čestica.
