Дисперсионная среда плазмы крови. Классификация дисперсных систем. Примеры дисперсных систем

Системы, в которых одно вещество, находящееся в диспергированном (измельченном или раздробленном) состоянии, равномерно распределяется в объеме второго вещества, называются дисперсными. (Понятие «дисперсный» происходит от латинскогоdispersus– рассыпанный, рассеянный).

Дисперсные системы, как правило, являются гетерогенными и состоят из двух и более фаз. Сплошную непрерывную фазу в них называют иначе дисперсионной средой , а находящиеся в этой среде дискретные или прерывные частички другого вещества –дисперсной фазой .

Мерой раздробленности дисперсных систем служит либо поперечный размер частиц дисперсной фазы а , либо обратная ему величина –степень дисперсности D , имеющая размерность 1/м или м –1:

Степень дисперсности есть величина, показывающая, какое число частиц можно вплотную уложить на отрезке длиной в 1 м.

Понятие поперечный размер имеет четко выраженный смысл для сферических частиц (а равно диаметруdэтих частиц) и для частиц, имеющих форму куба (а равно длине ребраl куба). Для частиц другой формы (нитевидных, пластинчатых и т.д.) величинаа зависит от направления, в котором производят измерения. В таких случаях очень часто иную форму частиц приравнивают к сферической с определенной величинойd, считая, что эти условные частицы ведут себя в системах точно так же, как и реальные.

Иногда применяется и другая характеристика степени дисперсности – так называемая удельная поверхность S уд. ,которая соответствует общей поверхности (м 2 ) всех частиц дисперсной фазы, имеющих суммарную массу 1 кг или суммарный объем 1 м 3 . В первом случае S уд. имеет размерность м 2 /кг, во втором – 1/м или м –1 .

Таким образом, удельную поверхность можно определить так:

или

где S – суммарная площадь (м 2 ) поверхности частиц дисперсной фазы;

m – общая масса (кг) этих частиц;

V – общий объем (м 3 ) этих частиц.

Существует прямо пропорциональная зависимость между S уд. иD:

где k – коэффициент пропорциональности.

В дисперсных системах частицы дисперсной фазы редко бывают одинакового размера. Их можно получить такими только искусственно, пользуясь специальными приемами. В этом случае образовавшиеся системы называются монодисперсными . Реальные системы чаще всего являютсяполидисперсными и размеры частиц дисперсной фазы в них лежат в определенном интервале.

Все дисперсные системы по величине частиц дисперсной фазы можно условно разделить на 3 группы (табл. 14).

Таблица 14. Классификация дисперсных систем по размерам частиц дисперсной фазы

Границу между этими типами систем нельзя установить точно. Для отдельных систем она может быть сдвинута в ту или иную сторону в зависимости от химической природы вещества дисперсной фазы и дисперсионной среды, и физико-химических свойств самой системы.

Отличительной особенностью истинных растворов является то, что частицы дисперсной фазы в них представляют собой отдельные молекулы или ионы. Вследствие этого в данных системах отсутствует межфазная поверхность и поэтому, в отличие от других дисперсных систем, они являются гомогенными.

В коллоидно-дисперсных системах (или золях) частицы дисперсной фазы образованы несколькими десятками либо сотнями молекул, ионов или атомов, соединенных друг с другом различными связями.

Поперечные размеры таких частиц колеблются от 1 нм до 300-400 нм (1 · 10 –9 ÷ 4 · 10 –7 м). Из-за своих малых размеров они не могут быть визуально обнаружены с помощью светового микроскопа. Характерной особенностью коллоидных систем является их значительная удельная поверхность (табл. 15), вследствие чего их часто называют ультрамикрогетерогенными.

Таблица 15. Изменение площади поверхности при дроблении 1 см 3 вещества

Это приводит к тому, что большая часть всех молекул или атомов вещества дисперсной фазы находится на поверхности его частичек, т.е. на границе раздела фаз. Вследствие этого коллоидные системы приобретают особые свойства, которые резко отличают их от других типов дисперсных систем.

Физико-химические свойства коллоидных систем, процессы, протекающие на поверхности их частиц, изучаются в разделе физической химии, выделившимся в самостоятельную область науки – коллоидную химию .

Название «коллоидная химия » произошло от греческого словаkola – клей иeidos – вид. Его предложил английский ученый Томас Грэм, изучавший во второй половинеXIXвека диффузию из растворов различных веществ через растительные и животные мембраны.

Томас Грэм (1805 – 1869), шотландский химик. Работы Грэма посвящены диффузии в газах и жидкостях, коллоидной химии, химии многоосновных кислот. Грэму принадлежит идея разделения всех веществ на кристаллоиды и коллоиды. Первые образуют стойкие растворы и кристаллизуются, вторые дают нестойкие растворы и легко коагулируют, образуя студенистый осадок. Эти работы заложили основы коллоидной химии. Продолжая исследования газов, Грэм в конце 1860-х годов открыл явление окклюзии – поглощения газов микроскопическими полостями в металлах.

При этом вещества, которые быстро диффундируют в растворе и хорошо проходят через мембрану, были названы им кристаллоидами , т.к. при высаждении они образуют плотные осадки, имеющие кристаллическую структуру.

Вещества, обладающие малой способностью к диффузии в растворе и не проходящие через диализационные мембраны, получили название коллоиды , т.е. клееподобные. Возникновение данного названия связано с тем, что первыми объектами такого типа, исследованными ученым Т. Грэмом, являлись растворы различных высокомолекулярных соединений: полисахаридов, белков, которые при высаждении, как правило, образуют клейкие осадки, имеющие аморфную структуру.

Дальнейшие работы в этой области других ученых: И.Г. Борщова, П.П. Веймарна, Д.И. Менделеева – показали, что одно и то же вещество в зависимости от вида дисперсионной среды может проявлять в растворах как свойства коллоидов, так и свойства кристаллоидов. Так, например, мыло, растворенное в Н 2 О, обладает свойствами коллоида, а раствор мыла в спирте – кристаллоида; поваренная соль, растворенная в Н 2 О, образует истинный раствор, а в бензоле – коллоидный.

Таким образом, нет оснований подразделять химические соединения на два обособленных класса, а можно говорить лишь о кристаллоидном и коллоидном состоянии вещества в растворе.

В кристаллоидном состоянии вещество присутствует в растворах в виде отдельных молекул или ионов, а в коллоидном – в виде раздробленных (диспергированных) мелких частичек, состоящих из определенного числа молекул, ионов либо атомов, равномерно распределенных по всему объему системы.

Растворы высокомолекулярных соединений, несмотря на то, что в большинстве случаев являются истинными, также относятся к предмету исследования коллоидной химии, т.к. во многом схожи по свойствам с коллоидными системами.

Коллоидная химия изучает также дисперсные системы и с более крупными частицами дисперсной фазы по сравнению с золями. Поперечные размеры их лежат, как правило, в интервале 10 –7 м ÷ 10 –5 м. В большинстве случаев такие частицы видны в оптический микроскоп, их удельная поверхность в сотни раз меньше, чем в золях (табл. 15). Данные системы называются микрогетерогенными или грубодисперсными.

Дисперсные системы широко распространены в природе и играют важную практическую роль, чем определяется не только научное, но и народнохозяйственное значение коллоидной химии.

Многие драгоценные камни, различные минералы в недрах Земли, пищевые продукты, дым, облака, пыль, мутная вода в природных водоемах, почва, глина, нефть и т.д. являются коллоидными или грубодисперсными системами.

Большую роль играют коллоидные системы в биохимии и медицине. Важнейшие биологические жидкости: кровь, плазма, лимфа, цитоплазма клеток, спинномозговая жидкость, – представляют собой дисперсные системы, в которых ряд веществ (белки, холестерин и многие другие (табл. 16)) находятся в коллоидном состоянии. С химической точки зрения, человеческий организм в целом есть сложнейшая совокупность дисперсных систем самого разного типа. В связи с этим различные стороны явлений, происходящих в живом организме, их причинно-следственные связи, возможность влияния на них и корректировки извне могут быть поняты лишь по мере познания природы коллоидного состояния вещества.

Таблица 16. Размеры некоторых дисперсных частиц

Многие физические и химические свойства вещества, находящегося в виде дисперсных частиц, значительно отличаются от аналогичных свойств его более крупных образований. Эти различия называют размерными или масштабными эффектами. Они выражены тем сильнее, чем меньше размер дисперсных частиц, и поэтому особенно характерны для частиц нанометрового диапазона (1 · 10 –9 м ÷ 9 · 10 –9 м), так называемых наночастиц .

Особые качества наночастиц (в том числе, наличие у них и квантовых свойств) открывают принципиально новые практические приложения химии, физики, биологии и медицины. В последнее время изучение методов получения, структуры, физических и химических свойств дисперсных частиц и дисперсных систем (разработка так называемых нанотехнологий) относится к актуальным задачам не только коллоидной химии, но и ряда других научных дисциплин.

Задание : внимательно прочитайте текст § 11 и заполните таблицу, используя следующий шаблон

п/п	Дисперсные системы
	Термин и его определение	Области применения	Примеры
	Эмульсия - это дисперсная система с жидкой дисперсионной средой и жидкой дисперсной фазой.	Медицина, практическая деятельность человека (смазочно-охлаждающие жидкости, пестицидные препараты, лекарственные и косметические средства, пищевые продукты)	Капельки жира в лимфе, нефть, молоко, все виды растительных масел (оливковое, соевое, хлопковое).
	Суспензия - это грубодисперсная система с твердой дисперсионной фазой и жидкой дисперсионной средой.	Строительство, медицина, бытовая и хоз. промышленность	Штрих, лаки, эмалевые краски, известковое молоко для побелки, жидкие мази, пасты: зубные, косметические, гигиенические.
	Аэрозоль - это грубодисперсная система, в которой дисперсионной средой является газ, а дисперсионной фазой капли жидкости (облако, дым) или частицы твердого вещества (пылевое облако, смерч).	Косметика, бытовая и хоз. промышленность	Лак для волос, дезодорант, антиперсперант, духи, лекарственные препараты (распылители).
	Золь(коллоид) - это коллоидная система (коллоидный раствор) с жидкой (лиозоль) или газообразной аэрозоль) дисперсионной средой в объеме которой распределена другая (дисперсная) фаза в виде капелек жидкости, пузырьков газа или мелких твердых частиц.	Пищевая промышленность, био жидкости	Плазма крови, лимфа, тканевая жидкость, пищеварительные соки, гуморальная жидкость, яичный белок, клей.
	Гель (студень) - это коллоидная система, в которой частицы дисперсной фазы образуют пространственную структуру.	Классификация гелей: Пищевые (сыр, хлеб, мармелад, желе, холодец) Медицинские (мази, паты) Косметические (гели для душа, гели после бритья, кремы, пасты) Минеральные (опал, жемчуг) Биологические (хрящи, сухожилия, волосы, ткани)

Приложение 1

Самостоятельная работа по теме: Дисперсные системы

1. Дисперсная система это:

а) гомогенная система б) гетерогенная система в) верно а и б

2. Туману соответствует дисперсная система: а) ж/г б) ж/ж в) г/ж

3. Нефти соответствует дисперсная система: а) ж/г б) ж/ж в) г/ж

4. Зубной пасте соответствует дисперсная система: а) т/г б) т/т в) т/ж

5. Сплавам соответствует дисперсная система: а) ж/г б) т/т в) г/ж

6. Из перечня выберите лишнее слово и подчеркните его: гель, суспензия, золь

7. Из перечня выберите лишнее слово и подчеркните его: золь, суспензия, аэрозоль

8. Что объединяет данные слова: мармелад, зефир, холодец

9. Что объединяет данные слова: молоко, нефть, подсолнечное масло в воде.

Ответ запишите в виде одного слова__________________________

10. Что объединяет данные слова: лак для волос, дезодорант, пылевое облако.

Ответ запишите в виде одного слова__________________________

В окружающем нас мире чистые вещества встречаются крайне редко, в основном большинство веществ на земле и в атмосфере – это разнообразные смеси, содержащие более двух компонентов. Частицы размером примерно от 1 нм (несколько молекулярных размеров) до 10 мкм называются дисперсными (лат. dispergo – рассеивать, распылять). Разнообразные системы (неорганические, органические, полимерные, белковые), в которых хотя бы одно из веществ находится в виде таких частиц, называются дисперсными. Дисперсные - это гетерогенные системы, состоящие из двух или более фаз с сильно развитой поверхностью раздела между ними или смесь, состоящая как минимум из двух веществ, которые совершенно или практически не смешиваются друг с другом и не реагируют друг с другом химически. Одна из фаз – дисперсная фаза – состоит из очень мелких частиц, распределенных в другой фазе – дисперсионной среде.

Дисперсная система

По агрегатному состоянию дисперсные частицы могут быть твердыми, жидкими, газообразными, во многих случаях имеют сложное строение. Дисперсионные среды также бывают газообразными, жидкими и твердыми. В виде дисперсных систем существует большинство реальных тел окружающего нас мира: морская вода, грунты и почвы, ткани живых организмов, многие технические материалы, пищевые продукты и др.

Классификация дисперсных систем

Несмотря на многочисленные попытки предложить единую классификацию этих систем, она до сих пор отсутствует. Причина заключена в том, что в любой классификации принимаются в качестве критерия не все свойства дисперсных систем, а только какое-нибудь одно из них. Рассмотрим наиболее распространенные классификации коллоидных и микрогетерогенных систем.

В любой области знаний, когда приходится сталкиваться со сложными объектами и явлениями, для облегчения и установления определенных закономерностей целесообразно классифицировать их по тем или иным признакам. Это относится и к области дисперсных систем; в разное время для них были предложены различные принципы классификации. По интенсивности взаимодействия веществ дисперсионной среды и дисперсной фазы различают лиофильные и лиофобные коллоиды. Ниже кратко изложены другие приемы классификации дисперсных систем.

Классификация по наличию или отсутствию взаимодействия между частицами дисперсной фазы. Согласно этой классификации дисперсные системы делят на свободнодисперсные и связнодисперсные; классификация применима к коллоидным растворам и к растворам высокомолекулярных соединений.

К свободнодисперсным системам относят типичные коллоидные растворы, суспензии, взвеси, разнообразные растворы высокомолекулярных соединений, которые обладают текучестью, как обычные жидкости и растворы.

К связнодисперсным относят так называемые структурированные системы, в которых в результате взаимодействия между частицами возникает пространственная ажурная сетка-каркас, и система в целом приобретает свойство полутвердого тела. Например, золи некоторых веществ и растворы высокомолекулярных соединений при понижении температуры или с ростом концентрации выше известного предела, не претерпевая внешне каких-либо изменений, утрачивают текучесть - желатинируют (застудневают), переходят в состояние геля (студня). Сюда же можно отнести концентрированные пасты, аморфные осадки.

Классификация по дисперсности. Физические свойства вещества не зависят от размеров тела, но при высокой степени измельчения становятся функцией дисперсности. Например, золи металлов обладают различной окраской в зависимости от степени измельчения. Так, коллоидные растворы золота предельно высокой дисперсности имеют пурпурный цвет, менее дисперсные - синий, еще менее -зеленый. Есть основания полагать, что и другие свойства золей одного и того же вещества меняются по мере измельчения: Напрашивается естественный критерий классификации коллоидных систем по дисперсности, т. е. разделение области коллоидного состояния (10 -5 -10 -7 см ) на ряд более узких интервалов. Такая классификация была в свое время предложена, но она оказалась бесполезной, так как коллоидные системы практически всегда полидисперсны; монодисперсные встречаются очень редко. К тому же степень дисперсности может меняться во времени, т. е. зависит от возраста системы.

Дисперсные системы. Определение. Классификация.

Растворы

В предыдущем параграфе мы говорили о растворах . Здесь коротко напомним об этом понятии.

Растворами называют однородные (гомогенные) системы, состоящие из двух и более компонентов.

Гомогенная система – это однородная система, химический состав и физические свойства которой во всех частях одинаковы или меняются непрерывно, без скачков (между частями системы нет поверхностей раздела).

Такое определение раствора не вполне корректно. Оно скорее относится к истинным растворам .

В тоже время существуют ещё коллоидные растворы , которые являются не гомогенными, а гетерогенными , т.е. состоят из разных фаз, разделённых поверхностью раздела.

Для того чтобы достичь большей чёткости в определениях используют другой термин – дисперсные системы .

Перед рассмотрением дисперсных систем немного расскажем об истории их изучения и о появления такого термина как коллоидные растворы .

История вопроса

Ещё в 1845 г. химик Франческо Сельми, исследуя свойства различных растворов, заметил, что биологические жидкости – сыворотка и плазма крови, лимфа и другие – резко отличаются по своим свойствам от обычных истинных растворов, и поэтому такие жидкости были им названы псевдорастворами.

Коллоиды и кристаллоиды

Дальнейшие исследования в этом направлении, проводившиеся с 1861 г. английским учёным Томасом Грэмом, показали, что одни вещества, быстро диффундирующие и проходящие через растительные и животные мембраны, легко кристаллизуются, другие же обладают малой способностью к диффузии, не проходят через мембраны и не кристаллизуются, а образуют аморфные осадки.

Первые Грэм назвал кристаллоидами , а вторые – коллоидами (от греческого слова kolla – клей и eidos – вид) или клееподобными веществами.

В частности, было выявлено, что вещества, способные к образованию аморфных осадков, как, например, альбумин, желатин, гуммиарабик, гидроокиси железа и алюминия и некоторые другие вещества, диффундируют в воде медленно по сравнению со скоростью диффузии таких кристаллических веществ, как поваренная соль, сернокислый магний, тростниковый сахар и др.

В таблице ниже приведены коэффициенты диффузии D для некоторых кристаллоидов и коллоидов при 18С.

Из таблицы видно, что между молекулярным весом и коэффициентом диффузии существует обратная зависимость.

Кромме того у кристаллоидов была обнаружена способность не только быстро диффундировать, но и диализироваться , т.е. проходить через мембранны, в противоположность коллоидам, имеющим больший размер молекул и поэтому медленно диффундирующим и не проникающим через мембраны.

В качестве мембран используют стенки бычьего пузыря, целлофан, плёнки из железисто-синеродистой меди и т.д.

На основании сделанных наблюдений Грэм установил, что все вещества могут быть подразделены на кристаллоиды и коллоиды .

Русские не согласны

Против такого строго разделения химических веществ возражал профессор Киевского университета И.Г. Борщёв (1869). Мнение Борщёва позднее было подтвеждено исследованиями другого русского учёного Веймарна , который доказал, что одно и то же вещество в зависимости от условий может проявлять свойства коллоидов или кристаллоидов.

Так, например, раствор мыла в воде обладает свойствами коллоида , а мыло, растворённое в спирте, проявляет свойства истинных растворов .

Точно также кристаллические соли, например, поваренная соль, растворённая в воде, даёт истинный раствор , а в бензоле – коллоидный раствор и т.п.

Гемоглобин же или яичный альбумин, обладающие свойствами коллоидов, могут быть получены в кристаллическом состоянии.

Д.И. Менделеев полагал, что любое вещество, в зависимости от условий и природы среды, может проявлять свойства коллоида . В настоящее время любое вещество можно получить в коллоидном состоянии.

Таким образом, нет оснований подразделять вещества на два обособленных класса – на кристаллоиды и коллоиды, а можно говорить о коллоидном и кристаллоидном состоянии вещества.

Под коллоидным состоянием вещества подразумевается определённая степень его раздробленности или дисперсности и нахождении коллоидных частиц во взвешенном состоянии в растворителе.

Наука, изучающая физико-химические свойства гетерогенных высокодисперсных и высокомолекулярных систем называется коллоидной химией .

Дисперсные системы

Если одно вещество, находящееся в раздробленном (диспергированном) состоянии, равномерно распределено в массе другого вещества, то такую систему называют дисперсной.

В таких системах раздробленное вещество принято называть дисперсной фазой , а среду, в которой она распределена, - дисперсионной средой .

Так, например, система, представляющая собой взмученную глину в воде, состоит из взвешенных мелких частиц глины – дисперсной фазы и воды – дисперсионной среды.

Дисперсные (раздробленные) системы являются гетерогенными .

Дисперсные системы, в отличие от гетерогенных с относительно крупными, сплошными фазами, называют микрогетерогенными , а коллоиднодисперсные системы называют ультрамикрогетерогенными .

Классификация дисперсных систем

Классификацию дисперсных систем чаще всего производят исходя из степени дисперсности или агрегатного состояния дисперсной фазы и дисперсионной среды.

Классификация по степени дисперсности

Все дисперсные системы по величине частиц дисперсной фазы можно разделить на следующие группы:

Для справки прводим единицы размеров в системе СИ:
1 м (метр) = 102 см (сантиметра) = 103 мм (миллиметра) = 106 мкм (микрометра) = 109 нм (нанометра).

Иногда применяют другие единицы – мк (микрон) или ммк (миллимикрон), причём:
1 нм = 10 -9 м =10 -7 см = 1 ммк;
1 мкм = 10 -6 м = 10 -4 см = 1 мк.

Грубодисперсные системы.

Эти системы содержат в качестве дисперсной фазы наиболее крупные частицы диаметром от 0,1 мк и выше . К этим системам относятся суспензии и эмульсии .

Суспензиями называют системы, в которых твёрдое вещество находится в жидкой дисперсионной среде, например, взвесь крахмала, глины и др. в воде.

Эмульсиями называют дисперсионные системы двух несмешивающихся жидкостей, где капельки одной жидкости во взвешенном состоянии распределены в объёме другой жидкости. Например, масло, бензол, толуол в воде или капельки жира (диаметром от 0,1 до 22 мк) в молоке и др.

Коллоидные системы.

Они имеют размеры частиц дисперсной фазы от 0,1 мк до 1 ммк (или от 10 -5 до 10 -7 см). Такие частицы могут проходить через поры фильтровальной бумаги, но не проникают через поры животных и растительных мембран.

Коллоидные частицы при наличии у них электрического заряда и сольватно-ионных оболочек остаются во взвешенном состоянии и без изменения условий очень долго могут не выпадать в осадок.

Примерами коллоидных систем могут служить растворы альбумина, желатина, гуммиарабика, коллоидные растворы золота, серебра, сернистого мышьяка и др.

Молекулярно-дисперсные системы.

Такие системы имеют размеры частиц, не превышающие 1ммк. К молекулярно-дисперсным системам относятся истинные растворы неэлектролитов.

Ионно-дисперсные системы.

Это растворы различных электролитов, как, например, солей, оснований и т.д., распадающихся на соответствующие ионы, размеры которых весьма малы и выходят далеко за пределы
10 -8 см .

Уточнение по повду представления истинных растворов как дисперсных системах.

Из приведённой здесь классификации видно, что любой раствор (как истинный, так и коллоидный) можно представить как дисперсную среду. Истинные и коллоидные растворы будут различаться размерами частиц дисперсных фаз. Но выше мы писали о гомогенности истинных растворов, а дисперсионные системы гетерогенны. Как разрешить это противоречие?

Если говорить о структуре истинных растворов, то их гомогенность будет относительной. Структурные единицы истинных растворов (молекулы или ионы) значительно меньше частиц коллоидных растворов. Поэтому, можно сказать, что по сравнению с коллоидными растворами и взвесями, истинные растворы гомогенны.

Если же говорить о свойствах истинных растворов, то их нельзя в полной мере называть дисперсными системами, поскольку обязательным существованием дисперсных систем является взаимная нерастворимость диспергированного вещества и дисперсионной среды.

В коллоидных растворах и грубых взвесях дисперсная фаза и дисперсионная среда практически не смешиваются и не реагируют друг с другом химически. Этого совсем нельзя сказать об истинных растворах. В них при растворении вещества смешиваются и даже взаимодействуют друг с другом. По этой причине коллоидные растворы резко отличаются по свойствам от истинных растворов.

Размеры некоторых молекул, частиц, клеток.

По мере изменения размеров частиц от наиболее крупных к мелким и обратно будут соответственно меняться и свойства дисперсных систем. При этом коллоидные системы занимают как бы промежуточное положение между грубыми взвесями и молекулярно-дисперсными системами.

Классификация по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды.

Пены – это дисперсия газа в жидкости, причём в пенах жидкость вырождается до тонких плёнок, разделяющих отдельные пузырьки газа.

Эмульсиями называют дисперсные системы, в которых одна жидкость раздроблена другой, нерастворяющей её жидкостью (например вода в жире).

Суспензиями называют низкодисперсные системы твёрдых частиц в жидкостях.

Сочетания трех видов агрегатного состояния позволяют выделить девять видов дисперсных систем:

Дисперсная фаза	Дисперсионная среда	Название и пример
Газообразная	Газообразная	Дисперсная система не образуется
Газообразная		Газовые эмульсии и пены
Газообразная		Пористые тела: поролон пемза
	Газообразная	Аэрозоли: туманы, облака
		Эмульсии: нефть, крем, молоко, маргарин, масло
		Капилярные системы: Жидкость в пористых телах, грунт, почва
	Газообразная	Аэрозоли (пыли, дымы), поршки
		Суспензии: пульпа, ил, взвесь, паста
		Твёрдые системы: сплавы, бетон

Золи – другое название коллоидных растворов.

Коллоидные растворы иначе называют золями (от латинского solutus – растворённый).

Дисперсные системы с газообразной дисперсионной средой называют аэрозолями . Туманы представляют собой аэрозоли с жидкой дисперсной фазой, а пыль и дым – аэрозоли с твёрдой дисперсной фазой. Дым более высокодисперсная система, чем пыль.

Дисперсные системы с жидкой дисперсионной средой называют лизолями (от греческого «лиос» – жидкость).

В зависимости от растворителя (дисперсионной среды), т.е. воды, спирта бензола или эфира и т.д., различают гидрозоли, алкозоли, бензоли, этерозоли и т.д.

Связнодисперсные системы. Гели.

Дисперсные системы могут быть свободнодисперсными и связнодисперсными в зависимости от отсутствия или наличия взаимодействия между частицами дисперсной фазы.

К свободнодисперсным системам относятся аэрозоли, лизоли, разбавленные суспензии и эмульсии. Они текучи. В этих системах частицы дисперсной фазы не имеют контактов, участвуют в беспорядочном тепловом движении, свободно перемещаются под действием силы тяжести.

На рисунках выше изображены свободно-дисперсные системы :
На рисунках а, б, в изображены корпускулярно-дисперсные системы :
а,б - монодисперсные системы,
в - полидисперсная система,
На рисунке г изображена волокнисто-дисперсная система
На рисунке д изображена плёночно-дисперсная система

– твердообразны. Они возникают при контакте частиц дисперсной фазы, приводящем к образованию структуры в виде каркаса или сетки.

Такая структура ограничивает текучесть дисперсной системы и придаёт ей способность сохранять форму. Подобные структурированные коллоидные системы называются гелями .

Переход золя в гель, происходящий в результате понижения устойчивости золя, называют гелеобразованием (или желатинированием).

На рисунках а, б, в изображены связнодисперсные системы :
а - гель,
б - коагулят с плотной структурой,
в - коагулят с рыхлой - "арочной" структурой
На рисунках г, д изображены капилярнодисперсные системы

Порошки (пасты), пены – примеры связнодисперсных систем.

Почва , образовавшаяся в результате контакта и уплотнения дисперсных частиц почвенных минералов и гумусовых (органических) веществ, также представляет собой связнодисперсную систему.

Сплошную массу вещества могут пронизывать поры и капиляры, образующие капилярнодисперсные системы. К ним относятся, например, древесина, кожа, бумага, картон, ткани .

Лиофильность и лиофобность

Общей характеристикой коллоидных растворов является свойство их дисперсной фазы взаимодействовать с дисперсионной средой. В этом отношении различают два типа золей:

1. Лиофобные (от греческого phobia – ненависть ) и

2. Лиофильные (от греческого philia – любовь ).

У лиофобных золей частицы не имеют сродства к растворителю, слабо с ним взаимодействуют и образуют вокруг себя тонкую оболочку из молекул растворителя.

В частности, если дисперсионной средой является вода, то такие системы называются гидрофобными , например, золи металлов железа, золота, сернистого мышьяка, хлористого серебра и т.д.

В лиофильных системах между диспергированным веществом и растворителем имеется сродство. Частицы дисперсной фазы, в этом случае, приобретают более объёмную оболочку из молекул растворителя.

В случае водной дисперсионной среды такие системы называются гидрофильными , как, например, растворы белка, крахмала, агар-агара, гуммиарабика и др.

Коагуляция коллоидов. Стабилизаторы.

Вещество на границе раздела фаз.

Все жидкости и твёрдые тела ограничены внешней поверхностью, на которой они соприкасаются с фазами другого состава и структуры, например, с паром, другой жидкостью или твёрдым телом.

Свойства вещества в этой межфазовой поверхности , толщиной в несколько поперечников атомов или молекул, отличаются от свойств внутри объёма фазы.

Внутри объёма чистого вещества в твёрдом, жидком или газообразном состоянии любая молекула окружена себе подобными молекулами.

В пограничном слое молекулы находятся во взаимодействии или с другим числом молекул (другим в сравнении с взаимодействием внутри объёма вещества).

Это происходит, например, на границе жидкости или твёрдого тела с их паром. Либо в пограничном слое молекулы вещества взаимодействуют с молекулами другой химической природы, например, на границе двух взаимно малорастворимых жидкостей.

В результате различия в характере взаимодействия внутри объёма фаз и на границе фаз возникают силовые поля , связанные с этой неравномерностью. (Подробнее об этом в параграфе Поверхностное натяжение жидкости.)

Чем больше различие в напряжённости межмолекулярных сил, действующих в каждой из фаз, тем больше потенциальная энергия межфазовой поверхности, кратко называемой поверхностной энергией .

Поверхностное натяжение
Для оценки поверхностной энергии пользуются такой величиной, как удельная свободная поверхностная энергия. Она равна работе затрачиваемой на образование единицы площади новой поверхности раздела фаз (при условии постоянной температуры).
В случае границы двух конденсированных фаз эту величину называют пограничным натяжением .
Когда говорят о границе жидкости с её парами, то эту величину называют поверхностным натяжением .

Коагуляция коллоидов

Все самопроизвольные процессы происходят в направлении уменьшения энергии системы (изобарного потенциала).

Аналогично, на границе раздела фаз самопроизвольно происходят процессы в направлении уменьшения свободной поверхностной энергии.

Свободная энергия тем меньше, чем меньше поверхность раздела фаз.

А поверхность раздела фаз, в свою очередь, связана со степенью дисперсности растворённого вещества. Чем выше дисперсность (мельче частицы дисперсной фазы), тем больше поверхность раздела фаз.

Таким образом, в дисперсных системах всегда существуют силы, приводящие к уменьшению суммарной поверхности раздела фаз , т.е. к укрупнению частиц. Поэтому происходит слияние мелких капель в туманах, дождевых облаках и эмульсиях – агрегация высокодисперсных частиц в более крупные образования.

Всё это приводит к разрушению дисперсных систем: туманы и дождевые облака проливаются дождём, эмульсии расслаиваются, коллоидные растворы коагулируют, т.е. разделяются на осадок дисперсной фазы (коагулят) и дисперсионную среду или в случае вытянутых частиц дисперсной фазы, превращаются в гель.

Способность раздробленных систем сохранять присущую им степень дисперсности называется агрегативной устойчивостью .

Стабилизаторы дисперсных систем

Как было сказано ранее, дисперсные системы принципиально термодинамически неустойчивы . Чем выше дисперсность, тем больше свободная поверхностная энергия, тем больше склонность к самопроизвольному уменьшению дисперсности.

Поэтому для получения устойчивых, т.е. длительно сохраняющихся суспензий, эмульсий, коллоидных растворов, необходимо не только достигнуть заданной дисперсности, но и создать условия для её стабилизации.

Ввиду этого устойчивые дисперсные системы состоят не менее чем из трёх компонентов: дисперсной фазы, дисперсионной среды и третьего компонента – стабилизатора дисперсной системы .

Стабилизатор может иметь как ионную, так и молекулярную, часто высокомолекулярную, природу.

Ионная стабилизация золей лиофобных коллоидов связана с присутствием малых концентраций электролитов, создающих ионные пограничные слои между дисперсной фазой и дисперсионной средой.

Высокомолекулярные соединения (белки, полипептиды, поливиниловый спирт и другие), добавляемые для стабилизации дисперсных систем, называют защитными коллоидами.

Адсорбируясь на границе раздела фаз, они образуют в поверхностном слое сетчатые и гелеобразные структуры, создающие структурно-механический барьер, который препятствует объединению частиц дисперсной фазы.

Структурно-механическая стабилизация имеет решающее значение для стабилизации взвесей, паст, пен, концентрированных эмульсий.

Дисперсными называют системы, состоящие из множества малых частиц, распре­деленных в жидкой, твердой или газообразной среде.

Понятие «дисперсный» происходит от лат. dispersus - раздробленный, рассеянный.

Для всех дисперсных систем характерны два основных признака: высокая раздробленность (дисперсность) и гетерогенность.

Гетерогенность дисперсных систем проявляется в том, что эти системы состоят из двух (или более) фаз: дисперсной фазы и диспер­сионной среды. Дисперсная фаза - это раздробленная фаза. Она состоит из частиц нерастворимого тонкоизмельченного вещества, распределенных по всему объему дисперсионной среды.

Высокая дисперсность придает веществам новые качественные признаки: повышенную реакционную способность и растворимость, интенсив­ность окраски, светорассеяние и т. п. Большая поверхность раздела создает в этих системах боль­шой запас поверхностной энергии, которая делает их термодинамически неустойчивыми, чрезвычайно реакционноспособными. В них легко протекают самопроиз­вольные процессы, приводящие к снижению запаса поверхностной энергии: адсорбция, коагуляция (слипание дисперсных частиц), образование макроструктур и т. п. Таким образом, самые важные и неотъемлемые черты всякой дисперсной системы - гегетрогенность и высокая дисперсность - полностью определяют свойства и поведе­ние этих систем.

Классификацию дисперсных систем проводят на основе различных признаков, а именно: по размеру частиц, по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды, по характеру взаимо­действия частиц дисперсной фазы между собой и со средой.

2.2. Классификация дисперсных систем

Классификация по размеру частиц (дисперсности)

Дисперсность D является основной характеристикой дисперс­ной системы и мерой раздробленности вещества. Математически дисперсность определяют как величину, обратную размеру частицы:

D = 1/а ,

где а - размер частицы (диаметр или длина ребра), м -1 .

С другой стороны, для характеристики степени раздроблен­ности служит величина удельной поверхности S уд . Удельную поверх­ность находят как отношение поверхности S частицы к ее объему V или массе т: S уд = S / V или S уд = S / m . Если удельную поверх­ность определяют по отношению к массе частицы раздробленного вещества, то ее размерность м 2 /кг, если же по отношению к объему, то размерность совпадает с размерностью дисперсности (м -1).

Физический смысл понятия «удельная поверхность» заключа­ется в том, что это суммарная поверхность всех частиц, общий объем которых составляет 1м 3 или общая масса которых равна 1 кг.

По дисперсности системы подразделяют на типы:

1) грубо-дисперсные (грубые взвеси, суспензии, эмульсии, порошки) с радиусом частиц 10 -4 - 10 -7 м;

2) коллоидно-дисперсные (золи) с размером частиц 10 -7 - 10 -9 м;

3) молекулярные и ионные растворы с размером частиц менее 10 -9 м.

В коллоидных системах дости­гается высшая степень раздробления вещества, при которой еще сохраняются понятия «фаза» и «гетерогенность». Уменьшение раз­мера частиц еще на порядок переводит системы в гомогенные моле­кулярные или ионные растворы.

Дисперсность влияет на все основные свойства дисперсных систем: кинетические, оптические, каталитические и т. д.

Свойства дисперсных систем сопоставлены в табл. 1.2.

Т а б л и ц а 1.2.Свойства дисперсных систем разных типов

Грубодисперсные	Коллоидно-дисперсные	Молекулярные и ионные (истинные) растворы
Непрозрачные - отражают свет	Прозрачные опалесцирующие - рассеивают свет, да­ют конус Тиндаля	Прозрачные неопалесцирующие, конус Тиндаля не на­блюдается
Частицы не проходят че­рез фильтр	Частицы проходят через бу­мажный фильтр	Частицы проходят через бу­мажный фильтр
	Частицы задерживаются ультрафильтрами	Частицы проходят через льтрафильтры
Гетерогенные	Гетерогенные	Гомогенные
Неустойчивы кинетически и термодинамически	Относительно устойчивы ки­нетически	Устойчивы кинет. и термодинамич.ки
Стареют во времени	Стареют во времени	Не стареют
Частицы видны в оптиче­ский микроскоп	Частицы видны в электрон. Микроскоп и ультрамикроскоп	Частицы не видны в совре­менные микроскопы

Помимо размера частиц большое значение для свойств дисперсных систем имеет геометрическая форма частиц. В зависимости от условий дробления вещества форма частиц дисперсной фазы может быть очень разнообразной. Один м 3 исходного вещества принципиаль­но возможно раздробить на кубики с длиной ребра l = 10 -8 м, вы­тянуть в нить с сечением 10 -8 х 10 -8 м или расплющить в пластину (пленку) толщиной 10 -8 м. В каждом из этих случаев система будет дисперсной со всеми присущими признаками.

Удельная поверхность частиц кубической формы возрастает от исходного значения в 6 м 2 до значения, определяемого по формуле

S уд = S / V = 6l 2 / l 3 = 6 . 10 8 м -1

Для нитей S уд = 4-10 8 м -1 ; для пленки S уд = 2 . 10 8 м -1 .

Частицы кубической, шарообразной или близкой к ним непра­вильной формы характерны для многих коллоидных растворов - золей и более грубодисперсных систем – эмульсий.

Классификация по агрегатному состоянию фаз

Наиболее распространена классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды. Каждая из этих фаз может быть в трех агрегатных состояниях: газообразном, жидком и твердом. Поэтому возможно существо­вание восьми типов коллоидных систем (табл. 1.3). Система «газ в газе» не входит в это число, так как является гомогенной молекуляр­ной, в ней отсутствуют границы раздела. Высокодисперсные коллоидные растворы, относящиеся к типу систем т/ж, носят название золей (от лат. solutio - раствор). Золи, у которых дисперсионной средой является вода, называют гидрозо­лями. Если дисперсионной средой служит органическая жидкость, коллоидный раствор носит название органозоля. Эти последние, в свою очередь, подразделяют на алкозоли, бензозоли, этерозоли и т.п., в которых дисперсионной средой являются соответственно спирт, бензол, эфир и т. д. В зависимости от агрегатного состояния дисперсионной среды различают лиозоли - золи с жидкой дисперсионной средой (от греч. lios - жидкость), аэрозоли - золи с газообразной дисперсионной средой, твердые золи - системы типа т/т. Грубодисперсные системы типа т/ж называют суспензиями, типа ж/ж – эмульсиями.

Таблица 2..2. Основные типы дисперсных систем

Дисп фаза	Дисп.среда
			Не существ.
Жидкость			Туман, облака, аэрозоли жидких лекарств
Твердое тело			Дым, пыль, порошки, аэрозоли твердых лекарств
	Жидкость		Пены, газовые эмульсии
Жидкость			Эмульсии (молоко, лекарственные эмульсии)
Твердое тело			Суспензии, коллоидные растворы
	Твердое тело		Твердые пены, хлеб, пемза, силикагель, активные угли
Жидкость			Жемчуг, капиллярные системы, цементный камень, гели
Твердое тело			Цветные стекла, минералы, сплавы

Классификация по отсутствию или наличию взаимодей­ствия между частицами дисперсной фазы

По кинетическим свойствам дисперсной фазы все дисперсные системы можно подразделить на два класса: свободно-дисперсные, в которых частицы дисперсной фазы не связаны между собой и мо­гут свободно перемещаться (лиозоли, аэрозоли, суспензии, эмуль­сии), и связно-дисперсные, в которых одна из фаз структурно закре­плена и не может перемещаться свободно. К этому классу относят гели и студни, пены, капиллярно-пористые тела (диафрагмы), твердые растворы и др.

Классификация по степени взаимодействия дисперсной фазы с дисперсионной средой

Для характеристики взаимодействия между веществом дисперс­ной фазы и жидкой дисперсионной средой служат понятия «лиофильность» и «лиофобность». Под взаимодействием фаз дисперсных систем подразумевают процессы сольватации (гидратации), т. е. образова­ние сольватных (гидратных) оболочек из молекул дисперсионной среды вокруг частиц дисперсной фазы. Системы, в которых сильно выражено взаимодействие частиц дисперсной фазы с растворителем, называют лиофильными (по отношению к воде - гидрофильными). Если частицы дисперсной фазы состоят из вещества, слабо взаимо­действующего со средой, системы являются лиофобными (по отно­шению к воде - гидрофобными) . Термин «лиофильный» происходит от греч. 1уо - растворяю и philia - любовь; «лиофобный» от 1уо - растворяю и phobia - ненависть, что означает «не любящий растворения». Хорошо сольватирующиеся лиофильные дисперсные системы образуются путем самопроизвольного диспергирования. Такие си­стемы термодинамически устойчивы. Приме­рами таких систем являются дисперсии некоторых глин и поверх­ностно-активных веществ (ПАВ), растворы высокомолекулярных веществ (ВМВ).

У гидрофобных золей частицы состоят из труднорастворимых соединений, отсутствует или слабо выражено сродство дисперсной фазы к растворителю. Такие частицы плохо сольватированы. Гидрофобные золи являются основным классом коллоидных растворов, у которых ярко выражены гетерогенность и высокая удельная поверхность.