Système de dispersion- formations de deux ou plusieurs phases (corps) qui ne se mélangent pratiquement pas et ne réagissent pas chimiquement entre elles. Dans un cas typique d'un système biphasique, la première des substances ( phase dispersée) finement réparti dans la seconde ( milieu de dispersion). S'il y a plusieurs phases, elles peuvent être séparées physiquement les unes des autres (centrifuger, séparer, etc.).
Les systèmes généralement dispersés sont des solutions colloïdales, des sols. Les systèmes dispersés incluent également le cas d'un milieu dispersé solide dans lequel se trouve la phase dispersée. Solutions de composés de haut poids moléculaire par vos soins
Classification des systèmes dispersés
La classification la plus générale des systèmes dispersés est basée sur la différence d'état d'agrégation du milieu de dispersion et de la ou des phases dispersées. Des combinaisons de trois types d'état d'agrégation permettent de distinguer neuf types de systèmes dispersés diphasiques. Par souci de concision, ils sont généralement désignés par une fraction dont le numérateur indique la phase dispersée et le dénominateur indique le milieu de dispersion ; par exemple, pour le système gaz dans liquide, la désignation G/L est acceptée.
| Désignation | Phase dispersée | Milieu dispersif | Titre et exemple |
|---|---|---|---|
| A/A | Gazeux | Gazeux | Mélange toujours homogène (air, gaz naturel) |
| F/G | Liquide | Gazeux | Aérosols : brouillards, nuages |
| T/G | Dur | Gazeux | Aérosols (poussières, fumées), substances pulvérulentes |
| G/F | Gazeux | Liquide | Émulsions et mousses gazeuses |
| F/F | Liquide | Liquide | Émulsions : huile, crème, lait |
| V/F | Dur | Liquide | Suspensions et sols : pulpes, boues, suspensions, pâtes |
| H/T | Gazeux | Dur | Corps poreux : mousses polymères, pierre ponce |
| W/T | Liquide | Dur | Systèmes capillaires (corps poreux remplis de liquide) : sol, sol |
| T/T | Dur | Dur | Systèmes hétérogènes solides : alliages, bétons, vitrocéramiques, matériaux composites |
Sur la base des propriétés cinétiques de la phase dispersée, les systèmes dispersés à deux phases peuvent être divisés en deux classes :
- Systèmes librement dispersés, dans lequel la phase dispersée est mobile ;
- Systèmes dispersés de manière cohérente, dans lequel le milieu de dispersion est solide et les particules de leur phase dispersée sont interconnectées et ne peuvent pas se déplacer librement.
Ces systèmes sont à leur tour classés selon le degré de dispersion.
Les systèmes avec des particules en phase dispersée de taille égale sont appelés monodispersés, et les systèmes avec des particules de taille inégale sont appelés polydispersés. En règle générale, les systèmes réels qui nous entourent sont polydispersés.
Il existe également des systèmes dispersés avec un plus grand nombre de phases - des systèmes dispersés complexes. Par exemple, lorsqu'un milieu de dispersion liquide bout avec une phase solide dispersée, on obtient un système triphasé « vapeur - gouttes - particules solides ».
Un autre exemple de système dispersé complexe est le lait, dont les principaux composants (sans compter l'eau) sont les matières grasses, la caséine et le sucre du lait. La matière grasse se présente sous forme d'émulsion et lorsque le lait stagne, elle remonte progressivement vers le haut (crème). La caséine est contenue sous forme de solution colloïdale et n'est pas libérée spontanément, mais peut facilement être précipitée (sous forme de fromage blanc) lorsque le lait est acidifié, par exemple avec du vinaigre. Dans des conditions naturelles, la caséine est libérée lorsque le lait tourne. Enfin, le sucre du lait se présente sous la forme d'une solution moléculaire et n'est libéré que lorsque l'eau s'évapore.
Systèmes librement dispersés
En fonction de la taille des particules, les systèmes librement dispersés sont divisés en :
Les systèmes ultramicrohétérogènes sont également appelés colloïdaux ou sols. Selon la nature du milieu de dispersion, les sols sont divisés en sols solides, aérosols (sols à milieu de dispersion gazeux) et lyosols (sols à milieu de dispersion liquide). Les systèmes microhétérogènes comprennent les suspensions, les émulsions, les mousses et les poudres. Les systèmes grossiers les plus courants sont les systèmes solides-gaz (par exemple, le sable).
Les systèmes colloïdaux jouent un rôle énorme dans la biologie et la vie humaine. Dans les fluides biologiques du corps, un certain nombre de substances sont à l’état colloïdal. Les objets biologiques (cellules musculaires et nerveuses, sang et autres fluides biologiques) peuvent être considérés comme des solutions colloïdales. Le milieu de dispersion du sang est le plasma, une solution aqueuse de sels inorganiques et de protéines.
Systèmes dispersés de manière cohérente
Matériaux poreux
Les matériaux poreux sont divisés selon la taille des pores, selon la classification de M. M. Dubinin, en :
Sur la base des caractéristiques géométriques, les structures poreuses sont divisées en régulier(dans lequel dans le volume corporel il y a une alternance correcte de pores ou de cavités individuels et de canaux les reliant) et stochastique(dans lequel l'orientation, la forme, la taille, la position relative et les relations des pores sont aléatoires). La plupart des matériaux poreux sont caractérisés par une structure stochastique. La nature des pores compte également : ouvrir les pores communiquent avec la surface du corps afin que le liquide ou le gaz puisse être filtré à travers eux ; impasse les pores communiquent également avec la surface du corps, mais leur présence n'affecte pas la perméabilité du matériau ; pores fermés .
Systèmes hétérogènes solides
Un exemple typique de systèmes hétérogènes solides sont les matériaux composites (composites) récemment largement utilisés - des matériaux solides, mais hétérogènes, créés artificiellement, constitués de deux composants ou plus avec des limites d'interface claires entre eux. Dans la plupart de ces matériaux (à l'exception de ceux en couches), les composants peuvent être divisés en matrice et inclus dedans éléments de renfort; dans ce cas, les éléments de renforcement sont généralement responsables des caractéristiques mécaniques du matériau, et la matrice assure le fonctionnement conjoint des éléments de renforcement. Les matériaux composites les plus anciens comprennent l'adobe, le béton armé, l'acier damassé et le papier mâché. De nos jours, les plastiques renforcés de fibres, la fibre de verre et la métallo-céramique sont largement utilisés et ont trouvé des applications dans une grande variété de domaines technologiques.
Mouvement de systèmes dispersés
La mécanique des milieux multiphasiques traite de l'étude du mouvement des systèmes dispersés. En particulier, les problèmes d'optimisation de divers dispositifs thermiques et électriques (unités de turbine à vapeur, échangeurs de chaleur, etc.), ainsi que le développement de technologies d'application de divers revêtements, rendent le problème de la modélisation mathématique des écoulements de gaz à proximité des parois -mélange de gouttelettes liquides pertinent. À leur tour, la diversité importante de la structure des écoulements proches des parois des milieux multiphasiques, la nécessité de prendre en compte divers facteurs (inertie des gouttelettes, formation d'un film liquide, transitions de phase, etc.) nécessitent la construction de modèles mathématiques particuliers. de milieux multiphasiques, qui sont actuellement activement développés
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Signe de classement |
Nom du système |
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Taille des particules en phase dispersée: |
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Ultramicrohétérogène (nanosystème) |
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Ultrafin |
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10 nm – 1 µm |
Très dispersé |
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1 – 100 µm |
Grossier |
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Composition fractionnée de particules en phase dispersée: |
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particules de même taille |
Monodispersé |
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particules de différentes tailles |
Polydisperser |
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Concentration de particules en phase dispersée: |
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Librement dispersé ou dispersé de manière cohérente |
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Dispersés de manière cohérente ou dispersés librement |
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La nature de l'interaction des particules dispersées avec un milieu de dispersion: |
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Lyophobe |
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Lyophile |
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Caractère de la distribution de phase: |
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solide |
Continuum |
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maillage de fines couches |
Bicontinu |
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Forme des particules: |
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La longueur, la largeur et l'épaisseur sont approximativement les mêmes (de 1 nm à 10 µm) |
Volumétrique (tridimensionnel) |
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l'épaisseur est la même (1 nm - 10 µm), mais la longueur et la largeur sont beaucoup plus grandes et peuvent avoir des valeurs macroscopiques (plus de 100 µm) |
Surface (bidimensionnelle) |
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fils et fibres très fins, diamètre de section compris entre 1 nm et 10 µm |
Linéaire (unidimensionnel) |
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sphérique, cubique |
Symétrique |
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ellipsoïdal, prismatique |
Anisodiamétrique |
Classement par état d'agrégation. La classification la plus générale des systèmes dispersés est basée sur la différence d'état d'agrégation entre la phase dispersée et la phase dispersée. Les combinaisons de trois types d'état d'agrégation permettent de distinguer neuf types de systèmes dispersés. Par souci de concision, ils sont généralement désignés par une fraction dont le numérateur indique la phase dispersée et le dénominateur indique le milieu de dispersion, par exemple, pour le système « gaz dans liquide », la désignation G/L est acceptée.
Classification des systèmes dispersés selon l'état d'agrégation de la phase dispersée et du milieu de dispersion
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Désignation |
Phase dispersée |
Milieu dispersif |
Titre et exemple |
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Émulsions : huile, crème, lait |
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Suspensions et sols : pulpes, boues, suspensions, pâtes |
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Gazeux |
Émulsions gazeuses, mousses, eau gazeuse |
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Systèmes capillaires : liquide dans les corps poreux, terre, terre, cellules, perles |
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Systèmes hétérogènes solides : alliages, bétons, vitrocéramiques, matériaux composites, roches |
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Gazeux |
Corps poreux, membranes, pierre ponce |
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Gazeux |
Aérosols : brouillards, nuages |
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Gazeux |
Aérosols (poussières, fumées), poudres |
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Gazeux |
Gazeux |
Aucun système dispersé n'est formé |
Toutes les combinaisons ci-dessus sont possibles et existent réellement.
Le premier cas est quelque peu à part - G 1 / G 2. En règle générale, les mélanges de gaz forment un système dispersé moléculaire homogène. Et seuls certains gaz à haute pression sont capables de produire un mélange à solubilité limitée – des mélanges hétérogènes. Il faut également noter l'originalité de systèmes tels que les mousses, les mousses de polystyrène, les émulsions concentrées et les pâtes. La particularité réside dans le fait que dans ce cas, non seulement la phase dispersée est dispersée, mais également le milieu de dispersion, puisque les particules du matériau dispersé sont séparées par une fine pellicule du milieu ; l'épaisseur du film peut atteindre des dimensions colloïdales, c'est-à-dire que le milieu est également dispersé de manière colloïdale, mais seulement dans une seule dimension : l'épaisseur.
A l'état dispersé colloïdal, la phase dispersée est constituée d'un nombre relativement faible de molécules. Les particules colloïdales individuelles sont essentiellement les noyaux d'une phase dont l'état d'agrégation est parfois difficile à établir en toute confiance.
De plus, l'expérience montre que la différence d'état d'agrégation d'une substance dispersée (avec un état d'agrégation constant du milieu de dispersion) n'entraîne pas de modifications significatives des propriétés du système colloïdal. À cet égard, la classification est simplifiée et les neuf types possibles de systèmes dispersés peuvent être réduits à trois - selon l'état global du milieu : systèmes à milieu gazeux, liquide et solide. Par souci de concision, ils sont appelés respectivement aérosols, lyosols et solidosols. Selon la nature du milieu de dispersion, les lyosols sont appelés hydrolats, alcosols, éthérosols, etc. Le milieu de dispersion de ces sols est respectivement l'eau, l'alcool et l'éther. Les systèmes microhétérogènes avec un milieu de dispersion liquide et une phase dispersée solide sont appelés suspensions, et avec une phase dispersée liquide - émulsions.
Ces trois groupes de sols diffèrent sensiblement les uns des autres par leurs propriétés, notamment leur stabilité. La question de la stabilité des systèmes colloïdaux est une question très importante qui concerne directement leur existence même. Il mérite donc d’être examiné de plus près. Il a été noté précédemment que les systèmes dispersés colloïdaux sont thermodynamiquement instables. Mais cette position mérite d'être clarifiée, d'autant plus que pour différents sols (aérosols, lyosols, solidosols) la situation finale est différente.
Suspensions- les systèmes dispersés dans lesquels la phase dispersée est un solide et le milieu de dispersion est un liquide, et le solide est pratiquement insoluble dans le liquide. Pour préparer une suspension, vous devez broyer la substance en une poudre fine, la verser dans un liquide dans lequel la substance ne se dissout pas et bien agiter (par exemple, en secouant l'argile dans l'eau). Au fil du temps, les particules tomberont au fond du récipient. Ce processus est appelé sédimentation. Évidemment, plus les particules sont petites, plus la suspension durera longtemps. Ainsi, plus les particules sont grosses, plus l’instabilité de sédimentation est élevée.
Émulsions- les systèmes dispersés dans lesquels la phase dispersée et le milieu de dispersion sont des liquides mutuellement non miscibles. Une émulsion peut être préparée à partir d’eau et d’huile en agitant longuement le mélange. Un exemple d’émulsion est le lait, dans lequel de petits globules de graisse flottent dans le liquide. Les suspensions et émulsions sont des systèmes biphasés.
Mousse. Comme les émulsions, les mousses sont des systèmes grossièrement dispersés. Par conséquent, dans de nombreux processus technologiques, les mousses sont obtenues par les mêmes méthodes de dispersion que celles utilisées pour obtenir des bulles de gaz.
Aérosol– un système dispersé constitué de petites particules solides ou liquides en suspension dans un environnement gazeux. Les aérosols dont la phase dispersée est constituée de gouttelettes liquides sont appelés brouillards, et dans le cas d'une phase dispersée solide, fumées. La poussière est classée parmi les aérosols grossiers.
Par taille de particule les systèmes librement dispersés sont divisés
Ultramicrohétérogène les systèmes sont également appelés solutions colloïdales ou sols. Selon la nature du milieu de dispersion, les sols sont divisés en sols solides, aérosols (sols à milieu de dispersion gazeux) et lyosols (sols à milieu de dispersion liquide). À microhétérogène les systèmes comprennent des suspensions, des émulsions, des mousses et des poudres. Le plus commun grossier les systèmes sont des systèmes à gaz solide, comme le sable. Dispersé de manière connectée systèmes (corps poreux) selon la classification de M.M. Dubinin est divisé en groupes
Système de dispersion- formations de deux ou plusieurs phases (corps) qui ne se mélangent pratiquement pas et ne réagissent pas chimiquement entre elles. Dans un cas typique d'un système biphasique, la première des substances ( phase dispersée) finement réparti dans la seconde ( milieu de dispersion). S'il y a plusieurs phases, elles peuvent être séparées physiquement les unes des autres (centrifuger, séparer, etc.).
Les systèmes généralement dispersés sont des solutions colloïdales, des sols. Les systèmes dispersés incluent également le cas d'un milieu dispersé solide dans lequel se trouve la phase dispersée. Les solutions de composés de haut poids moléculaire possèdent également toutes les propriétés des systèmes dispersés.
Classification des systèmes dispersés
La classification la plus générale des systèmes dispersés est basée sur la différence d'état d'agrégation du milieu de dispersion et de la ou des phases dispersées. Des combinaisons de trois types d'état d'agrégation permettent de distinguer neuf types de systèmes dispersés diphasiques. Par souci de concision, ils sont généralement désignés par une fraction dont le numérateur indique la phase dispersée et le dénominateur indique le milieu de dispersion ; par exemple, pour le système gaz dans liquide, la désignation G/L est acceptée.
| Désignation | Phase dispersée | Milieu dispersif | Titre et exemple |
|---|---|---|---|
| A/A | Gazeux | Gazeux | Mélange toujours homogène (air, gaz naturel) |
| F/G | Liquide | Gazeux | Aérosols : brouillards, nuages |
| T/G | Dur | Gazeux | Aérosols (poussières, fumées), substances pulvérulentes |
| G/F | Gazeux | Liquide | Émulsions et mousses gazeuses |
| F/F | Liquide | Liquide | Émulsions : huile, crème, lait |
| V/F | Dur | Liquide | Suspensions et sols : pulpes, boues, suspensions, pâtes |
| H/T | Gazeux | Dur | Corps poreux : mousses polymères, pierre ponce |
| W/T | Liquide | Dur | Systèmes capillaires (corps poreux remplis de liquide) : sol, sol |
| T/T | Dur | Dur | Systèmes hétérogènes solides : alliages, bétons, vitrocéramiques, matériaux composites |
Sur la base des propriétés cinétiques de la phase dispersée, les systèmes dispersés à deux phases peuvent être divisés en deux classes :
- Systèmes librement dispersés, dans lequel la phase dispersée est mobile ;
- Systèmes dispersés de manière cohérente, dans lequel le milieu de dispersion est solide et les particules de leur phase dispersée sont interconnectées et ne peuvent pas se déplacer librement.
Ces systèmes sont à leur tour classés selon le degré de dispersion.
Les systèmes avec des particules en phase dispersée de taille égale sont appelés monodispersés, et les systèmes avec des particules de taille inégale sont appelés polydispersés. En règle générale, les systèmes réels qui nous entourent sont polydispersés.
Il existe également des systèmes dispersés avec un plus grand nombre de phases - des systèmes dispersés complexes. Par exemple, lorsqu'un milieu de dispersion liquide bout avec une phase solide dispersée, on obtient un système triphasé « vapeur - gouttes - particules solides ».
Un autre exemple de système dispersé complexe est le lait, dont les principaux composants (sans compter l'eau) sont les matières grasses, la caséine et le sucre du lait. La matière grasse se présente sous forme d'émulsion et lorsque le lait stagne, elle remonte progressivement vers le haut (crème). La caséine est contenue sous forme de solution colloïdale et n'est pas libérée spontanément, mais peut facilement être précipitée (sous forme de fromage blanc) lorsque le lait est acidifié, par exemple avec du vinaigre. Dans des conditions naturelles, la caséine est libérée lorsque le lait tourne. Enfin, le sucre du lait se présente sous la forme d'une solution moléculaire et n'est libéré que lorsque l'eau s'évapore.
Systèmes librement dispersés
En fonction de la taille des particules, les systèmes librement dispersés sont divisés en :
Les systèmes ultramicrohétérogènes sont également appelés colloïdaux ou sols. Selon la nature du milieu de dispersion, les sols sont divisés en sols solides, aérosols (sols à milieu de dispersion gazeux) et lyosols (sols à milieu de dispersion liquide). Les systèmes microhétérogènes comprennent les suspensions, les émulsions, les mousses et les poudres. Les systèmes grossiers les plus courants sont les systèmes solides-gaz (par exemple, le sable).
Les systèmes colloïdaux jouent un rôle énorme dans la biologie et la vie humaine. Dans les fluides biologiques du corps, un certain nombre de substances sont à l’état colloïdal. Les objets biologiques (cellules musculaires et nerveuses, sang et autres fluides biologiques) peuvent être considérés comme des solutions colloïdales. Le milieu de dispersion du sang est le plasma, une solution aqueuse de sels inorganiques et de protéines.
Systèmes dispersés de manière cohérente
Matériaux poreux
Les matériaux poreux sont divisés selon la taille des pores, selon la classification de M. M. Dubinin, en :
Sur la base des caractéristiques géométriques, les structures poreuses sont divisées en régulier(dans lequel dans le volume corporel il y a une alternance correcte de pores ou de cavités individuels et de canaux les reliant) et stochastique(dans lequel l'orientation, la forme, la taille, la position relative et les relations des pores sont aléatoires). La plupart des matériaux poreux sont caractérisés par une structure stochastique. La nature des pores compte également : ouvrir les pores communiquent avec la surface du corps afin que le liquide ou le gaz puisse être filtré à travers eux ; impasse les pores communiquent également avec la surface du corps, mais leur présence n'affecte pas la perméabilité du matériau ; pores fermés .
Systèmes hétérogènes solides
Un exemple typique de systèmes hétérogènes solides sont les matériaux composites (composites) récemment largement utilisés - des matériaux solides, mais hétérogènes, créés artificiellement, constitués de deux composants ou plus avec des limites d'interface claires entre eux. Dans la plupart de ces matériaux (à l'exception de ceux en couches), les composants peuvent être divisés en matrice et inclus dedans éléments de renfort; dans ce cas, les éléments de renforcement sont généralement responsables des caractéristiques mécaniques du matériau, et la matrice assure le fonctionnement conjoint des éléments de renforcement. Les matériaux composites les plus anciens comprennent l'adobe, le béton armé, l'acier damassé et le papier mâché. Maintenant répandu
Le milieu de dispersion et la phase dispersée peuvent être composés de substances dans différents états d'agrégation. Selon la combinaison des états du milieu de dispersion et de la phase dispersée, huit types de tels systèmes peuvent être distingués
Classification des systèmes dispersés par état d'agrégation
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Milieu dispersif |
Phase dispersée |
Exemples de certains systèmes de dispersion naturels et domestiques |
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Liquide |
Brouillard, gaz associé à des gouttelettes d'huile, mélange de carburateur dans les moteurs de voiture (gouttelettes d'essence dans l'air) |
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Solide |
Poussière dans l'air, fumée, smog, simooms (tempêtes de poussière et de sable) |
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Liquide |
Boissons gazeuses, bain moussant |
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Liquide |
Milieux liquides de l'organisme (plasma sanguin, lymphe, sucs digestifs), contenus liquides des cellules (cytoplasme, caryoplasme) |
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Solide |
Kissels, gelées, colles, limons de rivière ou de mer en suspension dans l'eau, mortiers |
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Solide |
Croûte de neige contenant des bulles d'air, terre, tissus, briques et céramiques, caoutchouc mousse, chocolat gazeux, poudres |
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Liquide |
Sol humide, produits médicaux et cosmétiques (pommades, mascara, rouge à lèvres, etc.) |
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Solide |
Roches, verres colorés, certains alliages |
En outre, comme élément de classification, nous pouvons distinguer un concept tel que la taille des particules d'un système dispersé :
- - Grossièrement dispersés (> 10 microns) : sucre semoule, terre, brouillard, gouttes de pluie, cendres volcaniques, magma, etc.
- - Moyen-fin (0,1-10 microns) : érythrocytes du sang humain, E. coli, etc.
gel de suspension en émulsion dispersée
- - Très dispersés (1-100 nm) : virus de la grippe, fumées, turbidité des eaux naturelles, sols de substances diverses obtenus artificiellement, solutions aqueuses de polymères naturels (albumine, gélatine, etc.), etc.
- - De taille nanométrique (1-10 nm) : molécule de glycogène, pores fins du charbon, sols métalliques obtenus en présence de molécules de substances organiques limitant la croissance des particules, nanotubes de carbone, nanofils magnétiques de fer, nickel, etc.
Systèmes grossièrement dispersés : émulsions, suspensions, aérosols
En fonction de la taille des particules de la substance qui composent la phase dispersée, les systèmes dispersés sont divisés en systèmes grossiers avec des tailles de particules supérieures à 100 nm et finement dispersés avec des tailles de particules allant de 1 à 100 nm. Si la substance est fragmentée en molécules ou en ions de taille inférieure à 1 nm, un système homogène se forme - une solution. La solution est homogène, il n'y a pas d'interface entre les particules et le milieu, et n'appartient donc pas aux systèmes dispersés. Les systèmes grossièrement dispersés sont divisés en trois groupes : émulsions, suspensions et aérosols.
Les émulsions sont des systèmes dispersés avec un milieu de dispersion liquide et une phase liquide dispersée.
Ils peuvent également être divisés en deux groupes : 1) directs - gouttes d'un liquide non polaire dans un environnement polaire (huile dans l'eau) ; 2) marche arrière (eau dans l'huile). Un changement dans la composition des émulsions ou des influences extérieures peuvent conduire à la transformation d'une émulsion directe en une émulsion inverse et vice versa. Les exemples d'émulsions naturelles les plus connues sont le lait (émulsion directe) et l'huile (émulsion inverse). Une émulsion biologique typique est constituée de gouttelettes de graisse dans la lymphe.
Parmi les émulsions connues dans la pratique humaine figurent les fluides de coupe, les matériaux bitumineux, les pesticides, les médicaments et cosmétiques, ainsi que les produits alimentaires. Par exemple, dans la pratique médicale, les émulsions grasses sont largement utilisées pour fournir de l'énergie à un corps affamé ou affaibli par perfusion intraveineuse. Pour obtenir de telles émulsions, on utilise des huiles d'olive, de coton et de soja. En technologie chimique, la polymérisation en émulsion est largement utilisée comme méthode principale pour produire des caoutchoucs, du polystyrène, de l'acétate de polyvinyle, etc. Les suspensions sont des systèmes grossiers avec une phase dispersée solide et un milieu de dispersion liquide.
Habituellement, les particules de la phase dispersée d'une suspension sont si grosses qu'elles se déposent sous l'influence de la gravité - les sédiments. Les systèmes dans lesquels la sédimentation se produit très lentement en raison de la faible différence de densité entre la phase dispersée et le milieu de dispersion sont également appelés suspensions. Les suspensions de construction les plus importantes sont le badigeon (« lait de chaux »), les peintures émaillées et diverses suspensions de construction, par exemple celles appelées « mortier de ciment ». Les suspensions comprennent également des médicaments, par exemple des pommades liquides - liniments. Un groupe spécial est constitué de systèmes grossièrement dispersés, dans lesquels la concentration de la phase dispersée est relativement élevée par rapport à sa faible concentration dans les suspensions. De tels systèmes dispersés sont appelés pâtes. Par exemple, les soins dentaires, cosmétiques, d'hygiène, etc., que vous connaissez bien dans la vie de tous les jours.
Les aérosols sont des systèmes grossièrement dispersés dans lesquels le milieu de dispersion est l'air et la phase dispersée peut être constituée de gouttelettes liquides (nuages, arcs-en-ciel, laque ou déodorant libérés par une canette) ou de particules d'une substance solide (nuage de poussière, tornade).
Systèmes colloïdaux - dans eux, la taille des particules colloïdales atteint jusqu'à 100 nm. De telles particules pénètrent facilement dans les pores des filtres en papier, mais ne pénètrent pas dans les pores des membranes biologiques des plantes et des animaux. Étant donné que les particules colloïdales (micelles) ont une charge électrique et des coques ioniques solvatées, grâce auxquelles elles restent en suspension, elles peuvent ne pas précipiter pendant assez longtemps. Un exemple frappant de système colloïdal sont les solutions de gélatine, d'albumine, de gomme arabique et les solutions colloïdales d'or et d'argent.
Les systèmes colloïdaux occupent une position intermédiaire entre les systèmes grossiers et les vraies solutions. Ils sont répandus dans la nature. Les sols, l'argile, les eaux naturelles, de nombreux minéraux, dont certaines pierres précieuses, sont autant de systèmes colloïdaux.
Il existe deux groupes de solutions colloïdales : liquides (solutions colloïdales - sols) et gélatineuses (gelée - gels).
La plupart des fluides biologiques de la cellule (le cytoplasme déjà mentionné, le suc nucléaire - le caryoplasme, le contenu des vacuoles) et de l'organisme vivant dans son ensemble sont des solutions colloïdales (sols). Tous les processus vitaux qui se produisent dans les organismes vivants sont associés à l'état colloïdal de la matière. Dans chaque cellule vivante, les biopolymères (acides nucléiques, protéines, glycosaminoglycanes, glycogène) se trouvent sous forme de systèmes dispersés.
Les gels sont des systèmes colloïdaux dans lesquels les particules de la phase dispersée forment une structure spatiale.
Les gels peuvent être : de la nourriture - marmelade, guimauves, viande en gelée, gelée ; biologique - cartilage, tendons, cheveux, tissus musculaires et nerveux, corps de méduses ; cosmétiques - gels douche, crèmes ; médical - médicaments, pommades; minéral - perles, opale, cornaline, calcédoine.
Les systèmes colloïdaux revêtent une grande importance pour la biologie et la médecine. La composition de tout organisme vivant comprend des substances solides, liquides et gazeuses qui entretiennent une relation complexe avec l'environnement. D'un point de vue chimique, le corps dans son ensemble est un ensemble complexe de nombreux systèmes colloïdaux.
Les fluides biologiques (sang, plasma, lymphe, liquide céphalo-rachidien, etc.) sont des systèmes colloïdaux dans lesquels des composés organiques tels que les protéines, le cholestérol, le glycogène et bien d'autres sont à l'état colloïdal. Pourquoi la nature lui donne-t-elle une telle préférence ? Cette caractéristique est principalement due au fait qu'une substance à l'état colloïdal présente une grande interface entre les phases, ce qui contribue à de meilleures réactions métaboliques.
Exemples de systèmes dispersés naturels et artificiels. Minéraux et roches sous forme de mélanges naturels
Toute la nature qui nous entoure - les organismes animaux et végétaux, l'hydrosphère et l'atmosphère, la croûte terrestre et le sous-sol sont un ensemble complexe de nombreux types différents et différents de systèmes grossiers et colloïdaux. Les nuages de notre planète sont les mêmes entités vivantes que toute la nature qui nous entoure. Ils sont d'une grande importance pour la Terre, car ce sont des canaux d'information. Après tout, les nuages sont constitués de la substance capillaire de l’eau et l’eau, comme vous le savez, est un très bon moyen de stockage d’informations. Le cycle de l'eau dans la nature conduit au fait que les informations sur l'état de la planète et l'humeur des gens s'accumulent dans l'atmosphère et, avec les nuages, se déplacent dans tout l'espace de la Terre. Une création étonnante de la nature - des nuages, qui donnent aux gens de la joie, du plaisir esthétique et simplement l'envie de regarder parfois le ciel.
Le brouillard peut également être un exemple de système de dispersion naturel, l'accumulation d'eau dans l'air, lorsque de minuscules produits de condensation de vapeur d'eau se forment (à une température de l'air supérieure à ? 10° - de minuscules gouttelettes d'eau, à ? 10..? 15° - un mélange de gouttelettes d'eau et de cristaux de glace, à une température inférieure à 15° - des cristaux de glace scintillant aux rayons du soleil ou à la lumière de la lune et des lanternes). L'humidité relative de l'air pendant les brouillards est généralement proche de 100 % (au moins dépasse 85 à 90 %). Cependant, lors de fortes gelées (? 30° et moins) dans les zones peuplées, dans les gares ferroviaires et les aérodromes, des brouillards peuvent être observés à toute humidité relative de l'air (même inférieure à 50 %) - en raison de la condensation de la vapeur d'eau formée lors de la combustion du carburant. (dans les moteurs, les fours, etc.) et rejetés dans l’atmosphère par les tuyaux d’échappement et les cheminées.
La durée continue des brouillards varie généralement de plusieurs heures (et parfois d'une demi-heure à une heure) à plusieurs jours, notamment pendant la saison froide.
Les brouillards empêchent le fonctionnement normal de tous les types de transport (en particulier l'aviation), c'est pourquoi les prévisions de brouillard revêtent une grande importance économique.
Un exemple de système dispersé complexe est le lait, dont les principaux composants (sans compter l'eau) sont la graisse, la caséine et le sucre du lait. La matière grasse se présente sous forme d'émulsion et lorsque le lait stagne, elle remonte progressivement vers le haut (crème). La caséine est contenue sous forme de solution colloïdale et n'est pas libérée spontanément, mais peut facilement être précipitée (sous forme de fromage blanc) lorsque le lait est acidifié, par exemple avec du vinaigre. Dans des conditions naturelles, la caséine est libérée lorsque le lait tourne. Enfin, le sucre du lait se présente sous la forme d'une solution moléculaire et n'est libéré que lorsque l'eau s'évapore.
De nombreux gaz, liquides et solides se dissolvent dans l'eau. Le sucre et le sel de table se dissolvent facilement dans l'eau ; le dioxyde de carbone, l'ammoniac et de nombreuses autres substances, lorsqu'ils entrent en collision avec l'eau, se dissolvent et perdent leur état d'agrégation antérieur. Un soluté peut être isolé d’une solution d’une certaine manière. Si vous évaporez une solution de sel de table, le sel reste sous forme de cristaux solides.
Lorsque des substances sont dissoutes dans l’eau (ou un autre solvant), un système uniforme (homogène) se forme. Ainsi, une solution est un système homogène composé de deux ou plusieurs composants. Les solutions peuvent être liquides, solides et gazeuses. Les solutions liquides comprennent, par exemple, une solution de sucre ou de sel de table dans l'eau, d'alcool dans l'eau, etc. Les solutions solides d'un métal dans un autre incluent les alliages : le laiton est un alliage de cuivre et de zinc, le bronze est un alliage de cuivre et d'étain, etc. Une substance gazeuse est de l'air ou tout mélange de gaz.
Les substances pures sont très rares dans la nature. Des mélanges de différentes substances dans différents états d'agrégation peuvent former des systèmes hétérogènes et homogènes - des systèmes et des solutions dispersés.
La substance présente en plus petites quantités et distribuée dans le volume d’une autre est appelée phase dispersée. Il peut être constitué de plusieurs substances.
La substance présente en plus grande quantité, dans le volume de laquelle se répartit la phase dispersée, est appelée milieu de dispersion. Il existe une interface entre celui-ci et les particules de la phase dispersée, c'est pourquoi les systèmes dispersés sont appelés hétérogènes (inhomogènes).
Le milieu de dispersion et la phase dispersée peuvent être représentés par des substances dans différents états d'agrégation - solide, liquide et gazeux.
Selon la combinaison de l'état agrégé du milieu de dispersion et de la phase dispersée, 8 types de tels systèmes peuvent être distingués (Tableau 11).
Tableau 11
Exemples de systèmes dispersés
En fonction de la granulométrie des substances qui composent la phase dispersée, les systèmes dispersés sont divisés en grossièrement dispersés (suspensions) avec des granulométries supérieures à 100 nm et finement dispersés (solutions colloïdales ou systèmes colloïdaux) avec des granulométries de 100 à 1. n.m. Si la substance est fragmentée en molécules ou en ions de taille inférieure à 1 nm, un système homogène se forme - une solution. Elle est uniforme (homogène), il n'y a pas d'interface entre les particules de la phase dispersée et le milieu.
Même une connaissance rapide des systèmes et solutions dispersés montre à quel point ils sont importants dans la vie quotidienne et dans la nature (voir tableau 11).
Jugez par vous-même : sans le limon du Nil, la grande civilisation de l’Égypte ancienne n’aurait pas eu lieu ; Sans eau, air, roches et minéraux, la planète vivante n’existerait pas du tout – notre maison commune – la Terre ; sans cellules, il n'y aurait pas d'organismes vivants, etc.
La classification des systèmes et solutions dispersés est présentée dans le schéma 2.
Schéma 2
Classification des systèmes et solutions dispersés
Suspendre
Les suspensions sont des systèmes dispersés dans lesquels la taille des particules de phase est supérieure à 100 nm. Il s'agit de systèmes opaques dont les particules individuelles sont visibles à l'œil nu. La phase dispersée et le milieu de dispersion se séparent facilement par décantation. Ces systèmes sont divisés en trois groupes :
- émulsions (le milieu et la phase sont des liquides insolubles l'un dans l'autre). Ce sont les célèbres peintures à base de lait, de lymphe, d'eau, etc.
- suspensions (le milieu est un liquide et la phase est un solide insoluble dans celui-ci). Il s'agit de solutions de construction (par exemple, le « lait de chaux » pour le blanchiment), de limons fluviaux et marins en suspension dans l'eau, d'une suspension vivante d'organismes vivants microscopiques dans l'eau de mer - le plancton, dont se nourrissent les baleines géantes, etc.
- les aérosols sont des suspensions dans un gaz (par exemple dans l'air) de petites particules de liquides ou de solides. Faites la distinction entre la poussière, la fumée et le brouillard. Les deux premiers types d'aérosols sont des suspensions de particules solides dans du gaz (particules plus grosses dans la poussière), le second est une suspension de petites gouttelettes de liquide dans du gaz. Par exemple, les aérosols naturels : brouillard, nuages d'orage - une suspension de gouttelettes d'eau dans l'air, fumée - petites particules solides. Et le smog qui plane sur les plus grandes villes du monde est aussi un aérosol avec une phase dispersée solide et liquide. Les habitants des agglomérations proches des cimenteries souffrent de la poussière de ciment la plus fine toujours en suspension dans l'air, qui se forme lors du broyage des matières premières de ciment et du produit de sa cuisson - le clinker. Des aérosols nocifs similaires - la poussière - sont également présents dans les villes où se déroule une production métallurgique. La fumée des cheminées d'usine, le smog, les minuscules gouttelettes de salive sortant de la bouche d'un patient grippé, ainsi que les aérosols nocifs.
Les aérosols jouent un rôle important dans la nature, la vie quotidienne et les activités de production humaine. L'accumulation de nuages, le traitement chimique des champs, l'application de peinture en aérosol, l'atomisation de carburant, la production de lait en poudre et le traitement respiratoire (inhalation) sont des exemples de phénomènes et de processus où les aérosols apportent des avantages.
Les aérosols sont des brouillards sur les vagues de la mer, à proximité des cascades et des fontaines : l'arc-en-ciel qui y apparaît procure à une personne joie et plaisir esthétique.
Pour la chimie, les systèmes dispersés dans lesquels l'eau est le milieu sont de la plus haute importance.
Systèmes colloïdaux
Les systèmes colloïdaux sont des systèmes dispersés dans lesquels la taille des particules de phase est comprise entre 100 et 1 nm. Ces particules ne sont pas visibles à l'oeil nu, et la phase dispersée et le milieu de dispersion dans de tels systèmes sont difficiles à séparer par décantation.
Ils sont divisés en sols (solutions colloïdales) et gels (gelée).
1. Solutions colloïdales, ou sols. Il s'agit de la majorité des fluides d'une cellule vivante (cytoplasme, suc nucléaire - caryoplasme, contenu des organites et vacuoles) et de l'organisme vivant dans son ensemble (sang, lymphe, fluides tissulaires, sucs digestifs, fluides humoraux, etc.). De tels systèmes forment des adhésifs, de l'amidon, des protéines et certains polymères.
Des solutions colloïdales peuvent être obtenues à la suite de réactions chimiques ; par exemple, lorsque des solutions de silicates de potassium ou de sodium (« verre soluble ») réagissent avec des solutions acides, une solution colloïdale d'acide silicique se forme. Un sol se forme également lors de l'hydrolyse du chlorure de fer (III) dans l'eau chaude. Les solutions colloïdales ressemblent en apparence aux vraies solutions. Ils se distinguent de ces derniers par le « chemin lumineux » qui se forme - un cône lorsqu'un faisceau de lumière les traverse. Ce phénomène est appelé effet Tyndall. Les particules de la phase dispersée du sol, plus grosses que dans la vraie solution, réfléchissent la lumière de leur surface, et l'observateur voit un cône lumineux dans le récipient contenant la solution colloïdale. Il n’est pas formé dans une vraie solution. Vous pouvez observer un effet similaire, mais uniquement pour un aérosol plutôt que pour un colloïde liquide, dans les cinémas lorsqu'un faisceau de lumière provenant d'une caméra traverse l'air de la salle de cinéma.
Les particules de la phase dispersée des solutions colloïdales ne se déposent souvent pas, même lors d'un stockage à long terme, en raison de collisions continues avec les molécules de solvant dues au mouvement thermique. Ils ne se collent pas lorsqu'ils se rapprochent en raison de la présence de charges électriques du même nom à leur surface. Mais dans certaines conditions, un processus de coagulation peut se produire.
Coagulation- le phénomène de collage et de précipitation des particules colloïdales - s'observe lorsque les charges de ces particules sont neutralisées lorsqu'un électrolyte est ajouté à la solution colloïdale. Dans ce cas, la solution se transforme en suspension ou en gel. Certains colloïdes organiques coagulent lorsqu'ils sont chauffés (colle, blanc d'œuf) ou lorsque l'environnement acido-basique de la solution change.
2. Le deuxième sous-groupe de systèmes colloïdaux est gels, ou gelées y représentant des sédiments gélatineux formés lors de la coagulation des sols. Il s'agit notamment d'un grand nombre de gels polymères, si bien connus de vous en confiserie, de gels cosmétiques et médicaux (gélatine, aspic, gelée, marmelade, gâteau soufflé au lait d'oiseau) et bien sûr d'une variété infinie de gels naturels : minéraux (opale), méduses. corps, cartilages, tendons, cheveux, tissus musculaires et nerveux, etc. L'histoire du développement de la vie sur Terre peut être simultanément considérée comme l'histoire de l'évolution de l'état colloïdal de la matière. Au fil du temps, la structure des gels est perturbée et de l'eau s'en dégage. Ce phénomène est appelé synérèse.