Диспе́рсная систе́ма - образования из двух или большего числа фаз (тел) , которые практически не смешиваются и не реагируют друг с другом химически. В типичном случае двухфазной системы первое из веществ (дисперсная фаза ) мелко распределено во втором (дисперсионная среда ). Если фаз несколько, их можно отделить друг от друга физическим способом (центрифугировать, сепарировать и т.д.).
Обычно дисперсные системы - это коллоидные растворы , золи . К дисперсным системам относят также случай твёрдой дисперсной среды, в которой находится дисперсная фаза. Растворы высокомолекулярных соединений вами
Классификация дисперсных систем
Наиболее общая классификация дисперсных систем основана на различии в агрегатном состоянии дисперсионной среды и дисперсной фазы (фаз). Сочетания трёх видов агрегатного состояния позволяют выделить девять видов двухфазных дисперсных систем. Для краткости записи их принято обозначать дробью, числитель которой указывает на дисперсную фазу, а знаменатель на дисперсионную среду; например, для системы «газ в жидкости» принято обозначение Г/Ж.
| Обозначение | Дисперсная фаза | Дисперсионная среда | Название и пример |
|---|---|---|---|
| Г/Г | Газообразная | Газообразная | Всегда гомогенная смесь (воздух, природный газ) |
| Ж/Г | Жидкая | Газообразная | Аэрозоли: туманы , облака |
| Т/Г | Твёрдая | Газообразная | Аэрозоли (пыли, дымы), порошкообразные вещества |
| Г/Ж | Газообразная | Жидкая | Газовые эмульсии и пены |
| Ж/Ж | Жидкая | Жидкая | Эмульсии: нефть , крем , молоко |
| Т/Ж | Твёрдая | Жидкая | Суспензии и золи: пульпа, ил , взвесь , паста |
| Г/Т | Газообразная | Твёрдая | Пористые тела: пенополимеры , пемза |
| Ж/Т | Жидкая | Твёрдая | Капиллярные системы (заполненные жидкостью пористые тела): грунт , почва |
| Т/Т | Твёрдая | Твёрдая | Твёрдые гетерогенные системы: сплавы , бетон , ситаллы , композиционные материалы |
По кинетическим свойствам дисперсной фазы двухфазные дисперсные системы можно разделить на два класса:
- Свободнодисперсные системы , у которых дисперсная фаза подвижна;
- Связнодисперсные системы , у которых дисперсионная среда твёрдая, а частицы их дисперсной фазы связаны между собой и не могут свободно перемещаться.
В свою очередь, эти системы классифицируются по степени дисперсности .
Системы с одинаковыми по размерам частицами дисперсной фазы называются монодисперсными, а с неодинаковыми по размеру частицами - полидисперсными. Как правило, окружающие нас реальные системы полидисперсны.
Встречаются и дисперсные системы с бо́льшим числом фаз - сложные дисперсные системы. Например, при вскипании жидкой дисперсионной среды с твёрдой дисперсной фазой получается трёхфазная система «пар - капли - твёрдые частицы» .
Другим примером сложной дисперсной системы может служить молоко , основными составными частями которого (не считая воды) являются жир , казеин и молочный сахар . Жир находится в виде эмульсии и при стоянии молока постепенно поднимается кверху (сливки). Казеин содержится в виде коллоидного раствора и самопроизвольно не выделяется, но легко может быть осаждён (в виде творога) при подкислении молока, например, уксусом. В естественных условиях выделение казеина происходит при скисании молока . Наконец, молочный сахар находится в виде молекулярного раствора и выделяется лишь при испарении воды.
Свободнодисперсные системы
Свободнодисперсные системы по размерам частиц подразделяют на:
Ультрамикрогетерогенные системы также называют коллоидными или золями . В зависимости от природы дисперсионной среды, золи подразделяют на твёрдые золи, аэрозоли (золи с газообразной дисперсионной средой) и лиозоли (золи с жидкой дисперсионной средой). К микрогетерогенным системам относят суспензии , эмульсии , пены и порошки. Наиболее распространёнными грубодисперсными системами являются системы «твёрдое тело - газ» (например, песок).
Коллоидные системы играют огромную роль в биологии и человеческой жизни. В биологических жидкостях организма ряд веществ находится в коллоидном состоянии. Биологические объекты (мышечные и нервные клетки , кровь и другие биологические жидкости) можно рассматривать как коллоидные растворы. Дисперсионной средой крови является плазма - водный раствор неорганических солей и белков .
Связнодисперсные системы
Пористые материалы
Пористые материалы по размерам пор подразделяют, согласно классификации М. М. Дубинина , на:
По геометрическим признакам пористые структуры подразделяются на регулярные (у которых в объёме тела наблюдается правильное чередование отдельных пор или полостей и соединяющих их каналов) и стохастические (в которых ориентация, форма, размеры, взаимное расположение и взаимосвязи пор носят случайный характер). Для большинства пористых материалов характерна стохастическая структура. Имеет значение и характер пор: открытые поры сообщаются с поверхностью тела так, что через них возможна фильтрация жидкости или газа; тупиковые поры также сообщаются с поверхностью тела, но их наличие на проницаемости материала не сказывается; закрытые поры .
Твёрдые гетерогенные системы
Характерным примером твёрдых гетерогенных систем являются получившие в последнее время широкое распространение композиционные материалы (композиты) - искусственно созданные сплошные, но неоднородные, материалы, которые состоят из двух или более компонентов с чёткими границами раздела между ними. В большинстве таких материалов (за исключением слоистых) компоненты можно разделить на матрицу и включённые в неё армирующие элементы ; при этом армирующие элементы обычно отвечают за механические характеристики материала, а матрица обеспечивает совместную работу армирующих элементов. К числу старейших композиционных материалов относятся саман , железобетон , булат , папье-маше . Ныне широко распространены фиброармированные пластики , стеклопластик , металлокерамика , нашедшие применение в самых различных областях техники.
Движение дисперсных систем
Изучением движения дисперсных систем занимается механика многофазных сред . В частности, задачи оптимизации различных теплоэнергетических устройств (паротурбинных установок , теплообменников и др.), а также разработки технологий нанесения различных покрытий делают актуальной проблему математического моделирования пристеночных течений смеси «газ - жидкие капли». В свою очередь, значительное разнообразие структуры пристеночных течений многофазных сред, необходимость учёта различных факторов (инерционность капель, образование жидкой плёнки, фазовые переходы и др.) требуют построения специальных математических моделей многофазных сред, активно разрабатываемых в настоящее время
|
Признак классификации |
Название системы |
|
Размер частиц дисперсной фазы : |
|
|
Ультрамикрогетерогенная (наносистема) |
|
|
Ультрадисперсная |
|
|
10 нм – 1 мкм |
Высокодисперсная |
|
1 – 100 мкм |
Грубодисперсная |
|
Фракционный состав частиц дисперсной фазы : |
|
|
частицы одинакового размера |
Монодисперсная |
|
частицы разного размера |
Полидисперсная |
|
Концентрация частиц дисперсной фазы : |
|
|
Свободнодисперсная или связнодисперсная |
|
|
Связнодисперсная или свободнодисперсная |
|
|
Характер взаимодействия дисперсных частиц с дисперсионной средой : |
|
|
Лиофобная |
|
|
Лиофильная |
|
|
Характер распределения фаз : |
|
|
сплошное |
Континуальная |
|
сетка тонких прослоек |
Биконтинуальная |
|
Форма частиц : |
|
|
Длина, ширина и толщина примерно одинакова (от 1 нм до 10 мкм) |
Объёмные (трехмерные) |
|
толщина одинакова (1 нм – 10 мкм), а длина и ширина значительно больше и могут иметь макроскопические значения (более 100 мкм) |
Поверхностные (двухмерные) |
|
очень тонкие нити, волокна, диаметр поперечного сечения составляет от 1 нм до 10 мкм |
Линейные (одномерные) |
|
сферическая, кубическая |
Симметричные |
|
эллипсоидная, призматическая |
Анизодиаметричные |
Классификация по агрегатному состоянию. Наиболее общая классификация дисперсных систем основана на различии в агрегатном состоянии дисперсионной среди и дисперсной фазы. Сочетания трех видов агрегатного состояния позволяют выделить девять видов дисперсных систем. Для краткости записи их принято обозначать дробью, числитель которой указывает на дисперсную фазу, а знаменатель на дисперсионную среду, например для системы "газ в жидкости" принято обозначение Г/Ж.
Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды
|
Обозначение |
Дисперсная фаза |
Дисперсионная среда |
Название и пример |
|
Эмульсии: нефть, крем, молоко |
|||
|
Суспензии и золи: пульпа, ил, взвесь, паста |
|||
|
Газообразная |
Газовые эмульсии, пены, газированная вода |
||
|
Капиллярные системы: жидкость в пористых телах, грунт, почва, клетки, жемчуг |
|||
|
Твердые гетерогенные системы: сплавы, бетон, ситаллы, композиционные материалы, горные породы |
|||
|
Газообразная |
Пористые тела, мембраны, пемзы |
||
|
Газообразная |
Аэрозоли: туманы, облака |
||
|
Газообразная |
Аэрозоли (пыли, дымы), порошки |
||
|
Газообразная |
Газообразная |
Дисперсная система не образуется |
Все перечисленные комбинации возможны и реально существуют.
Несколько особняком стоит первый случай - Г 1 /Г 2 . Как правило, смеси газов образуют гомогенную молекулярно-дисперсную систему. И только некоторые газы при высоком давлении способны давать смесь с ограниченной растворимостью - гетерогенные смеси. Следует также отметить своеобразие таких систем, как пены, пенопласты, концентрированные эмульсии, пасты. Своеобразие заключается в том, что в этом случае диспергирована не только дисперсная фаза, но и дисперсионная среда, так как частицы диспергированного материала разделены тончайшей пленкой среды; толщина пленки может достигать коллоидных размеров, т. е. среда также коллоидно-дисперсна, но только в одном измерении - по толщине.
В коллоидно-дисперсном состоянии дисперсная фаза состоит из сравнительно небольшого числа молекул. Отдельные коллоидные частицы представляют собой, по существу, зародыши фазы, агрегатное состояние которой иногда трудно установить с полной уверенностью.
Кроме того, опыт показывает, что различие в агрегатном состоянии диспергированного вещества (при неизменном агрегатном состоянии дисперсионной среды) не влечет за собой существенных изменений в свойствах коллоидной системы. В связи с этим классификация упрощается, и возможные девять типов дисперсных систем можно свести к трем - по агрегатному состоянию среды: системы с газообразной, жидкой и твердой средой. Для краткости их именуют соответственно аэрозоли, лиозоли и солидозоли. В зависимости от природы дисперсионной среды лиозоли называют гидрозолями, алкозолями, этерозолями и т. д. Дисперсионной средой этих золей является соответственно вода, спирт, эфир. Микрогетерогенные системы с жидкой дисперсионной средой и твердой дисперсной фазой называют суспензиями, с жидкой дисперсной фазой - эмульсиями.
Указанные три группы золей существенно отличаются друг от друга свойствами, в частности устойчивостью. Вопрос об устойчивости коллоидных систем - это очень важный вопрос, касающийся непосредственно самого их существования. Поэтому он заслуживает более внимательного рассмотрения. Ранее уже отмечалось, что коллоидно-дисперсные системы термодинамически неустойчивы. Но это положение следует уточнить, тем более, что для различных золей (аэрозолей, лиозолей, солидозолей) окончательная обстановка складывается неодинаковой.
Суспензии - дисперсные системы, в которых дисперсной фазой является твердое вещество, а дисперсионной средой - жидкость, - причем твердое вещество практически нерастворимо в жидкости. Чтобы приготовить суспензию, надо вещество измельчить до тонкого порошка, высыпать в жидкость, в которой вещество не растворяется, и хорошо взболтать (например, взбалтывание глины в воде). Со временем частички выпадут на дно сосуда. Этот процесс называется седиментацией . Очевидно, чем меньше частички, тем дольше будет сохраняться суспензия. Поэтому седиментационная неустойчивость тем выше, чем крупнее частицы.
Эмульсии - дисперсные системы, в которых и дисперсная фаза и дисперсионная среда являются жидкостями, взаимно не смешивающихся. Из воды и масла можно приготовить эмульсию длительным встряхиванием смеси. Примером эмульсии является молоко, в котором мелкие шарики жира плавают в жидкости. Суспензии и эмульсии - двухфазные системы.
Пены . Как и эмульсии, пены - грубодисперсные системы, Поэтому во многих технологических процессах пены получают теми же диспергационными методами, которые применяют для получения газовых пузырьков.
Аэрозоль – дисперсная система, состоящая из мелких, твёрдых или жидких частиц, взвешенных в газовой среде. Аэрозоли, дисперсная фаза которых состоит из капелек жидкости, называются туманами, а в случае твёрдой дисперсной фазы – дымами. Пыль относят к грубодисперсным аэрозолям.
По размерам частиц свободнодисперсные системы подразделяются
Ультрамикрогетерогенные системы также называют коллоидными растворами или золями . В зависимости от природы дисперсионной среды, золи подразделяют на твердые золи, аэрозоли (золи с газообразной дисперсионной средой) и лиозоли (золи с жидкой дисперсионной средой). К микрогетерогенным системам относят суспензии, эмульсии, пены и порошки. Наиболее распространёнными грубодисперсными системами являются системы твёрдое вещество-газ, например, песок. Связнодисперсные системы (пористые тела) по классификации М.М. Дубинина подразделяют на группы
Диспе́рсная систе́ма - образования из двух или большего числа фаз (тел) , которые практически не смешиваются и не реагируют друг с другом химически. В типичном случае двухфазной системы первое из веществ (дисперсная фаза ) мелко распределено во втором (дисперсионная среда ). Если фаз несколько, их можно отделить друг от друга физическим способом (центрифугировать, сепарировать и т.д.).
Обычно дисперсные системы - это коллоидные растворы , золи . К дисперсным системам относят также случай твёрдой дисперсной среды, в которой находится дисперсная фаза. Растворы высокомолекулярных соединений также обладают всеми свойствами дисперсных систем.
Классификация дисперсных систем
Наиболее общая классификация дисперсных систем основана на различии в агрегатном состоянии дисперсионной среды и дисперсной фазы (фаз). Сочетания трёх видов агрегатного состояния позволяют выделить девять видов двухфазных дисперсных систем. Для краткости записи их принято обозначать дробью, числитель которой указывает на дисперсную фазу, а знаменатель на дисперсионную среду; например, для системы «газ в жидкости» принято обозначение Г/Ж.
| Обозначение | Дисперсная фаза | Дисперсионная среда | Название и пример |
|---|---|---|---|
| Г/Г | Газообразная | Газообразная | Всегда гомогенная смесь (воздух, природный газ) |
| Ж/Г | Жидкая | Газообразная | Аэрозоли: туманы , облака |
| Т/Г | Твёрдая | Газообразная | Аэрозоли (пыли, дымы), порошкообразные вещества |
| Г/Ж | Газообразная | Жидкая | Газовые эмульсии и пены |
| Ж/Ж | Жидкая | Жидкая | Эмульсии: нефть , крем , молоко |
| Т/Ж | Твёрдая | Жидкая | Суспензии и золи: пульпа, ил , взвесь , паста |
| Г/Т | Газообразная | Твёрдая | Пористые тела: пенополимеры , пемза |
| Ж/Т | Жидкая | Твёрдая | Капиллярные системы (заполненные жидкостью пористые тела): грунт , почва |
| Т/Т | Твёрдая | Твёрдая | Твёрдые гетерогенные системы: сплавы , бетон , ситаллы , композиционные материалы |
По кинетическим свойствам дисперсной фазы двухфазные дисперсные системы можно разделить на два класса:
- Свободнодисперсные системы , у которых дисперсная фаза подвижна;
- Связнодисперсные системы , у которых дисперсионная среда твёрдая, а частицы их дисперсной фазы связаны между собой и не могут свободно перемещаться.
В свою очередь, эти системы классифицируются по степени дисперсности .
Системы с одинаковыми по размерам частицами дисперсной фазы называются монодисперсными, а с неодинаковыми по размеру частицами - полидисперсными. Как правило, окружающие нас реальные системы полидисперсны.
Встречаются и дисперсные системы с бо́льшим числом фаз - сложные дисперсные системы. Например, при вскипании жидкой дисперсионной среды с твёрдой дисперсной фазой получается трёхфазная система «пар - капли - твёрдые частицы» .
Другим примером сложной дисперсной системы может служить молоко , основными составными частями которого (не считая воды) являются жир , казеин и молочный сахар . Жир находится в виде эмульсии и при стоянии молока постепенно поднимается кверху (сливки). Казеин содержится в виде коллоидного раствора и самопроизвольно не выделяется, но легко может быть осаждён (в виде творога) при подкислении молока, например, уксусом. В естественных условиях выделение казеина происходит при скисании молока . Наконец, молочный сахар находится в виде молекулярного раствора и выделяется лишь при испарении воды.
Свободнодисперсные системы
Свободнодисперсные системы по размерам частиц подразделяют на:
Ультрамикрогетерогенные системы также называют коллоидными или золями . В зависимости от природы дисперсионной среды, золи подразделяют на твёрдые золи, аэрозоли (золи с газообразной дисперсионной средой) и лиозоли (золи с жидкой дисперсионной средой). К микрогетерогенным системам относят суспензии , эмульсии , пены и порошки. Наиболее распространёнными грубодисперсными системами являются системы «твёрдое тело - газ» (например, песок).
Коллоидные системы играют огромную роль в биологии и человеческой жизни. В биологических жидкостях организма ряд веществ находится в коллоидном состоянии. Биологические объекты (мышечные и нервные клетки , кровь и другие биологические жидкости) можно рассматривать как коллоидные растворы. Дисперсионной средой крови является плазма - водный раствор неорганических солей и белков .
Связнодисперсные системы
Пористые материалы
Пористые материалы по размерам пор подразделяют, согласно классификации М. М. Дубинина , на:
По геометрическим признакам пористые структуры подразделяются на регулярные (у которых в объёме тела наблюдается правильное чередование отдельных пор или полостей и соединяющих их каналов) и стохастические (в которых ориентация, форма, размеры, взаимное расположение и взаимосвязи пор носят случайный характер). Для большинства пористых материалов характерна стохастическая структура. Имеет значение и характер пор: открытые поры сообщаются с поверхностью тела так, что через них возможна фильтрация жидкости или газа; тупиковые поры также сообщаются с поверхностью тела, но их наличие на проницаемости материала не сказывается; закрытые поры .
Твёрдые гетерогенные системы
Характерным примером твёрдых гетерогенных систем являются получившие в последнее время широкое распространение композиционные материалы (композиты) - искусственно созданные сплошные, но неоднородные, материалы, которые состоят из двух или более компонентов с чёткими границами раздела между ними. В большинстве таких материалов (за исключением слоистых) компоненты можно разделить на матрицу и включённые в неё армирующие элементы ; при этом армирующие элементы обычно отвечают за механические характеристики материала, а матрица обеспечивает совместную работу армирующих элементов. К числу старейших композиционных материалов относятся саман , железобетон , булат , папье-маше . Ныне широко распространены
И дисперсионную среду, и дисперсную фазу могут составлять вещества, находящиеся в различных агрегатных состояниях. В зависимости от сочетания состояний дисперсионной среды и дисперсной фазы можно выделить восемь видов таких систем
Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию
|
Дисперсионная среда |
Дисперсная фаза |
Примеры некоторых природных и бытовых дисперсных систем |
|
Жидкость |
Туман, попутный газ с капельками нефти, карбюраторная смесь в двигателях автомобилей (капельки бензина в воздухе) |
|
|
Твердое вещество |
Пыль в воздухе, дымы, смог, самумы (пыльные и песчаные бури) |
|
|
Жидкость |
Шипучие напитки, пена в ванне |
|
|
Жидкость |
Жидкие среды организма (плазма крови, лимфа, пищеварительные соки), жидкое содержимое клеток (цитоплазма, кариоплазма) |
|
|
Твердое вещество |
Кисели, студни, клеи, взвешенный в воде речной или морской ил, строительные растворы |
|
|
Твердое вещество |
Снежный наст с пузырьками воздуха в нем, почва, текстиль- ные ткани, кирпич и керамика, поролон, пористый шоколад, порошки |
|
|
Жидкость |
Влажная почва, медицинские и косметические средства (мази, тушь, помада и т.д.) |
|
|
Твердое вещество |
Горные породы, цветные стекла, некоторые сплавы |
Так же в качестве классификационного признака можно выделить такое понятие как размер частиц дисперсной системы:
- - Грубодисперсные (> 10 мкм): сахар-песок, грунты, туман, капли дождя, вулканический пепел, магма и т. п.
- - Среднедисперсные (0,1-10 мкм): эритроциты крови человека, кишечная палочка и т. п.
дисперсный эмульсия суспензия гель
- - Высокодисперсные (1-100 нм): вирус гриппа, дым, муть в природных водах, искусственно полученные золи различных веществ, водные растворы природных полимеров (альбумин, желатин и др.) и т. п.
- - Наноразмерные (1-10 нм): молекула гликогена, тонкие поры угля, золи металлов, полученные в присутствии молекул органических веществ, ограничивающих рост частиц, углеродные нанотрубки, магнитные нанонити из железа, никеля и т. п.
Грубодисперсные системы: эмульсии, суспензии, аэрозоли
По величине частиц вещества, составляющих дисперсную фазу, дисперсные системы делят на грубодисперсные с размерами частиц более 100 нм и тонкодисперсные с размерами частиц от 1 до 100 нм. Если же вещество раздроблено до молекул или ионов размером менее 1 нм, образуется гомогенная система - раствор. Раствор однороден, поверхности раздела между частицами и средой нет, а потому к дисперсным системам он не относится. Грубодисперсные системы делятся на три группы: эмульсии, суспензии и аэрозоли.
Эмульсии - это дисперсные системы с жидкой дисперсионной средой и жидкой дисперсной фазой.
Их можно также разделить на две группы: 1) прямые - капли неполярной жидкости в полярной среде (масло в воде); 2) обратные (вода в масле). Изменение состава эмульсий или внешнее воздействие могут привести к превращению прямой эмульсии в обратную и наоборот. Примерами наиболее известных природных эмульсий являются молоко (прямая эмульсия) и нефть (обратная эмульсия). Типичная биологическая эмульсия - это капельки жира в лимфе.
Из известных в практической деятельности человека эмульсий можно назвать смазочно-охлаждающие жидкости, битумные материалы, пестицидные препараты, лекарственные и косметические средства, пищевые продукты. Например, в медицинской практике широко применяют жировые эмульсии для энергетического обеспечения голодающего или ослабленного организма путем внутривенного вливания. Для получения таких эмульсий используют оливковое, хлопковое и соевое масла. В химической технологии широко используют эмульсионную полимеризацию как основной метод получения каучуков, полистирола, поливинилацетата и др. Суспензии - это грубодисперсные системы с твердой дисперсной фазой и жидкой дисперсионной средой.
Обычно частицы дисперсной фазы суспензии настолько велики, что оседают под действием силы тяжести - седиментируют. Системы, в которых седиментация идет очень медленно из-за малой разности в плотности дисперсной фазы и дисперсионной среды, также называют взвесями. Практически значимыми строительными суспензиями являются побелка («известковое молоко»), эмалевые краски, различные строительные взвеси, например те, которые называют «цементным раствором». К суспензиям относят также медицинские препараты, например жидкие мази - линименты. Особую группу составляют грубодисперсные системы, в которых концентрация дисперсной фазы относительно высока по сравнению с ее небольшой концентрацией в суспензиях. Такие дисперсные системы называют пастами. Например, вам хорошо известные из повседневной жизни зубные, косметические, гигиенические и др.
Аэрозоли - это грубодисперсные системы, в которых дисперсионной средой является воздух, а дисперсной фазой могут быть капельки жидкости (облака, радуга, выпущенный из баллончика лак для волос или дезодорант) или частицы твердого вещества (пылевое облако, смерч)
Коллоидные системы - в них размеры коллоидных частиц достигают до 100 нм. Такие частицы легко проникают через поры бумажных фильтров, однако не проникают через поры биологических мембран растений и животных. Поскольку коллоидные частицы (мицеллы) имеют электрозаряд и сольватные ионные оболочки, благодаря которым они остаются во взвешенном состоянии, они достаточно продолжительное время могут не выпадать в осадок. Ярким примером коллоидной системы являются растворы желатина, альбумина, гуммиарабика, коллоидные растворы золота и серебра.
Коллоидные системы занимают промежуточное положение между грубодисперсными системами и истинными растворами. Они широко распространены в природе. Почва, глина, природные воды, многие минералы, в том числе и некоторые драгоценные камни, - все это коллоидные системы.
Различают две группы коллоидных растворов: жидкие (коллоидные растворы - золи) и гелеобразные (студни - гели).
Большинство биологических жидкостей клетки (уже упомянутые цитоплазма, ядерный сок - кариоплазма, содержимое вакуолей) и живого организма в целом являются коллоидными растворами (золями). Все процессы жизнедеятельности, которые происходят в живых организмах, связаны с коллоидным состоянием материи. В каждой живой клетке биополимеры (нуклеиновые кислоты, белки, гикозаминогликаны, гликоген) находятся в виде дисперсных систем.
Гели - это коллоидные системы, в которых частицы дисперсной фазы образуют пространственную структуру.
Гели могут быть: пищевые - мармелад, зефир, холодец, желе; биологические- хрящи, сухожилия, волосы, мышечная и нервные ткани, тела медуз; косметические- гели для душа, крема; медицинские- лекарства, мази; минеральные - жемчуг, опал, сердолик, халцедон.
Большое значение имеют коллоидные системы для биологии и медицины. В состав любого живого организма входят твердые, жидкие и газообразные вещества, находящиеся в сложном взаимоотношении с окружающей средой. С химической точки зрения организм в целом - это сложнейшая совокупность многих коллоидных систем.
Биологические жидкости (кровь, плазма, лимфа, спинномозговая жидкость и др.) представляют собой коллоидные системы, в которых такие органические соединения, как белки, холестерин, гликоген и многие другие, находятся в коллоидном состоянии. Почему же именно ему природа отдает такое предпочтение? Эта особенность связана, в первую очередь, с тем, что вещество в коллоидном состоянии имеет большую поверхность раздела между фазами, что способствует лучшему протеканию реакций обмена веществ.
Примеры природных и искусственных дисперсных систем. Минералы и горные породы как природные смеси
Вся окружающая нас природа - организмы животных и растений, гидросфера и атмосфера, земная кора и недра представляют собой сложную совокупность множества разнообразных и разнотипных грубодисперсных и коллоидных систем. Облака нашей планеты представляют собой такие же живые сущности, как вся природа, которая нас окружает. Они имеют огромное значение для Земли, так как являются информационными каналами. Ведь облака состоят из капиллярной субстанции воды, а вода, как известно, очень хороший накопитель информации. Круговорот воды в природе приводит к тому, что информация о состоянии планеты и настроении людей накапливается в атмосфере, и вместе с облаками передвигается по всему пространству Земли. Удивительное творение природы- облака, которое доставляет человеку радость, эстетическое удовольствие и просто желание иногда посмотреть на небо.
Туман тоже может быть примером природной дисперсной системы, скопление воды в воздухе, когда образуются мельчайшие продукты конденсации водяного пара (при температуре воздуха выше?10° -- мельчайшие капельки воды, при?10..?15° -- смесь капелек воды и кристалликов льда, при температуре ниже?15° -- кристаллики льда, сверкающие в солнечных лучах или в свете луны и фонарей). Относительная влажность воздуха при туманах обычно близка к 100 % (по крайней мере, превышает 85-90 %). Однако в сильные морозы (?30° и ниже) в населённых пунктах, на железнодорожных станциях и аэродромах туманы могут наблюдаться при любой относительной влажности воздуха (даже менее 50 %) -- за счёт конденсации водяного пара, образующегося при сгорании топлива (в двигателях, печах и т. п.) и выбрасываемого в атмосферу через выхлопные трубы и дымоходы.
Непрерывная продолжительность туманов составляет обычно от нескольких часов (а иногда полчаса-час) до нескольких суток, особенно в холодный период года.
Туманы препятствуют нормальной работе всех видов транспорта (особенно авиации), поэтому прогноз туманов имеет большое народно-хозяйственное значение.
Примером сложной дисперсной системы может служить молоко, основными составными частями которого (не считая воды) являются жир, казеин и молочный сахар. Жир находится в виде эмульсии и при стоянии молока постепенно поднимается кверху (сливки). Казеин содержится в виде коллоидного раствора и самопроизвольно не выделяется, но легко может быть осаждён (в виде творога) при подкислении молока, наприм., уксусом. В естественных условиях выделение казеина происходит при скисании молока. Наконец, молочный сахар находится в виде молекулярного раствора и выделяется лишь при испарении воды.
Многие газы, жидкости и твердые вещества растворяются в воде. Сахар и поваренная соль легко растворяются в воде; углекислый газ, аммиак и многие другие вещества, сталкиваясь с водой, переходят в раствор и теряют свое предыдущее агрегатное состояние. Растворенное вещество определенным способом можно выделить из раствора. Если выпарить раствор поваренной соли, то соль остается в виде твердых кристаллов.
При растворении веществ в воде (или ином растворителе) образуется однородная (гомогенная) система. Таким образом, раствором называется гомогенная система, состоящая из двух или более компонентов. Растворы могут быть жидкими, твердыми и газообразными. К жидким растворам относятся, например, раствор сахара или поваренной соли в воде, спирта в воде и тому подобное. К твердым растворам одного металла в другом относятся сплавы: латунь -- это сплав меди и цинка, бронза -- сплав меди и олова и тому подобное. Газообразным веществом является воздух или вообще любая смесь газов.
Чистые вещества в природе встречаются очень редко. Смеси разных веществ в различных агрегатных состояниях могут образовывать гетерогенные и гомогенные системы - дисперсные системы и растворы.
То вещество, которое присутствует в меньшем количестве и распределено в объеме другого, называют дисперсной фазой. Она может состоять из нескольких веществ.
Вещество, присутствующее в большем количестве, в объеме которого распределена дисперсная фаза, называют дисперсионной средой. Между ней и частицами дисперсной фазы существует поверхность раздела, поэтому дисперсные системы называют гетерогенными (неоднородными).
И дисперсионную среду, и дисперсную фазу могут представлять вещества, находящиеся в различных агрегатных состояниях - твердом, жидком и газообразном.
В зависимости от сочетания агрегатного состояния дисперсионной среды и дисперсной фазы можно выделить 8 видов таких систем (табл. 11).
Таблица 11
Примеры дисперсных систем
По величине частиц веществ, составляющих дисперсную фазу, дисперсные системы делят на грубодисперсные (взвеси) с размерами частиц более 100 нм и тонкодисперсные (коллоидные растворы или коллоидные системы) с размерами частиц от 100 до 1 нм. Если же вещество раздроблено до молекул или ионов размером менее 1 нм, образуется гомогенная система - раствор. Она однородна (гомогенна), поверхности раздела между частицами дисперсной фазы и средой нет.
Уже беглое знакомство с дисперсными системами и растворами показывает, насколько они важны в повседневной жизни и в природе (см. табл. 11).
Судите сами: без нильского ила не состоялась бы великая цивилизация Древнего Египта; без воды, воздуха, горных пород и минералов вообще бы не существовала живая планета - наш общий дом - Земля; без клеток не было бы живых организмов и т. д.
Классификация дисперсных систем и растворов представлена на схеме 2.
Схема 2
Классификация дисперсных систем и растворов
Взвеси
Взвеси - это дисперсные системы, в которых размер частиц фазы более 100 нм. Это непрозрачные системы, отдельные частицы которых можно заметить невооруженным глазом. Дисперсная фаза и дисперсионная среда легко разделяются отстаиванием. Такие системы разделяют на три группы:
- эмульсии (и среда, и фаза - нерастворимые друг в друге жидкости). Это хорошо известные вам молоко, лимфа, водоэмульсионные краски и т. д.;
- суспензии (среда - жидкость, а фаза - нерастворимое в ней твердое вещество). Это строительные растворы (например, «известковое молоко» для побелки), взвешенный в воде речной и морской ил, живая взвесь микроскопических живых организмов в морской воде - планктон, которым питаются гиганты киты, и т. д.;
- аэрозоли - взвеси в газе (например, в воздухе) мелких частиц жидкостей или твердых веществ. Различают пыли, дымы, туманы. Первые два вида аэрозолей представляют собой взвеси твердых частиц в газе (более крупные частицы в пылях), последний - взвесь мелких капелек жидкости в газе. Например, природные аэрозоли: туман, грозовые тучи - взвесь в воздухе капелек воды, дым - мелких твердых частиц. А смог, висящий над крупнейшими городами мира, также аэрозоль с твердой и жидкой дисперсной фазой. Жители населенных пунктов вблизи цементных заводов страдают от всегда висящей в воздухе тончайшей цементной пыли, образующейся при размоле цементного сырья и продукта его обжига - клинкера. Аналогичные вредные аэрозоли - пыли - имеются и в городах с металлургическими производствами. Дым заводских труб, смоги, мельчайшие капельки слюны, вылетающие изо рта больного гриппом, также вредные аэрозоли.
Аэрозоли играют важную роль в природе, быту и производственной деятельности человека. Скопления облаков, обработка полей химикатами, нанесение лакокрасочных покрытий при помощи пульверизатора, распыление топлива, выработка сухих молочных продуктов, лечение дыхательных путей (ингаляция) - примеры тех явлений и процессов, где аэрозоли приносят пользу.
Аэрозоли - туманы над морским прибоем, вблизи водопадов и фонтанов, возникающая в них радуга доставляет человеку радость, эстетическое удовольствие.
Для химии наибольшее значение имеют дисперсные системы, в которых средой является вода.
Коллоидные системы
Коллоидные системы - это такие дисперсные системы, в которых размер частиц фазы от 100 до 1 нм. Эти частицы не видны невооруженным глазом, и дисперсная фаза и дисперсионная среда в таких системах отстаиванием разделяются с трудом.
Их подразделяют на золи (коллоидные растворы) и гели (студни).
1. Коллоидные растворы , или золи . Это большинство жидкостей живой клетки (цитоплазма, ядерный сок - кариоплазма, содержимое органоидов и вакуолей) и живого организма в целом (кровь, лимфа, тканевая жидкость, пищеварительные соки, гуморальные жидкости и т. д.). Такие системы образуют клеи, крахмал, белки, некоторые полимеры.
Коллоидные растворы могут быть получены в результате химических реакций; например, при взаимодействии растворов силикатов калия или натрия («растворимого стекла») с растворами кислот образуется коллоидный раствор кремниевой кислоты. Золь образуется и при гидролизе хлорида железа (III) в горячей воде. Коллоидные растворы внешне похожи на истинные растворы. Их отличают от последних по образующейся «светящейся дорожке» - конусу при пропускании через них луча света. Это явление называют эффектом Тиндаля. Более крупные, чем в истинном растворе, частицы дисперсной фазы золя отражают свет от своей поверхности, и наблюдатель видит в сосуде с коллоидным раствором светящийся конус. В истинном растворе он не образуется. Аналогичный эффект, но только для аэрозольного, а не жидкого коллоида, вы можете наблюдать в кинотеатрах при прохождении луча света от киноаппарата через воздух кинозала.
Частицы дисперсной фазы коллоидных растворов нередко не оседают даже при длительном хранении из-за непрерывных соударений с молекулами растворителя за счет теплового движения. Они не слипаются и при сближении друг с другом из-за наличия на их поверхности одноименных электрических зарядов. Но при определенных условиях может происходить процесс коагуляции.
Коагуляция - явление слипания коллоидных частиц и выпадения их в осадок - наблюдается при нейтрализации зарядов этих частиц, когда в коллоидный раствор добавляют электролит. При этом раствор превращается в суспензию или гель. Некоторые органические коллоиды коагулируют при нагревании (клей, яичный белок) или при изменении кислотно-щелочной среды раствора.
2. Вторая подгруппа коллоидных систем - это гели , или студни у представляющие собой студенистые осадки, образующиеся при коагуляции золей. К ним относят большое количество полимерных гелей, столь хорошо известные вам кондитерские, косметические и медицинские гели (желатин, холодец, желе, мармелад, торт-суфле «Птичье молоко») и конечно же бесконечное множество природных гелей: минералы (опал), тела медуз, хрящи, сухожилия, волосы, мышечная и нервная ткани и т. д. Историю развития жизни на Земле можно одновременно считать историей эволюции коллоидного состояния вещества. Со временем структура гелей нарушается - из них выделяется вода. Это явление называют синерезисом.