Дисперсные системы. Способы выражения состава растворов

ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ. ИСТИННЫЕ РАСТВОРЫЧистые вещества встречаются достаточно редко. Строго говоря, абсолютно чистых веществ в природе не существует. Как бы мы ни старались очистить, например, воду, она будет содержать примеси других веществ, в частности растворенных в ней газов. Сверхчистый кремний применяют в электронной технике, его удается очистить до невероятной степени чистоты: 99,9999999999 % основного вещества. Однако 1,0• 10-10% все же приходится на примеси.
Дисперсными системами называют гетерогенные смеси, в которых одно вещество в виде очень мелких частиц равномерно распределено в другом.
Вещество, которое распределено в объеме другого, называют дисперсной фазой. Вещество, в котором содержится дисперсная фаза, носит название дисперсионной среды.
В зависимости от агрегатного состояния дисперсной фазы и дисперсионной среды различают несколько типов дисперсных систем (табл.).
По размеру частиц дисперсной фазы различают грубодисперсные системы (взвеси) с частицами размером более 100 нм и тонкодисперсные (коллоидные системы, или коллоиды) с частицами размером от 1 до 100 нм.
Дисперсионная среда Дисперсная фаза Название дисперсной системы Примеры дисперсных систем
Газ Жидкость Аэрозоль Туман, облака, облачко, выпущенное из аэрозольного баллончика
Твердое
вещество Аэрозоль Дым, смог, пыль в воздухе
Жидкость Газ Пена Газированные напитки, взбитые сливки
Жидкость Эмульсия Молоко, майонез, жидкие средь организма (плазма крови, лимфа), жидкое содержимое клеток (цитоплазма, кариоплазма)Твердое
вещество Золь, суспензия Речной и морской ил, строительные растворы, пасты
Твердое
вещество Газ Твердая
пена Керамика, пенопласты, полиуретан, поролон, пористый шоколад
Жидкость Гель Желе, желатин, косметические (тушь, помада) и медицинские (мази, гели, линименты — жидкие мази) средства Твердое
вещество Твердый
золь Горные породы, цветные стекла, некоторые сплавы
Грубодисперсные системыВзаимодействием раствора гидроксида кальция с углекислым газом можно получить грубодисперсную систему:
Са(ОН)2 + СО2 = CaCО3 + Н2О
Малорастворимый карбонат кальция в виде мельчайших крупинок находится в воде во взвешенном состоянии. Полученная мутная жидкость — это дисперсная система, называемая суспензией.
Однако пройдет немного времени, и частицы карбоната кальция под действием силы тяжести осядут на дно стакана, жидкость станет прозрачной. Это веское доказательство того, что наша система получилась грубодисперсной. Грубодисперсные системы с твердой дисперсной фазой и жидкой дисперсионной средой называют суспензиями.
Суспензиями являются многие краски, побелка, строительные растворы (цементный раствор, бетон), пасты (в том числе зубная), кремы, мази. Грубодисперсную систему можно получить из двух несмешивающихся друг с другом жидкостей, подобно тому, как взбалтывают растительное масло с водой. Такую смесь называют эмульсией. Со временем она расслоится, так как тоже представляет собой грубодисперсную систему. Примерами эмульсий могут служить молоко (капельки жира в водной основе), майонез, млечный сок каучуконосных деревьев (латекс), пестицидные препараты для обработки посевов, некоторые лекарственные и косметические средства.
Коллоидные системыЕсли частицы дисперсной фазы достаточно малы, коллоидная система называется тонкодисперсной и напоминает истинный раствор, отсюда и происходит название — коллоидный раствор. Такая система образуется, например, при растворении небольшого количества яичного белка в воде. Важнейшими типами коллоидных систем являются золи и гели (студни).
Золи — это коллоидные системы, в которых дисперсионной средой является жидкость, дисперсной фазой твердое вещество. С течением времени при нагревании или под действием электролитов частицы золя могут укрупняться и оседать. Такой процесс называют коагуляцией.
Гели — особое студнеобразное коллоидное состояние. При этом отдельные частицы золя связываются друг с другом, образуя сплошную пространственную сетку. Внутрь ячеек сетки попадают частицы растворителя. Дисперсная система теряет свою текучесть, превращаясь в желеобразное состояние. При нагревании гель может превратиться в золь.
Получить гель можно химическим путем. К раствору сульфата меди (II) добавьте несколько капель раствора гидроксида натрия. Образуется гель осадка гидроксида меди(П):
CuSО4 + 2NaOH = Cu(OH)2 + Na2SО4
Осадки гидроксидов металлов, кремниевой кислоты принято называть студневидными.
Гели широко распространены в нашей повседневной жизни. Любому известны пищевые гели (зефир, мармелад, холодец), косметические (гель для душа), медицинские. Однако немногие знают, что хрящи, сухожилия, волосы представляют собой биологические гели, а опал, сердолик, халцедон — минеральные.
Для гелей с жидкой дисперсионной средой характерно явление синерезиса (или расслоения) — самопроизвольного выделения жидкости. При этом частицы дисперсной фазы уплотняются, слипаются и образуют твердый коллоид, а к дисперсионная среде возвращается текучесть.Чаще всего с явлением синерезиса приходится бороться, поскольку именно оно ограничивает сроки годности пищевых, косметических, медицинских гелей. Например, при длительном хранении мармелад и суфле выделяют жидкость, становятся непригодными к употреблению. Однако в некоторых случаях синерезис — великое благо. Благодаря биологическому синерезису мы наблюдаем такое явление, как свертывание крови, суть которого состоит в превращении растворимого белка фибриногена в нерастворимый фибрин.
Из твердого коллоида желатины (продукта белкового происхождения) при набухании в теплой воде образуется студнеобразный гель — желе. Но в кулинарных рецептах всегда предупреждают: нельзя доводить желе до кипения, иначе гель превратится в золь и не примет своей студнеобразной формы.
Окружающий нас мир представляет собой многообразие различных дисперсных систем. Посмотрим вокруг. Косметика и средства гигиены: зубная паста, мыло, шампунь, лак для ногтей, губная помада, тушь, крем, облачка дезодоранта, выпущенное из баллончика, — все это дисперсные системы. Теперь заглянем на кухню. Молоко, мясной бульон, пирожное, зефир, майонез, кетчуп — тоже представляют собой разнообразные дисперсные системы. Вышли на улицу, и снова окунулись в мир дисперсных систем: облака, дым, смог, туман. Заглянули в аптеку и опять попали в калейдоскоп дисперсных систем: мази, гели, пасты, спреи, сусспензии. Даже собственный организм представляет собой сочетание бесчисленного множества коллоидных систем: содержимое клетки, кровь, лимфа, пищеварительный сок, тканевые жидкости. Недаром биологи сходятся во мнении, что жизнь на на! шей планете представляет собой эволюцию коллоидных систем.
Истинные растворыПомимо коллоидных существуют растворы истинные. В них растворенное вещество присутствует в виде самых маленьких частиц, на которое оно способно распадаться: молекул или ионов – растворами называют гомогенные (однородные) смеси, состоящие из двух или более компонентов.
Наиболее важную роль в природе, технике, производстве, в повседневной жизни играют растворы веществ в воде.
Как правило, если одним из компонентов раствора является вода, ее и называют растворителем, остальные компоненты растворенными веществами.
Растворимость в воде газообразных веществ существенно различается. Например, кислород, водород, азот, углекислый газ растворяются плохо, поэтому их можно собирать в сосуд метолом вытеснения воды. Тем не менее именно растворенным в воде кислородом дышат все водные обитатели. Газообразный хлороводород хорошо растворим в воде, такой раствор называют соляной кислотой. Примером хорошо растворимого в воде газа может служить аммиак (его раствор называют водным аммиаком, или нашатырным спиртом).
Бензин, растительное масло, ртуть в воде практически не растворяются. Серная кислота, уксусная кислота, ацетон — примеры жидкостей, которые в воде растворяются неограниченно.
Среди твердых веществ также есть практически нерастворимые: это хлорид серебра(I), оксид кремния(IV), золото. Напротив, сахар, поваренная соль, нитрат серебра(I) в воде растворяются хорошо.
Растворимость веществ зависит от природы вещества и растворителя, температуры, давления (для газообразных веществ) и других факторов.
При увеличении температуры растворимость газов уменьшается. Это легко обнаружить при нагревании воды в кастрюле: по мере увеличения температуры (еще ниже температуры кипения) на стенках появляются маленькие пузырьки воздуха. Чтобы удалить из воды значительную часть растворенных газов, ее кипятят. Растворимость в воде жидкостей и твердых веществ с повышением температуры, как правило, увеличивается.
Чем больше давление, тем выше растворимость газов в воде. Каждый знает, что при открывании бутылки или банки с газированным напитком давление внутри резко падает, и углекислый газ в виде пузырьков, а порой и пены вырывается из раствора на свободу.
Содержание растворенного вещества в растворе называют концентрацией. Помимо качественной оценки (концентрированный или разбавленный растворы) существуют строгие количественные характеристики.
На этикетках разнообразных растворов, используемых в быту можно прочитать указание на содержание растворенного вещества; например, уксусная кислота 70 %, настойка иода 5 %, нашатырный спирт 25 %. Это один из самых распространенных способов выражения концентрации растворов, который называют массовой долей растворенного вещества.
Массовой долей вещества в растворе (ω) называют отношение массы растворенного вещества (mp.в) к массе растора (mp-ра):
%
Массовую долю вещества выражают в процентах (от 0 до 100 % или долях единицы (от 0 до 1).Очевидно, что масса раствора складывается из массы растворителя и массы всех растворенных веществ. Если растворенное вещество только одно, то справедливо уравнение
m(раствора) = m(вещество) + m(растворитель).
Отмерять жидкости взвешиванием не очень удобно, гораздо проще брать нужный объем. Чтобы рассчитать массу т известно го объема V раствора, необходимо знать его плотность ρ:
m(раствора) = V (раствора)•ρ