Die meisten Substanzen um uns herum sind Mischungen verschiedener Substanzen, daher spielt die Untersuchung ihrer Eigenschaften eine wichtige Rolle in der Entwicklung der Chemie, Medizin, Lebensmittelindustrie und anderer Wirtschaftszweige. Der Artikel diskutiert die Frage, was der Streuungsgrad ist und wie er die Eigenschaften des Systems beeinflusst.
Was sind disperse Systeme?
Bevor der Grad der Dispersion diskutiert wird, muss geklärt werden, auf welche Systeme dieses Konzept angewendet werden kann.
Stellen wir uns vor, wir haben zwei verschiedene Stoffe, die sich in der chemischen Zusammensetzung voneinander unterscheiden können, zum Beispiel Kochsalz und reines Wasser, oder im Aggregatzustand, zum Beispiel dasselbe Wasser in Flüssigkeit und Feststoff (Eis) Staaten. Jetzt müssen Sie diese beiden Substanzen einnehmen und mischen und intensiv mischen. Was wird das Ergebnis sein? Es hängt davon ab, ob die chemische Reaktion während des Mischens stattgefunden hat oder nicht. Wenn man von dispergierten Systemen spricht, wird angenommen, dass, wenn siebei der Formation findet keine Reaktion statt, d. h. die Ausgangsstoffe beh alten ihre Struktur auf Mikroebene und ihre inhärenten physikalischen Eigenschaften wie Dichte, Farbe, elektrische Leitfähigkeit und andere.
Ein disperses System ist also ein mechanisches Gemisch, bei dem zwei oder mehr Stoffe miteinander vermischt werden. Wenn es gebildet wird, werden die Begriffe "Dispersionsmedium" und "Phase" verwendet. Der erste hat die Eigenschaft der Kontinuität innerhalb des Systems und findet sich in der Regel in relativ großem Umfang darin. Die zweite (disperse Phase) ist durch die Eigenschaft der Diskontinuität gekennzeichnet, d. h. sie liegt im System in Form kleiner Partikel vor, die durch die sie vom Medium trennende Oberfläche begrenzt sind.
Homogene und heterogene Systeme
Es ist klar, dass sich diese beiden Komponenten des dispergierten Systems in ihren physikalischen Eigenschaften unterscheiden werden. Wenn Sie beispielsweise Sand ins Wasser werfen und umrühren, ist klar, dass sich die im Wasser vorhandenen Sandkörner, deren chemische Formel SiO2 lautet, nicht unterscheiden werden in keiner Weise vom Zustand, als sie nicht im Wasser waren. In solchen Fällen spricht man von Heterogenität. Mit anderen Worten, ein heterogenes System ist eine Mischung aus mehreren (zwei oder mehr) Phasen. Letzteres wird als ein endliches Volumen des Systems verstanden, das durch bestimmte Eigenschaften gekennzeichnet ist. Im obigen Beispiel haben wir zwei Phasen: Sand und Wasser.
Allerdings kann die Größe der Partikel der dispergierten Phase, wenn sie in irgendeinem Medium gelöst werden, so klein werden, dass sie ihre individuellen Eigenschaften nicht mehr zeigen. In diesem Fall spricht man vonhomogene oder homogene Substanzen. Obwohl sie mehrere Komponenten enth alten, bilden sie alle über das gesamte Volumen des Systems eine Phase. Ein Beispiel für ein homogenes System ist eine Lösung von NaCl in Wasser. Wenn es sich auflöst, zerfällt der NaCl-Kristall aufgrund der Wechselwirkung mit den polaren Molekülen H2O in separate Kationen (Na+) und Anionen (Cl-). Sie werden homogen mit Wasser gemischt, und es ist nicht mehr möglich, die Grenzfläche zwischen dem gelösten Stoff und dem Lösungsmittel in einem solchen System zu finden.
Partikelgröße
Wie hoch ist der Streuungsgrad? Dieser Wert muss genauer betrachtet werden. Was stellt sie dar? Sie ist umgekehrt proportional zur Teilchengröße der dispergierten Phase. Diese Eigenschaft liegt der Einstufung aller betrachteten Stoffe zugrunde.
Beim Studium disperser Systeme geraten Studierende oft in deren Namen in Verwirrung, weil sie glauben, dass deren Klassifikation auch auf dem Aggregatzustand beruht. Das ist nicht wahr. Gemische unterschiedlicher Aggregatzustände haben wirklich unterschiedliche Namen, Emulsionen sind beispielsweise Wasserstoffe, und Aerosole lassen bereits die Existenz einer Gasphase vermuten. Die Eigenschaften disperser Systeme hängen jedoch hauptsächlich von der Teilchengröße der darin gelösten Phase ab.
Allgemein anerkannte Klassifizierung
Einteilung disperser Systeme nach dem Dispersionsgrad ist nachfolgend angegeben:
- Wenn die bedingte Partikelgröße kleiner als 1 nm ist, werden solche Systeme als echte oder wahre Lösungen bezeichnet.
- Liegt die bedingte Partikelgröße zwischen 1 nm und100 nm, dann spricht man von einer kolloidalen Lösung.
- Wenn die Partikel größer als 100 nm sind, dann spricht man von Suspensionen oder Suspensionen.
Im Hinblick auf die obige Klassifizierung stellen wir zwei Punkte klar: Erstens sind die angegebenen Zahlen indikativ, dh ein System, in dem die Partikelgröße 3 nm beträgt, ist nicht unbedingt ein Kolloid, es kann auch ein wahres sein Lösung. Dies kann durch Untersuchung seiner physikalischen Eigenschaften festgestellt werden. Zweitens stellen Sie möglicherweise fest, dass die Liste den Ausdruck „bedingte Größe“verwendet. Dies liegt daran, dass die Form der Partikel im System völlig beliebig sein kann und im Allgemeinen eine komplexe Geometrie aufweist. Daher sprechen sie von einer durchschnittlichen (bedingten) Größe von ihnen.
Später in diesem Artikel werden wir eine kurze Beschreibung der genannten Arten von dispersen Systemen geben.
Wahre Lösungen
Wie oben erwähnt, ist der Dispersionsgrad von Partikeln in realen Lösungen so hoch (ihre Größe ist sehr klein, < 1 nm), dass es keine Grenzfläche zwischen ihnen und dem Lösungsmittel (Medium) gibt ist ein einphasiges homogenes System. Der Vollständigkeit halber sei daran erinnert, dass die Größe eines Atoms in der Größenordnung von einem Angström (0,1 nm) liegt. Die letzte Zahl gibt an, dass die Teilchen in echten Lösungen atomar groß sind.
Die Haupteigenschaften echter Lösungen, die sie von Kolloiden und Suspensionen unterscheiden, sind folgende:
- Der Zustand der Lösung bleibt beliebig lange unverändert bestehen, d.h. es bildet sich kein Niederschlag der dispergierten Phase.
- Aufgelöstdie Substanz kann nicht durch Filtration durch Normalpapier vom Lösungsmittel getrennt werden.
- Auch bei der Passage durch die poröse Membran, die in der Chemie als Dialyse bezeichnet wird, wird die Substanz nicht abgetrennt.
- Es ist nur möglich, einen gelösten Stoff von einem Lösungsmittel zu trennen, indem man den Aggregatzustand des letzteren verändert, beispielsweise durch Verdampfung.
- Für ideale Lösungen kann eine Elektrolyse durchgeführt werden, d.h. es kann ein elektrischer Strom fließen, wenn eine Potentialdifferenz (zwei Elektroden) an das System angelegt wird.
- Sie streuen kein Licht.
Ein Beispiel für echte Lösungen ist das Mischen verschiedener Salze mit Wasser, zB NaCl (Kochsalz), NaHCO3 (Backpulver), KNO 3(Kaliumnitrat) und andere.
Kolloidlösungen
Dies sind Zwischensysteme zwischen realen Lösungen und Suspensionen. Sie haben jedoch eine Reihe einzigartiger Eigenschaften. Lassen Sie uns sie auflisten:
- Sie sind beliebig lange mechanisch stabil, wenn sich die Umgebungsbedingungen nicht ändern. Es genügt, das System zu erhitzen oder seinen Säuregrad (pH-Wert) zu verändern, da das Kolloid koaguliert (ausfällt).
- Sie werden nicht mit Filterpapier getrennt, jedoch führt der Dialyseprozess zur Trennung der dispergierten Phase und des Mediums.
- Wie echte Lösungen können sie elektrolysiert werden.
- Für transparente kolloidale Systeme ist der sogenannte Tyndall-Effekt charakteristisch: Leitet man einen Lichtstrahl durch dieses System, kann man es sehen. Es ist verbunden mitStreuung elektromagnetischer Wellen im sichtbaren Teil des Spektrums in alle Richtungen.
- Fähigkeit, andere Substanzen zu adsorbieren.
Kolloidale Systeme werden aufgrund der aufgeführten Eigenschaften vom Menschen in verschiedenen Tätigkeitsbereichen (Lebensmittelindustrie, Chemie) eingesetzt und kommen auch häufig in der Natur vor. Ein Beispiel für ein Kolloid ist Butter, Mayonnaise. In der Natur sind das Nebel, Wolken.
Bevor wir zur Beschreibung der letzten (dritten) Klasse disperser Systeme übergehen, wollen wir einige der genannten Eigenschaften von Kolloiden näher erläutern.
Was sind kolloidale Lösungen?
Für diese Art von dispersen Systemen kann die Einteilung unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Aggregatzustände des Mediums und der darin gelösten Phase erfolgen. Unten ist die entsprechende Tabelle/
| Mittwoch/Phase | Gas | Flüssigkeit | Starrer Körper |
| Gas | alle Gase sind ineinander unendlich löslich, bilden also immer echte Lösungen | Aerosol (Nebel, Wolken) | Aerosol (Rauch) |
| flüssig | Schaum (Rasieren, Schlagsahne) | Emulsion (Milch, Mayonnaise, Soße) | sol (Aquarelle) |
| Festkörper | Schaum (Bimsstein, Schaumschokolade) | Gel (Gelatine, Käse) | sol (Rubinkristall, Granit) |
Die Tabelle zeigt, dass kolloidale Substanzen überall vorhanden sind, sowohl im Alltag als auch in der Natur. Beachten Sie, dass eine ähnliche Tabelle auch für Aufhängungen angegeben werden kann, wobei daran zu denken ist, dass der Unterschied mitKolloide in ihnen ist nur in der Größe der dispergierten Phase. Allerdings sind Suspensionen mechanisch instabil und daher von geringerem praktischem Interesse als kolloidale Systeme.
Der Grund für die mechanische Stabilität von Kolloiden
Warum Mayonnaise lange im Kühlschrank liegen kann und Schwebstoffe darin nicht ausfallen? Warum „fallen“im Wasser gelöste Farbpartikel nicht irgendwann auf den Gefäßboden? Die Antwort auf diese Fragen wird die Brownsche Bewegung sein.
Diese Art der Bewegung wurde in der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts von dem englischen Botaniker Robert Brown entdeckt, der unter einem Mikroskop beobachtete, wie sich kleine Pollenpartikel im Wasser bewegen. Aus physikalischer Sicht ist die Brownsche Bewegung eine Manifestation der chaotischen Bewegung flüssiger Moleküle. Seine Intensität nimmt zu, wenn die Temperatur der Flüssigkeit erhöht wird. Es ist diese Art von Bewegung, die dazu führt, dass kleine Partikel kolloidaler Lösungen in Suspension sind.
Adsorptionseigenschaft
Dispersität ist der Kehrwert der durchschnittlichen Partikelgröße. Da diese Größe bei Kolloiden im Bereich von 1 nm bis 100 nm liegt, haben sie eine sehr ausgeprägte Oberfläche, d.h. das Verhältnis S/m ist ein großer Wert, hier ist S die gesamte Grenzfläche zwischen den beiden Phasen (Dispersionsmedium und Partikel), m - Gesamtmasse der Partikel in Lösung.
Atome, die sich auf der Oberfläche der Partikel der dispersen Phase befinden, haben ungesättigte chemische Bindungen. Das bedeutet, dass sie mit anderen Verbindungen eingehen könnenMoleküle. In der Regel entstehen diese Verbindungen aufgrund von Van-der-Waals-Kräften oder Wasserstoffbrückenbindungen. Sie sind in der Lage, mehrere Schichten von Molekülen auf der Oberfläche kolloidaler Partikel zu h alten.
Ein klassisches Beispiel für ein Adsorptionsmittel ist Aktivkohle. Es ist ein Kolloid, bei dem das Dispersionsmedium ein Feststoff und die Phase ein Gas ist. Die spezifische Oberfläche dafür kann 2500 m2/g.
erreichen.
Feinheitsgrad und spezifische Oberfläche
Die Berechnung von S/m ist keine leichte Aufgabe. Tatsache ist, dass die Partikel in einer kolloidalen Lösung unterschiedliche Größen und Formen haben und die Oberfläche jedes Partikels ein einzigartiges Relief aufweist. Daher führen theoretische Methoden zur Lösung dieses Problems zu qualitativen und nicht zu quantitativen Ergebnissen. Dennoch ist es sinnvoll, aus dem Dispersionsgrad die Formel für die spezifische Oberfläche anzugeben.
Wenn wir davon ausgehen, dass alle Teilchen des Systems kugelförmig und gleich groß sind, dann ergibt sich durch einfache Rechnung folgender Ausdruck: Sud=6/(dρ), wobei Sud - Oberfläche (spezifisch), d - Partikeldurchmesser, ρ - Dichte der Substanz, aus der sie besteht. Aus der Formel ist ersichtlich, dass die kleinsten und schwersten Partikel am meisten zur betrachteten Menge beitragen.
Der experimentelle Weg zur Bestimmung von Sud ist die Berechnung des Gasvolumens, das von der zu untersuchenden Substanz adsorbiert wird, sowie die Messung der Porengröße (disperse Phase) darin.
Gefriertrocknung undlyophob
Lyophilie und Lyophobie - das sind die Eigenschaften, die tatsächlich die Existenz der Klassifikation disperser Systeme in der oben angegebenen Form bestimmen. Beide Konzepte charakterisieren die Kraftbindung zwischen den Molekülen des Lösungsmittels und des gelösten Stoffes. Ist dieses Verhältnis groß, spricht man von Lyophilie. Alle echten Lösungen von Salzen in Wasser sind also lyophil, da ihre Teilchen (Ionen) elektrisch mit polaren Molekülen H2O verbunden sind. Betrachten wir solche Systeme wie Butter oder Mayonnaise, dann sind dies Vertreter typischer hydrophober Kolloide, da in ihnen Fett-(Lipid-)Moleküle polare Moleküle abstoßen H2O.
Es ist wichtig zu beachten, dass lyophobe (hydrophobe, wenn das Lösungsmittel Wasser ist) Systeme thermodynamisch instabil sind, was sie von lyophilen unterscheidet.
Eigenschaften von Suspensionen
Betrachten Sie nun die letzte Klasse disperser Systeme - Suspensionen. Es sei daran erinnert, dass sie dadurch gekennzeichnet sind, dass das kleinste Teilchen in ihnen größer als oder in der Größenordnung von 100 nm ist. Welche Eigenschaften haben sie? Die entsprechende Liste ist unten angegeben:
- Sie sind mechanisch instabil und bilden daher in kurzer Zeit Sedimente.
- Sie sind wolkig und lichtundurchlässig.
- Phase kann mit Filterpapier vom Medium getrennt werden.
Beispiele für Suspensionen in der Natur sind schlammiges Wasser in Flüssen oder Vulkanasche. Die Verwendung von Suspensionen durch den Menschen ist damit verbundenmeist mit Medikamenten (Medikamentenlösungen).
Gerinnung
Was lässt sich über Stoffgemische mit unterschiedlichem Dispersionsgrad sagen? Teilweise wurde diese Problematik bereits im Artikel behandelt, da in jedem dispersen System die Partikelgröße innerhalb gewisser Grenzen liegt. Hier betrachten wir nur einen merkwürdigen Fall. Was passiert, wenn Sie ein Kolloid und eine echte Elektrolytlösung mischen? Das gewichtete System wird gebrochen und seine Koagulation wird auftreten. Ihr Grund liegt im Einfluss der elektrischen Felder der wahren Lösungsionen auf die Oberflächenladung kolloidaler Teilchen.
