§ 5. Поняття про дисперсні системи

ПОНЯТТЯ ПРО СИСТЕМИ. Ви вже знаєте, що системою називають єдине ціле, утворене з окремих частин (компонентів). Якщо систему позбавити однієї із частин, то вона втратить цілісність. Розрізняють природні та штучні системи. Прикладами природних систем є клітина, організм, екосистеми (ліс, водойма). До штучних систем належать автомобіль, годинник, сад, акваріум тощо.

З попереднього параграфа ви дізналися про поділ систем на гомогенні та гетерогенні, а також про те, що істинні розчини — це гомогенні системи.

Кожному з вас доводилося бачити струмки каламутної дощової води. Істинним чи колоїдним розчином дощову воду не назвеш, тому що в ній добре видно частинки глини або чорнозему. Відтак каламутна дощова вода — це гетерогенна система.

Настав час дізнатися більше про дисперсні системи — так у природничих науках називають особливий вид систем, які трапляються в природі, а також створюються людьми.

ДИСПЕРСНІ СИСТЕМИ ТА ЇХНІЙ СКЛАД. Тверда речовина може утворювати велику грудку чи бути подрібненою (порошок, пил). Гази можуть бути подрібненими до пухирців, а рідини — до крапель.

Подрібнений стан речовини називають дисперсним, тому терміни «дисперсний», «дисперсні» використовують для характеристики дуже дрібних частинок, що рівномірно розподілені в однорідному середовищі.

Дисперсні системи — це гетерогенні системи, що складаються з двох або більше фаз (компонентів), між якими є поверхня поділу.

Для дисперсних систем більш прийнятним є термін «фаза» замість «компонент». Фази дисперсних систем мають назви дисперсна фаза та дисперсійне середовище.

Речовина, якої більше у складі дисперсної системи, утворює суцільне дисперсійне середовище. А рівномірно розподілені в його об’ємі тверді частинки, краплі чи пухирці іншої речовини називають дисперсною фазою.

Дисперсійне середовище — речовина, вміст якої в дисперсній системі більший. Дисперсна фаза — речовина з меншим вмістом у дисперсній системі. Дисперсійне середовище та дисперсна фаза можуть перебувати в однаковому або різних агрегатних станах.

Одним з різновидів дисперсних систем є колоїдні розчини. Наприклад, у крохмальному клейстері частинки крохмалю є дисперсною фазою, а вода — дисперсійним середовищем.

Колоїдні розчини належать до дрібнодисперсних систем, тому що чіткої поверхні поділу між фазами немає. А от каламутна дощова вода належить до грубодисперсних систем. Розміри частинок дисперсної фази таких систем становлять 10 -5 – 10 -7 м, що дозволяє побачити їх неозброєним оком або ж за допомогою оптичних приладів. Так, розглядаючи молоко у світловий мікроскоп, можна побачити краплини жиру (мал. 9).

Мал. 9. Молоко під мікроскопом

Як уже зазначалось, у грубодисперсних системах дисперсна фаза та дисперсійне середовище можуть перебувати в різних агрегатних станах. Наприклад, у каламутній воді, що містить глину, дисперсійне середовище утворює вода, а тверді частинки глини є дисперсною фазою. У тумані дисперсійне середовище — повітря (газ), а дисперсна фаза — дрібні краплі води. У молоці частинки жиру є дисперсною фазою, а вода — дисперсійним середовищем. До дисперсних систем належать також дим, хмари, зубна паста, бетон, гума, пінопласт, кольорове скло та інші.

Як бачимо, дисперсні системи досить різноманітні, їх поділяють на суспензії, емульсії й аерозолі.

Суспензії — це грубодисперсні системи, у яких дисперсною фазою є тверда речовина, а дисперсійним середовищем — рідина.

У суспензіях тверда речовина практично нерозчинна в рідині, її частинки затримуються паперовим фільтром. Цим можна скористатися, щоб розпізнати суспензію та виділити з неї дисперсну фазу.

Щоб приготувати суспензію, треба тверду речовину подрібнити до дрібнозернистого порошку, всипати в рідину, у якій ця речовина не розчиняється, і добре збовтати. На промислових підприємствах це здійснюють на спеціальному обладнанні. Із часом частинки дисперсної фази опускаються на дно посудини (вода + глина) або спливають на поверхню рідини (вода + тирса). Однак рідина ще кілька днів може залишатись каламутною, оскільки деякі тверді частинки надалі перебуватимуть у товщі рідкого дисперсійного середовища. Цілком очевидно: що дрібніші частинки дисперсної фази, то довше зберігатиметься суспензія.

Прикладами суспензії є малярські фарби, пасти для чищення посуду, косметичні маски та скраби тощо.

Аерозолі — штучно виготовлені дисперсні системи з газоподібним дисперсійним середовищем.

Це добре відомі вам лак для волосся, антистатики, дезодоранти тощо.

Емульсії — дисперсні системи, у яких дисперсна фаза й дисперсійне середовище перебувають у рідкому агрегатному стані.

До емульсій належать молоко, шампуні, креми для обличчя, деякі рідкі ліки, соки рослин, нафта.

Приклади різних дисперсних систем зображено на малюнку 10.

Мал. 10. Приклади дисперсних систем: а — туман; б — дим; в — хмари; г — пінопласт; д — аерозолі; е — зубна паста

Поміркуйте й назвіть, які речовини в зображених на малюнку 10 прикладах дисперсних систем є дисперсною фазою, а які — дисперсійним середовищем.

Взаємна нерозчинність рідин, з яких утворена емульсія, є обов’язковою умовою її утворення. Емульсії одержують струшуванням, енергійним перемішуванням, дією ультразвуку, а також витискуванням рідини через отвори малого діаметра. Щоб з води та олії приготувати емульсію, речовини слід довго збовтувати. Значно швидше утворення емульсії відбудеться в міксері.

Емульсії відіграють важливу роль у житті людини. Засвоєння жирів в організмі відбувається через емульгування під впливом жовчі. Молоко, яєчний білок, вершки, сметана — це також емульсії, які добре засвоюються організмом людини. Виготовлення вершкового масла, майонезу, йогуртів, дитячого харчування — це лише окремі приклади практичного застосування знань про дисперсні системи.

На схемі 10 подано класифікацію дисперсних систем, а в дужках зазначено розміри частинок дисперсної фази в нанометрах (1 нм = 10 -9 м).

Схема 10. Класифікація дисперсних систем за розміром частинок дисперсної фази

Узагальнити матеріал параграфа вам допоможе таблиця 3.

Деякі характеристики та приклади гетерогенних систем

Дисперсна фаза

Дисперсійне середовище

Приклади

Розділ 1. Розчини

Майже всі хімічні процеси, які трапляються в природі — в організмах тварин, у рослинах або в земній корі, де життя неможливе. відбуваються в розчині.

Вільгельм Оствальд, лауреат Нобелівської премії

§ 3. Поняття про дисперсні системи. Колоїдні та істинні розчини

У цьому параграфі ви дізнаєтеся:

• що таке дисперсні системи та їхні складові;
• що таке розчинник і розчинена речовина;
• чим суспензії відрізняються від емульсій;
• якими бувають розчини.

Поняття про дисперсні системи. Дисперсною називають систему, коли в об’ємі однієї речовини розподілено достатньо подрібнених частинок інших речовин.

Речовину, у якій розподілена інша речовина, називають дисперсійним середовищем, або розчинником, а ту, що розподіляється, — дисперсною фазою, або розчиненою речовиною. Якщо обидва компоненти в чистому вигляді мають однаковий агрегатний стан, то середовищем називають той з них, який узято в більшій кількості. Наприклад, у розчині кухонної солі у воді останню розглядають як розчинник, а кухонну сіль — як розчинену речовину, оскільки її взято в меншій кількості.

Властивість різних речовин розчинятися в інших речовинах виражена не однаковою мірою. Одні речовини можуть розчинятися одна в одній безмежно (наприклад, вода й етиловий спирт), інші — лише в обмежених кількостях (наприклад, алюміній хлорид у воді).

Властивості розчинів, у першу чергу їхня стійкість, залежать від розмірів розподілених частинок. Через це розрізняють грубодисперсні системи (суспензії, емульсії), колоїдні та істинні розчини (схема 8).

Суспензії (від латин. суспензіо — «підвішування») — це системи, у яких дрібні частинки твердої речовини рівномірно розподілено між молекулами рідкого дисперсійного середовища (цементні розчини, емалеві фарби, мутна глиниста вода).

Емульсії — це системи з рідким дисперсійним середовищем і рідкою дисперсною фазою (бітумні матеріали, емульсійні фарби, лікарські та косметичні засоби, харчові продукти). Термін походить від латинського дієслова, що означає «доїти», оскільки однією з перших вивчених емульсій було молоко.

У суспензіях та емульсіях розміри частинок дисперсної фази досить значні: 10 -5 -10 -7 м. Тому грубодисперсні системи є нестійкими: із часом їхні частинки або осідають під дією сили тяжіння, або спливають на поверхню — залежно від співвідношення густини дисперсійного середовища та дисперсної фази.

Якщо ця різниця незначна, то частинки осідають або спливають дуже повільно. Такі суспензії іноді називають зависями (рис. 5).

Рис. 5. Борошно, зависле у воді, має блакитне забарвлення. Цей ефект пояснюють тим, що синє світло розсіюється частинками борошна сильніше, ніж червоне. Розмір частинок борошна вищого ґатунку становить 3-4 · 10 -5 м

Демонстраційний дослід

• Приготування суспензії крейди у воді

У фарфоровій ступці ретельно розтирають шматочок крейди до стану тонкого порошку. Вносять в пробірку один мікрошпатель одержаного порошку, доливають 3-4 мл дистильованої води й декілька разів енергійно збовтують вміст пробірки. Частинки крейди розподіляються практично рівномірно в усьому об’ємі розчину. Поміщають пробірку в штатив: декілька хвилин відбувається розшаровування приготованої суспензії.

• Приготування емульсії олії у воді

У три пробірки наливають воду до половини їхнього об’єму. У першу додають 8-10 крапель олії (або рідкого машинного масла), закривають пробірку пробкою, декілька разів енергійно збовтують й ставлять у штатив. У другу пробірку додають п’ять крапель розчину мила з масовою часткою 2 % та 8-10 крапель олії, також енергійно збовтують вміст пробірки й ставлять у штатив. У третю пробірку насипають три мікрошпателі натрій тетраборату декагідрату (бури) Na₂B₄O₇ · 10H₂O, збовтують до повного розчинення солі, додають 8-10 крапель олії, енергійно збовтують (2-3 хв) і ставлять у штатив. У яких пробірках спостерігається швидке розшарування емульсії? Який висновок можна зробити про стійкість емульсій в інших пробірках? Яку роль відіграють мило та бура? Поясніть їхній вплив на стабільність емульсії.

Колоїдні та істинні розчини. Якщо розміри частинок розподіленої речовини менші за 10 -9 м, то система є стійкою і не розшаровується під час тривалого стояння. Такі системи називають істинними, або молекулярними, розчинами. Їхні частинки не можна виявити оптичними методами. Через це істинні розчини вважають однорідними системами.

Проміжними між істинними розчинами та грубодисперсними системами (зависями) є тонкодисперсні системи, або колоїдні розчини (з грец. кола — клей, ейдос — вид, тобто «клеєподібні»). Це такі дисперсні системи, у яких розміри розподілених частинок знаходяться між розмірами частинок зависей та істинних розчинів. Розмір частинок колоїдних розчинів становить 10 -7 -10 -9 м. Такі частинки не можна побачити неозброєним оком, однак їх можна роздивитися в розчині за допомогою ультрамікроскопа: промені світла відбиваються від колоїдних частинок, заломлюються й стають видимими. Отже, тонкодисперсні системи належать до неоднорідних.

Дисперсна фаза та дисперсійне середовище відстоюванням розділяються досить повільно.

Для допитливих

Прикладом складної дисперсної системи є молоко (рис. 6), складові якого — вода, жир, казеїн і молочний цукор. Жир перебуває у вигляді емульсії. Під час стояння молока він поступово спливає на поверхню, таким чином утворюючи вершки. Казеїн міститься у молоці у вигляді колоїдного розчину й самочинно не виділяється. Однак його легко можна осадити у вигляді сиру, підкисливши молоко, наприклад оцтом. У природних умовах казеїн виділяється в результаті скисання молока. Нарешті, молочний цукор перебуває у вигляді молекулярного розчину, виділити його можна лише в результаті випаровування води.

Рис. 6. Молоко здається нам однорідною рідиною, коли ми розглядаємо його неозброєним оком (а). Якщо ж краплю молока помістити під мікроскоп, добре видно краплинки молочного жиру (б)

Експериментуємо вдома

Приготування страв на основі колоїдних розчинів

• Приготування желе: 400 г цукру, 0,25 чайної ложки оцтової есенції, 2 склянки води, лимонна кислота на кінчику чайної ложки. Для приготування желе використовують желатин. Це — білковий матеріал з M_r = 50-70 тис. Желатин утворюється під час довготривалої лужної обробці кісток, хрящів, сухожилля з подальшою екстракцією водою за температури 50-100 °C. Властивість желатину набувати драглистої консистенції використовують у харчовій промисловості та для виготовлення фотоплівки. Добре промийте в холодній проточній воді та замочіть (1 частина желатину на 13-15 частин води). Через 2-3 години надлишок води злийте. Зваріть сироп (співвідношення цукру та води — 1 : 1), охолодіть до 60 °С. До сиропу додайте набухлий желатин, розмішайте та пропустіть крізь сито з невеликими розмірами отворів. Якщо желатин погано розчинився, підігрійте суміш, безперервно перемішуючи. Розлийте по формочках і поставте в холодильник (рис. 7).

Рис. 7. Желе — харчовий колоїдний розчин

• Приготування киселю: на 1 кг густого киселю необхідно взяти 70 г крохмалю, середньої густоти — 40 г, рідкого — 30 г. (В 1 чайній ложці міститься 10 г крохмалю.)

Перед заварюванням крохмаль розводять холодною кип’яченою водою або соком із розрахунку одна частина крохмалю на чотири частини рідини. Рідкі киселі, а також киселі середньої густоти після сполучення з крохмалем не кип’ятять, а лише доводять до кипіння, оскільки під час тривалого нагрівання кисіль втрачає характерну консистенцію.

Приготуємо рідкий яблучний кисіль.

Візьміть 3 яблука, 0,5 склянки цукрового піску, 3 чайні ложки (30 г) крохмалю, лимонну кислоту на кінчику чайної ложки та 4 склянки води. Яблука наріжте, залийте гарячою водою та варіть протягом 15-25 хв. Процідіть відвар крізь сито з отворами маленького діаметра. Розварені яблука протріть, додайте до відвару. Насипте лимонну кислоту і цукор, розмішайте, нагрійте до кипіння. У гарячий сироп влийте розведений питною водою крохмаль, розмішайте, доведіть до кипіння, розлийте в порційний посуд та охолодіть.

Основні поняття. Дисперсні системи. Дисперсна фаза. Дисперсійне середовище. Суспензія. Емульсія. Колоїдний розчин. Істинний розчин.

Запитання та завдання

• 1. Які системи називають дисперсними?
• 2. Який компонент дисперсної системи називають дисперсійним середовищем? дисперсною фазою?
• 3. Що таке зависі? колоїдні розчини? істинні розчини? Яка із цих дисперсних систем є найстійкішою?
• 4. Істинним називають розчин, розмір частинок розчиненої речовини в якому:

а) менший від 10 -9 м;

• 5. Який розмір частинок має бути в дисперсній системі, щоб її можна було віднести до колоїдних розчинів?
• 6. Яку дисперсну систему називають суспензією? емульсією? Чим вони відрізняються?