Дисперсные системы и коллоидные растворы
Прозрачный раствор соли, мутная вода с глиной, молоко и туман выглядят по-разному, но во всех случаях частицы одного вещества распределены среди частиц другого. Размер этих частиц, их состояние и взаимодействие со средой определяют свойства смеси. Для таких систем используют понятия дисперсной фазы и дисперсионной среды.
Фаза и среда
Дисперсная система содержит частицы или области одной фазы, распределённые в другой — дисперсионной среде. Распределённые капли, пузырьки или твёрдые частицы образуют дисперсную фазу.
В суспензии мела в воде дисперсная фаза твёрдая, а среда жидкая. В тумане капельки жидкой воды находятся в газообразной среде — воздухе. Состояние среды и частиц нужно устанавливать отдельно: слово «жидкость» не описывает всю систему достаточно точно.
Однородный раствор соли не имеет отдельных кристалликов соли как второй фазы: ионы распределены в воде. Для начального сравнения растворы, коллоидные и грубодисперсные смеси часто располагают в одном ряду по размеру частиц, но их внутреннее строение различается.
Размеры частиц и три вида смесей
| Система | Устройство | Характерные свойства |
|---|---|---|
| Истинный раствор малых молекул или ионов | Частицы обычно меньше примерно 1 нм | Однороден; растворённое вещество не оседает и проходит через обычный бумажный фильтр |
| Коллоидная система | Характерный размер частиц примерно от 1 нм до 1 мкм хотя бы в одном направлении | Частицы могут рассеивать свет и долго сохраняться распределёнными в среде |
| Грубодисперсная система | Более крупные частицы или капли, часто больше примерно 1 мкм | Нередко оседает или расслаивается; многие твёрдые частицы можно задержать фильтром |
Нанометр — миллиардная доля метра, микрометр — миллионная. Для сравнения размеров:
1 нм = 10−9 м; 1 мкм = 10−6 м = 1000 нм.
Коллоидный размер — приблизительный диапазон, а не резкая граница. Реальные смеси могут содержать частицы разных размеров; растворы крупных молекул и сложные природные системы требуют дополнительных уточнений.
В разных школьных пособиях границы коллоидного диапазона немного различаются. Здесь использован ориентир IUPAC: примерно 1–1000 нм. Нельзя по одному пограничному числу без сведений о строении и свойствах окончательно классифицировать сложный материал.
Название «коллоидный раствор» распространено, но не делает такую систему обычным молекулярным раствором. Многие коллоидные системы кажутся однородными глазу, хотя на уровне частиц имеют неоднородное строение и развитую границу раздела фаз.
Суспензии, эмульсии, аэрозоли и пены
| Название | Дисперсная фаза | Среда | Пример |
|---|---|---|---|
| Суспензия | Твёрдые частицы | Жидкость | Мел или крупные частицы глины в воде |
| Эмульсия | Капли жидкости | Другая жидкость | Капли жира в водной части молока |
| Аэрозоль | Твёрдые частицы или капли | Газ | Дым, пыль, туман |
| Пена | Пузырьки газа | Жидкость или твёрдое тело | Мыльная пена, некоторые пористые материалы |
Эти названия описывают сочетание фаз, а не строго единственный размер. Эмульсия может содержать и коллоидные, и более крупные капли. Жидкий золь — распространённое название коллоидной дисперсии, например мельчайших твёрдых частиц в жидкости. Гель отличается наличием пространственной структуры, удерживающей жидкость.
Смесь двух обычных газов, например N2 и O2, не образует капель одной газовой фазы в другой: это однородная газовая смесь. Воздух становится аэрозолем, когда в нём находятся отдельные частицы пыли или капли.
Свет, движение и устойчивость
Эффект Тиндаля — рассеяние света коллоидными частицами, благодаря которому путь пучка может быть заметен сбоку. Это рассеяние, а не свечение вещества после поглощения света. Крупная пыль тоже рассеивает свет, поэтому видимый пучок сам по себе не доказывает строго коллоидный размер частиц.
Броуновское движение — беспорядочное движение мелких частиц вследствие неуравновешенных ударов молекул среды. Оно связано с тепловым движением, а не с живой природой частиц. Вместе с другими факторами оно помогает мелким частицам долго оставаться распределёнными.
При адсорбции частицы вещества накапливаются на поверхности другого вещества. У мелких частиц большая суммарная поверхность, поэтому поверхностные взаимодействия особенно существенны для коллоидов. Адсорбцию на поверхности отличают от поглощения вещества всем объёмом материала.
Длительная устойчивость коллоида не означает вечной неизменности. При коагуляции частицы объединяются в более крупные агрегаты; система может помутнеть, дать осадок или расслоиться. Результат зависит от состава среды и поверхности частиц.
Некоторые эмульсии стабилизируют вещества-эмульгаторы: они располагаются на границе жидкостей и затрудняют слияние капель. Стабилизатор не обязательно превращает масло в отдельные растворённые молекулы — он может лишь поддерживать его в виде мелких капель.
Три разобранных ситуации
1. Почему молоко белое и не является чистым веществом
Молоко содержит воду, растворённые вещества, капли жира и белковые структуры. Капли и частицы рассеивают свет, создавая белую непрозрачность. Видимая равномерность не означает молекулярной однородности. Это сложная многокомпонентная система, которую нельзя полностью описать одной формулой вещества или единственным размером частиц.
2. Туман и водяной пар
Водяной пар — газообразная вода, смешанная с воздухом на молекулярном уровне; сам по себе он невидим. Белая взвесь над охлаждающимся влажным воздухом состоит из капель воды. Туман поэтому относится к аэрозолям «жидкость в газе». При укрупнении капель их способность оседать возрастает.
3. Соль и глина в воде
Растворённая соль проходит через обычный бумажный фильтр вместе с водой. Достаточно крупные частицы глины задерживаются или постепенно оседают. Очень мелкая коллоидная часть может сохраняться и после обычной фильтрации. Поэтому один и тот же способ разделения имеет разные возможности для частиц разных размеров.
Частые ошибки
- Считать любую прозрачную или одинаковую на вид смесь чистым веществом.
- Называть водяной пар белыми каплями тумана.
- Принимать любую эмульсию за молекулярный раствор масла.
- Считать границы размеров абсолютно точными для всех материалов.
- Ожидать, что бумажный фильтр удалит из воды и соль, и любую коллоидную частицу.
Проверьте себя
- Укажите дисперсную фазу и среду в тумане.
- Доказывает ли одинаковый белый цвет молока, что оно однородно на молекулярном уровне?
- Достаточно ли заметного светового пучка, чтобы отличить коллоид от крупной пыли?
- Что вызывает броуновское движение?
- Условные частицы имеют размеры 0,5 нм, 50 нм и 5 мкм. С какими диапазонами их сопоставляют в приведённой школьной схеме?
Ответы с объяснениями
Фаза — капли жидкой воды, среда — воздух. Следовательно, туман является жидким аэрозолем.
Нет. В молоке есть капли жира и белковые структуры; рассеяние света скрывает их отдельность для невооружённого глаза.
Нет. Свет рассеивают и коллоидные, и более крупные частицы. Нужны дополнительные сведения о размере, оседании и строении системы.
Неравномерные удары движущихся молекул среды по маленькой частице. Это проявление теплового движения.
0,5 нм соответствует масштабу малых молекул или ионов истинного раствора; 50 нм попадает в принятый коллоидный диапазон. Переведём последний размер:
5 мкм = 5000 нм.
Это характерный грубодисперсный размер. Классификация здесь условная: в реальном материале проверяют также его устройство.
Связанные темы
Соединения и смеси, вода и растворимость, электролиты.
Источники
Размерный ориентир и термины: IUPAC, Colloidal. Свойства, типы систем и стабилизация эмульсий: OpenStax, Colloids.