§ 11. Дисперсные системы

Определения и обозначения

Дисперсная система — неоднородная система, состоящая из дисперсной фазы и дисперсионной среды. В отличие от неё истинный раствор однороден: растворённое вещество распределено на уровне отдельных молекул или ионов. Это различие помогает понять, почему некоторые смеси рассеивают свет и могут расслаиваться.

Дисперсная фаза — измельчённое вещество, частицы которого распределены в другом веществе. Иными словами, это распределённая часть смеси, а не обязательно та, которой в ней меньше. Определив фазу, можно установить, какие именно частицы дают смеси её свойства.

Дисперсионная среда — непрерывная среда, в которой распределены частицы дисперсной фазы. Она окружает эти частицы и может быть газом, жидкостью или твёрдым веществом. Различение фазы и среды нужно, чтобы правильно назвать тип системы.

Коллоидный раствор — дисперсная система с промежуточным размером частиц, обычно проявляющая устойчивость и светорассеяние. Частицы коллоида крупнее молекул в истинном растворе, но обычно не видны невооружённым глазом. Это понятие выделяет системы со свойствами между истинными растворами и грубыми смесями.

Как это устроено

Чтобы получить дисперсную систему, одно вещество дробится на мелкие частицы и распределяется в другом, которое образует среду. Дробление увеличивает площадь поверхности вещества, соприкасающейся со средой, поэтому свойства смеси начинают зависеть от этой границы. Фаза и среда могут быть в разных агрегатных состояниях: например, твёрдые частицы могут находиться в газе, а капли жидкости — в другой жидкости. Если вещества смешиваются на молекулярном уровне, получается истинный раствор, а не дисперсная система с отдельными частицами фазы.

Размер частиц определяет, насколько система однородна на вид и как она ведёт себя со временем. В истинных растворах частицы настолько малы, что смесь выглядит однородной; коллоидные занимают промежуточное положение, а в грубодисперсных частиц достаточно велики, чтобы их обнаружить или заметить помутнение. Чем крупнее частицы, тем сильнее на них действует тяжесть и тем вероятнее их оседание. Поэтому разные по размеру частицы требуют разных способов разделения.

Коллоидные частицы не сразу оседают, поскольку их беспорядочно толкают молекулы среды. Это непрерывное хаотическое движение называют броуновским; оно помогает удерживать мелкие частицы во взвешенном состоянии, хотя не исключает оседания при длительном хранении. Крупные частицы грубодисперсной системы обычно быстрее оседают и могут задерживаться обычным фильтром. Частицы истинного раствора проходят сквозь такой фильтр вместе с жидкостью, а коллоидные частицы, как правило, тоже проходят через его поры.

Коллоид рассеивает свет, потому что его частицы по размеру способны заметно взаимодействовать с лучом. Если направить луч через коллоид, его путь можно увидеть сбоку: это эффект Тиндаля. В истинном растворе частицы настолько малы, что видимого рассеяния обычно не возникает, и луч сбоку не различим. Такой опыт позволяет отличить коллоид от истинного раствора, хотя сам по себе не показывает состав смеси.

Названия многих систем связаны с тем, какие агрегатные состояния имеют фаза и среда. Суспензия — твёрдые частицы в жидкости, эмульсия — капли одной жидкости в другой; туман представляет собой капли жидкости в газе, а дым — твёрдые частицы в газе. В пене газ распределён пузырьками в жидкости, тогда как в геле частицы образуют пространственную структуру, удерживающую среду. Чтобы назвать систему, нужно выяснить не только состояния компонентов, но и то, какой из них распределён в другом.

Классификация дисперсных систем и их свойства

Сравнивайте системы прежде всего по размеру частиц, а затем проверяйте, как это сказывается на оседании, светорассеянии и фильтровании. Значения в таблице описывают типичные свойства: результат разделения зависит также от фильтра и конкретного вещества.

Разбор задач

Молоко

Задача. Определить дисперсную фазу, дисперсионную среду и тип системы в молоке. Жир в молоке находится в виде мелких капель, распределённых в водной части, поэтому важно сначала сравнить агрегатные состояния этих компонентов. Не следует считать молоко истинным раствором только потому, что его капли не видны глазом.

1. Выделяем распределённый компонент: это капли жира, то есть жидкость.
2. Определяем непрерывную часть: водная часть молока окружает капли и служит дисперсионной средой.
3. Сравниваем состояния: жидкость распределена в жидкости, значит, система относится к эмульсиям.

Ответ: дисперсная фаза — капли жира, среда — водная часть; молоко представляет собой эмульсию. В реальном молоке присутствуют и другие вещества, но для определения основного типа системы достаточно рассмотреть распределённые жировые капли.

Смеси вокруг нас

Задача. Распределить туман, дым, мутную воду, сливки и взбитые сливки по типам дисперсных систем. Сначала для каждого примера определяем, что именно распределено и в какой среде; затем используем агрегатные состояния. Такой порядок не позволяет перепутать системы, которые просто выглядят похожими.

1. В тумане капли жидкости находятся в газе, поэтому это аэрозоль.
2. В дыме твёрдые частицы распределены в газе; это тоже аэрозоль, но с твёрдой фазой.
3. В мутной воде твёрдые частицы распределены в жидкости, следовательно, это суспензия.
4. Сливки содержат капли жира в водной части, поэтому относятся к эмульсиям.
5. Во взбитых сливках пузырьки газа распределены в жидкости; это пена.

Ответ: туман и дым — аэрозоли, мутная вода — суспензия, сливки — эмульсия, взбитые сливки — пена. Для каждого названия решающим было сочетание фазы и среды, а не общий вид смеси.

Смесь из четырёх компонентов

Задача. Предложить способ разделения смеси воды, поваренной соли, песка и растительного масла. Нужно сохранить вещества и учитывать, что масло с водой не смешивается, песок не растворяется, а соль растворена в воде. Поэтому разделение проводят последовательно, снимая компоненты разными методами.

1. Оставляем смесь отстояться: масло образует верхний слой, поскольку не смешивается с водой и имеет меньшую плотность.
2. Отделяем масло делительной воронкой или аккуратно сливаем верхний слой.
3. Фильтруем оставшуюся смесь: песок задерживается фильтром, а раствор соли проходит.
4. Выпариваем воду из фильтрата, чтобы получить поваренную соль; если нужно сохранить воду, вместо простого выпаривания используют перегонку.

Ответ: масло отделяют отстаиванием, песок — фильтрованием, соль — выпариванием воды. Последовательность важна: если начать выпаривать сразу, разделение остальных компонентов станет сложнее.

Типичные ошибки

Ошибка — называть раствором любую неоднородную смесь. Её допускают, потому что в быту раствором часто называют почти любую жидкую смесь; однако истинный раствор однороден, а распределённые частицы фазы относятся к дисперсной системе. Проверьте себя: можно ли выделить отдельную фазу или наблюдать помутнение?

Ошибка — путать фазу со средой, принимая фазой вещество, которого больше. Так бывает, если ориентироваться только на количество компонентов, а не на их роль. Фаза распределена в виде частиц, а среда непрерывна; мысленно спросите, что окружает частицы.

Ошибка — считать, что фильтр отделяет любые частицы. Это заблуждение возникает из опыта с песком и мутной водой, но размеры частиц бывают разными: молекулы истинного раствора проходят через обычный фильтр, как правило, проходят и коллоидные частицы. Перед выбором метода выясните, к какому типу относится система.

Ошибка — определять вид системы только по агрегатному состоянию смеси, не указывая фазу и среду. Например, слово «жидкость» не объясняет, являются ли сливки эмульсией, а молоко — каким компонентом представлена фаза. Для проверки назовите оба компонента по роли и только после этого классифицируйте систему.

Связь с другими темами

Для изучения дисперсных систем нужны знания об агрегатных состояниях, смесях, растворах и способах разделения веществ. Эта тема помогает понимать, почему природная вода бывает мутной, как устроены пищевые продукты и каким образом очищают воздух. Она связана с адсорбцией и поверхностными явлениями: свойства частиц зависят от их границы со средой. Дисперсные системы встречаются и в биологических жидкостях, поэтому понятие важно не только для химии, но и для понимания процессов в организме.

Что запомнить

• Дисперсная система состоит из дисперсной фазы и дисперсионной среды.
• Фаза распределена в среде в виде частиц.
• Главный признак классификации дисперсных систем — размер частиц.
• Коллоидные системы занимают промежуточное положение между истинными растворами и грубодисперсными системами.
• Коллоидные частицы рассеивают свет и участвуют в броуновском движении.
• Суспензия — твёрдое вещество в жидкости, эмульсия — жидкость в жидкости.
• Аэрозоли, пены и гели также являются дисперсными системами.