§ 11. Дисперсные системы

Определения и обозначения

Дисперсная система — система, в которой частицы одного вещества распределены в другом веществе. Она неоднородна: в ней можно выделить распределённые частицы и окружающую их среду, хотя глаз не всегда различает отдельные части. Понятие помогает описывать смеси, свойства которых зависят от размера частиц.

Дисперсная фаза — раздробленное вещество, частицы которого распределены в системе. Фаза может состоять из твёрдых частиц, капель жидкости или пузырьков газа. Чтобы определить её, нужно спросить, какое именно вещество распределено в другом.

Дисперсионная среда — вещество, в котором распределена дисперсная фаза. Она обычно образует непрерывную часть системы, внутри которой находятся частицы фазы. Разделение на фазу и среду позволяет правильно описать состав смеси и установить тип дисперсной системы.

Коллоидный раствор — дисперсная система с частицами промежуточного размера между частицами истинных растворов и грубодисперсных систем. Такие частицы часто невозможно увидеть невооружённым глазом, но они влияют на прохождение света и могут участвовать в броуновском движении. Поэтому внешняя прозрачность сама по себе не доказывает, что перед нами истинный раствор.

Как это устроено

Чтобы получить дисперсную систему, вещество сначала измельчают или разделяют на небольшие частицы, а затем распределяют в другом веществе. Чем мельче частицы и равномернее они смешаны со средой, тем меньше система похожа на отдельные крупные кусочки или слои. Например, мел, размешанный в воде, остаётся в виде твёрдых частиц, распределённых в жидкости. Измельчение не обязательно означает растворение: частицы могут сохранять собственное вещество и состав.

Внешний вид системы зависит от агрегатного состояния фазы и среды, потому что газ, жидкость и твёрдое вещество образуют разные по строению смеси. Если газ распределён в жидкости, получаются пузырьки пены; если капли жидкости распределены в газе, возникает туман. Частицы или капли, распределённые в газе, относят к аэрозолям. Поэтому для распознавания системы нужно сначала определить состояние обоих компонентов, а не ориентироваться только на её название или цвет.

Истинные растворы, коллоидные растворы и грубодисперсные системы различаются прежде всего размером частиц. В истинном растворе частицы настолько малы, что смесь выглядит однородной и не разделяется отстаиванием. Коллоидные частицы крупнее, но обычно остаются распределёнными достаточно долго; их присутствие выдают, например, рассеяние света и движение частиц. В грубодисперсной системе частицы крупнее и могут быть заметны или оседать под действием силы тяжести.

Коллоидные частицы рассеивают свет, потому что их размер позволяет взаимодействовать с проходящими световыми волнами и менять направление их распространения. Если направить в коллоид узкий пучок света, часть света рассеется в стороны и попадёт в глаза наблюдателя. Поэтому становится виден путь пучка — световой конус, или эффект Тиндаля. В истинном растворе частицы обычно слишком малы, чтобы дать такой заметный эффект при тех же условиях.

Коллоидные частицы непрерывно и беспорядочно движутся, поскольку молекулы среды ударяют по ним с разных сторон. Эти удары не вполне одинаковы в каждый момент, поэтому частицы меняют направление; такое движение называют броуновским. Если условия способствуют сближению частиц, они слипаются в более крупные образования — происходит коагуляция. Укрупнённые частицы могут выпадать в осадок, поэтому система мутнеет или разделяется на части.

Основные типы дисперсных систем

Сначала выясните, каковы агрегатные состояния фазы и среды, а затем сопоставьте их с типом системы. Размер частиц и их способность оседать помогают отличить истинный раствор от коллоида и грубой смеси. Примеры в таблице показывают типичные, но не единственно возможные случаи.

Разбор задач

Задача 1. В системе «мел в воде» определите дисперсную фазу и дисперсионную среду. Не следует считать, что любая жидкость обязательно является фазой: нужно выяснить, какое вещество раздроблено, а в каком оно распределено. Запишите названия компонентов вместе с их ролями.

1. Установите, что именно находится в виде отдельных частиц: мел — твёрдое вещество, не растворившееся в воде.
2. Определите, в чём распределены эти частицы: окружающая их вода образует жидкую среду.
3. Сопоставьте результат с определениями фазы и среды, не меняя роли компонентов местами.

Ответ: мел — дисперсная фаза, вода — дисперсионная среда. Это грубодисперсная система, поскольку частицы мела достаточно крупные и могут оседать. Именно способность частиц отделяться помогает отличить такую смесь от истинного раствора.

Задача 2. Классифицируйте туман, молоко и мутную воду по типу дисперсной системы. Для каждого примера определите дисперсную фазу и среду, а затем сравните агрегатные состояния компонентов. Такой порядок рассуждения позволяет не путать названия систем, даже если их внешний вид похож.

1. В тумане жидкие капли воды распределены в газе, поэтому это аэрозоль типа «жидкость в газе».
2. В молоке капли жидкости распределены в другой жидкости, поэтому его относят к эмульсиям.
3. В мутной воде твёрдые частицы распределены в жидкости, поэтому это суспензия.

Ответ: туман — аэрозоль, молоко — эмульсия, мутная вода — суспензия. Во всех трёх случаях важно назвать не только внешне заметную среду, но и состояние дисперсной фазы. Мутная вода и туман могут казаться похожими из-за рассеяния света, однако фаза в них разная.

Задача 3. Коллоидный раствор освещают узким пучком света, а затем добавляют электролит — вещество, дающее в растворе ионы. Объясните, почему сначала становится виден световой конус и что может произойти после добавления электролита. Разделите наблюдения по времени: до добавления и после него.

1. До добавления электролита коллоидные частицы рассеивают свет, поэтому его путь виден сбоку; это эффект Тиндаля.
2. Ионы электролита могут уменьшить устойчивость коллоидной системы, из-за чего частицы начинают объединяться.
3. При коагуляции образуются более крупные частицы; если они достаточно велики, то оседают и появляется осадок.

Ответ: световой конус виден из-за рассеяния света коллоидными частицами. После добавления электролита может начаться коагуляция, а укрупнённые частицы способны выпасть в осадок. Это не растворение частиц, а их объединение.

Типичные ошибки

Называть дисперсионной средой раздробленное вещество — значит поменять роли компонентов местами. Так ошибаются, если принимают слово «среда» за любой компонент, в котором заметно изменение. Проверьте себя вопросом: что распределено в системе, а в чём оно находится? Первое — фаза, второе — среда.

Считать любой прозрачный раствор истинным — ненадёжный способ классификации. Коллоидные частицы могут быть слишком малы, чтобы их увидеть, но при этом рассеивать свет. Ошибка возникает, когда прозрачность принимают за доказательство однородности на уровне частиц. Проверьте раствор узким лучом: видимый сбоку световой путь указывает на эффект Тиндаля.

Путать туман и пар — значит смешивать капли жидкости с газообразным веществом. Туман состоит из мелких капель воды в газе, а пар представляет собой газообразную воду и не является взвесью капель. Такое смешение возникает из-за того, что оба явления связаны с водой в воздухе. Чтобы проверить себя, спросите, есть ли в системе отдельная жидкая фаза.

Считать коагуляцию растворением частиц — противоположная трактовка процесса. При растворении вещество распределяется на частицы молекулярного или ионного уровня, а при коагуляции коллоидные частицы объединяются и укрупняются. Ошибку допускают, если замечают исчезновение устойчивой мутности и принимают его за растворение. Проверьте, не образовались ли хлопья или осадок: это признаки коагуляции.

Связь с другими темами

Для изучения дисперсных систем нужны представления об агрегатных состояниях веществ, смесях и растворах, а также о различии однородных и неоднородных систем. Эти знания помогают понять, почему компоненты смеси могут сохранять собственные свойства и по-разному распределяться. К теме возвращаются при изучении растворов и способов очистки воды, например при удалении взвешенных частиц. Она также связана со свойствами материалов и процессами в живых организмах, где многие среды имеют сложное дисперсное строение.

Что запомнить

• Дисперсная система состоит из дисперсной фазы и дисперсионной среды.
• Тип системы зависит от агрегатных состояний фазы и среды.
• Истинные растворы, коллоидные растворы и грубодисперсные системы различаются размером частиц.
• Коллоидные частицы рассеивают свет; это проявление эффекта Тиндаля.
• Броуновское движение — беспорядочное движение частиц под ударами молекул среды.
• Коагуляция — укрупнение коллоидных частиц вследствие их объединения.