§ 10. Дисперсные системы. Коллоидные растворы

Определения и обозначения

Дисперсная система — смесь, в которой частицы одного вещества распределены в другом веществе. Слово «дисперсный» указывает на раздробленность: вещество не обязательно растворено на уровне отдельных молекул, оно может присутствовать в виде частиц. Понятие нужно, чтобы описывать растворы, туман, молоко и другие смеси общим способом. Их свойства зависят не только от состава, но и от размеров распределённых частиц.

Дисперсная фаза — раздробленное вещество, частицы которого распределены в смеси. Дисперсионная среда — вещество, в котором эти частицы распределены. Например, в тумане капельки воды являются фазой, а воздух — средой. Разделение на фазу и среду помогает понять устройство смеси и определить её разновидность.

Коллоидный раствор, или коллоидная система, — дисперсная система с частицами промежуточного размера: они крупнее молекул и ионов истинного раствора, но мельче частиц грубодисперсной смеси. Коллоид часто выглядит однородным, хотя содержит отдельные частицы фазы. В истинном растворе растворённое вещество распределено на молекулярном или ионном уровне, а в грубодисперсной системе частицы сравнительно велики и могут оседать. Это различие объясняет, почему смеси по-разному выглядят и ведут себя.

Эффект Тиндаля — рассеяние света частицами коллоидной системы. Если направить узкий луч через такой образец, свет рассеивается в стороны и путь луча становится видимым. В истинном растворе частицы настолько малы, что заметного рассеяния обычно не происходит. Эффект используют как качественный признак коллоидной системы.

Как это устроено

Размер частиц фазы определяет, к какому типу относится дисперсная система. В истинном растворе частицы вещества — отдельные молекулы или ионы; они распределены равномерно и не дают заметного рассеяния света. Коллоидные частицы больше, поэтому способны рассеивать свет, но остаются слишком малыми, чтобы быстро отделяться от среды. В грубодисперсной системе частицы ещё крупнее: их можно заметить или отделить, например фильтрованием, а со временем они могут осесть.

Разновидность системы зависит не только от размера частиц, но и от того, в каких агрегатных состояниях находятся фаза и среда. Если газ распределён в газе, отдельные фазы обычно не образуются, а если жидкие капли или твёрдые частицы распределены в газе, возникают аэрозоли — туман или дым. Смесь капелек одной жидкости с другой жидкостью называют эмульсией, а смесь твёрдых частиц с жидкостью — суспензией. Когда газ распределён в жидкости или твёрдом теле, возможны пены. Эти названия описывают устройство системы, а не только её состав.

Коллоидные частицы не оседают быстро, потому что находятся в непрерывном беспорядочном движении. Оно связано с тепловым движением молекул дисперсионной среды: молекулы сталкиваются с частицами со всех сторон и постоянно меняют направление их движения. Для мелких частиц такие столкновения заметно противодействуют оседанию под действием силы тяжести. Поэтому коллоидная система может оставаться устойчивой долго, хотя её частицы не растворены на молекулярном уровне.

Коллоидные частицы рассеивают свет, потому что их размер позволяет взаимодействовать с проходящими световыми волнами и менять направление части света. В результате узкий луч становится видимым сбоку, хотя в чистой среде он мог бы оставаться незаметным. Такое наблюдение называют эффектом Тиндаля. Для проверки образец освещают узким лучом в затемнённом помещении: видимая светящаяся дорожка указывает на рассеяние, характерное для коллоидов, но сама по себе не измеряет размер частиц.

Устойчивость коллоида может нарушиться, если частицы сблизятся и укрупнятся. Например, добавленный электролит в некоторых случаях ослабляет взаимное отталкивание частиц, и они объединяются в более крупные агрегаты. Этот процесс называется коагуляцией; крупные агрегаты могут выпасть в осадок или всплыть. Иногда коллоидную систему удаётся восстановить, раздробив осадок в подходящей среде; такое получение коллоида называют пептизацией, но оно возможно не для любого осадка.

Сравнение дисперсных систем

Пользуйтесь таблицей, сопоставляя сразу несколько признаков, а не только внешний вид: коллоид тоже может казаться однородным. Особенно полезны сведения о рассеянии света и оседании частиц. Примеры показывают типичные случаи, но конкретную систему стоит оценивать по её свойствам.

Разбор задач

Раствор соли, молоко и мутная речная вода

Условие. Определите тип дисперсной системы для раствора поваренной соли, молока и мутной речной воды. Нужно сопоставить размер частиц и однородность каждой смеси с признаками истинного раствора, коллоида и грубодисперсной системы.

1. В растворе соли частицы вещества представлены ионами, распределёнными в воде. Это признак истинного раствора.
2. Молоко содержит мелкие капли жира, распределённые в водной среде. Такая система является эмульсией коллоидного типа.
3. Мутность речной воды связана с более крупными взвешенными частицами. Они могут оседать, поэтому это грубодисперсная система.

Ответ. Раствор поваренной соли — истинный раствор, молоко — коллоидная эмульсия, мутная речная вода — грубодисперсная система. Классификация основана не на том, что все три образца являются смесями, а на размере и поведении частиц.

Видимый луч в одном из трёх образцов

Условие. В трёх образцах наблюдают луч света: в одном его путь виден, в двух других — нет. Определите, какой образец может быть коллоидным, и объясните, почему одного наблюдения недостаточно для безусловного вывода о составе.

1. Видимый сбоку путь луча означает, что частицы образца рассеивают свет.
2. Такое рассеяние характерно для коллоидных систем и называется эффектом Тиндаля.
3. В истинном растворе растворённые молекулы или ионы обычно не делают путь узкого луча видимым. Поэтому в описанных условиях коллоидным может быть образец с видимым лучом.

Ответ. Возможный коллоид — образец, в котором путь света виден. Два остальных образца по этому признаку нельзя назвать коллоидами: среди них могут быть истинный раствор и прозрачная среда без заметных частиц.

Осадок после добавления электролита к золю

Условие. К золю, то есть коллоидной системе, добавили электролит, после чего появился осадок. Объясните наблюдение и предложите способ восстановить систему, если это возможно.

1. Ионы электролита могут изменить взаимодействие между частицами золя и ослабить их взаимное отталкивание.
2. Частицы сближаются, слипаются и образуют более крупные агрегаты. Укрупнение частиц называют коагуляцией; крупные агрегаты способны осесть.
3. Если осадок можно раздробить в подходящей дисперсионной среде, осторожное диспергирование может вернуть коллоид. Получение золя из осадка таким способом называют пептизацией.

Ответ. Осадок образовался в результате коагуляции золя. Восстановление возможно не всегда: если свойства осадка и среды позволяют, его можно попытаться пептизировать, то есть вновь распределить мелкими частицами.

Типичные ошибки

Ошибка — называть любую смесь раствором, не уточняя её тип. Так говорят потому, что в быту словом «раствор» нередко обозначают разные жидкие смеси. Но истинный раствор, коллоид и грубодисперсная система различаются размером частиц и устойчивостью. Проверьте себя вопросами: рассеивается ли свет, заметны ли частицы, оседают ли они?

Ошибка — путать фазу со средой. Можно запомнить, что фаза — это раздробленное вещество, а среда — то, в чём оно распределено; путаница возникает, когда оба компонента выглядят как единая смесь. Разберите конкретный пример: в тумане капельки воды распределены в воздухе. Если можете назвать, что именно раздроблено, значит, фазу определили верно.

Ошибка — считать коллоид полностью однородным только потому, что его частицы не видны глазом. На вид смесь действительно может быть равномерной, и это легко принять за раствор на молекулярном уровне. Однако в коллоиде сохраняются частицы дисперсной фазы. Проверьте различие с помощью эффекта Тиндаля или сведений о поведении смеси.

Ошибка — путать рассеяние света с поглощением. При поглощении энергия света переходит веществу, а при эффекте Тиндаля свет меняет направление из-за частиц коллоида. Иногда оба явления могут сопровождать взаимодействие света с веществом, поэтому их легко смешать. Для самопроверки спросите, что делает видимым путь луча сбоку: это рассеяние, а не просто исчезновение света.

Связь с другими темами

Для изучения дисперсных систем нужны знания об агрегатных состояниях, смесях и растворах. В частности, важно различать растворённое вещество и растворитель: в дисперсной системе аналогично выделяют фазу и среду, но фаза может сохранять частицы, а не распределяться на уровне отдельных молекул или ионов. Это помогает не смешивать истинные растворы с коллоидами и грубыми смесями. Позже эти понятия пригодятся при изучении свойств растворов, реакций в растворах и практического применения эмульсий, аэрозолей и гелей.

Что запомнить

• Дисперсная система состоит из дисперсной фазы и дисперсионной среды.
• Тип системы зависит от размера частиц дисперсной фазы.
• Коллоидные частицы рассеивают свет — это эффект Тиндаля.
• Коллоидные частицы находятся в непрерывном движении и могут долго не оседать.
• Укрупнение частиц коллоидной системы приводит к коагуляции.
• Эмульсии, суспензии и аэрозоли различаются агрегатным состоянием фазы и среды.