§ 18. Дисперсные системы

Определения и обозначения

Дисперсная система — неоднородная система, в которой частицы одного вещества распределены в другом. Она состоит из дисперсной фазы и дисперсионной среды. Такое деление помогает описать смесь не только по составу, но и по тому, как именно в ней расположены вещества.

Дисперсная фаза — вещество, распределённое в системе в виде отдельных частиц. Эти частицы могут быть твёрдыми, жидкими или газообразными. Определив фазу, можно выяснить, какое вещество образует отдельные включения в смеси.

Дисперсионная среда — вещество, в объёме которого распределена дисперсная фаза. Среда окружает частицы и обычно задаёт внешний вид и текучесть системы. Например, в тумане воздух служит средой для капель воды, а в молоке жидкая среда окружает капли жира.

Золь — текучая коллоидная система, а гель — коллоидная система с пространственной структурой. В золе частицы могут перемещаться относительно среды, поэтому он течёт. В геле частицы связаны в объёмную сетку, которая удерживает среду и мешает системе свободно течь.

Как это устроено

Дисперсная система возникает, когда вещество дробится на частицы и распределяется в другом веществе. Роль компонентов зависит не от их количества, а от того, какое из них образует отдельные включения, а какое окружает их. В тумане капли воды — дисперсная фаза, а воздух — дисперсионная среда; в молоке капли жира распределены в водной среде. Такое различение не даёт перепутать названия частей смеси.

Состояния фазы и среды определяют, к какому типу относится система. Если мелкие капли жидкости распределены в газе, это аэрозоль: так устроен туман. Жидкость в другой жидкости образует эмульсию, как капли жира в молоке; твёрдые частицы в жидкости — суспензию, как мел в воде. Названия показывают, какие именно компоненты образуют частицы и окружающую их среду.

Системы различают и по размеру частиц: выделяют истинные растворы, коллоидные и грубодисперсные системы. В истинном растворе частицы растворённого вещества представлены молекулами или ионами, а в коллоидной системе существуют более крупные частицы фазы. В грубодисперсной системе частицы ещё крупнее; границы между этими группами условны и зависят от принятой классификации. Поэтому переход от одной группы к другой связан не с новым веществом, а с масштабом его частиц.

Размер частиц влияет на то, видны ли они, как долго система сохраняет однородный вид и можно ли отделить фазу. Коллоидные частицы обычно не различимы глазом и долго остаются распределёнными, тогда как более крупные частицы суспензии могут оседать. Частицы суспензии можно задержать фильтром или отделить после отстаивания. Значит, размер помогает предсказать устойчивость смеси и подходящий способ её разделения.

Золь может перейти в гель, если частицы образуют пространственную сетку. Эта структура связывает систему в единый объём и ограничивает перемещение частиц и среды. По мере её образования золь становится более вязким, а затем может утратить текучесть. Так различие между золем и гелем связано не только с составом, но и с внутренним строением системы.

Виды дисперсных систем

Чтобы пользоваться таблицей, сначала установи агрегатное состояние вещества, которое образует отдельные частицы, а затем — состояние среды. Сопоставь пару состояний с типом системы и проверь, подходит ли пример. Для геля учитывай, что его частицы образуют каркас, удерживающий жидкость.

Разбор задач

Задача 1. В тумане капли воды распределены в воздухе. Нужно назвать дисперсную фазу и дисперсионную среду. Сначала выясним, какое вещество образует отдельные частицы, а какое окружает их.

1. Капли воды представляют собой отдельные жидкие частицы.
2. Воздух заполняет пространство между каплями и вокруг них.
3. Значит, вода — фаза, а воздух — среда.

Ответ: дисперсная фаза — жидкая вода, дисперсионная среда — газообразный воздух.

Задача 2. Классифицируйте молоко и мел в воде по состоянию фазы и среды и назовите тип каждой системы. Нужно не судить о смеси только по цвету или внешнему виду. Определим, какое вещество образует включения в каждом случае.

1. В молоке капли жира — жидкая фаза, водная часть — жидкая среда.
2. Система «жидкость в жидкости» является эмульсией.
3. В смеси мела с водой частицы мела твёрдые, а вода — жидкая среда.
4. Система «твёрдое вещество в жидкости» является суспензией.

Ответ: молоко — эмульсия, жидкая фаза в жидкой среде; мел в воде — суспензия, твёрдая фаза в жидкой среде.

Задача 3. В двух образцах частицы распределены в воде: первый долго остаётся однородным на вид, а во втором частицы постепенно оседают. Нужно объяснить различие и предложить способ разделения второго образца. Сопоставим устойчивость с размером частиц, не забывая, что одного внешнего вида недостаточно для точного определения состава.

1. Долгое сохранение однородного вида указывает на более устойчивое распределение мелких, возможно коллоидных, частиц.
2. Оседание показывает, что частицы второго образца крупнее и система менее устойчива; это характерно для грубодисперсной смеси, например суспензии.
3. Второй образец можно оставить в покое, чтобы частицы осели, а затем отделить жидкость. Если размер частиц позволяет, смесь также можно профильтровать.

Ответ: в первом образце частицы меньше и дольше остаются распределёнными; во втором крупные частицы оседают. Второй образец разделяют отстаиванием и сливанием жидкости или фильтрованием.

Типичные ошибки

Путать фазу и среду. Так происходит, если не определить, какое вещество образует отдельные частицы. Для проверки спроси себя: что здесь распределено, а что окружает частицы? В ответе первым будет фаза, вторым — среда.

Считать любую неоднородную смесь суспензией. Слово «суспензия» относится к твёрдым частицам в жидкости, а не ко всем неоднородным смесям. Ошибка возникает, когда ориентируются лишь на мутность. Проверь агрегатные состояния: жидкость в жидкости образует эмульсию.

Смешивать коллоидную систему с истинным раствором. Коллоидные частицы могут быть неразличимы глазом, поэтому смесь кажется однородной. Но в ней сохраняются частицы дисперсной фазы, а не только молекулы или ионы растворённого вещества. При проверке учитывай размер частиц и свойства системы, а не только внешний вид.

Отождествлять состояние всей системы с состоянием фазы. Ошибка возникает, если замечать только вещество, образующее частицы. Однако дисперсионная среда часто задаёт внешний вид и текучесть смеси. Сначала назови агрегатные состояния фазы и среды отдельно, а затем определи тип системы.

Связь с другими темами

Для изучения дисперсных систем нужны знания об агрегатных состояниях веществ, смесях и растворах. Также необходимо различать однородные и неоднородные смеси: дисперсная система относится к неоднородным, хотя её частицы не всегда видны. Эти основы помогают определить, какие компоненты образуют фазу и среду.

Представление о дисперсных системах пригодится при дальнейшем изучении растворов и коллоидной химии. Оно помогает объяснять свойства природных и бытовых объектов — например, тумана, молока и гелей. Разбор таких систем связывает химические понятия с повседневными наблюдениями.

Что запомнить

• Дисперсная система состоит из дисперсной фазы и дисперсионной среды.
• Фаза распределена в среде в виде частиц.
• Тип системы зависит от агрегатного состояния фазы и среды.
• Эмульсия — жидкость в жидкости, суспензия — твёрдое вещество в жидкости.
• Коллоидные системы занимают промежуточное положение между истинными растворами и грубодисперсными системами.
• Золь текуч, а гель обладает пространственной структурой.