§ 16. Дисперсные системы

Определения и обозначения

Дисперсная система — система, в которой мелкие частицы одного вещества распределены в другом веществе. Слово «дисперсный» указывает на раздробленность вещества на отдельные частицы. Это понятие помогает описывать смеси, в которых компоненты не обязательно образуют однородный раствор на уровне частиц.

Дисперсная фаза — распределённое вещество, существующее в виде частиц. Она может быть представлена каплями, твёрдыми частицами или пузырьками. Чтобы определить фазу, спроси себя, какое вещество раздроблено и распределено в смеси.

Дисперсионная среда — вещество, в котором распределена дисперсная фаза. Среда окружает частицы фазы и может быть газом, жидкостью или твёрдым веществом. Это понятие позволяет не перепутать компоненты и точнее классифицировать систему.

Коллоидный раствор, или золь, — дисперсная система, частицы которой крупнее частиц истинного раствора, но меньше крупных частиц суспензии. Поэтому коллоид занимает промежуточное положение между однородным истинным раствором и грубодисперсной смесью. Размер частиц объясняет характерные свойства коллоидов, например рассеяние света.

Как это устроено

Дисперсная система возникает, когда одно вещество оказывается раздробленным и распределённым в другом. Например, в тумане капли воды находятся в воздухе, а в меле с водой твёрдые частицы распределены в жидкости. Встречаются сочетания газа, жидкости и твёрдого вещества: так, жидкость может распределяться в газе, другая жидкость — в жидкости, а газовые пузырьки — в жидкости. Чтобы описать такую смесь, сначала выясняют, что именно образует частицы, а затем — в какой среде они находятся.

Размер частиц влияет на то, как смесь выглядит и ведёт себя. В истинном растворе частицы настолько малы, что вещество распределено на молекулярном или ионном уровне; такой раствор выглядит однородным. В коллоидной системе частицы крупнее, поэтому они способны рассеивать свет, но обычно не оседают быстро. В грубодисперсной системе частицы ещё крупнее: со временем они могут осесть или отделиться фильтрованием. Таким образом, различия определяются не только составом, но и степенью измельчения фазы.

Сочетание агрегатных состояний фазы и среды даёт названия разным системам. Если частицы распределены в газе, систему называют аэрозолем; туман — пример капель жидкости в газе. Эмульсия состоит из капель одной жидкости, распределённых в другой жидкости, а суспензия — из твёрдых частиц в жидкости. Для коллоидных систем используют названия «золь» и «гель»: в золе частицы распределены в текучей среде, а гель имеет пространственный каркас, удерживающий жидкость. Название помогает представить устройство смеси, но размер частиц тоже необходимо учитывать.

Коллоидные частицы рассеивают проходящий через систему свет — это называют эффектом Тиндаля. Рассеянный свет направляется в том числе к наблюдателю, поэтому в затемнённом помещении становится виден путь луча, например от фонарика в тумане. Сам раствор не светится: заметным становится именно луч благодаря взаимодействию света с частицами. В истинном растворе частицы намного меньше и обычно не дают такого видимого рассеяния, поэтому световой путь не различим.

Броуновское движение — хаотическое перемещение коллоидных частиц в среде. Его причина — непрерывное движение молекул среды: они сталкиваются с частицей со всех сторон, но удары в каждый момент не вполне уравновешены. Из-за этого направление движения частицы постоянно меняется. Такое движение затрудняет оседание частиц под действием тяжести и помогает коллоидной системе сохранять устойчивость.

Виды дисперсных систем

Пользуйся таблицей в два шага: определи агрегатное состояние распределённых частиц, затем — состояние среды. После этого сравни смесь с примерами и названиями систем. В коллоидных системах дополнительно учитывай размер частиц: одного сочетания фаз и среды может быть недостаточно для классификации.

Разбор задач

Задача 1

В тумане капли воды распределены в воздухе. Нужно назвать дисперсную фазу, дисперсионную среду и вид системы. Состояния веществ подсказывают классификацию: вода — жидкость, воздух — газ. Не перепутай вещество в виде капель с веществом, которое их окружает.

1. Капли воды раздроблены на мелкие частицы, значит, вода является дисперсной фазой.
2. Воздух окружает капли и распределяет их, следовательно, это дисперсионная среда.
3. Жидкая фаза в газовой среде образует аэрозоль.

Ответ: дисперсная фаза — вода, дисперсионная среда — воздух, система — аэрозоль. Туман относится к аэрозолям, потому что представляет собой капли жидкости в газе. Такой же способ рассуждения подходит для дыма, но его фаза состоит из твёрдых частиц.

Задача 2

Сравните раствор поваренной соли и коллоидный раствор по прохождению света и размеру частиц. Нужно выяснить, какой из растворов содержит более мелкие частицы и где можно увидеть путь луча. Рассматривай прохождение света не как свечение вещества, а как возможное рассеяние.

1. В растворе соли частицы вещества находятся на молекулярном или ионном уровне и очень малы.
2. В коллоидном растворе частицы крупнее, хотя они меньше частиц грубодисперсной смеси.
3. Коллоидные частицы рассеивают свет, поэтому путь луча может стать видимым; истинный раствор соли обычно не даёт заметного эффекта Тиндаля.

Ответ: частицы коллоидного раствора крупнее частиц истинного раствора, а свет в коллоиде рассеивается. Луч заметен не потому, что раствор светится, а благодаря рассеянному частицами свету. В растворе соли такого видимого пути обычно нет.

Задача 3

В молоке капли жира распределены в водной среде. Определите вид системы, объясните, почему это не истинный раствор, и назовите наблюдение, выявляющее дисперсный характер. Важно различать жидкие капли и жидкую среду: одинаковое агрегатное состояние не означает, что смесь является однородным раствором. Свойства молока связаны с тем, что жир находится в виде отдельных частиц.

1. Капли жира — распределённое вещество, значит, это дисперсная фаза; водная среда является дисперсионной средой.
2. Жидкость, распределённая в другой жидкости, образует эмульсию.
3. Жир не распределён в воде на уровне молекул как растворённое вещество, а образует капли; дисперсность можно выявить рассеянием света.

Ответ: молоко — эмульсия, дисперсная фаза — капли жира, среда — вода. Это не истинный раствор, поскольку жир присутствует в виде капель, а не отдельных молекул или ионов. Наблюдение рассеяния света указывает на наличие дисперсных частиц.

Типичные ошибки

Ошибка — менять местами дисперсную фазу и дисперсионную среду. Это происходит, если ориентироваться на количество вещества или на то, что кажется «главным» в смеси. Проверь себя вопросами: что распределено в виде частиц и что эти частицы окружает; первое — фаза, второе — среда.

Не всякая мутная смесь является коллоидным раствором. Мутность легко принять за признак коллоида, хотя её могут вызывать крупные частицы суспензии. Проверь, оседают ли частицы со временем и можно ли отделить их фильтрованием: такие признаки указывают на грубодисперсную смесь.

Видимый в коллоиде световой луч — не свечение самого раствора. Так ошибаются, потому что наблюдатель видит яркую полосу внутри смеси и связывает её с источником света. Для проверки вспомни эффект Тиндаля: луч становится видимым из-за рассеяния света частицами, а не из-за собственного свечения раствора.

Броуновское движение нельзя считать направленным переносом частиц. Наблюдаемое перемещение может выглядеть как движение в одну сторону, но отдельные столкновения молекул постоянно меняют его направление. Проверь себя: причина движения — хаотические неравномерные удары молекул среды, поэтому траектория частицы беспорядочна.

Связь с другими темами

Для изучения дисперсных систем нужны знания об агрегатных состояниях веществ и растворах. Вспомни, чем растворитель отличается от растворённого вещества: эти понятия помогают понять роль среды, хотя в дисперсной системе распределённое вещество может оставаться в виде отдельных частиц. Сравнение с истинным раствором помогает увидеть, как размер частиц меняет свойства смеси.

Представление о дисперсных системах пригодится при дальнейшем изучении растворов и коллоидной химии. Оно также помогает объяснять свойства природных смесей: почвы, тумана, молока и других систем, где вещества распределены друг в друге неодинаково. Анализ фазы и среды позволяет описывать такие объекты без путаницы.

Что запомнить

• Дисперсная система состоит из дисперсной фазы и дисперсионной среды.
• Размер частиц влияет на свойства и устойчивость системы.
• Коллоидные частицы рассеивают свет — это эффект Тиндаля.
• Броуновское движение частиц имеет хаотический характер.
• Эмульсия — система из жидкой фазы и жидкой среды.
• Аэрозоль — система, в которой частицы распределены в газе.