• Дисперсные системы

Определения и обозначения

Дисперсная система — система, в которой одно вещество распределено в другом в виде частиц. В чистом веществе частицы принадлежат одному веществу, а в дисперсной системе различают распределённое вещество и то, в котором оно находится. Это определение помогает не путать смесь с чистым веществом, даже если смесь кажется однородной.

Дисперсная фаза — раздробленное вещество, частицы которого распределены в системе. Фазой могут быть твёрдые крупинки, капли жидкости или пузырьки газа. Например, в мутной воде фазой служат частицы твёрдого вещества, а в тумане — капли воды.

Дисперсионная среда — вещество, в котором распределена дисперсная фаза. Среда окружает частицы фазы и может быть газом, жидкостью или твёрдым телом. В тумане среда — воздух, а в мутной воде — сама вода; это различие нужно, чтобы правильно описать состав системы.

Степень дисперсности — характеристика, связанная с размером частиц дисперсной фазы. Чем мельче частицы, тем выше степень дисперсности, потому что вещество разделено на более мелкие части. По этой характеристике сравнивают системы и объясняют различия в их свойствах.

Как это устроено

Размер частиц позволяет разделить системы на истинные растворы, коллоидные и грубодисперсные. В истинном растворе частицы настолько малы, что система выглядит однородной и не рассеивает видимый свет; в грубодисперсной системе частицы заметно крупнее и могут быть видны или оседать. Коллоид занимает промежуточное положение: его частицы больше частиц истинного раствора, но обычно не видны без приборов. Чёткие границы размеров в разных классификациях могут быть приблизительными, поэтому учитывают не только размер, но и наблюдаемые свойства.

Вид системы зависит от агрегатного состояния и фазы, и среды. Если жидкие капли распределены в газе, получается аэрозоль, к которому относятся туман и облака; если твёрдые частицы находятся в жидкости, это суспензия. Капли одной жидкости в другой жидкости образуют эмульсию, как в молоке, а газовые пузырьки в жидкости или твёрдом теле — пену. Одинаковое состояние только одного компонента не позволяет назвать систему: нужно выяснить, что именно распределено и где.

Когда крупные частицы дробятся на более мелкие, суммарная поверхность соприкосновения вещества со средой увеличивается. Например, у множества мелких капель общая поверхность больше, чем у одной капли того же объёма. Поэтому при повышении степени дисперсности чаще и теснее становится контакт фазы со средой, а свойства системы могут меняться. Так размер частиц связывает устройство системы с тем, как она ведёт себя при смешивании и хранении.

Оптические свойства зависят от того, насколько частицы взаимодействуют со светом. Частицы истинного раствора обычно не рассеивают видимый свет заметным образом, поэтому луч в нём не виден. Коллоидные частицы рассеивают свет, и проходящий луч становится заметен сбоку; крупные частицы грубодисперсной системы могут также делать её мутной. Оседание тоже связано с размером: крупные частицы под действием силы тяжести обычно опускаются быстрее, а мелкие могут долго оставаться распределёнными.

Фильтр задерживает частицы, размер которых превышает размеры его пор, поэтому грубодисперсную смесь часто удаётся разделить фильтрованием. Частицы истинного раствора слишком малы и проходят через обычный фильтр. Коллоидные частицы крупнее молекул растворённого вещества, однако тоже часто проходят через поры обычного фильтра, поэтому коллоид нельзя считать обычной взвесью, легко отделяемой фильтрованием. Его промежуточное положение проявляется одновременно в оптических свойствах и в трудности разделения.

Сравнение систем по размеру частиц дисперсной фазы

Пользуйтесь таблицей как набором признаков, а не как способом определить систему по одному наблюдению. Например, рассеяние света вместе с отсутствием быстрого оседания указывает на коллоид, но внешний вид сам по себе недостаточен. Учитывайте, что границы между группами частиц в классификациях могут быть приблизительными.

Разбор задач

Задача 1. Определить дисперсную фазу и дисперсионную среду в тумане. Сначала выясним, что именно образует видимые мелкие частицы: туман состоит из мельчайших капель воды, взвешенных в воздухе. Затем определим состояние каждого компонента, чтобы не перепутать капли и окружающий их газ.

1. Капли воды распределены в системе в виде мелких частиц, поэтому вода является дисперсной фазой.
2. Воздух окружает капли и служит веществом, в котором они распределены, поэтому он является дисперсионной средой.
3. Жидкая фаза распределена в газообразной среде, значит туман относится к аэрозолям.

Ответ: дисперсная фаза — капли жидкой воды, дисперсионная среда — воздух; туман является аэрозолем.

Задача 2. Классифицировать молоко как дисперсную систему и назвать фазу и среду. По одному внешнему виду нельзя заключить, что молоко — истинный раствор: сначала нужно определить, из каких частиц оно состоит. В молоке жировые капли распределены в водной части, то есть обе составляющие жидкие.

1. Находим распределённые частицы: это мелкие капли жира, которые и составляют дисперсную фазу.
2. Определяем окружающее вещество: водная часть молока является дисперсионной средой.
3. Сопоставляем состояния: жидкие капли распределены в другой жидкости, следовательно, система является эмульсией.

Ответ: молоко — дисперсная система типа эмульсии; фаза — капли жира, среда — водная часть.

Задача 3. В водной системе частицы рассеивают свет, не оседают быстро и проходят через обычный фильтр. Определить тип системы. Сначала рассматриваем оптический признак, а затем проверяем его по поведению частиц при хранении и фильтровании. Такая проверка нужна, потому что одно только рассеяние света не всегда достаточно для классификации.

1. Рассеяние света показывает, что в системе есть частицы, достаточно крупные для взаимодействия с лучом; это признак коллоидной системы.
2. Отсутствие быстрого оседания согласуется с тем, что частицы коллоида достаточно мелкие, чтобы долго оставаться распределёнными.
3. Прохождение через обычный фильтр не противоречит выводу: коллоидные частицы часто меньше его пор.

Ответ: это коллоидная система. Вывод подтверждают сразу три признака: рассеяние света, медленное оседание и прохождение через обычный фильтр.

Типичные ошибки

Считать дисперсную фазу и среду взаимозаменяемыми — ошибка: фаза раздроблена, а среда окружает её частицы. Её допускают, если называть компоненты только по агрегатному состоянию, не выяснив их роль. Проверьте себя вопросами: «Что здесь распределено?» и «В чём оно распределено?».

Называть любую внешне однородную систему истинным раствором неверно: коллоид тоже может выглядеть однородным невооружённому глазу. Такую ошибку вызывает впечатление от внешнего вида, которое не показывает размер частиц. Для проверки используйте дополнительные признаки: рассеяние света, оседание и поведение при фильтровании.

Считать, что всякая дисперсная система разделяется обычной фильтрацией, нельзя: коллоидные частицы часто проходят сквозь фильтр. Путаница возникает из-за того, что фильтрация задерживает крупные частицы суспензии, и этот результат переносят на все смеси. Проверьте размер частиц и уточните, идёт ли речь об обычном фильтре: он не гарантирует отделение коллоида.

Классифицировать систему только по состоянию одного компонента недостаточно. Например, жидкость может быть и фазой в газе, и фазой в другой жидкости; результатом будут разные виды систем. Ошибку предупреждает проверка обоих компонентов: сначала определите, что распределено, затем — в какой среде.

Связь с другими темами

Для понимания дисперсных систем нужны знания о чистых веществах, смесях и агрегатных состояниях: они помогают определить состав системы и роли её компонентов. Эти представления объясняют свойства растворов, природных вод, пищевых продуктов и бытовых материалов, в которых вещества часто распределены в виде мелких частиц. Позже они пригодятся при изучении коллоидной химии, способов разделения смесей и химических технологий. Так связь размера частиц с поведением системы помогает перейти от описания состава к объяснению свойств и способов обработки вещества.

Что запомнить

• В дисперсной системе различают дисперсную фазу и дисперсионную среду.
• Степень дисперсности возрастает при уменьшении частиц фазы.
• Размер частиц влияет на оптические свойства и устойчивость системы.
• Истинные растворы, коллоидные и грубодисперсные системы различаются размером частиц.
• Аэрозоли, суспензии, эмульсии и пены различают с учётом агрегатных состояний фазы и среды.
• Внешне однородный вид не всегда означает, что система является истинным раствором.