§ 10. Дисперсные системы и растворы

Определения и обозначения

Дисперсная система — это система, в которой частицы одного вещества распределены в другом веществе. Такие системы встречаются в природе и быту: к ним относятся речная вода, молоко и воздух с каплями тумана. Понятие помогает описывать смеси не только по составу, но и по тому, как именно одно вещество распределено в другом.

Дисперсная фаза — распределённое вещество, а дисперсионная среда — вещество, в котором распределена фаза. Например, в тумане капли воды образуют фазу, а воздух служит средой. Это различие нужно, чтобы правильно назвать компоненты смеси и определить её тип.

Истинный раствор — однородная система, в которой частицы растворённого вещества имеют молекулярный или ионный размер. Например, в растворе соли в воде распределены ионы, а в растворе сахара — молекулы. Такое определение отличает раствор от смесей, где остаются более крупные частицы.

Коллоидная система — дисперсная система с частицами крупнее молекул и ионов истинного раствора, но мельче частиц грубой дисперсии. Поэтому коллоид часто кажется однородным, хотя его частицы не растворены на молекулярном уровне. Размер частиц объясняет характерные свойства коллоидов, в частности рассеяние света.

Как это устроено

Дисперсная система возникает, когда частицы одного вещества оказываются распределены в объёме другого. Распределённое вещество называют фазой, а вещество, заполняющее остальной объём, — средой. Если поменять, какое вещество считать распределённым, изменится описание системы и её классификация. Поэтому сначала определяют фазу и среду, а затем сравнивают их частицы и состояния.

По размеру частиц смеси делят на истинные растворы, коллоидные и грубодисперсные системы. В истинном растворе отдельные молекулы или ионы настолько малы, что система однородна даже при рассмотрении на уровне частиц. Коллоидные частицы больше, но обычно не видны глазом; грубые частицы сравнительно велики и могут быть заметны или оседать. Границы между группами связаны с поведением частиц, поэтому важны не только внешний вид, но и свойства смеси.

Агрегатные состояния фазы и среды дают названия разным видам систем. Твёрдое вещество в жидкости образует суспензию, а капли одной жидкости в другой — эмульсию. Если среда газообразная, систему называют аэрозолем: жидкие капли в газе дают туман, твёрдые частицы — дым. Пена представляет собой газовые пузырьки, распределённые в жидкости или твёрдом веществе; название показывает, какие состояния соединены, но само по себе не сообщает размер частиц.

Размер частиц влияет на устойчивость и разделение смеси. Молекулы и ионы раствора не оседают и проходят через фильтры и полупроницаемые мембраны; крупные частицы грубой дисперсии могут оседать и задерживаться фильтром. Коллоидные частицы обычно долго остаются распределёнными и проходят через обычный фильтр, но задерживаются мембраной. Поэтому фильтрование и мембранное разделение позволяют судить о размере частиц, хотя для точного вывода учитывают свойства конкретной системы.

Коллоидные частицы рассеивают падающий свет, потому что их размер позволяет заметно взаимодействовать со световой волной. В результате сбоку становится виден световой путь — это эффект Тиндаля. В истинном растворе частицы намного меньше, и такого заметного рассеяния обычно нет. Если направить узкий луч через внешне прозрачную смесь и увидеть его сбоку, это поможет распознать коллоид, хотя проверку следует проводить в подходящих условиях.

Типы дисперсных систем и их признаки

Сначала выясните, какие частицы распределены и в какой среде, затем определите их размер. Строки про суспензию, эмульсию и аэрозоль уточняют тип системы по агрегатным состояниям фазы и среды. Один пример может одновременно быть грубодисперсной системой и суспензией, поскольку эти названия описывают разные признаки.

Разбор задач

Задача 1. Определите тип системы для раствора поваренной соли в воде, мутной речной воды и молока. Внешнего вида недостаточно: прозрачность не всегда означает истинный раствор, а мутность указывает на присутствие частиц. Нужно выяснить, каков характер распределённых частиц и какие состояния веществ соединены.

1. В растворе соли частицы представлены ионами, распределёнными в воде на молекулярном уровне.
2. В мутной речной воде обычно присутствуют взвешенные твёрдые частицы в жидкой среде, поэтому это грубодисперсная система — суспензия.
3. В молоке капли жира распределены в водной среде; это эмульсия, относящаяся к коллоидным системам.

Ответ: раствор соли — истинный раствор, мутная речная вода — суспензия, молоко — эмульсия. Состав природной воды бывает сложным, поэтому классификация речной воды здесь относится к её мутным взвешенным частицам. Если примесей несколько, в образце могут одновременно присутствовать разные дисперсные системы.

Задача 2. Для тумана, дыма и пены укажите фазу и среду. Чтобы не перепутать компоненты, сначала определите состояние вещества, которое образует отдельные капли, частицы или пузырьки. Затем установите, какое вещество окружает эти частицы и заполняет пространство между ними.

1. В тумане распределены капли жидкой воды, а окружающий воздух — газообразная среда.
2. В дыме распределены мелкие твёрдые частицы, а средой также служит газ — воздух.
3. В пене распределены газовые пузырьки; средой выступает жидкость или твёрдое вещество, удерживающее пузырьки.

Ответ: туман — жидкая фаза в газовой среде, дым — твёрдая фаза в газовой среде, пена — газовая фаза в жидкой или твёрдой среде. Туман и дым являются аэрозолями, потому что их дисперсионная среда газообразна. Для точного описания пены нужно назвать материал, из которого состоит среда.

Задача 3. Сравните раствор сахара, коллоидный раствор крахмала и суспензию мела по прохождению через фильтр и мембрану, устойчивости и рассеянию света. Здесь важно различить обычный фильтр и полупроницаемую мембрану: они задерживают частицы разного размера. Сравнение свойств позволит определить тип каждой системы, даже если смеси выглядят похожими.

1. Сахар в воде образует истинный раствор: молекулы проходят через фильтр и мембрану, не оседают; заметного рассеяния света нет.
2. Крахмальный коллоид обычно проходит через обычный фильтр, но задерживается мембраной; он рассеивает свет и устойчивее суспензии.
3. Частицы мела в воде задерживаются фильтром, могут оседать, а система рассеивает свет из-за крупных частиц.

Ответ: раствор сахара наиболее однороден и не даёт заметного эффекта Тиндаля; коллоид крахмала рассеивает свет и отделяется мембраной; суспензия мела задерживается фильтром и менее устойчива. Фактическое поведение зависит от размера частиц и устройства фильтра. Поэтому в опыте важно указывать, каким именно способом проводят разделение.

Типичные ошибки

Ошибка: считать дисперсную фазу средой. Так путают названия, потому что оба компонента входят в одну смесь, но фаза распределена, а среда её окружает. Проверьте себя вопросом: «Что находится в виде отдельных частиц или капель?» Это фаза; вещество, в котором они находятся, — среда.

Ошибка: называть любую смесь раствором. В быту словом «раствор» иногда обозначают жидкую смесь вообще, однако истинный раствор однороден на уровне молекул или ионов. Суспензия и эмульсия содержат более крупные частицы и неоднородны. Чтобы проверить себя, выясните, могут ли частицы оседать, задерживаться фильтром или рассеивать свет.

Ошибка: принимать коллоид за истинный раствор из-за его внешней однородности. Коллоидные частицы слишком малы для наблюдения глазом, поэтому смесь выглядит равномерной, хотя частицы крупнее молекул и ионов. Их можно обнаружить по рассеянию света или отделению мембраной. При проверке сравнивайте не только внешний вид, но и поведение системы.

Ошибка: определять тип системы только по агрегатному состоянию веществ. Одинаковые состояния не говорят, каков размер частиц и какое вещество распределено в другом. Например, жидкость в жидкости может образовать эмульсию, но для полной характеристики нужно определить и размер капель. Сначала назовите фазу и среду, затем оцените размер частиц и лишь после этого классифицируйте систему.

Связь с другими темами

Для изучения дисперсных систем нужны знания о чистых веществах и смесях: они помогают отличать отдельные вещества от их сочетаний. Понятия агрегатного состояния и растворимости нужны, чтобы определять фазу, среду и возможные виды смеси. Тема продолжает изучение растворов и их свойств, а также объясняет явления в природных водах и способы разделения смесей. Эти представления применяют в материаловедении, где свойства материалов зависят от распределения частиц.

Что запомнить

• Дисперсная система состоит из дисперсной фазы и дисперсионной среды.
• Тип системы зависит от размера частиц и агрегатных состояний фазы и среды.
• Истинный раствор однороден и содержит молекулы или ионы растворённого вещества.
• Коллоидные частицы крупнее частиц истинного раствора и рассеивают свет.
• Суспензия — система с твёрдой фазой в жидкости, эмульсия — с жидкой фазой в жидкости.
• Дым и туман относятся к аэрозолям.