§ 22. Дисперсные системы

Определения и обозначения

Дисперсная система — смесь, в которой мелкие частицы одного вещества распределены в другом. Она состоит из нескольких компонентов: распределённого вещества и вещества, которое его окружает. Например, в мутной воде есть и вода, и частицы глины. Понятие помогает описывать смеси, в которых вещества не образуют единого однородного целого.

Дисперсная фаза — вещество, частицы которого распределены в дисперсионной среде. В бытовой смеси это может быть песок в воде или капли жира в молоке. Фаза обычно представлена более мелкими частицами или каплями, чем окружающая её среда. Чтобы найти её, спроси: какое вещество распределено внутри другого?

Дисперсионная среда — вещество, в котором распределена дисперсная фаза. В смеси песка с водой средой будет вода, а в дыме средой служит газ. Определить её можно по составу: найди вещество, в котором находятся частицы или капли фазы. Среда не обязательно должна быть жидкой — ею может быть также газ или твёрдое вещество.

Суспензия и эмульсия — неоднородные дисперсные системы. В суспензии твёрдые частицы находятся в жидкости, как в смеси песка с водой; в эмульсии капли одной жидкости распределены в другой. Эти названия помогают различать смеси по состоянию фазы и среды. Поэтому недостаточно сказать, что смесь мутная: нужно выяснить, что именно в ней распределено.

Как это устроено

В дисперсной системе фаза распределена внутри среды, поэтому эти части смеси выполняют разные роли. Фаза состоит из частиц или капель, а среда окружает их и занимает пространство между ними. Например, в воде с глиной именно глина дробится на отдельные частицы, а вода служит для них носителем. Такой способ описания позволяет не перепутать компоненты, даже если смесь выглядит однородной издалека.

Тип системы зависит от агрегатного состояния фазы и среды — того, является ли вещество твёрдым, жидким или газообразным. Если твёрдые частицы распределены в жидкости, получается суспензия; если капли жидкости находятся в другой жидкости — эмульсия. Когда среда газообразная, система относится к аэрозолям: в газе могут находиться и твёрдые частицы, и капли жидкости. Поэтому при классификации важно установить состояние обеих частей, а не только посмотреть на смесь.

Неоднородные дисперсные системы отличаются от истинных растворов размером частиц. В растворе частицы настолько малы, что смесь выглядит однородной, их нельзя увидеть невооружённым глазом, отделить отстаиванием или задержать обычным фильтром. В дисперсной системе частицы крупнее: они могут рассеивать свет, оседать или задерживаться фильтром. Значит, внешний вид и способы разделения помогают определить, с какой смесью мы имеем дело.

Частицы суспензии под действием силы тяжести могут постепенно опускаться на дно, потому что они не растворены и сохраняют отдельные границы. В результате жидкость сверху становится прозрачнее, а твёрдая фаза собирается в осадок. В эмульсии капли одной жидкости тоже остаются отдельными, поэтому со временем они могут соединяться и образовывать слои. Скорость расслоения зависит от свойств веществ и размера частиц или капель.

Дисперсные системы часто встречаются в природе и быту. В тумане капли воды распределены в воздухе, а в дыме в воздухе находятся твёрдые частицы; значит, в обоих случаях среда газообразная. В мутной воде твёрдые частицы грязи или глины распределены в жидкой воде, а в молоке капли жира находятся в водной среде. По состоянию фазы и среды можно определить вид каждой смеси, даже если её компоненты сразу не различимы.

Виды дисперсных систем и их признаки

Пользуйся таблицей в таком порядке: найди распределённое вещество, определи его агрегатное состояние, затем установи состояние среды. Сопоставь полученную пару с видом системы. Признак в последнем столбце помогает проверить вывод, но одного внешнего вида для классификации недостаточно.

Разбор задач

Задача 1. В мутной воде находятся частицы глины. Назови дисперсную фазу и дисперсионную среду, определи вид системы. Сначала выясним, какое вещество распределено, а какое занимает основную жидкую часть смеси. Затем проверим агрегатное состояние фазы.

1. Частицы глины распределены в воде, значит, глина — дисперсная фаза.
2. Вода окружает частицы и служит средой; она жидкая, а глина твёрдая.
3. Твёрдые частицы в жидкости образуют суспензию.

Ответ: фаза — глина, среда — вода, система — суспензия. Такой вывод следует из состава и агрегатных состояний, а не только из мутного вида смеси. Частицы глины могут оседать при отстаивании.

Задача 2. Определи фазу, среду и вид системы для молока и тумана. Для каждого примера нужно установить, какие капли или частицы распределены и в каком веществе они находятся. После этого сравним состояния фазы и среды.

1. В молоке капли жира распределены в водной среде: фаза жидкая, среда тоже жидкая.
2. Капли одной жидкости в другой образуют эмульсию, поэтому молоко относят к эмульсиям.
3. В тумане капли воды распределены в воздухе: жидкая фаза находится в газовой среде.
4. Капли жидкости в газе образуют аэрозоль, значит, туман — жидкий аэрозоль.

Ответ: молоко — эмульсия, туман — аэрозоль. В обоих случаях фаза представлена каплями жидкости, но среда различается. Именно агрегатное состояние среды объясняет разницу в названии систем.

Задача 3. Предложи способ разделения смеси песка и воды и объясни, почему он подходит. Песок в воде не растворяется, а остаётся в виде твёрдых частиц. Поэтому смесь неоднородна и относится к суспензиям.

1. Определи компоненты: песок — твёрдая дисперсная фаза, вода — жидкая дисперсионная среда.
2. Подбери фильтр, поры которого пропускают воду, но задерживают частицы песка.
3. Пропусти смесь через фильтр: вода пройдёт в сосуд, а песок останется на фильтре.

Ответ: смесь разделяют фильтрованием. Этот способ подходит, потому что твёрдые частицы песка крупнее пор фильтра, а жидкая среда проходит сквозь них. Отстаивание также возможно, но фильтрование позволяет быстро отделить песок от воды.

Типичные ошибки

Ошибка — менять местами дисперсную фазу и среду. Её допускают, потому что в смеси оба вещества находятся рядом, а роль каждого не всегда очевидна по внешнему виду. Проверь себя вопросами: что распределено в смеси и в чём оно находится? В мутной воде частицы глины — фаза, сама вода — среда.

Ошибка — считать любую мутную жидкость истинным раствором. Иногда смесь называют раствором просто потому, что одно вещество перемешано с другим, но мутность может указывать на отдельные частицы. Проверь, оседают ли они и задерживаются ли фильтром. Если да, это неоднородная система, а не истинный раствор.

Ошибка — путать суспензию с эмульсией. Причина обычно в том, что обе смеси могут быть мутными и выглядеть похожими. Спроси, что распределено: твёрдые частицы в жидкости означают суспензию, а капли жидкости в другой жидкости — эмульсию. Состояние фазы помогает выбрать правильное название.

Ошибка — определять тип системы только по её внешнему виду. Одинаковая мутность может быть у разных систем, потому что в одной распределены твёрдые частицы, а в другой — жидкие капли. Для проверки назови агрегатное состояние фазы и среды. Затем сопоставь их с определениями суспензии, эмульсии и аэрозоля.

Связь с другими темами

Чтобы разобраться в дисперсных системах, нужно знать, что такое смесь, чистое вещество и агрегатные состояния. Эти понятия позволяют определить компоненты системы и правильно назвать фазу и среду. Тема связана со способами разделения смесей: свойства частиц подсказывают, подойдут ли отстаивание или фильтрование. Она также помогает изучать растворы и химические процессы в природе и быту. С физикой тему связывает зависимость свойств материала от его состава и распределения частиц.

Что запомнить

• Дисперсная система состоит из дисперсной фазы и дисперсионной среды.
• Фаза распределена в среде.
• Твёрдые частицы в жидкости образуют суспензию.
• Капли одной жидкости в другой образуют эмульсию.
• Туман и дым относятся к аэрозолям.
• По агрегатному состоянию фазы и среды можно классифицировать дисперсную систему.