6.2. Дисперсные системы

Определения и обозначения

Дисперсная система — система из частиц одного вещества, распределённых в другом. В отличие от однородной смеси, в ней выделяют распределённые частицы и среду, хотя границы частиц могут быть видны только при увеличении. Это понятие помогает описывать не только состав, но и размер частиц.

Дисперсная фаза — измельчённое вещество, частицы которого распределены в системе. Фаза может быть твёрдой, жидкой или газообразной: например, твёрдая глина в воде или капли жидкости в воздухе. По фазе определяют, какое вещество было раздроблено и распределено.

Дисперсионная среда — вещество, в котором распределена дисперсная фаза. Она тоже бывает твёрдой, жидкой или газообразной, поэтому одна и та же фаза может образовывать разные системы с разными средами. Указание среды нужно, чтобы точно описать устройство смеси.

Степень дисперсности — характеристика, связанная с размером частиц фазы: чем они мельче, тем она выше. При одинаковой массе вещества большое число мелких частиц имеет большую общую поверхность. Поэтому степень дисперсности помогает объяснить свойства системы и её активность.

Как это устроено

Дисперсная фаза и дисперсионная среда образуют единую систему, но выполняют разные роли: одна распределена, другая распределяет. Например, в глиняной воде глина является фазой, а вода — средой. Если назвать только одно вещество, описание будет неполным, потому что неясно, что именно находится внутри чего.

Размер частиц позволяет отличить истинный раствор от дисперсных систем. В истинном растворе вещество распадается на отдельные ионы или молекулы, поэтому частицы не видны и не отделяются обычным отстаиванием. В коллоиде частицы крупнее, а в грубодисперсной системе они настолько велики, что могут постепенно оседать.

Агрегатные состояния фазы и среды задают разновидность системы. Если жидкость распределена в газе, возникает аэрозоль, например туман; если одна жидкость распределена в другой жидкости, образуется эмульсия, например молоко. Твёрдые частицы в жидкости образуют суспензию, поскольку состояние фазы и среды различно.

Мелкие частицы имеют большую суммарную поверхность по сравнению с одним крупным куском той же массы. На этой поверхности происходят взаимодействия с молекулами среды, растворёнными веществами и газами. Поэтому дисперсная система может сильнее поглощать вещества, быстрее вступать в поверхностные процессы и заметнее реагировать на изменение условий.

Размер частиц проявляется в наблюдаемых свойствах. Истинные растворы обычно прозрачны и не рассеивают боковой свет, коллоиды дают световой конус, а грубодисперсные смеси часто мутны. Крупные частицы под действием силы тяжести оседают, тогда как очень мелкие частицы дольше удерживаются в среде.

Сравнение дисперсных систем по размеру частиц и свойствам

Таблицу используют последовательно: сначала оценивают размер частиц, затем проверяют прозрачность, рассеяние света и оседание. Внешний вид служит подсказкой, но окончательный вывод лучше делать по нескольким признакам. Границы размеров являются ориентировочными, поскольку свойства зависят также от природы веществ и устойчивости системы.

Разбор задач

Задача 1. Глина и вода

В смеси глины и воды нужно определить дисперсную фазу и дисперсионную среду. Нельзя выбирать фазу только по количеству вещества или по тому, что смесь кажется мутной. Нужно установить, какое вещество раздроблено на частицы, а какое их окружает.

1. Глина представлена твёрдыми частицами, распределёнными в смеси.
2. Вода заполняет пространство между частицами и является веществом, в котором они находятся.
3. Следовательно, глина — дисперсная фаза, а вода — дисперсионная среда.

Ответ: дисперсная фаза — глина, дисперсионная среда — вода; система является суспензией.

Задача 2. Туман, молоко и раствор соли

Нужно классифицировать три системы и указать фазу и среду. Сначала определим агрегатные состояния компонентов, затем проверим, являются ли частицы молекулами, каплями или более крупными частицами. Такой порядок не позволяет спутать разновидность системы с её внешним видом.

1. В тумане мелкие капли жидкой воды распределены в воздухе, то есть в газе. Это жидкость в газе — аэрозоль.
2. В молоке капли жира, то есть жидкая фаза, распределены в водной жидкой среде. Это эмульсия.
3. В растворе поваренной соли ионы натрия и хлорида распределены между молекулами воды. Это истинный раствор, а не аэрозоль, эмульсия или суспензия.

Ответ: туман — жидкая фаза и газовая среда, аэрозоль; молоко — жидкая фаза и жидкая среда, эмульсия; раствор соли — ионы соли в воде, истинный раствор.

Задача 3. Рассеяние света и оседание

Две системы рассеивают свет по-разному, причём в одной частицы со временем оседают. Рассеяние показывает, что частицы достаточно велики для взаимодействия со светом, а оседание указывает на ещё больший размер и действие силы тяжести. Поэтому признаки нужно рассматривать вместе.

1. Система, в которой частицы оседают, относится к грубодисперсной: её частицы сравнительно крупные.
2. Система, которая рассеивает свет, но сохраняет устойчивость и не даёт осадка, вероятнее всего является коллоидной.
3. Если обе системы различаются интенсивностью рассеяния, более крупные частицы обычно рассеивают свет заметнее.

Ответ: оседающая система — грубодисперсная, а устойчиво рассеивающая свет система — коллоидная; более сильное рассеяние обычно связано с более крупными частицами.

Типичные ошибки

Фазу и среду меняют местами, ориентируясь на количество вещества. Ошибка возникает потому, что большее по массе вещество кажется главным, хотя фазой является именно распределённое вещество; проверьте себя вопросами «что распределено?» и «в чём?».

Любую неоднородную смесь считают грубодисперсной. Но классификация зависит прежде всего от размера частиц, поэтому сравните прозрачность, рассеяние света и оседание.

Коллоид называют истинным раствором, если он выглядит однородным. Внешний вид обманчив: у коллоида частицы крупнее молекул и ионов, что можно обнаружить по рассеянию света.

Тип системы определяют только по агрегатному состоянию. Состояния фазы и среды помогают назвать аэрозоль, эмульсию или суспензию, но дополнительно нужно установить, какие вещества образуют эти компоненты и каков размер частиц.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны понятия смеси, раствора и агрегатного состояния вещества. Знание различий между однородной смесью и дисперсной системой поможет при изучении растворов и коллоидной химии. Эти представления применяются также к природным и бытовым смесям: туману, молоку, почве, краскам и лекарственным препаратам.

Что запомнить

• Дисперсная система состоит из дисперсной фазы и дисперсионной среды.
• Фаза распределена в среде; эти понятия не следует путать.
• Размер частиц — важный признак классификации дисперсных систем.
• Истинные растворы, коллоидные и грубодисперсные системы различаются размером частиц.
• Агрегатные состояния фазы и среды помогают определить разновидность системы.
• Мелкие частицы обладают большой суммарной поверхностью.