La maggior parte delle sostanze che ci circondano sono miscele di varie sostanze, quindi lo studio delle loro proprietà gioca un ruolo importante nello sviluppo della chimica, della medicina, dell'industria alimentare e di altri settori dell'economia. L'articolo discute le questioni di quale sia il grado di dispersione e come influisce sulle caratteristiche del sistema.
Cosa sono i sistemi dispersi?
Prima di discutere il grado di dispersione, è necessario chiarire a quali sistemi si può applicare questo concetto.
Immaginiamo di avere due sostanze diverse che possono differire tra loro nella composizione chimica, ad esempio sale da cucina e acqua pura, oppure nello stato di aggregazione, ad esempio, la stessa acqua in liquido e solido (ghiaccio) afferma. Ora devi prendere e mescolare queste due sostanze e mescolarle intensamente. Quale sarà il risultato? Dipende se la reazione chimica è avvenuta durante la miscelazione o meno. Quando si parla di sistemi dispersi, si ritiene che quando essinella formazione non si verifica alcuna reazione, cioè le sostanze iniziali mantengono la loro struttura a livello micro e le loro proprietà fisiche intrinseche, come densità, colore, conducibilità elettrica e altre.
Quindi, un sistema disperso è una miscela meccanica, a seguito della quale due o più sostanze si mescolano tra loro. Quando si forma, vengono utilizzati i concetti di "mezzo di dispersione" e "fase". Il primo ha la proprietà della continuità all'interno del sistema e, di regola, si trova in esso in una grande quantità relativa. La seconda (fase dispersa) è caratterizzata dalla proprietà della discontinuità, cioè nel sistema si presenta sotto forma di piccole particelle, che sono limitate dalla superficie che le separa dal mezzo.
Sistemi omogenei ed eterogenei
È chiaro che questi due componenti del sistema disperso differiranno nelle loro proprietà fisiche. Ad esempio, se lanci la sabbia nell'acqua e la mescoli, è chiaro che i granelli di sabbia che esistono nell'acqua, la cui formula chimica è SiO2, non differiranno in alcun modo dallo stato quando non erano in acqua. In questi casi si parla di eterogeneità. In altre parole, un sistema eterogeneo è una miscela di più (due o più) fasi. Quest'ultimo è inteso come un volume finito del sistema, caratterizzato da determinate proprietà. Nell'esempio sopra, abbiamo due fasi: sabbia e acqua.
Tuttavia, la dimensione delle particelle della fase dispersa quando vengono disciolte in qualsiasi mezzo può diventare così piccola da cessare di mostrare le loro proprietà individuali. In questo caso se ne parlasostanze omogenee o omogenee. Sebbene contengano diversi componenti, formano tutti una fase nell'intero volume del sistema. Un esempio di sistema omogeneo è una soluzione di NaCl in acqua. Quando si dissolve, a causa dell'interazione con le molecole polari H2O, il cristallo di NaCl si decompone in cationi separati (Na+) e anioni (Cl -). Sono mescolati omogeneamente con acqua e non è più possibile trovare l'interfaccia tra il soluto e il solvente in un tale sistema.
Dimensione delle particelle
Qual è il grado di dispersione? Questo valore deve essere considerato in modo più dettagliato. Cosa rappresenta? È inversamente proporzionale alla dimensione delle particelle della fase dispersa. È questa caratteristica che sta alla base della classificazione di tutte le sostanze in esame.
Quando studiano i sistemi dispersi, gli studenti spesso si confondono nei loro nomi, perché credono che la loro classificazione sia anche basata sullo stato di aggregazione. Questo non è vero. Le miscele di diversi stati di aggregazione hanno in re altà nomi diversi, ad esempio le emulsioni sono sostanze acquose e gli aerosol suggeriscono già l'esistenza di una fase gassosa. Tuttavia, le proprietà dei sistemi dispersi dipendono principalmente dalla dimensione delle particelle della fase in essi disciolta.
Classificazione generalmente accettata
La classificazione dei sistemi dispersi in base al grado di dispersione è riportata di seguito:
- Se la dimensione condizionale delle particelle è inferiore a 1 nm, allora tali sistemi sono chiamati soluzioni reali o vere.
- Se la dimensione condizionale delle particelle è compresa tra 1 nm e100 nm, allora la sostanza in questione sarà chiamata soluzione colloidale.
- Se le particelle sono più grandi di 100 nm, allora stiamo parlando di sospensioni o sospensioni.
Riguardo alla classificazione di cui sopra, chiariamo due punti: in primo luogo, le cifre fornite sono indicative, ovvero un sistema in cui la dimensione delle particelle è di 3 nm non è necessariamente un colloide, può anche essere un vero soluzione. Questo può essere stabilito studiando le sue proprietà fisiche. In secondo luogo, potresti notare che l'elenco utilizza la frase "dimensione condizionale". Ciò è dovuto al fatto che la forma delle particelle nel sistema può essere completamente arbitraria e nel caso generale ha una geometria complessa. Pertanto, parlano di una loro dimensione media (condizionale).
Più avanti nell'articolo daremo una breve descrizione dei tipi noti di sistemi dispersi.
Soluzioni vere
Come accennato in precedenza, il grado di dispersione delle particelle nelle soluzioni reali è così elevato (la loro dimensione è molto piccola, < 1 nm) che non c'è interfaccia tra loro e il solvente (medio), cioè non c'è è un sistema omogeneo monofase. Per completezza di informazione, ricordiamo che la dimensione di un atomo è dell'ordine di un angstrom (0,1 nm). L'ultimo numero indica che le particelle nelle soluzioni reali sono di dimensioni atomiche.
Le principali proprietà delle soluzioni vere che le distinguono dai colloidi e dalle sospensioni sono le seguenti:
- Lo stato della soluzione esiste per un tempo arbitrariamente lungo invariato, ovvero non si forma alcun precipitato della fase dispersa.
- Dissoltola sostanza non può essere separata dal solvente mediante filtrazione su carta comune.
- Anche la sostanza non viene separata a causa del processo di passaggio attraverso la membrana porosa, che in chimica è chiamato dialisi.
- È possibile separare un soluto da un solvente solo modificando lo stato di aggregazione di quest'ultimo, ad esempio per evaporazione.
- Per soluzioni ideali si può effettuare l'elettrolisi, ovvero si può far passare una corrente elettrica se si applica una differenza di potenziale (due elettrodi) al sistema.
- Non diffondono la luce.
Un esempio di soluzioni vere è la miscelazione di vari sali con acqua, ad esempio NaCl (sale da cucina), NaHCO3 (bicarbonato di sodio), KNO 3(nitrato di potassio) e altri.
Soluzioni colloidali
Si tratta di sistemi intermedi tra soluzioni reali e sospensioni. Tuttavia, hanno una serie di caratteristiche uniche. Elenchiamoli:
- Sono meccanicamente stabili per un tempo arbitrariamente lungo se le condizioni ambientali non cambiano. È sufficiente riscaldare il sistema o modificarne l'acidità (valore di pH), poiché il colloide coagula (precipita).
- Non vengono separati utilizzando carta da filtro, tuttavia, il processo di dialisi porta alla separazione della fase dispersa e del mezzo.
- Come con le soluzioni vere, possono essere elettrolizzate.
- Per i sistemi colloidali trasparenti, è caratteristico il cosiddetto effetto Tyndall: facendo passare un raggio di luce attraverso questo sistema, puoi vederlo. È connesso condiffusione delle onde elettromagnetiche nella parte visibile dello spettro in tutte le direzioni.
- Capacità di adsorbire altre sostanze.
I sistemi colloidali, per le proprietà elencate, sono ampiamente utilizzati dall'uomo in vari campi di attività (industria alimentare, chimica) e si trovano spesso anche in natura. Un esempio di colloide è il burro, la maionese. In natura, queste sono nebbie, nuvole.
Prima di procedere alla descrizione dell'ultima (terza) classe di sistemi dispersi, spieghiamo più in dettaglio alcune delle proprietà nominate per i colloidi.
Cosa sono le soluzioni colloidali?
Per questo tipo di sistemi dispersi, la classificazione può essere data, tenendo conto dei diversi stati aggregati del mezzo e della fase in esso disciolta. Di seguito è riportata la tabella corrispondente/
| Mercoledì/Fase | Gas | Liquido | Corpo rigido |
| gas | tutti i gas sono infinitamente solubili l'uno nell' altro, quindi formano sempre vere soluzioni | aerosol (nebbia, nuvole) | aerosol (fumo) |
| liquido | schiuma (barba, panna montata) | emulsione (latte, maionese, salsa) | sol (acquerelli) |
| corpo solido | schiuma (pomice, cioccolato aerato) | gel (gelatina, formaggio) | sol (cristallo rubino, granito) |
La tabella mostra che le sostanze colloidali sono presenti ovunque, sia nella vita quotidiana che in natura. Si noti che una tabella simile può essere fornita anche per le sospensioni, ricordando che la differenza coni colloidi in essi contenuti hanno solo le dimensioni della fase dispersa. Tuttavia, le sospensioni sono meccanicamente instabili e quindi di minore interesse pratico rispetto ai sistemi colloidali.
Il motivo della stabilità meccanica dei colloidi
Perché la maionese può rimanere a lungo nel frigorifero e le particelle sospese al suo interno non precipitano? Perché le particelle di vernice disciolte nell'acqua alla fine non "cadono" sul fondo della nave? La risposta a queste domande sarà il moto browniano.
Questo tipo di movimento fu scoperto nella prima metà del 19° secolo dal botanico inglese Robert Brown, che osservò al microscopio come le piccole particelle di polline si muovono nell'acqua. Da un punto di vista fisico, il moto browniano è una manifestazione del movimento caotico delle molecole liquide. La sua intensità aumenta se la temperatura del liquido viene aumentata. È questo tipo di movimento che provoca la sospensione di piccole particelle di soluzioni colloidali.
Proprietà di assorbimento
La dispersione è il reciproco della dimensione media delle particelle. Poiché questa dimensione nei colloidi è compresa tra 1 nm e 100 nm, hanno una superficie molto sviluppata, ovvero il rapporto S / m è un valore elevato, qui S è l'area di interfaccia totale tra le due fasi (mezzo di dispersione e particelle), m - massa totale delle particelle in soluzione.
Gli atomi che si trovano sulla superficie delle particelle della fase dispersa hanno legami chimici insaturi. Ciò significa che possono formare composti con altrimolecole. Di norma, questi composti sorgono a causa delle forze di van der Waals o dei legami idrogeno. Sono in grado di trattenere diversi strati di molecole sulla superficie delle particelle colloidali.
Un classico esempio di adsorbente è il carbone attivo. È un colloide, dove il mezzo di dispersione è un solido e la fase è un gas. La superficie specifica può raggiungere 2500 m2/g.
Grado di finezza e superficie specifica
Calcolare S/m non è un compito facile. Il fatto è che le particelle in una soluzione colloidale hanno dimensioni, forme diverse e la superficie di ciascuna particella ha un rilievo unico. Pertanto, i metodi teorici per risolvere questo problema portano a risultati qualitativi e non quantitativi. Tuttavia, è utile fornire la formula per la superficie specifica dal grado di dispersione.
Se assumiamo che tutte le particelle del sistema abbiano una forma sferica e la stessa dimensione, come risultato di semplici calcoli, si ottiene la seguente espressione: Sud=6/(dρ), dove Sud - area superficiale (specifica), d - diametro delle particelle, ρ - densità della sostanza di cui è costituita. Dalla formula si può vedere che le particelle più piccole e pesanti contribuiranno maggiormente alla quantità in esame.
Il modo sperimentale per determinare Sud consiste nel calcolare il volume di gas che viene adsorbito dalla sostanza in studio, oltre a misurare la dimensione dei pori (fase dispersa) in esso.
liofilizzazione eliofobico
Liofilia e liofobicità - queste sono le caratteristiche che, di fatto, determinano l'esistenza della classificazione dei sistemi dispersi nella forma in cui è data sopra. Entrambi i concetti caratterizzano il legame di forza tra le molecole del solvente e il soluto. Se questa relazione è ampia, allora parlano di liofilia. Quindi, tutte le vere soluzioni di sali in acqua sono liofile, poiché le loro particelle (ioni) sono collegate elettricamente con molecole polari H2O. Se consideriamo sistemi come il burro o la maionese, questi sono rappresentanti di colloidi idrofobici tipici, poiché le molecole di grasso (lipidi) in esse contenute respingono le molecole polari H2O.
È importante notare che i sistemi liofobici (idrofobici se il solvente è acqua) sono termodinamicamente instabili, il che li distingue da quelli liofili.
Proprietà delle sospensioni
Ora considera l'ultima classe di sistemi dispersi: le sospensioni. Ricordiamo che sono caratterizzati dal fatto che la particella più piccola al loro interno è più grande o dell'ordine di 100 nm. Che proprietà hanno? L'elenco corrispondente è riportato di seguito:
- Sono meccanicamente instabili, quindi formano sedimenti in un breve periodo di tempo.
- Sono torbidi e opachi alla luce solare.
- La fase può essere separata dal supporto con carta da filtro.
Esempi di sospensioni in natura includono acqua fangosa nei fiumi o cenere vulcanica. L'uso umano delle sospensioni è associato comedi solito con la medicina (soluzioni farmacologiche).
Coagulazione
Cosa si può dire delle miscele di sostanze con diversi gradi di dispersione? In parte, questo problema è già stato trattato nell'articolo, poiché in qualsiasi sistema disperso le particelle hanno una dimensione che rientra in determinati limiti. Qui consideriamo solo un caso curioso. Cosa succede se mescoli un colloide e una vera soluzione elettrolitica? Il sistema ponderato si romperà e si verificherà la sua coagulazione. La sua ragione sta nell'influenza dei campi elettrici dei veri ioni di soluzione sulla carica superficiale delle particelle colloidali.
