ჩვენს ირგვლივ არსებული ნივთიერებების უმეტესობა სხვადასხვა ნივთიერებების ნარევებია, ამიტომ მათი თვისებების შესწავლა მნიშვნელოვან როლს თამაშობს ქიმიის, მედიცინის, კვების მრეწველობისა და ეკონომიკის სხვა დარგების განვითარებაში. სტატიაში განხილულია საკითხები, თუ რა არის დისპერსიის ხარისხი და როგორ მოქმედებს ის სისტემის მახასიათებლებზე.
რა არის დისპერსიული სისტემები?
დისპერსიის ხარისხის განხილვამდე აუცილებელია განვმარტოთ, რომელ სისტემებზე შეიძლება ამ კონცეფციის გამოყენება.
მოდით წარმოვიდგინოთ, რომ გვაქვს ორი განსხვავებული ნივთიერება, რომლებიც შეიძლება განსხვავდებოდეს ერთმანეთისგან ქიმიური შემადგენლობით, მაგალითად, სუფრის მარილი და სუფთა წყალი, ან აგრეგაციის მდგომარეობით, მაგალითად, ერთი და იგივე წყალი თხევად და მყარში (ყინული) შტატები. ახლა თქვენ უნდა აიღოთ და აურიოთ ეს ორი ნივთიერება და შეურიოთ ინტენსიურად. რა იქნება შედეგი? ეს დამოკიდებულია იმაზე, მოხდა თუ არა ქიმიური რეაქცია შერევის დროს. დისპერსიულ სისტემებზე საუბრისას ითვლება, რომ როდესაც ისინიფორმირებაში არ ხდება რეაქცია, ანუ საწყისი ნივთიერებები ინარჩუნებენ სტრუქტურას მიკრო დონეზე და მათ თანდაყოლილ ფიზიკურ თვისებებს, როგორიცაა სიმკვრივე, ფერი, ელექტრული გამტარობა და სხვა.
ამგვარად, დისპერსირებული სისტემა არის მექანიკური ნარევი, რის შედეგადაც ორი ან მეტი ნივთიერება ერთმანეთში აირია. როდესაც იგი ყალიბდება, გამოიყენება "დისპერსიული საშუალო" და "ფაზა" ცნებები. პირველს აქვს სისტემის შიგნით უწყვეტობის თვისება და, როგორც წესი, მასში დიდი ფარდობითი რაოდენობით გვხვდება. მეორე (დისპერსიული ფაზა) ხასიათდება უწყვეტობის თვისებით, ანუ სისტემაში არის პატარა ნაწილაკების სახით, რომლებიც შემოიფარგლება ზედაპირისგან, რომელიც მათ ჰყოფს საშუალოდან.
ჰომოგენური და ჰეტეროგენული სისტემები
ნათელია, რომ დისპერსიული სისტემის ეს ორი კომპონენტი განსხვავდება მათი ფიზიკური თვისებებით. მაგალითად, თუ წყალში ქვიშას ჩაყრით და აურიეთ, ცხადია, რომ წყალში არსებული ქვიშის მარცვლები, რომლის ქიმიური ფორმულა არის SiO2, არ განსხვავდება. არანაირად სახელმწიფოსგან როცა წყალში არ იყვნენ. ასეთ შემთხვევებში საუბარია არაერთგვაროვნებაზე. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, ჰეტეროგენული სისტემა არის რამდენიმე (ორი ან მეტი) ფაზის ნაზავი. ეს უკანასკნელი გაგებულია, როგორც სისტემის გარკვეული სასრული მოცულობა, რომელიც ხასიათდება გარკვეული თვისებებით. ზემოთ მოცემულ მაგალითში გვაქვს ორი ფაზა: ქვიშა და წყალი.
თუმცა, დისპერსიული ფაზის ნაწილაკების ზომა, როდესაც ისინი იხსნება ნებისმიერ გარემოში, შეიძლება იმდენად მცირე გახდეს, რომ შეწყვიტოს მათი ინდივიდუალური თვისებების ჩვენება. ამ შემთხვევაში საუბარიაერთგვაროვანი ან ერთგვაროვანი ნივთიერებები. მიუხედავად იმისა, რომ ისინი შეიცავს რამდენიმე კომპონენტს, ისინი ქმნიან ერთ ფაზას სისტემის მთელ მოცულობაში. ერთგვაროვანი სისტემის მაგალითია NaCl წყალში ხსნარი. როდესაც ის იშლება, H2O პოლარულ მოლეკულებთან ურთიერთქმედების გამო, NaCl კრისტალი იშლება ცალკეულ კატიონებად (Na+) და ანიონებად (Cl.-). ისინი ერთგვაროვნად ურევენ წყალს და ასეთ სისტემაში უკვე შეუძლებელია ხსნარსა და გამხსნელს შორის ინტერფეისის პოვნა.
ნაწილაკების ზომა
რა არის დისპერსიის ხარისხი? ეს მნიშვნელობა უფრო დეტალურად უნდა იქნას განხილული. რას წარმოადგენს იგი? ის უკუპროპორციულია დისპერსიული ფაზის ნაწილაკების ზომასთან. სწორედ ეს მახასიათებელი უდევს საფუძვლად ყველა განხილული ნივთიერების კლასიფიკაციას.
დისპერსიული სისტემების შესწავლისას მოსწავლეები ხშირად იბნევიან თავიანთ სახელებში, რადგან თვლიან, რომ მათი კლასიფიკაცია ასევე აგრეგაციის მდგომარეობას ეფუძნება. Ეს არ არის სიმართლე. აგრეგაციის სხვადასხვა მდგომარეობის ნარევებს მართლაც განსხვავებული სახელები აქვთ, მაგალითად, ემულსიები წყლის ნივთიერებებია და აეროზოლები უკვე ვარაუდობენ გაზის ფაზის არსებობას. თუმცა, დისპერსიული სისტემების თვისებები ძირითადად დამოკიდებულია მათში გახსნილი ფაზის ნაწილაკების ზომაზე.
საერთოდ მიღებული კლასიფიკაცია
დისპერსიული სისტემების კლასიფიკაცია დისპერსიის ხარისხის მიხედვით მოცემულია ქვემოთ:
- თუ პირობითი ნაწილაკების ზომა 1 ნმ-ზე ნაკლებია, მაშინ ასეთ სისტემებს უწოდებენ რეალურ, ან ნამდვილ ამონახსნებს.
- თუ პირობითი ნაწილაკების ზომა 1 ნმ და100 ნმ, მაშინ მოცემულ ნივთიერებას კოლოიდური ხსნარი დაერქმევა.
- თუ ნაწილაკები 100 ნმ-ზე დიდია, მაშინ ჩვენ ვსაუბრობთ სუსპენზიებზე ან სუსპენზიებზე.
ზემოხსენებულ კლასიფიკაციასთან დაკავშირებით, განვმარტოთ ორი პუნქტი: პირველ რიგში, მოცემული ფიგურები საჩვენებელია, ანუ სისტემა, რომელშიც ნაწილაკების ზომაა 3 ნმ, არ არის აუცილებლად კოლოიდი, ის ასევე შეიძლება იყოს ჭეშმარიტი. გამოსავალი. ამის დადგენა შესაძლებელია მისი ფიზიკური თვისებების შესწავლით. მეორეც, შეიძლება შეამჩნიოთ, რომ სიაში გამოყენებულია ფრაზა "პირობითი ზომა". ეს გამოწვეულია იმით, რომ სისტემაში ნაწილაკების ფორმა შეიძლება იყოს სრულიად თვითნებური და, ზოგადად, აქვს რთული გეომეტრია. ამიტომ ისინი საუბრობენ მათ რაღაც საშუალო (პირობით) ზომაზე.
მოგვიანებით სტატიაში მივცემთ მოკლე აღწერას აღნიშნულ დისპერსიული სისტემების ტიპებზე.
ნამდვილი გადაწყვეტილებები
როგორც ზემოთ აღვნიშნეთ, რეალურ ხსნარებში ნაწილაკების დისპერსიის ხარისხი იმდენად მაღალია (მათი ზომა ძალიან მცირეა, < 1 ნმ), რომ მათსა და გამხსნელს (საშუალო) შორის ინტერფეისი არ არსებობს, ანუ იქ არის ერთფაზიანი ერთგვაროვანი სისტემა. ინფორმაციის სისრულისთვის შეგახსენებთ, რომ ატომის ზომა არის ერთი ანგსტრომის (0,1 ნმ) რიგის მიხედვით. ბოლო რიცხვი მიუთითებს იმაზე, რომ რეალურ ხსნარებში ნაწილაკები ატომური ზომისაა.
ნამდვილი ხსნარების ძირითადი თვისებები, რომლებიც განასხვავებს მათ კოლოიდების და სუსპენზიებისგან, შემდეგია:
- ხსნარის მდგომარეობა არსებობს თვითნებურად დიდი ხნის განმავლობაში უცვლელი, ანუ არ წარმოიქმნება დისპერსიული ფაზის ნალექი.
- დაიშალანივთიერების გამოყოფა გამხსნელისაგან ჩვეულებრივი ქაღალდის მეშვეობით ფილტრაციით შეუძლებელია.
- ნივთიერება ასევე არ გამოიყოფა ფოროვან გარსში გავლის პროცესის შედეგად, რასაც ქიმიაში დიალიზს უწოდებენ.
- გახსნილი ნივთიერების გამხსნელიდან გამოყოფა შესაძლებელია მხოლოდ ამ უკანასკნელის აგრეგაციის მდგომარეობის შეცვლით, მაგალითად, აორთქლების გზით.
- იდეალური გადაწყვეტილებებისთვის შეიძლება ჩატარდეს ელექტროლიზი, ანუ ელექტრული დენი შეიძლება გაიაროს, თუ სისტემაზე ვრცელდება პოტენციური სხვაობა (ორი ელექტროდი).
- ისინი არ ფანტავენ სინათლეს.
ნამდვილი ხსნარების მაგალითია სხვადასხვა მარილების წყალთან შერევა, მაგალითად, NaCl (სუფრის მარილი), NaHCO3 (საჭმელი სოდა), KNO 3(კალიუმის ნიტრატი) და სხვა.
კოლოიდური ხსნარები
ეს არის შუალედური სისტემები რეალურ ხსნარებსა და შეჩერებებს შორის. თუმცა, მათ აქვთ მთელი რიგი უნიკალური მახასიათებლები. მოდით ჩამოვთვალოთ ისინი:
- ისინი მექანიკურად სტაბილურია თვითნებურად დიდი ხნის განმავლობაში, თუ გარემო პირობები არ შეიცვლება. საკმარისია სისტემის გაცხელება ან მისი მჟავიანობის შეცვლა (pH მნიშვნელობა), რადგან კოლოიდი კოაგულირებს (ნალექს).
- ისინი არ გამოიყოფა ფილტრის ქაღალდის გამოყენებით, თუმცა, დიალიზის პროცესი იწვევს დისპერსიული ფაზის და გარემოს გამოყოფას.
- როგორც ნამდვილი ხსნარების შემთხვევაში, მათი ელექტროლიზება შესაძლებელია.
- გამჭვირვალე კოლოიდური სისტემებისთვის დამახასიათებელია ეგრეთ წოდებული ტინდალის ეფექტი: ამ სისტემაში სინათლის სხივის გავლისას თქვენ ხედავთ მას. ის დაკავშირებულიაელექტრომაგნიტური ტალღების გაფანტვა სპექტრის ხილულ ნაწილში ყველა მიმართულებით.
- სხვა ნივთიერებების ადსორბციის უნარი.
კოლოიდური სისტემები, ჩამოთვლილი თვისებების გამო, ფართოდ გამოიყენება ადამიანის მიერ საქმიანობის სხვადასხვა დარგში (კვების მრეწველობა, ქიმია), ასევე ხშირად გვხვდება ბუნებაშიც. კოლოიდის მაგალითია კარაქი, მაიონეზი. ბუნებაში ეს არის ნისლები, ღრუბლები.
სანამ დავიწყებდეთ დისპერსიული სისტემების ბოლო (მესამე) კლასის აღწერას, უფრო დეტალურად განვმარტოთ კოლოიდების ზოგიერთი დასახელებული თვისება.
რა არის კოლოიდური ხსნარები?
ამ ტიპის დისპერსიული სისტემებისთვის, კლასიფიკაცია შეიძლება მიეთითოს გარემოს სხვადასხვა აგრეგატული მდგომარეობისა და მასში გახსნილი ფაზის გათვალისწინებით. ქვემოთ მოცემულია შესაბამისი ცხრილი/
| ოთხშაბათი/ფაზა | გაზი | თხევადი | ხისტი სხეული |
| გაზი | ყველა აირი უსასრულოდ ხსნადია ერთმანეთში, ამიტომ ისინი ყოველთვის ქმნიან ნამდვილ ხსნარებს | აეროზოლი (ნისლი, ღრუბლები) | აეროზოლი (კვამლი) |
| თხევადი | ქაფი (საპარსი, ათქვეფილი კრემი) | ემულსია (რძე, მაიონეზი, სოუსი) | სოლ (აკვარელი) |
| მყარი სხეული | ქაფი (პემზა, გაზიანი შოკოლადი) | ლარი (ჟელატინი, ყველი) | sol (ლალის კრისტალი, გრანიტი) |
ცხრილი აჩვენებს, რომ კოლოიდური ნივთიერებები ყველგან გვხვდება, როგორც ყოველდღიურ ცხოვრებაში, ასევე ბუნებაში. გაითვალისწინეთ, რომ მსგავსი ცხრილის მიცემა შესაძლებელია შეჩერებისთვისაც, გახსოვდეთ, რომ განსხვავებამათში კოლოიდები მხოლოდ დისპერსიული ფაზის ზომისაა. თუმცა, სუსპენზია მექანიკურად არასტაბილურია და, შესაბამისად, ნაკლებად პრაქტიკული ინტერესია, ვიდრე კოლოიდური სისტემები.
კოლოიდების მექანიკური სტაბილურობის მიზეზი
რატომ შეიძლება მაიონეზი დიდხანს იწვა მაცივარში და მასში შეჩერებული ნაწილაკები არ იშლება? რატომ არ „ეცემა“წყალში გახსნილი საღებავის ნაწილაკები ჭურჭლის ძირში? ამ კითხვებზე პასუხი იქნება ბრაუნის მოძრაობა.
ამ ტიპის მოძრაობა აღმოაჩინა მე-19 საუკუნის პირველ ნახევარში ინგლისელმა ბოტანიკოსმა რობერტ ბრაუნმა, რომელმაც მიკროსკოპით დააკვირდა, თუ როგორ მოძრაობენ მტვრის მცირე ნაწილაკები წყალში. ფიზიკური თვალსაზრისით, ბრაუნის მოძრაობა არის თხევადი მოლეკულების ქაოტური მოძრაობის გამოვლინება. მისი ინტენსივობა იზრდება სითხის ტემპერატურის აწევის შემთხვევაში. სწორედ ამ ტიპის მოძრაობა იწვევს კოლოიდური ხსნარების მცირე ნაწილაკების შეჩერებას.
ადსორბციის თვისება
გაფანტულობა არის ნაწილაკების საშუალო ზომის ორმხრივი. ვინაიდან კოლოიდებში ეს ზომა 1 ნმ-დან 100 ნმ-მდეა, მათ აქვთ ძალიან განვითარებული ზედაპირი, ანუ თანაფარდობა S/m არის დიდი მნიშვნელობა, აქ S არის მთლიანი ინტერფეისის ფართობი ორ ფაზას შორის (დისპერსიული საშუალება. და ნაწილაკები), m - ნაწილაკების საერთო მასა ხსნარში.
ატომებს, რომლებიც არიან გაფანტული ფაზის ნაწილაკების ზედაპირზე, აქვთ უჯერი ქიმიური ბმები. ეს ნიშნავს, რომ მათ შეუძლიათ შექმნან ნაერთები სხვასთანმოლეკულები. როგორც წესი, ეს ნაერთები წარმოიქმნება ვან დერ ვაალის ძალების ან წყალბადის ბმების გამო. მათ შეუძლიათ შეინარჩუნონ მოლეკულების რამდენიმე ფენა კოლოიდური ნაწილაკების ზედაპირზე.
ადსორბენტის კლასიკური მაგალითია გააქტიურებული ნახშირბადი. ეს არის კოლოიდი, სადაც დისპერსიული გარემო არის მყარი, ხოლო ფაზა არის აირი. მისთვის სპეციფიკური ზედაპირის ფართობმა შეიძლება მიაღწიოს 2500 მ2/გრ.
სიპრიალის ხარისხი და ზედაპირის სპეციფიკური ფართობი
S/m-ის გამოთვლა ადვილი საქმე არ არის. ფაქტია, რომ კოლოიდური ხსნარში ნაწილაკებს განსხვავებული ზომები, ფორმა აქვთ და თითოეული ნაწილაკების ზედაპირს უნიკალური რელიეფი აქვს. ამრიგად, ამ პრობლემის გადაჭრის თეორიული მეთოდები იწვევს ხარისხობრივ შედეგებს და არა რაოდენობრივ შედეგებს. მიუხედავად ამისა, სასარგებლოა კონკრეტული ზედაპირის ფართობის ფორმულის მიცემა დისპერსიის ხარისხიდან.
თუ ვივარაუდებთ, რომ სისტემის ყველა ნაწილაკს აქვს სფერული ფორმა და ერთნაირი ზომა, მაშინ პირდაპირი გამოთვლების შედეგად მიიღება შემდეგი გამოხატულება: Sud=6/(dρ), სადაც Sud - ზედაპირის ფართობი (სპეციფიკური), d - ნაწილაკების დიამეტრი, ρ - ნივთიერების სიმკვრივე, რომლისგანაც იგი შედგება. ფორმულიდან ჩანს, რომ ყველაზე პატარა და მძიმე ნაწილაკები ყველაზე მეტ წვლილს შეიტანენ განხილულ რაოდენობაში.
Sud-ის დასადგენად ექსპერიმენტული გზა არის გამოთვალოთ გაზის მოცულობის გამოთვლა, რომელიც შეიწოვება შესასწავლი ნივთიერებით, ასევე ფორების ზომის გაზომვა (დისპერსიული ფაზა) მასში.
გაყინვა-გაშრობა დალიოფობიური
ლიოფობიურობა და ლიოფობიურობა - ეს ის მახასიათებლებია, რომლებიც, ფაქტობრივად, განაპირობებს დისპერსიული სისტემების კლასიფიკაციის არსებობას იმ სახით, როგორშიც იგი ზემოთ არის მოცემული. ორივე ცნება ახასიათებს ძალის კავშირს გამხსნელისა და გამხსნელის მოლეკულებს შორის. თუ ეს ურთიერთობა დიდია, მაშინ ისინი საუბრობენ ლიოფიურობაზე. ამრიგად, წყალში მარილების ყველა ჭეშმარიტი ხსნარი არის ლიოფილი, რადგან მათი ნაწილაკები (იონები) ელექტრულად დაკავშირებულია პოლარულ მოლეკულებთან H2O. თუ გავითვალისწინებთ ისეთ სისტემებს, როგორიცაა კარაქი ან მაიონეზი, მაშინ ესენი არიან ტიპიური ჰიდროფობიური კოლოიდების წარმომადგენლები, ვინაიდან მათში არსებული ცხიმის (ლიპიდური) მოლეკულები აცილებენ პოლარულ მოლეკულებს H2O.
მნიშვნელოვანია აღინიშნოს, რომ ლიოფობიური (ჰიდროფობიური, თუ გამხსნელი წყალია) სისტემები თერმოდინამიკურად არასტაბილურია, რაც განასხვავებს მათ ლიოფიური სისტემებისგან.
შეჩერების თვისებები
ახლა განიხილეთ დისპერსიული სისტემების ბოლო კლასი - შეჩერებები. შეგახსენებთ, რომ მათ ახასიათებთ ის ფაქტი, რომ მათში არსებული უმცირესი ნაწილაკი 100 ნმ-ზე დიდია ან რიგის მიხედვით. რა თვისებები აქვთ მათ? შესაბამისი სია მოცემულია ქვემოთ:
- ისინი მექანიკურად არასტაბილურია, ამიტომ ქმნიან ნალექს მოკლე დროში.
- ისინი მოღრუბლულია და მზისგან გაუმჭვირვალეა.
- ფაზა შეიძლება გამოვყოთ საშუალებისგან ფილტრის ქაღალდით.
ბუნებაში შეჩერების მაგალითებია მდინარეებში ტალახიანი წყალი ან ვულკანური ფერფლი. ადამიანის მიერ სუსპენზიების გამოყენება ასოცირდება როგორცჩვეულებრივ მედიკამენტებთან ერთად (სამკურნალო ხსნარები).
კოაგულაცია
რა შეიძლება ითქვას დისპერსიის სხვადასხვა ხარისხის მქონე ნივთიერებების ნარევებზე? ნაწილობრივ, ეს საკითხი უკვე განხილულია სტატიაში, რადგან ნებისმიერ დისპერსიულ სისტემაში ნაწილაკებს აქვთ ზომა, რომელიც გარკვეულ საზღვრებშია. აქ მხოლოდ ერთ საინტერესო შემთხვევას განვიხილავთ. რა მოხდება, თუ შეურიეთ კოლოიდი და ნამდვილი ელექტროლიტური ხსნარი? წონიანი სისტემა დაირღვევა და მოხდება მისი კოაგულაცია. მისი მიზეზი მდგომარეობს ჭეშმარიტი ხსნარის იონების ელექტრული ველების გავლენას კოლოიდური ნაწილაკების ზედაპირულ მუხტზე.
