بیشتر مواد اطراف ما مخلوطی از مواد مختلف هستند، بنابراین مطالعه خواص آنها نقش مهمی در توسعه شیمی، پزشکی، صنایع غذایی و سایر بخش‌های اقتصاد دارد. این مقاله در مورد مسائل مربوط به میزان پراکندگی و چگونگی تأثیر آن بر ویژگی‌های سیستم بحث می‌کند.
سیستم های پراکنده چیست؟
قبل از بحث در مورد درجه پراکندگی، لازم است روشن شود که این مفهوم در کدام سیستم ها قابل اعمال است.
بیایید تصور کنیم که دو ماده متفاوت داریم که ممکن است از نظر ترکیب شیمیایی با یکدیگر متفاوت باشند، مثلاً نمک خوراکی و آب خالص یا در حالت تجمع، مثلاً یک آب در مایع و جامد (یخ) ایالت ها. حال باید این دو ماده را گرفته و مخلوط کرده و به شدت مخلوط کنید. نتیجه چه خواهد شد؟ بستگی به این دارد که آیا واکنش شیمیایی در حین اختلاط انجام شده است یا خیر. وقتی در مورد سیستم های پراکنده صحبت می شود، اعتقاد بر این است که وقتی آنهاهیچ واکنشی در شکل گیری رخ نمی دهد، یعنی مواد اولیه ساختار خود را در سطح میکرو و خواص فیزیکی ذاتی خود مانند چگالی، رنگ، هدایت الکتریکی و غیره حفظ می کنند.
بنابراین، سیستم پراکنده یک مخلوط مکانیکی است که در نتیجه آن دو یا چند ماده با یکدیگر مخلوط می شوند. هنگامی که شکل می گیرد، از مفاهیم "محیط پراکندگی" و "فاز" استفاده می شود. اولی دارای خاصیت تداوم در سیستم است و قاعدتاً به مقدار نسبی زیادی در آن یافت می شود. فاز دوم (فاز پراکنده) با خاصیت ناپیوستگی مشخص می شود، یعنی در سیستم به شکل ذرات کوچک است که توسط سطحی که آنها را از محیط جدا می کند محدود می شود.
سیستم های همگن و ناهمگن
واضح است که این دو جزء سیستم پراکنده در خواص فیزیکی متفاوت خواهند بود. مثلاً اگر ماسه را داخل آب بیندازید و آن را هم بزنید، مشخص می شود که دانه های ماسه ای که در آب وجود دارد و فرمول شیمیایی آن SiO
2 است، تفاوتی با هم ندارند. به هر نحوی از حالتی که در آب نبودند. در چنین مواردی از ناهمگونی صحبت می شود. به عبارت دیگر، یک سیستم ناهمگن مخلوطی از چند (دو یا چند) فاز است. دومی به عنوان حجم محدودی از سیستم درک می شود که با ویژگی های خاصی مشخص می شود. در مثال بالا، ما دو فاز داریم: ماسه و آب.
با این حال، اندازه ذرات فاز پراکنده هنگامی که در هر محیطی حل می شوند می تواند به قدری کوچک شود که ویژگی های فردی خود را نشان ندهند. در این مورد، یکی صحبت می کندمواد همگن یا همگن اگرچه آنها شامل چندین جزء هستند، اما همه آنها یک فاز را در کل حجم سیستم تشکیل می دهند. نمونه ای از یک سیستم همگن محلول NaCl در آب است. هنگامی که کریستال NaCl حل می شود، به دلیل برهمکنش با مولکول های قطبی H2O، کریستال NaCl به کاتیون های جداگانه (Na+) و آنیون ها (Cl) تجزیه می شود.-). آنها به طور همگن با آب مخلوط می شوند و دیگر نمی توان رابط بین املاح و حلال را در چنین سیستمی یافت.
اندازه ذرات
درجه پراکندگی چقدر است؟ این مقدار باید با جزئیات بیشتری در نظر گرفته شود. او چه چیزی را نمایندگی می کند؟ با اندازه ذرات فاز پراکنده نسبت معکوس دارد. این ویژگی است که اساس طبقه بندی همه مواد مورد بررسی است.
هنگام مطالعه سیستم های پراکنده، دانش آموزان اغلب در نام خود گیج می شوند، زیرا آنها معتقدند طبقه بندی آنها نیز بر اساس وضعیت تجمع است. این درست نیست. مخلوط‌های حالت‌های مختلف تجمع واقعاً نام‌های مختلفی دارند، به عنوان مثال، امولسیون‌ها مواد آب هستند و آئروسل‌ها قبلاً وجود فاز گازی را نشان می‌دهند. با این حال، خواص سیستم های پراکنده عمدتاً به اندازه ذرات فاز حل شده در آنها بستگی دارد.
طبقه بندی پذیرفته شده عمومی
طبقه بندی سیستم های پراکنده بر اساس درجه پراکندگی در زیر آورده شده است:
- اگر اندازه ذره شرطی کمتر از 1 نانومتر باشد، چنین سیستم هایی را راه حل های واقعی یا واقعی می نامند.
- اگر اندازه ذره شرطی بین 1 نانومتر و100 نانومتر، سپس ماده مورد نظر محلول کلوئیدی نامیده می شود.
- اگر ذرات بزرگتر از 100 نانومتر هستند، پس ما در مورد تعلیق یا تعلیق صحبت می کنیم.
با توجه به طبقه بندی بالا، دو نکته را روشن می کنیم: اولاً، ارقام داده شده نشان دهنده هستند، یعنی سیستمی که اندازه ذره در آن 3 نانومتر است، لزوماً کلوئیدی نیست، می تواند درست نیز باشد. راه حل. این را می توان با مطالعه خواص فیزیکی آن مشخص کرد. ثانیا، ممکن است متوجه شوید که در لیست از عبارت "اندازه شرطی" استفاده شده است. این به این دلیل است که شکل ذرات در سیستم می تواند کاملاً دلخواه باشد و در حالت کلی هندسه پیچیده ای دارد. بنابراین، آنها از اندازه متوسط (شرطی) آنها صحبت می کنند.
در ادامه مقاله به شرح مختصری از انواع سیستم های پراکنده اشاره خواهیم کرد.
راه حل های واقعی
همانطور که در بالا ذکر شد، درجه پراکندگی ذرات در محلول های واقعی آنقدر زیاد است (اندازه آنها بسیار کوچک است، < 1 نانومتر) که هیچ رابطی بین آنها و حلال (متوسط) وجود ندارد. یک سیستم همگن تک فاز است. برای کامل شدن اطلاعات، به یاد می آوریم که اندازه یک اتم به ترتیب یک آنگستروم (0.1 نانومتر) است. عدد آخر نشان می دهد که ذرات موجود در محلول های واقعی اندازه اتمی دارند.
خواص اصلی محلول های واقعی که آنها را از کلوئیدها و سوسپانسیون ها متمایز می کند به شرح زیر است:
- وضعیت محلول برای مدت طولانی بدون تغییر وجود دارد، یعنی هیچ رسوبی از فاز پراکنده تشکیل نمی شود.
- منحل شداین ماده را نمی توان با فیلتر کردن از طریق کاغذ ساده از حلال جدا کرد.
- این ماده همچنین در نتیجه فرآیند عبور از غشای متخلخل که در شیمی به آن دیالیز می گویند، جدا نمی شود.
- جدا کردن یک حل شونده از یک حلال فقط با تغییر حالت تجمع حلال ممکن است، مثلاً با تبخیر.
- برای راه حل های ایده آل، می توان الکترولیز انجام داد، یعنی اگر یک اختلاف پتانسیل (دو الکترود) به سیستم اعمال شود، می توان جریان الکتریکی را عبور داد.
- آنها نور را پراکنده نمی کنند.
نمونه ای از محلول های واقعی مخلوط کردن نمک های مختلف با آب است، به عنوان مثال، NaCl (نمک خوراکی)، NaHCO3 (جوش شیرین)، KNO. 3(نیترات پتاسیم) و دیگران.
محلول‌های کلوئیدی
اینها سیستم های میانی بین راه حل های واقعی و تعلیق هستند. با این حال، آنها تعدادی ویژگی منحصر به فرد دارند. بیایید آنها را فهرست کنیم:
- اگر شرایط محیطی تغییر نکند، برای مدت طولانی خودسرانه از نظر مکانیکی پایدار هستند. برای گرم کردن سیستم یا تغییر اسیدیته (مقدار pH) کافی است زیرا کلوئید منعقد می شود (رسوب می کند).
- با استفاده از کاغذ صافی جدا نمی شوند، با این حال، فرآیند دیالیز منجر به جداسازی فاز پراکنده و محیط می شود.
- همانند محلول های واقعی، می توان آنها را الکترولیز کرد.
- برای سیستم‌های کلوئیدی شفاف، به اصطلاح اثر تیندال مشخص است: با عبور یک پرتو نور از این سیستم، می‌توانید آن را ببینید. با آن در ارتباط استپراکندگی امواج الکترومغناطیسی در قسمت مرئی طیف در همه جهات.
- قابلیت جذب مواد دیگر.
سیستم های کلوئیدی، به دلیل خواص ذکر شده، به طور گسترده توسط انسان در زمینه های مختلف فعالیت (صنایع غذایی، شیمی) استفاده می شود و اغلب در طبیعت نیز یافت می شود. نمونه ای از کلوئید کره، سس مایونز است. در طبیعت، اینها مه، ابر هستند.
قبل از توضیح آخرین کلاس (سوم) سیستم های پراکنده، اجازه دهید برخی از خواص نامگذاری شده برای کلوئیدها را با جزئیات بیشتر توضیح دهیم.
محلول های کلوئیدی چیست؟
برای این نوع سیستم های پراکنده، می توان با در نظر گرفتن حالات مختلف تجمع محیط و فاز محلول در آن، طبقه بندی را ارائه داد. در زیر جدول مربوطه است/
| چهارشنبه/فاز | گاز | مایع | بدنه سفت |
| گاز | همه گازها بی نهایت در یکدیگر محلول هستند، بنابراین آنها همیشه محلول های واقعی را تشکیل می دهند | آئروسل (مه، ابر) | آئروسل (دود) |
| مایع | فم (ریش تراش، خامه فرم گرفته) | امولسیون (شیر، سس مایونز، سس) | sol (آبرنگ) |
| جسم جامد | فوم (پوکه، شکلات گازدار) | ژل (ژلاتین، پنیر) | سل (کریستال یاقوت، گرانیت) |
جدول نشان می دهد که مواد کلوئیدی در همه جا وجود دارند، هم در زندگی روزمره و هم در طبیعت. توجه داشته باشید که جدول مشابهی را نیز می توان برای تعلیق ارائه کرد، به یاد داشته باشید که تفاوت باکلوئیدها در آنها فقط به اندازه فاز پراکنده است. با این حال، سیستم‌های تعلیق از نظر مکانیکی ناپایدار هستند و بنابراین نسبت به سیستم‌های کلوئیدی از اهمیت عملی کمتری برخوردارند.
دلیل پایداری مکانیکی کلوئیدها
چرا سس مایونز می تواند برای مدت طولانی در یخچال بماند و ذرات معلق در آن رسوب نکند؟ چرا ذرات رنگ حل شده در آب در نهایت به ته ظرف نمی افتند؟ پاسخ به این سوالات حرکت براونی خواهد بود.
این نوع حرکت در نیمه اول قرن نوزدهم توسط گیاه شناس انگلیسی رابرت براون کشف شد که زیر میکروسکوپ نحوه حرکت ذرات کوچک گرده را در آب مشاهده کرد. از نقطه نظر فیزیکی، حرکت براونی تجلی حرکت آشفته مولکول های مایع است. اگر دمای مایع بالا برود شدت آن افزایش می یابد. این نوع حرکت است که باعث می شود ذرات کوچک محلول های کلوئیدی در حالت تعلیق قرار گیرند.
ویژگی جذب
پراکندگی متقابل اندازه متوسط ذرات است. از آنجایی که این اندازه در کلوئیدها در محدوده 1 نانومتر تا 100 نانومتر قرار دارد، سطح بسیار توسعه یافته ای دارند، یعنی نسبت S / m مقدار زیادی است، در اینجا S کل سطح رابط بین دو فاز است (محیط پراکندگی و ذرات)، m - جرم کل ذرات در محلول.
اتمهایی که روی سطح ذرات فاز پراکنده قرار دارند دارای پیوندهای شیمیایی غیراشباع هستند. این بدان معنی است که آنها می توانند ترکیباتی را با سایرین تشکیل دهندمولکول ها. به عنوان یک قاعده، این ترکیبات به دلیل نیروهای واندروالس یا پیوندهای هیدروژنی ایجاد می شوند. آنها قادرند چندین لایه مولکول را روی سطح ذرات کلوئیدی نگه دارند.
یک مثال کلاسیک از جاذب، کربن فعال است. این یک کلوئید است که در آن محیط پراکندگی جامد و فاز آن گاز است. سطح ویژه برای آن می تواند به 2500 متر برسد2/g.
درجه ظرافت و سطح ویژه
محاسبه S/m کار آسانی نیست. واقعیت این است که ذرات موجود در یک محلول کلوئیدی اندازه ها، شکل های متفاوتی دارند و سطح هر ذره دارای تسکین منحصر به فردی است. بنابراین، روش های نظری برای حل این مشکل منجر به نتایج کیفی می شود و نه کمی. با این وجود، ارائه فرمول برای سطح خاص از درجه پراکندگی مفید است.
اگر فرض کنیم همه ذرات سیستم دارای شکل کروی و یک اندازه هستند، در نتیجه محاسبات ساده، عبارت زیر به دست می آید: Sud=6/(dρ)، که در آن Sud - مساحت سطح (مشخص)، d - قطر ذره، ρ - چگالی ماده ای که از آن تشکیل شده است. از فرمول می توان دریافت که کوچکترین و سنگین ترین ذرات بیشترین سهم را در مقدار مورد نظر دارند.
روش آزمایشی برای تعیین Sud محاسبه حجم گاز جذب شده توسط ماده مورد مطالعه و همچنین اندازه گیری اندازه منافذ (فاز پراکنده) است. در آن.
خشک کردن انجمادی ولیوفوبیک
Lyophilicity و lyophobicity - اینها ویژگی هایی هستند که در واقع وجود طبقه بندی سیستم های پراکنده را به شکلی که در بالا آورده شده است تعیین می کنند. هر دو مفهوم پیوند نیرویی بین مولکول های حلال و املاح را مشخص می کنند. اگر این رابطه زیاد باشد، آنها از لیوفیلیسیتی صحبت می کنند. بنابراین، تمام محلول‌های واقعی نمک‌های موجود در آب، لیوفیلیک هستند، زیرا ذرات (یون‌های) آنها به طور الکتریکی با مولکول‌های قطبی H2O متصل هستند. اگر چنین سیستم هایی را مانند کره یا سس مایونز در نظر بگیریم، اینها نمایندگان کلوئیدهای آبگریز معمولی هستند، زیرا مولکول های چربی (لیپیدی) در آنها مولکول های قطبی را دفع می کنند H2O.
توجه به این نکته مهم است که سیستم های لیوفوبیک (آب گریز اگر حلال آب باشد) از نظر ترمودینامیکی ناپایدار هستند که آنها را از سیستم های لیوفیل متمایز می کند.
خواص تعلیق
اکنون آخرین کلاس سیستم های پراکنده - تعلیق ها را در نظر بگیرید. به یاد بیاورید که آنها با این واقعیت مشخص می شوند که کوچکترین ذره در آنها بزرگتر یا از مرتبه 100 نانومتر است. چه خواصی دارند؟ لیست مربوطه در زیر آورده شده است:
- آنها از نظر مکانیکی ناپایدار هستند، بنابراین در مدت زمان کوتاهی رسوب تشکیل می دهند.
- آنها کدر و در برابر نور خورشید کدر هستند.
- فاز را می توان با کاغذ صافی از محیط جدا کرد.
نمونه هایی از تعلیق در طبیعت شامل آب گل آلود در رودخانه ها یا خاکستر آتشفشانی است. استفاده انسان از تعلیق به عنوان مرتبط استمعمولا با دارو (محلول های دارویی).
انعقاد
در مورد مخلوط مواد با درجات پراکندگی مختلف چه می توان گفت؟ تا حدی، این موضوع قبلاً در مقاله پوشش داده شده است، زیرا در هر سیستم پراکنده، ذرات دارای اندازه ای هستند که در محدوده خاصی قرار دارد. در اینجا ما فقط یک مورد عجیب را در نظر می گیریم. اگر یک کلوئید و یک محلول الکترولیت واقعی را مخلوط کنید چه اتفاقی می افتد؟ سیستم وزن دار شکسته می شود و انعقاد آن رخ می دهد. دلیل آن در تأثیر میدان های الکتریکی یون های محلول واقعی بر بار سطحی ذرات کلوئیدی است.
