ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ
Спасибо нашим инвесторам из казино онлайн
ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ
(от лат. disper-gere—рассеивать), системы, состоящие из двух (или нескольких) фаз, при чем одна из них рассеяна или распылена в другой в виде мельчайших (микроскопич. или ультрами-кроскопич.) частиц. — Основные понятия. Каждая на всем своем протяжении однородная часть системы называется ее «фазой»; система, состоящая из нескольких фаз, отделенных друг от друга поверхностями раздела, называется гетерогенной. Поверхность раздела не всегда является непрерывной. Смесь масла и воды напр. представляет двухфазную систему, независимо от того, расположено ли масло на воде сплошным слоем или же, распадаясь на отдельные капельки, образует эмульсию масла в воде. В этом последнем случае одна из фаз состоит из множества отдельных, одинаковых по составу, но пространственно обособленных частей. Такая фаза по предложению Оствальда (W. Ostwald) называется рассеянной или дисперсной (иногда также «внутренней»), между тем как другая фаза, в к-рой взвешены, диспергированы частицы первой, называется дисперсионной средой (также «внешней фазой») . В отличие от дисперсной фазы, дисперсионную среду называют также непрерывной или сплошной фазой, т. к. между всеми ее частями существует непрерывное сообщение. Таким образом Д. с. состоит из дисперсной фазы и дисперсионной среды. В двухфазных системах гетерогенность не всегда бывает одинаково резко выражена. Нередко она сразу бросается в глаза. В Д. с, напр. в эмульсиях и особенно в коллоидальных растворах, для ее обнаружения приходится пользоваться микроскопом или даже ультрамикроскопом. В отличие от грубо гетерогенных систем, дисперсные системы являются микрогетерогенными Классификация. Для классификации Д. с. (или дисперсоидов, как их назвал Веймарн) имеет прежде всего значение величина дисперсных частиц. От их размеров зависит целый ряд свойств Д. с. Между 1
ц
и 0,1 /* (точнее—около 0,2 /«) проходит граница микроскоп, видения и разрешающей силы микроскопа. Д. с, имеющие меньшую величину частиц, кажутся при микроскоп. исследовании гомогенными. Целый ряд других свойств также подвергается значительным изменениям по обе стороны указанной границы дисперсности (см. табл.). Величина частиц 0,1
т/л
1
тр
10
rn. fi
100
тц
1
ft
II!!! 10;i 100
f
1мм
Ультрамикроскопич. область Микроскопическая область Кварцевые частицы в воде не оседают заметно оседают Частицы через бумажные фильтры проходят не проходят Броуновское движение очень быстрое медленное | незаметное s«i; Предельная разрешающая сила микроскопа определяется не большим или меньшим совершенством его конструкции, а длиной самой световой волны. Субмикроскопич. частицы могут быть еще обнаружены при помощи ультрамикроскопа, хотя последний и не дает представления о форме и истинных размерах частиц. Предел применения ультрамикроскопа проходит приблизительно в тысячу раз ниже микроскопич. границы. Т. о. частицы дисперсной фазы удобно разделить на три группы в зависимости от того, а) видимы ли они в микроскоп, б) могут ли они быть обнаружены ультрамикроскопом или в) лежат за пределами последнего. Для разграничения этих трех групп Жигмонди (Zsig-топс! у)ввел названия: микроны, субмикроны и амикроны. Кроме размеров частиц большое значение для характеристики гетерогенных систем имеет агрегатное состояние входящих в их состав фаз. Каждая из двух фаз Д. с. может находиться в твердом, жидком или газообразном агрегатном состоянии. Т. к. газы свободно смешиваются между собой и не могут образовать две обособленные газообразные фазы, то остается восемь возможных сочетаний, примеры которых представлены в следующей таблице. Дисперсионная среда Дисперсная фаза твердая жидкая газообразная твердая Рубиновое стекло Жидкие включения в минералах Пемза жидкая Суспенсия Эмульсия Пена газообразная Дым Туман Для классификации приходится применять оба рассмотренных здесь признака—размеры частиц и агрегатное состояние обеих фаз, что дает весьма значительное число возможных подразделений. Наибольший интерес представляют (и наиболее подробно изучены) системы, состоящие из жидкой и твердой или же из двух жидких фаз. Если дисперсионная среда представляет жидкость, а дисперсная фаза состоит из твердых частиц микроскоп, размеров, мы имеем суспенсию; если дисперсная фаза представляет микроскопич. капельки жидкости—эмульсию. При уменьшении частиц до ультрамикроскопич. размеров (приблизительно от 200
т, и
до 1 ш,«) суспенсии и эмульсии переходят в коллоидальные растворы, при чем в зависимос
ти от агрегатного состояния ультрамикронов (и ряда связанных с этим свойств, см.
Золи)
можно и в этом случае говорить о суспен-сионных или эмульсионных коллоидах или, сокращенно, о суспенсоидах и эмульсоидах. Впрочем понятие агрегатного состояния относится не к молекулам, а к телам, построенным из их агрегатов. Поэтому чем меньше частица, чем меньше в ее состав входит отдельных молекул, тем труднее различать ее агрегатное состояние и тем меньше смысла имеет это подразделение. При дальнейшем увеличении дисперсности материи (до амикронов) дисперсные частицы распадаются на отдельные молекулы или ионы (размер молекулы кристаллоида равен приблизительно 0,1—1
та).
К ним уже вовсе неприменимы критерии агрегатного состояния и самое понятие фазы (как части системы, ограниченной физ. поверхностью раздела). Получают тогда молекулярно – или иошю-дисперсную систему, или т. н. «истинный раствор» (в отличие от коллоидального) . Полная последовательность и непрерывность переходов от суспенсии и эмульсий к коллоидальным растворам (суспенсоидам и эмульсоидам), а от них к истинным растворам, ясно показывает известную условность и относительность основн. разделения систем на гомогенные и гетерогенные. В силу своего строения из молекул, атомов и электронов сама материя гетерогеныа, и систему называют гомогенной просто в тех случаях, когда ее гетерогенность не может быть обнаружена нашими методами исследования. Методы исследования. Т. о. изучение гетерогенности и дисперсности системы всецело зависит от методов, к-рые имеются для различения или для фактического разделения обеих фаз Д. с. Первой цели служат оптические методы. В случае суспенсии и эмульсий гетерогенность обнаруживается непосредственно микроскопич. наблюдением. Для коллоидальных растворов оптическая гетерогенность обнаруживается явлением Фарадея-Тиндаля (Faraday, Tyndall): если на раствор направить сбоку сильный пучок света, то благодаря рассеиванию его коллоидальными частицами путь луча в растворе обнаружится в виде светящегося конуса—т. н. «конуса Тиндаля»; молекулярно – и ионно-дисперсные растворы остаются в этих условиях темными, «оптически пустыми». На подобном рассеянии света коллоидальными частицами основана возможность наблюдать их в ультрамикроскоп. От размеров частиц во многих случаях зависит также окраска коллоидальных растворов. Бесцветные вещества при известных размерах своих частиц могут путем рассеяния света давать ту или иную окраску. Согласно теории, разработанной Релеем (Rayleigh), этим обусловлена окраска т. н. «мутных сред» (напр. гидрозоль мастики имеет в проходящем свете желтую или коричневую окраску, в падающем— голубоватую). Таким же рассеянием света мельчайшими частицами в верхних слоях атмосферы объясняется, как известно, голубой цвет неба. При изменении степени дисперсности коллоида и размеров его частиц изменяется во многих случаях и его окраска. Впрочем возможность обнаружить гетерогенность системы оптическими методами зависит не только от размеров дисперсных частиц, но и от их оптических свойств. Чем сильнее отличается показатель преломления частицы от показателя преломления окружающей среды, тем легче может она быть обнаружена. Поэтому например в гидрозолях тяжелых металлов (золото, серебро и т. п.), имеющих очень плотные частицы, последние легко обнаруживаются под ультрамикроскопом, между тем как сильно набухшие (и потому мало отличающиеся от окружающей воды) белковые частицы могут—при значительно бблыних размерах—оставаться незамеченными. Химически гетерогенная система может быть оптически гомогенной. Не менее существенным признаком для характеристики Д. с. могут служить те приемы, к-рые позволяют отделять друг от друга их фазы. Находящееся в истинном растворе вещество может быть нацело отделено от растворителя лишь при помощи б. или м. специфических хим. реакций. У коллоидных растворов и особенно у более грубых Д. с. для такого разделения применимы чисто механические методы. Грубо гетерогенные взвеси могут быть отделены от своей дисперсионной среды путем фильтрации. Тот же прием применим и к коллоидальным растворам, если только взять более плотный фильтр с соответственно уменьшенными порами. В зависимости от диаметра своих пор такие «ультрафильтры» задерживают все или некоторые коллоидальные частицы. Пользуясь серией ультрафильтров различной пористости и исследуя, какие из них пропускают коллоидальный раствор и какие задерживают его частицы, можно определить величину
последних. Прохождение жидкости совершается при этом под более или менее значительным давлением и требует применения специальных приборов. Другим способом механического разделения обеих фаз дисперсных систем служит центрифугирование. В некоторых случаях при значительном увеличении числа оборотов этот метод может быть применен не только к суспен-сиям и эмульсиям, но также и к коллоидальным растворам. Удельная поверхность. По мере раздробления одной из фаз гетерогенной системы на все более и более мелкие частицы, по мере увеличения степени дисперсности, пограничная поверхность, разделяющая обе фазы, непрерывно возрастает. Это увеличение пограничной поверхности легко выразить количественно. Как известно, поверхность тела пропорциональна квадрату, а объем (или масса)—кубу его линейного измерения. Если шарообразную каплю масла, взвешенную в водном растворе, разбить на более мелкие капли, имеющие в десять раз меньший диаметр, то поверхность каждой новой капли будет в сто раз меньше первоначальной. В то же время масса капли уменьшится в тысячу раз, т. е. вместо одной капли мы получим теперь тысячу капель, общая поверхность к-рых будет в десять раз больше исходной. Общую поверхность дисперсной фазы, отнесенную к единице ее объема, называют удельной поверхностью. Т. о. с увеличением раздробленности Д. с. ее удельная поверхность возрастает. В след. таблице показана зависимость между диаметром частиц и их удельной поверхностью. Диаметр Удельная поверхность
1
СМ
1
ММ
1
р
1
пал
6
см*
60
см’
6
м’
6.000
м’
В живом организме, где имеется множество гетерогенных систем, построенных из сочетания жидких и твердых фаз пограничные поверхности достигают огромн. развития. Поверхность соприкосновения крови и клеток напр. возрастает путем распределения крови по все более и более мелким сосудам и капилярам. В др. случаях величина поверхности увеличивается за счет усложнения ее формы. Так, возрастает всасывающая поверхность кишок благодаря развитию кишечных ворсинок. Особенно мощным средством увеличения пограничных поверхностей является однако и в организме образование Д. с. Примером грубо Д. с. может служить кровь, представляющая суспенсию эритроцитов в дисперсионной среде—плазме. Если считать поверхность эритроцита равной в среднем 120 /*2, то при наличии 5
л
крови и норм, числе эритроцитов (5 млн. в 1 жж3) их общая поверхность составит около 3.000
м2.
Наконец само клеточное строение всех живых организмов может служить наиболее ярким доказательством значения мелко раздробленного состояния и большой удельной поверхности для жизни. Только в состоянии покоя протоплазма может собираться б. или м. значительными сплошными массами, какие можно видеть напр. в крупных яйцах нек-рых животных. Развитие организма начинается с дробления яйца на более мелкие клетки: црежде всего растет не масса, а поверхность зародыша. Протоплазма многоклеточного организма образует огромную «поверхность, омываемую кровью и тканевыми жидкостями. Еще более мелко раздроблены ядра, образующие свою поверхность раздела с протоплазмой. Наконец кроме этих легко заметных микроско-пич. структур в клетке имеются более мелкие коллоидальные образования, постепенно уменьшающиеся до ультрамикроскоп, размеров. В гетерогенных системах скорость хим. процессов в большинстве случаев зависит от величины пограничной поверхности, по к-рой происходит обмен веществ между обеими соприкасающимися фазами. Та же поверхность является местом действия значительных поверхностных сил. Изменения степени дисперсности и связанные с ними изменения удельной поверхности являются поэтому мощным средством, влияющим на интенсивность биол. процессов. Пограничные силы. Свободная энергия системы во многих случаях зависит от объема или массы вещества (или его концентрации). Им пропорционально напр. осмотическое давление, производимое растворенным веществом, его хим. энергия и т. п. Наряду с этим имеется в поверхностном натяжении сила, связанная с величиной свободной поверхности. Произведение этой силы на поверхность системы определяет ее поверхностную энергию. При тех огромных значениях, которые имеет в Д. с. удельная поверхность, поверхностная энергия должна достигать весьма значительной величины. Нужно при этом иметь в виду, что действующие в Д. с. силы связаны не с идеальной геометрической, а с физ. поверхностью, имеющей определенную, хотя и крайне малую толщину. По мере приближения величины частиц к молекулярным размерам поверхностные