Մեզ շրջապատող նյութերի մեծ մասը տարբեր նյութերի խառնուրդներ են, ուստի դրանց հատկությունների ուսումնասիրությունը կարևոր դեր է խաղում քիմիայի, բժշկության, սննդի արդյունաբերության և տնտեսության այլ ոլորտների զարգացման գործում: Հոդվածում քննարկվում են այն խնդիրները, թե որն է դիսպերսիայի աստիճանը և ինչպես է այն ազդում համակարգի բնութագրերի վրա:
Ի՞նչ են դիսպերս համակարգերը:
Նախքան ցրվածության աստիճանը քննարկելը, անհրաժեշտ է պարզաբանել, թե որ համակարգերի վրա կարող է կիրառվել այս հայեցակարգը:
Եկեք պատկերացնենք, որ մենք ունենք երկու տարբեր նյութեր, որոնք կարող են տարբերվել միմյանցից քիմիական բաղադրությամբ, օրինակ՝ կերակրի աղ և մաքուր ջուր, կամ ագրեգացման վիճակով, օրինակ՝ նույն ջուրը հեղուկ և պինդ (սառույց) պետություններ: Այժմ պետք է վերցնել և խառնել այս երկու նյութերը և ինտենսիվ խառնել։ Ինչպիսի՞ն կլինի արդյունքը։ Դա կախված է նրանից, թե քիմիական ռեակցիան տեղի է ունեցել խառնման ժամանակ, թե ոչ։ Ցրված համակարգերի մասին խոսելիս ենթադրվում է, որ երբ նրանքձևավորման մեջ ոչ մի ռեակցիա տեղի չի ունենում, այսինքն՝ սկզբնական նյութերը պահպանում են իրենց կառուցվածքը միկրո մակարդակում և իրենց բնորոշ ֆիզիկական հատկությունները, ինչպիսիք են խտությունը, գույնը, էլեկտրական հաղորդունակությունը և այլն։
Այսպիսով, ցրված համակարգը մեխանիկական խառնուրդ է, որի արդյունքում երկու կամ ավելի նյութեր խառնվում են միմյանց։ Երբ այն ձևավորվում է, օգտագործվում են «ցրման միջավայր» և «փուլ» հասկացությունները։ Առաջինն ունի համակարգի ներսում շարունակականության հատկություն և, որպես կանոն, նրա մեջ հանդիպում է հարաբերական մեծ քանակությամբ։ Երկրորդը (ցրված փուլը) բնութագրվում է անխափանության հատկությամբ, այսինքն՝ համակարգում այն փոքր մասնիկների տեսքով է, որոնք սահմանափակված են դրանք միջինից բաժանող մակերեսով։
Համասեռ և տարասեռ համակարգեր
Ակնհայտ է, որ ցրված համակարգի այս երկու բաղադրիչները կտարբերվեն իրենց ֆիզիկական հատկություններով: Օրինակ, եթե ջրի մեջ ավազ գցեք և խառնեք, պարզ է, որ ջրի մեջ գոյություն ունեցող ավազահատիկները, որոնց քիմիական բանաձևը SiO2 է, չեն տարբերվի. ցանկացած կերպ պետությունից, երբ նրանք ջրի մեջ չեն եղել: Նման դեպքերում խոսվում է տարասեռության մասին։ Այլ կերպ ասած, տարասեռ համակարգը մի քանի (երկու կամ ավելի) փուլերի խառնուրդ է: Վերջինս հասկացվում է որպես համակարգի որոշ վերջավոր ծավալ, որը բնութագրվում է որոշակի հատկություններով։ Վերոնշյալ օրինակում մենք ունենք երկու փուլ՝ ավազ և ջուր:
Սակայն ցրված փուլի մասնիկների չափը, երբ դրանք լուծվում են ցանկացած միջավայրում, կարող է այնքան փոքր դառնալ, որ նրանք դադարեն ցույց տալ իրենց անհատական հատկությունները: Այս դեպքում խոսվում էմիատարր կամ համասեռ նյութեր. Չնայած դրանք պարունակում են մի քանի բաղադրիչներ, դրանք բոլորը կազմում են մեկ փուլ համակարգի ողջ ծավալով: Միատարր համակարգի օրինակ է NaCl-ի լուծույթը ջրում։ Երբ այն լուծարվում է, բևեռային մոլեկուլների հետ փոխազդեցության պատճառով, H2O, NaCl բյուրեղը քայքայվում է առանձին կատիոնների (Na+) և անիոնների (Cl-): Դրանք միատարր խառնվում են ջրի հետ, և նման համակարգում այլևս հնարավոր չէ գտնել լուծվող նյութի և լուծիչի միջերեսը։
Մասնիկի չափ
Ի՞նչ է դիսպերսիայի աստիճանը: Այս արժեքը պետք է ավելի մանրամասն դիտարկվի: Ի՞նչ է նա ներկայացնում: Այն հակադարձ համեմատական է ցրված փուլի մասնիկների չափին: Հենց այս հատկանիշն է ընկած բոլոր դիտարկվող նյութերի դասակարգման հիմքում:
Սիսպերս համակարգեր ուսումնասիրելիս ուսանողները հաճախ շփոթվում են իրենց անունների մեջ, քանի որ կարծում են, որ իրենց դասակարգումը նույնպես հիմնված է ագրեգացման վիճակի վրա: Սա ճիշտ չէ. Ագրեգացման տարբեր վիճակների խառնուրդներն իսկապես տարբեր անվանումներ ունեն, օրինակ՝ էմուլսիաները ջրային նյութեր են, իսկ աերոզոլներն արդեն իսկ ենթադրում են գազային փուլի առկայությունը։ Այնուամենայնիվ, ցրված համակարգերի հատկությունները հիմնականում կախված են դրանցում լուծված փուլի մասնիկների չափից։
Ընդհանուր ընդունված դասակարգում
Դիսպերս համակարգերի դասակարգումն ըստ դիսպերսիայի աստիճանի տրված է ստորև՝
- Եթե պայմանական մասնիկի չափը 1 նմ-ից փոքր է, ապա այդպիսի համակարգերը կոչվում են իրական կամ ճշմարիտ լուծումներ:
- Եթե պայմանական մասնիկի չափը գտնվում է 1 նմ և100 նմ, ապա տվյալ նյութը կկոչվի կոլոիդային լուծույթ։
- Եթե մասնիկները 100 նմ-ից մեծ են, ապա խոսքը կասեցումների կամ կախույթների մասին է։
Ինչ վերաբերում է վերը նշված դասակարգմանը, պարզաբանենք երկու կետ. նախ՝ տրված թվերը ցուցիչ են, այսինքն՝ համակարգը, որի մասնիկի չափը 3 նմ է, անպայման կոլոիդ չէ, այն կարող է նաև լինել ճշմարիտ։ լուծում. Սա կարելի է հաստատել՝ ուսումնասիրելով նրա ֆիզիկական հատկությունները։ Երկրորդ, դուք կարող եք նկատել, որ ցանկում օգտագործվում է «պայմանական չափ» արտահայտությունը։ Դա պայմանավորված է նրանով, որ համակարգում մասնիկների ձևը կարող է լինել միանգամայն կամայական, իսկ ընդհանուր դեպքում ունի բարդ երկրաչափություն։ Ուստի խոսում են դրանց ինչ-որ միջին (պայմանական) չափերի մասին։
Հոդվածում ավելի ուշ մենք կտրամադրենք ցրված համակարգերի նշված տեսակների համառոտ նկարագրությունը:
Իսկական լուծումներ
Ինչպես նշվեց վերևում, իրական լուծույթներում մասնիկների ցրվածության աստիճանն այնքան բարձր է (դրանց չափը շատ փոքր է, < 1 նմ), որ դրանց և լուծիչի (միջին) միջև միջերես չկա, այսինքն՝ կա. միաֆազ միատարր համակարգ է։ Տեղեկատվության ամբողջականության համար մենք հիշում ենք, որ ատոմի չափը մեկ անգստրոմի կարգի է (0,1 նմ): Վերջին թիվը ցույց է տալիս, որ իրական լուծույթներում մասնիկները ատոմային են։
Ճշմարիտ լուծույթների հիմնական հատկությունները, որոնք դրանք տարբերում են կոլոիդներից և կասեցումներից, հետևյալն են՝
- Լուծման վիճակը կա կամայականորեն երկար ժամանակ անփոփոխ, այսինքն՝ ցրված փուլի նստվածք չի գոյանում։
- լուծարվել էնյութը չի կարող առանձնացվել լուծիչից պարզ թղթի միջոցով զտման միջոցով։
- Նյութը նույնպես չի առանձնանում ծակոտկեն թաղանթով անցնելու գործընթացի արդյունքում, որը քիմիայում կոչվում է դիալիզ։
- Լուծված նյութը լուծիչից հնարավոր է առանձնացնել միայն վերջինիս ագրեգացման վիճակը փոխելով, օրինակ՝ գոլորշիացման միջոցով։
- Իդեալական լուծումների համար կարող է իրականացվել էլեկտրոլիզ, այսինքն՝ էլեկտրական հոսանք կարող է անցնել, եթե համակարգի վրա կիրառվի պոտենցիալ տարբերություն (երկու էլեկտրոդ):
- Նրանք լույս չեն ցրում։
Ճշմարիտ լուծույթների օրինակ է տարբեր աղերի խառնումը ջրի հետ, օրինակ՝ NaCl (սննդի աղ), NaHCO3 (խմորի սոդա), KNO 3(կալիումի նիտրատ) և այլն:
կոլոիդ լուծույթներ
Սրանք միջանկյալ համակարգեր են իրական լուծումների և կասեցումների միջև: Այնուամենայնիվ, նրանք ունեն մի շարք յուրահատուկ հատկանիշներ. Թվարկենք դրանք՝
- Նրանք մեխանիկորեն կայուն են կամայականորեն երկար ժամանակ, եթե շրջակա միջավայրի պայմանները չեն փոխվում: Բավական է տաքացնել համակարգը կամ փոխել նրա թթվայնությունը (pH արժեքը), քանի որ կոլոիդը կոագուլացվում է (տեղավորում):
- Դրանք չեն բաժանվում ֆիլտրի թղթի միջոցով, սակայն դիալիզի գործընթացը հանգեցնում է ցրված փուլի և միջավայրի բաժանմանը:
- Ինչպես իսկական լուծույթների դեպքում, դրանք կարող են էլեկտրոլիզվել:
- Թափանցիկ կոլոիդ համակարգերի համար բնորոշ է այսպես կոչված Tyndall-ի էֆեկտը՝ անցնելով լույսի ճառագայթ այս համակարգի միջով, դուք կարող եք տեսնել այն: Այն կապված էէլեկտրամագնիսական ալիքների ցրում սպեկտրի տեսանելի մասում բոլոր ուղղություններով։
- Այլ նյութեր կլանելու ունակություն։
Կոլոիդային համակարգերը թվարկված հատկությունների շնորհիվ մարդկանց կողմից լայնորեն կիրառվում են գործունեության տարբեր ոլորտներում (սննդի արդյունաբերություն, քիմիա), հաճախ հանդիպում են նաև բնության մեջ։ Կոլոիդի օրինակ է կարագը, մայոնեզը։ Բնության մեջ սրանք մառախուղներ են, ամպեր։
Նախքան ցրված համակարգերի վերջին (երրորդ) դասի նկարագրությանը անցնելը, եկեք ավելի մանրամասն բացատրենք կոլոիդների անվանված որոշ հատկություններ:
Ի՞նչ են կոլոիդային լուծույթները:
Այս տեսակի ցրված համակարգերի համար դասակարգումը կարող է տրվել՝ հաշվի առնելով միջավայրի տարբեր ագրեգատային վիճակները և նրանում լուծարված փուլը։ Ստորև ներկայացված է համապատասխան աղյուսակը/
| չորեքշաբթի/Փուլ | Գազ | Հեղուկ | Կոշտ մարմին |
| գազ | բոլոր գազերը անսահմանորեն լուծելի են միմյանց մեջ, ուստի դրանք միշտ կազմում են իրական լուծույթներ | աերոզոլ (մառախուղ, ամպեր) | աերոզոլ (ծուխ) |
| հեղուկ | փրփուր (սափրվելու, հարած սերուցք) | էմուլսիա (կաթ, մայոնեզ, սոուս) | sol (ջրաներկ) |
| պինդ մարմին | փրփուր (պեմզա, գազավորված շոկոլադ) | գել (ժելատին, պանիր) | sol (ռուբին բյուրեղյա, գրանիտ) |
Աղյուսակը ցույց է տալիս, որ կոլոիդային նյութերը առկա են ամենուր՝ և՛ առօրյա կյանքում, և՛ բնության մեջ։ Նշենք, որ նմանատիպ աղյուսակ կարելի է տալ նաև կախոցների համար՝ հիշելով, որ տարբերությունը հետդրանցում կոլոիդները միայն ցրված փուլի չափով են: Այնուամենայնիվ, կախոցները մեխանիկորեն անկայուն են և, հետևաբար, ավելի քիչ գործնական հետաքրքրություն են ներկայացնում, քան կոլոիդային համակարգերը:
Կոլոիդների մեխանիկական կայունության պատճառը
Ինչու՞ մայոնեզը կարող է երկար մնալ սառնարանում, իսկ դրա մեջ կախված մասնիկները չեն նստում: Ինչո՞ւ ջրի մեջ լուծված ներկի մասնիկները, ի վերջո, չեն «ընկնում» նավի հատակը: Այս հարցերի պատասխանը կլինի Բրաունյան շարժումը։
Շարժման այս տեսակը հայտնաբերվել է 19-րդ դարի առաջին կեսին անգլիացի բուսաբան Ռոբերտ Բրաունի կողմից, ով մանրադիտակի տակ դիտել է, թե ինչպես են փոշու փոքր մասնիկները շարժվում ջրի մեջ։ Ֆիզիկական տեսանկյունից Բրաունյան շարժումը հեղուկ մոլեկուլների քաոսային շարժման դրսեւորում է։ Նրա ինտենսիվությունը մեծանում է, եթե հեղուկի ջերմաստիճանը բարձրացվի։ Հենց այս տեսակի շարժումն է հանգեցնում կոլոիդային լուծույթների փոքր մասնիկների կասեցման:
Ադսորբցիոն հատկություն
Ցրվածությունը մասնիկների միջին չափի փոխադարձությունն է: Քանի որ կոլոիդներում այս չափը գտնվում է 1 նմ-ից մինչև 100 նմ միջակայքում, նրանք ունեն շատ զարգացած մակերևույթ, այսինքն՝ S/m հարաբերակցությունը մեծ արժեք է, այստեղ S-ը երկու փուլերի միջև ընդհանուր միջերեսային տարածքն է (ցրման միջավայր. և մասնիկներ), m - մասնիկների ընդհանուր զանգվածը լուծույթում։
Ատոմները, որոնք գտնվում են ցրված փուլի մասնիկների մակերեսին, ունեն չհագեցած քիմիական կապեր։ Սա նշանակում է, որ նրանք կարող են միացություններ ստեղծել այլոց հետմոլեկուլները. Որպես կանոն, այդ միացությունները առաջանում են վան դեր Վալսյան ուժերի կամ ջրածնային կապերի պատճառով։ Նրանք կարողանում են մոլեկուլների մի քանի շերտեր պահել կոլոիդային մասնիկների մակերեսին։
Ադսորբենտի դասական օրինակը ակտիվացված ածխածինն է: Այն կոլոիդ է, որտեղ դիսպերսիոն միջավայրը պինդ է, իսկ փուլը՝ գազ։ Նրա հատուկ մակերեսը կարող է հասնել 2500 մ2/գ։
Նրբության աստիճան և մակերեսի հատուկ մակերես
S/m-ի հաշվարկը հեշտ գործ չէ: Բանն այն է, որ կոլոիդային լուծույթի մասնիկներն ունեն տարբեր չափեր, ձևեր, և յուրաքանչյուր մասնիկի մակերեսն ունի յուրահատուկ ռելիեֆ։ Ուստի այս խնդրի լուծման տեսական մեթոդները հանգեցնում են որակական արդյունքների, ոչ թե քանակականի։ Այնուամենայնիվ, օգտակար է հատուկ մակերեսի համար բանաձև տալ ցրվածության աստիճանից:
Եթե ենթադրենք, որ համակարգի բոլոր մասնիկները ունեն գնդաձև ձև և նույն չափը, ապա պարզ հաշվարկների արդյունքում ստացվում է հետևյալ արտահայտությունը՝ Sud=6/(dρ), որտեղ Sud - մակերեսի մակերես (հատուկ), d - մասնիկի տրամագիծ, ρ - նյութի խտությունը, որից այն բաղկացած է: Բանաձևից երևում է, որ ամենափոքր և ամենածանր մասնիկները ամենաշատը կնպաստեն դիտարկվող քանակին։
Sud որոշելու փորձարարական եղանակը ուսումնասիրվող նյութի կողմից ներծծվող գազի ծավալի հաշվարկն է, ինչպես նաև ծակոտիների չափը (ցրված փուլ) չափելը: դրա մեջ։
Սառեցում-չորացում ևլիոֆոբ
Լիոֆիլություն և լիոֆոբություն - սրանք այն բնութագրերն են, որոնք, ըստ էության, որոշում են դիսպերս համակարգերի դասակարգման գոյությունն այն տեսքով, որով այն տրված է վերևում: Երկու հասկացություններն էլ բնութագրում են ուժային կապը լուծիչի և լուծվող նյութի մոլեկուլների միջև: Եթե այս հարաբերությունները մեծ են, ուրեմն խոսում են լիոֆիլության մասին։ Այսպիսով, ջրի աղերի բոլոր իրական լուծույթները լիոֆիլ են, քանի որ դրանց մասնիկները (իոնները) էլեկտրականորեն կապված են H2O բևեռային մոլեկուլների հետ: Եթե նման համակարգերը դիտարկենք որպես կարագ կամ մայոնեզ, ապա դրանք բնորոշ հիդրոֆոբ կոլոիդների ներկայացուցիչներ են, քանի որ դրանցում առկա ճարպի (լիպիդային) մոլեկուլները վանում են բևեռային մոլեկուլները H2O.
Կարևոր է նշել, որ լիոֆոբ (հիդրոֆոբ, եթե լուծիչը ջուր է) համակարգերը թերմոդինամիկորեն անկայուն են, ինչը տարբերում է դրանք լիոֆիլ համակարգերից:
Կասեցումների հատկությունները
Այժմ դիտարկենք ցրված համակարգերի վերջին դասը՝ կախոցները: Հիշեցնենք, որ դրանք բնութագրվում են նրանով, որ դրանցում ամենափոքր մասնիկը 100 նմ-ից ավելի մեծ է կամ կարգի: Ի՞նչ հատկություններ ունեն դրանք: Համապատասխան ցուցակը տրված է ստորև՝
- Դրանք մեխանիկորեն անկայուն են, ուստի կարճ ժամանակում նստվածք են առաջացնում։
- Նրանք ամպամած են և անթափանց արևի լույսի համար:
- Ֆազը կարելի է առանձնացնել միջինից զտիչ թղթով:
Բնության մեջ կասեցումների օրինակներ են գետերի պղտոր ջուրը կամ հրաբխային մոխիրը: Մարդկանց կողմից կասեցումների օգտագործումը կապված է որպեսսովորաբար դեղորայքով (դեղորայքային լուծույթներով):
կոագուլյացիա
Ի՞նչ կարելի է ասել ցրվածության տարբեր աստիճան ունեցող նյութերի խառնուրդների մասին: Մասնակիորեն այս հարցն արդեն անդրադարձել է հոդվածում, քանի որ ցանկացած ցրված համակարգում մասնիկներն ունեն չափս, որը գտնվում է որոշակի սահմաններում: Այստեղ մենք դիտարկում ենք միայն մեկ հետաքրքիր դեպք. Ի՞նչ կլինի, եթե խառնեք կոլոիդը և իսկական էլեկտրոլիտի լուծույթը: Կշռադատված համակարգը կկոտրվի, և դրա կոագուլյացիա տեղի կունենա։ Դրա պատճառը իրական լուծույթի իոնների էլեկտրական դաշտերի ազդեցության մեջ է կոլոիդային մասնիկների մակերեսային լիցքի վրա։
