дисперсные системы

Воздух наполнен мельчайшими частицами пыли. Мутные ручьи после обильного дождя содержат взвешенные частицы. Молоко – водный раствор, содержащий капельки жира. Растения, животные и микробы представляют собой системы, состоящие одновременно из жидких, твердых и газообразных частей. Мир раздроблен на неоднородные части. Фактически нет ни чистой воды, ни чистого воздуха, ни твердых веществ без примесей. Нам предоставляется возможность понять мир раздробленного вещества.

Различают растворы  и дисперсные системы. Уксус – раствор уксусной кислоты в воде, сахарный сироп – раствор сахарозы в воде. Растворы будут рассмотрены в следующем разделе главы.

В отличие от растворов – однородных систем,

Определение дисперсной системы может быть непонятным, если не раскрыть физический смысл понятия «фаза».

Например, вода может находиться в газообразном, жидком и твердом состоянии или в трех фазах (рис. 37).

Рис. 37. Вода в трех фазовых состояниях: газообразном, жидком и твердом

            Лед, жидкая вода и пар не различаются по химическому составу, но вода в разных агрегатных состояниях имеет различные физические свойства. Это предполагает существование поверхности раздела между разными фазами воды.

            Если смешать жидкую воду с нерастворимым в воде органическим веществом, например, растительным маслом, и сильно встряхнуть, образуется эмульсия, – мелкие капельки масла распределятся по всему объему воды (рис. 38 б).

Рис. 38. Неоднородная двухфазная дисперсная система масло в воде:

а) масло на поверхности воды; б) эмульсия масла в воде

Эмульсия сохраняется некоторое время, затем капельки начинают слипаться в одну большую каплю, которая всплывает на поверхность воды (рис. 38 а).

Вода образует непрерывную дисперсионную среду (то, в чем распределены капли масла). Сами капельки масла представляют собой раздробленную органическую жидкость – дисперсную фазу (то, что распределено в воде). Дисперсионная среда – это непрерывная фаза, в объеме которой распределена другая (дисперсная) фаза в виде мелких твердых частичек, капелек жидкости или пузырьков газа.

Различают следующие дисперсные системы: эмульсии, суспензии, пены. Некоторые из них приведены на рис. 38-40.

Эмульсии – это дисперсные системы с жидкой дисперсной фазой и жидкой дисперсионной средой (рис. 38 б). К ним относятся, например, молоко – эмульсия жира в воде, сырая нефть – эмульсия воды в смеси углеводородов. Среди искусственных эмульсий назовем маргарин, лекарственные и косметические мази и кремы.

Суспензии – это дисперсные системы с твердой дисперсной фазой и жидкой дисперсионной средой. К таким системам относятся масляные краски (рис. 39 а), эмали, цветные лаки. Обычно они готовятся на растительных или синтетических маслах (дисперсионная среда), дисперсной фазой является твердый краситель.

Рис. 39. Суспензии: а) краска; б) цементный раствор

К суспензиям также относятся свежеприготовленные цементные (рис. 39 б) и известковые растворы. Растворами эти суспензии называются условно, так принято в строительстве. Если цементный раствор хранить длительное время, то частички цемента (дисперсная фаза) оседают, и вверху появляется слой воды (дисперсионная среда). Поэтому цементный раствор перевозят в специальных цементовозах, где он непрерывно перемешивается для стабилизации суспензии.

            Пена – это дисперсная система с газовой дисперсной фазой и жидкой или твердой дисперсионной средой (рис. 40). Например, мыльная пена – это дисперсная система, где воздух является дисперсной фазой, а вода – дисперсионной средой. Пены с жидкой дисперсионной средой, как правило, неустойчивы, а с твердой дисперсионной средой могут существовать длительное время (пористая резина, пенополиуретан).

Рис. 40. Пена: а) образующаяся при работе пенного огнетушителя;

б) кусок пористой резины – пузырьки воздуха в резине

            Дисперсные системы играют огромную роль в повседневной жизни человека.

            Рассмотрим взаимодействия в жидких дисперсных системах вода – масло. Под маслом будем понимать любое жидкое органическое вещество, не растворимое в воде. Чем больше длина углеводородной цепи органического соединения, тем меньше его растворимость в воде. Полярные молекулы-диполи воды не могут удержать неполярные молекулы из-за слабого притяжения между ними. Органические вещества имеют меньшую удельную плотность по сравнению с водой. Поэтому они постепенно всплывают на поверхность водной среды. Пример: нефть из терпящего бедствие нефтяного танкера расплывается многокилометровым пятном на поверхности морской глади.

            Чтобы повысить устойчивость дисперсных систем, используют поверхностно-активные вещества (ПАВ). Поверхностно-активные вещества – это органические соединения, состоящие из полярной группы и неполярного углеводородного радикала, которые концентрируются на поверхности раздела фаз в силу особенностей строения молекул. Свойства ПАВ проявляют белки, высокомолекулярные спирты, жирные карбоновые кислоты. Рассмотрим строение натриевой соли жирной карбоновой кислоты (рис. 41). Неполярная часть молекулы – углеводородный радикал – заканчивается полярной группой СООNa.

Рис. 41. Модель молекулы ПАВ – натриевой соли жирной карбоновой кислоты. Изображена диссоциация соли в воде

Молекулы ПАВ, имея в своем составе полярную и неполярную (углеводородную) группу, при растворении в воде взаимодействуют со средой (водой) и между собой таким образом, чтобы перейти в устойчивое состояние (рис. 42).

Рис. 42. Мыльный раствор. В воде молекулы мыла (ПАВ) группируются, располагаясь полярными группами наружу к полярным молекулам воды

            Если смешать масло и воду и добавить ПАВ, то при взбалтывании образуется стабильная эмульсия либо масла в воде, либо воды в масле, в зависимости от концентрации компонентов смеси. Капли масла в водной эмульсии не слипаются, так как ПАВ, добавленное в эмульсию, стабилизирует капли масла, распределяясь на границе раздела фаз полярными группами наружу в воду, что вызывает электростатическое отталкивание образовавшихся в воде стабильных частичек масла. Если имеем эмульсию воды в масле, то капли воды стабилизируются ПАВ неполярными группами наружу в масло, что препятствует соприкосновению капель воды, распределенных в масле. Таким образом, ПАВ концентрируются на поверхности раздела органического вещества и воды и препятствуют слипанию частичек дисперсной фазы.

            Это свойство ПАВ и дисперсных систем используется при очистке поверхностей, покрытых жиром или масляными пятнами, а также при очистке ткани от грязи при стирке белья. Ткань, помещенная в мыльную воду, очищается от грязи благодаря действию мыла (рис. 43).

Рис. 43. Модель очистки ткани от жирных пятен

Молекулы соли жирной кислоты (мыла) обволакивают жирное пятно на поверхности ткани, причем неполярные концы ПАВ обращены в сторону жирного пятна. По мере интенсивного движения ткани в стиральной машине или при ручной стирке пятно окружается со всех сторон молекулами ПАВ и уходит с поверхности ткани в мыльный раствор. Без ПАВ этого бы не произошло, так как масло не растворимо в воде.