Хімія. Профільний рівень. 11 клас. Григорович

§ 88. Дисперсні системи. Колоїди

Повторіть:

• за § 12: поняття про розчини, ознаку істинних розчинів;
• за § 52: поняття про адсорбцію.

Дисперсні системи. Класифікація дисперсних систем

Суміші, в яких одна речовина рівномірно розподілена в іншій, як, приміром, дим, туман, молоко, називають дисперсними системами (від латин. dispergo — розсіювати, подрібнювати) — це суміші двох чи більше речовин, що практично не розчиняються одна в одній і не реагують одна з одною. У цих системах речовину, в якій розподіляється інша речовина, називають дисперсійним середовищем, а речовину, що розподіляється, — дисперсною речовиною. Для істинних розчинів — це розчинник і розчинена речовина відповідно.

• Класифікація дисперсних систем за розміром частинок дисперсної речовини. Залежно від розміру частинок (ступеня подрібнення) речовин, що змішуються, розрізняють такі типи дисперсних систем:

• зависі (грубодисперсні системи);
• колоїдні системи, або колоїди (високодисперсні системи), зокрема колоїдні розчини; колоїдні системи часто називають золі (від лат. solutio — розчин);
• істинні розчини.

Головна відмінність між ними — розмір частинок розподіленої речовини (мал. 88.1).

Мал. 88.1. а — завись крейди (у зависях розподілена речовина перебуває у вигляді великих кристаликів твердих речовин або крапель рідини); б —золь золота (у колоїдних розчинах частинки речовини доволі великі і складаються з десятків або тисяч молекул (атомів або йонів)); в — розчин купрум(IІ) сульфату (в істинних розчинах речовина існує у вигляді окремих молекул або йонів)

Найпоширенішими в природі є дисперсні системи, в яких частинки твердої речовини розподілені в рідкому середовищі (воді). Властивості різних дисперсних систем наведено в таблиці 18 (с. 230).

Таблиця 18. Порівняння властивостей дисперсних систем

Характеристика	Зависі	Колоїдні розчини	Істинні розчини
Розмір частинок (r-радіус)	Дисперсна речовина перебуває у вигляді невеликих частинок (кристаликів), 10-7 м < r < 10-5 м	Дисперсна речовина перебуває у вигляді сполучених скупчень молекул (йонів), 10-9 м < r < 10-7 м	Розчинена речовина перебуває у вигляді окремих молекул або йонів, розмір частинок дорівнює розміру молекул
Оптичні властивості	Непрозорі, мутні	Прозорі, але розсіюють світло	Прозорі, світло не розсіюють
Можливість розділення на речовину і воду	Частинки речовини не проходять крізь паперовий фільтр	Частинки проходять крізь паперовий фільтр, але не проходять крізь пергаментний	Фільтруванням розділити неможливо
Стійкість	Нестійкі в часі, частинки досить швидко осідають на дно або спливають на поверхню	Відносно стійкі в часі, однак згодом «старіють» з утворенням осаду	Можуть існувати нескінченно довго, якщо не відбувається хімічних реакцій

У зависях окремі частинки речовини помітні неозброєним оком або у звичайний мікроскоп (мал. 88.1a), саме тому зависі завжди мутні.

У колоїдних розчинах розмір частинок речовини значно менший, ніж у зависях. Неозброєним оком і навіть у звичайний мікроскоп такі частинки помітити неможливо, тому колоїдні розчини здаються прозорими. Приміром, кава та чай — це колоїдні розчини.

• Класифікація дисперсних систем за агрегатним станом дисперсної речовини та дисперсійного середовища. Дисперсні системи відрізняються за агрегатним станом дисперсної речовини та дисперсійного середовища. Найпоширеніші з них подано в таблиці 19.

Таблиця 19. Дисперсні системи із дисперсними речовинами та дисперсійним середовищем у різних агрегатних станах

Дисперсійне середовище	Дисперсна речовина
	Тверда	Рідка	Газувата
Тверде	Тверді розчини, або тверді золі (сплави металів, мінерали, бетон, композиційні матеріали)	Гель (желе, желатин); рідина в пористих тілах (вода в адсорбентах, ґрунти)	Тверді піни (пемза, пінопласт, застигла будівельна піна, каталізатори для реакцій між газами)
Рідке	Зависі (мул у річковій воді), суспензії (зубна паста), колоїдні розчини (кава)	Емульсії: «вода в олії» (бензин, розбавлений водою), «олія у воді» (молоко, креми); колоїдні розчини (розчини ПАР)	Гідрозолі, або рідкі піни (збиті вершки, мильна піна)
Газувате	Аерозолі (дим, пил)	Аерозолі (тумани, хмари)	Суміші газів, дисперсні системи не утворюються

Наведені в таблиці приклади дисперсних систем не завжди можна чітко визначити, іноді між ними досить важко провести межу. Так, дуже грубодисперсні системи називають зависями, а більш тонкі зависі розділяють на два види — суспензії та емульсії.

Суспензії — це суміші твердої речовини з водою. Наприклад, у річковій воді завжди наявні частинки мулу або глини, а білильна суміш для біління дерев — це суспензія тонкоподрібненої крейди або вапна у воді.

В емульсіях у воді розподілені дрібні краплини інших рідин, які не змішуються одна з одною. Розрізняють два види емульсій — «вода в олії» та «олія у воді» (мал. 88.2). Молоко та вершки — це емульсія молочного жиру у воді, тобто є емульсією типу «олія у воді». Тривалим збиванням вершків одержують вершкове масло, яке також є емульсією, але іншого типу — «вода в олії»: саме механічна обробка спричиняє зміну типу емульсії. Водоемульсійні фарби — це також приклад емульсій, у яких із водою змішані краплини фарби того чи іншого кольору.

Мал. 88.2. Молоко (а) — класичний приклад емульсії «олія у воді»: під мікроскопом видно дрібні крапельки жиру. Вершки (б) є такою самою емульсією, але більш концентрованою. Під час збиття вершків тип емульсії змінюється на «вода в олії» та утворюється вершкове масло (в)

Розпізнавання колоїдних розчинів

Різні дисперсні системи можна відрізнити одну від одної за їхніми оптичними властивостями. Як було зазначено в таблиці 19, частинки в грубодисперсних системах відбивають світло, тому вони непрозорі або каламутні. Складніше відрізнити колоїдний розчин від істинного, оскільки вони обидва прозорі.

Утім, незважаючи на зовнішню прозорість істинних і колоїдних розчинів, їх усе ж таки можна розрізнити за допомогою простого досліду: усі колоїдні розчини розсіюють світло. Якщо в затіненій кімнаті крізь склянку з колоїдним розчином пропустити промінь світла, наприклад від звичайної лазерної указки, то цей промінь у склянці добре помітний збоку (мал. 88.3). Це пов’язано з тим, що під час проходження променю крізь колоїдний розчин на шляху світла трапляються колоїдні частинки і промінь розсіюється. Цей ефект називають ефектом Тіндаля на честь англійського науковця Джона Тіндаля, який його відкрив. Такий самий ефект ми спостерігаємо, коли промінь світла проникає крізь фіранки в затінену запилену кімнату. Істинні розчини такого ефекту не виявляють. Світловий промінь проходить крізь них без будь-яких перешкод, оскільки частинки розчиненої речовини настільки малі, що не розсіюють світло. Тож промінь світла, пропущений крізь склянку з істинним розчином, побачити неможливо.

Мал. 88.3. Ефект Тіндаля: у разі пропускання світла крізь істинний розчин промінь не розсіюється (а), а в колоїдному розчині промінь світла добре видно збоку (б)

Колоїдні розчини

У колоїдних розчинах частинки дисперсної речовини утворюють крихітні скупчення розміром у майже 10 000 разів менші за 1 мм. Ці скупчення називають міцелами. Залежно від дисперсної речовини міцели мають дещо різну будову.

Ядро міцели, яка утворена нерозчинною у воді неорганічною речовиною, є дрібним кристалом цієї речовини. На поверхні ядра адсорбовано надлишкову кількість йонів, з яких утворено ядро (катіонів або аніонів, залежно від умов утворення міцели). Ці надлишкові йони зумовлюють наявність електричного заряду на поверхні міцели, який нейтралізують інші протийони (йони з протилежним зарядом), наявні в розчині.

Наприклад, колоїдний розчин неорганічної нерозчинної речовини можна отримати за реакцією:

AgNO₃ + KI = AgI↓ + KNO₃

Ядро міцели становить аргентум(І) йодид, утворений йонами Ag⁺ та І^- (мал. 88.4). На поверхні ядра адсорбована надлишкова кількість йонів Ag⁺ чи І^-: якщо в розчині надлишок йонів Ag⁺, то вони адсорбуються на поверхні, в іншому випадку на поверхні будуть йони I^-. Якщо заряд утвореної міцели позитивний, то його нейтралізуватимуть нітрат-іони, в іншому випадку — йони К⁺.

Мал. 88.4. Будова міцели, утвореної з неорганічної речовини

Органічні речовини також можуть утворювати міцели, а отже, і колоїдні розчини. Міцели утворюють молекули поверхнево-активних речовин (ПАР), у яких можна виділити дві частини: гідрофобну і гідрофільну (мал. 88.5а). У розчині за певної концентрації молекули ПАР об’єднуються в міцели (мал. 88.5б), при цьому неполярні гідрофобні частини «ховаються» всередині міцели, а гідрофільні частини спрямовані назовні до молекул води.

Мал. 88.5. Солі вищих карбонових кислот є поверхнево-активними речовинами, в їхніх молекулах можна виділити гідрофобну й гідрофільну частини (а). У розчинах ці молекули можуть об'єднуватися в міцели (б)

Полярною частиною аніонів солей вищих карбонових кислот є негативно заряджена карбоксильна група, отже, поверхня міцели заряджена, а її заряд нейтралізують катіони лужних елементів (Na⁺ або К⁺). Оскільки міцели в даному випадку утворені аніонами, то солі вищих карбонових кислот є аніонними ПАР. Існують також і катіонні ПАР, вони утворюють міцели з катіонів, а поверхня таких міцел заряджена позитивно. Катіонними ПАР є солі аліфатичних і ароматичних амінів.

Молекули полімерів, наприклад поліетилену, крохмалю або желатину, мають дуже великі розміри. Тому їх розчини також є колоїдними.

Властивості та утворення колоїдних систем вивчає окремий розділ — колоїдна хімія, одним із засновників якої був наш співвітчизник Антон Володимирович Думанський.

Антон Володимирович Думанський (1880-1967)

Український учений, академік, один із засновників колоїдної хімії

Коагуляція колоїдних систем

Колоїдні системи мають досить високу агрегативну стійкість, тобто вони стійкі у часі і можуть існувати доволі довго. Це насамперед зумовлено будовою міцел: усі міцели в розчині мають однаковий заряд, що запобігає їх зіткненню і злипанню. Але серед міцел усе одно трапляються міцели з більшим енергетичним запасом, який дозволяє їм долати сили відштовхування. Якщо дві міцели зближаються, то вони злипаються й укрупнюються. Злипання міцел спричиняє коагуляцію колоїдних систем (від латин. coagulatio — згортання, згущення).

Коагуляція — процес злипання завислих дрібних частинок дисперсних систем з утворенням осаду або застиганням.

Коагуляція зумовлює втрату стійкості і призводить до розділення (розшарування) двох речовин. Залежно від колоїду самовільна коагуляція може відбуватися як швидко, так і дуже повільно. Так, верхній шар молока перетворюється на вершки впродовж декількох годин. Але відомі випадки, коли золь золота зберігався декілька століть.

Можлива також примусова коагуляція, коли міцели «спонукають» підходити близько одна до одної. Для цього необхідно навколо міцели зменшити шар розчинника, в якому перебувають йони, що нейтралізують заряд (зазвичай додають розчини електролітів). Чим більша концентрація йонів у розчинів, чим більший заряд йонів, тим у меншому шарі розчину містяться необхідні протийони і тим ближче міцели можуть підходити одна до одної.

Унаслідок коагуляції в розбавленому колоїдному розчині утворюються пластівці нерозчинної речовини і колоїд розшаровується: дисперсна речовина утворює осад або спливає на поверхню розчину.

Якщо коагуляція відбувається в концентрованому колоїдному розчині, то колоїдні частинки об’єднуються так, що утворюють по всьому об’єму розчину тривимірну сітку, усередині комірок якої містяться молекули води (розчинника) та інші частинки. Такий розчин перестає текти і тримає певну форму, тобто він втрачає властивості рідини й набуває властивості твердої речовини. Таку колоїдну систему називають гелем (або, рідше, драглями) (мал. 88.6), а таку коагуляцію — гелеутворенням.

Процес гелеутворення характерний як для неорганічних, так і для органічних речовин. Серед неорганічних речовин гелі утворюють силікатна кислота й алюміній гідроксид (силікагель і алюмогель відповідно). Із харчових гелеутворювачів найбільш відомі агар-агар і желатин. Агар-агар одержують із морських водоростей, він є вуглеводом, а желатин має білкову природу і міститься у тваринних рештках: кістках, хрящах, копитах.

Значення колоїдів

Певною мірою можна стверджувати, що колоїдна хімія — це дійсно хімія природних явищ. У природі дуже рідко трапляються істинні розчини або інші ідеальні системи, з якими хіміки мають справу в лабораторіях. Майже всі природні процеси відбуваються або в колоїдних системах або за участі атомів на поверхні різних тіл, а поверхневі явища також є предметом вивчення колоїдної хімії.

• Перші хімічні реакції, завдяки яким з’явилося життя на нашій планеті, відбувалися в «первинному бульйоні» — колоїдному розчині Світового океану. А принципи побудови мембрани живої клітини та міцели є однаковими.

• Плазма крові, лімфа, слина, цитоплазма та інші рідини живих організмів — це розчини різних речовин у воді. Часто у складі таких розчинів є білкові молекули, отже, всі ці розчини є колоїдними. Можна впевнено стверджувати, що наш організм — це суцільна колоїдна система.

Слово «емульсія» походить від латинського слова emulgere, що означає «доїти», оскільки першою з відомих емульсій було молоко.

• Рідка їжа також переважно є колоїдним розчином, оскільки в її складі містяться білкові молекули та молекули інших поживних речовин. У більшості випадків тверда їжа — це також різні дисперсні системи (емульсії, суспензії та гелі).

• Багато ліків використовують у вигляді розчинів у воді або в спирті (настоянки). Часто лікувальні форми є колоїдними системами — це мазі, креми та деякі інші лікувальні засоби, що є суспензіями або емульсіями лікарських речовин.

Мал. 88.6. Гель — колоїдна система, в якій колоїдні частинки втратили здатність вільно переміщуватися в розчині

ЛАБОРАТОРНИЙ ДОСЛІД № 26

Виготовлення колоїдного розчину каніфолі

Обладнання: хімічний стакан, скляна паличка, мірний циліндр, крапельниця, лазерна указка або інше джерело світла.

Реактиви: вода, розчин каніфолі в етанолі (10 %).

Дотримуйтесь правил безпеки

У хімічний стакан налийте 50 мл води і крапельницею додайте 15 крапель спиртового розчину каніфолі за постійного перемішування паличкою. За якою ознакою можна зробити висновок, що добуто колоїдний розчин? Випробуйте розчин на ефект Тіндаля.

ЛАБОРАТОРНИЙ ДОСЛІД № 27

Розчинення йоду у воді та спирті

Обладнання: штатив із пробірками, пінцет.

Реактиви: йод кристалічний, вода, етанол.

Дотримуйтесь правил безпеки

У першу пробірку налийте етанол об’ємом 2-3 мл, а в другу — таку саму кількість води. У кожну пробірку пінцетом внесіть по одному дрібному кристалику йоду. Зробіть висновки щодо розчинності йоду у воді та спирті.

Ключова ідея

Колоїдна хімія описує справжні процеси, що відбуваються в природі, а не змодельовані в пробірці.

Запитання та завдання

514. Дайте визначення понять: «дисперсна система», «дисперсійне середовище», «дисперсна речовина», «емульсія», «суспензія», «гель».

515. Схарактеризуйте класифікацію дисперсних систем за різними ознаками.

516. Чим відрізняються за внутрішньою структурою зависі, колоїдні та істинні розчини? Як їх розрізнити?

517. Як можна довести або спростувати, що кава і чай — це істинні розчини?

518. Чи можна суміш із двох газів назвати розчином? Чому?

519. Що називають міцелами? Схарактеризуйте будову міцел.

520. Що називають коагуляцією колоїдних розчинів? За яких умов вона відбувається?

521. Схарактеризуйте значення колоїдів.

522. У додаткових джерелах знайдіть інформацію про використання колоїдних розчинів, емульсій та суспензій у різних галузях промисловості, медицині, будівництві тощо.