Підручник з Хімії. 9 клас. Григорович - Нова програма

ТЕМА 1. РОЗЧИНИ

У цьому розділі ви дізнаєтеся...

• чим відрізняються суспензії від емульсій;

• що розчини — це дисперсні системи;

• що золото можна розчинити у воді;

• що наше тіло фактично є колоїдним розчином;

• чому не можна кидати фен у ванну;

• що позначають загадковим символом рН.

§ 3. Поняття про дисперсні системи. Колоїдні та істинні розчини

Пригадайте:

• сумішами називають такі системи, що складаються з декількох речовин — компонентів; у їхньому складі містяться частинки (атоми, молекули або йони) різних речовин;

• якщо окремі компоненти суміші не можна розрізнити неозброєним оком або за допомогою мікроскопа, то такі суміші називають однорідними, в іншому випадку суміші є неоднорідними.

Поняття про дисперсні системи

Вам уже відомо, що існують однорідні й неоднорідні суміші. Суміші не мають сталого складу (на відміну від хімічних сполук), і їх можна розділити на індивідуальні речовини, якщо не відбувається необоротних хімічних процесів.

Суміші, в яких одна речовина розподілена в іншій, як, наприклад, дим, туман, молоко, називають дисперсними системами (від латин. dispergo — розсіювати, подрібнювати).

Дисперсні системи відрізняються тим, які частинки (тверді, рідкі, газоподібні) розподілені в якому середовищі.

Найпоширенішими в природі є дисперсні системи, в яких частинки твердої речовини розподілені в рідкому середовищі (воді).

Залежно від розміру частинок (подрібнення) речовин, що змішуються, розрізняють такі типи дисперсних систем:

• зависі (грубодисперсні системи);

• колоїдні розчини, або золі (високодисперсні системи);

• істинні розчини.

Головна відмінність між ними — розмір частинок розподіленої речовини (мал. 3.1).

Мал. 3.1. 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 й складаються з десятків або тисяч молекул, атомів або йонів); в — розчин купрум(II) сульфату (в істинних розчинах речовина існує у вигляді окремих молекул або йонів)

Властивості різних дисперсних систем наведено в таблиці 7.

У зависях окремі частинки речовини помітні неозброєним оком або у звичайний мікроскоп, саме тому зависі завжди мутні. Залежно від агрегатного стану розподіленої у воді речовини серед зависей виокремлюють суспензії та емульсії. Суспензії — це суміші твердої речовини з водою (мал. 3.2). Білильна суміш — це суспензія тонкоподрібненої крейди або вапна у воді. В емульсіях у воді розподілені дрібні крапельки інших рідин, що не змішуються одна з одною. Молоко — це емульсія жиру у воді, який із часом спливає на поверхню, утворюючи вершки (мал. 3.3). У водоемульсійних фарбах з водою змішані краплі клею ПВА з фарбою того чи іншого кольору.

Мал. 3.2. Суспензія — суміш піску й мулу у воді: а — у збовтаному вигляді; б — після осідання твердих частинок

Мал. 3.3. Молоко — класичний приклад емульсії, у мікроскоп видно дрібні крапельки жиру

Таблиця 7. Порівняння властивостей дисперсних систем

Характеристика	Зависі	Колоїдні розчини	Істинні розчини
Розмір частинок (r — радіус)	Речовина перебуває у вигляді невеликих частинок (кристаликів), 10-7 м < r < 10-5 м	Речовина перебуває у вигляді сполучених молекул (йонів), 10-9 м < r < 10-7 м	Речовина перебуває у вигляді окремих молекул або йонів
Оптичні властивості	Непрозорі, мутні	Прозорі, але розсіюють світло	Прозорі, світло не розсіюють
Можливість розділення на окремі компоненти	Частинки речовини не проходять крізь паперовий фільтр	Не фільтруються паперовим фільтром, але фільтруються пергаментним	Фільтруванням розділити неможливо
Стійкість	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 випариться розчинник

Зависі можуть утворюватися не обов’язково за участі води (мал. 3.4). Різні подрібнені речовини можуть бути розподілені у твердому й газуватому середовищах, утворюючи зависі: дим являє собою маленькі тверді частинки, а туман — рідкі частинки, що розподілені в повітрі. Такі системи називають аерозолями. Якщо газувату речовину розподілити в рідині, то утворюються піни, які також належать до зависей, — це, наприклад, збиті вершки або мильна піна. Гази з твердими речовинами можуть утворювати тверді піни, як, наприклад, пемза або пінопласт.

Мал. 3.4. Приклади зависей: а — газована вода є гідрозолем вуглекислого газу в напої; б — дим є аерозолем твердих частинок у повітрі; в — туман є аерозолем крапель води в повітрі

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. Кава та чай — це колоїдні розчини.

Молекули деяких речовин, наприклад крохмалю або білків, мають дуже великі розміри — як декілька тисяч звичайних молекул. Розчини таких речовин також є колоїдними. Деякі з них є гелеутворювачами і за малих концентрацій можуть перетворити розчин на густий гель (мал. 3.5). Із харчових гелеутворювачів найбільш відомі агарагар і желатин. Агар-агар одержують із морських водоростей, а желатин міститься у тваринних рештках: кістках, хрящах, копитах.

Мал. 3.5. Гель — колоїдна система, в якій колоїдні частинки втратили здатність вільно переміщуватися в розчині

Гелі та інші колоїдні системи вивчає окремий розділ — колоїдна хімія, одним із засновників якої був наш співвітчизник Антон Володимирович Думанський.

Істинні розчини

Більшість розчинів, з якими ми маємо справу, є істинними, тому для зручності їх називають просто розчинами. Основною їхньою ознакою є те, що в таких розчинах речовини подрібнені до окремих молекул або йонів, тому вони завжди прозорі.

Розчин може бути забарвленим, як, наприклад, розчин мідного купоросу (мал. 3.6), або безбарвним, як розчини кухонної солі та цукру. Але істинний розчин завжди прозорий і в закритій посудині може зберігатися як завгодно довго.

Мал. 3.6. В істинних розчинах окремих компонентів не помітно: після розчинення мідного купоросу у воді розчин набуває синього забарвлення і залишається прозорим

Розчини — це однорідні суміші змінного складу, що складаються з двох або більше компонентів, один з яких зазвичай є рідким.

Речовину, що міститься в розчині в надлишку й перебуває в тому самому агрегатному стані, що й розчин, називають розчинником, а інші компоненти — розчиненими речовинами.

У сумішах з водою розчинником є вода. Як розчинники застосовують також інші рідини: етиловий спирт, бензин, гас тощо. Наприклад, йодна настоянка, яку використовують для дезінфекції ран, є розчином йоду в етиловому спирті. Але в шкільному курсі хімії ви матимете справу переважно з водними розчинами.

Необхідно також зазначити, що хоча розчини називають сумішами, однак їх потрібно відрізняти від звичайних механічних сумішей. Як і суміші, розчини не мають сталого складу (на відміну від хімічних сполук), і їх можна розділити на індивідуальні речовини (якщо між ними не відбувається необоротних хімічних процесів). Проте, головна ознака, що характеризує розчини, — це однорідність. Крім того, на відміну від механічних сумішей, у розчинах існують певні взаємодії між частинками розчинника й розчиненої речовини. Зважаючи на це, суміші двох газуватих речовин розчинами називати не можна.

Як відрізнити істинний розчин від колоїдного?

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 (мал. 3.7). Це пов’язано з тим, що під час проходження променя крізь колоїдний розчин на шляху світла трапляються колоїдні частинки і промінь розсіюється. Цей ефект називають ефектом Тіндаля на честь англійського вченого Джона Тіндаля, який його відкрив. Такий самий ефект ми спостерігаємо, коли промінь світла пробивається крізь фіранки в затінену запилену кімнату. Істинні розчини такого ефекту не виявляють. Світловий промінь проходить крізь них без будь-яких перешкод, оскільки частинки речовини настільки малі, що не розсіюють світла. Тож промінь світла, пропущений крізь склянку з істинним розчином, побачити неможливо.

Мал. 3.7. Ефект Тіндаля: у разі пропускання світла крізь істинний розчин промінь не розсіюється, на відміну від проходження крізь колоїдний розчин

Значення розчинів у природі та житті людини

Перші хімічні реакції, завдяки яким з’явилося життя на нашій планеті, відбувалися в «первинному бульйоні» — розчині різноманітних молекул у Світовому океані. З точки зору сучасної науки, життя зародилося саме в розчині.

Кров, 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.

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 емульсії та суспензії.

Розчинені у воді речовини беруть участь у формуванні осадових порід та корисних копалин, зокрема крейди, мармуру, руд різних металів. Завдяки розчиненню мінералів у воді формуються сталактити та сталагміти в печерах.

Розчини деяких солей застосовують для підгодовування культурних рослин, мінеральні добрива вносять у ґрунт переважно у вигляді розчинів.

Багато ліків використовують у вигляді розчинів у воді або в спирті (настоянки). Мазі, креми та деякі інші лікувальні засоби — це суспензії або емульсії лікарських речовин.

У хімічній промисловості багато процесів відбувається в розчинах (у воді або інших розчинниках). Без застосування розчинів неможливе виготовлення паперу, тканин, харчових кислот, мийних засобів тощо.

Антон Володимирович Думанський (1880—1967)

Відомий український і радянський учений, академік НАН України, член-кореспондент АН СРСР, один із засновників колоїдної хімії в СРСР. 1903 року закінчив Київський політехнічний інститут. Його дипломна робота «Колоїдальне срібло» привернула увагу Д. І. Менделєєва, який був присутній на захисті. Очолював Інститут загальної та неорганічної хімії в Києві. Удосконалив методи дослідження колоїдної хімії, розробив метод визначення розмірів колоїдних частинок ультрацентрифугуванням. Створив науковий напрямок застосування колоїдної хімії в харчових технологіях: хлібопеченні, виробництві цукру, вина, пива, дріжджів, кондитерських виробів. Його ім'ям названо Інститут колоїдної хімії та хімії води НАН України.

Лінгвістична задача

1. Латиною слово gelare означає «мерзнути, застигати», а gelato — «морозиво». Припустіть, яке значення мають терміни «желе», «гель» та «желатин».

2. Грецькою aero означає «повітря», hydro — вода, а латиною solvere — «розчиняти», suspensio — «підвішування». Що, на вашу думку, означають назви колоїдних систем «золі», «гідрозолі», «аерозолі» та «суспензії»?

• Вода з'явилася на Землі мільярди років тому у вигляді водяної пари разом з газами, що виділялися з гарячих надр. Близько 3,5 мільярдів років тому життя почало розвиватися саме у воді — незамінної для життя речовини.

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

• На початку XXI століття вчені отримали принципово новий матеріал — аерогель. Він схожий на звичайний гель, але замість води між колоїдними частинками міститься повітря. Аерогелям притаманні надзвичайні властивості: вони напівпрозорі, дуже легкі (зразок, як на малюнку, має масу близько 2 г), їхня густина майже дорівнює густині повітря. До того ж вони дуже міцні (витримують навантаження у 2000 разів більше за їхню масу) та мають надзвичайно низьку теплопровідність (проводять теплоту гірше за повітря). NASA вже використовує різні аерогелі для будування космічних апаратів.

Ключова ідея

Істинні розчини в природі трапляються рідко, частіше ми стикаємося з іншими дисперсними системами: зависями (суспензіями та емульсіями), золями, аерозолями, гідрозолями, пінами тощо.

Контрольні запитання

29. Які суміші називають розчинами? Що означає словосполучення «змінного складу» у визначенні розчинів? Наведіть приклади.

30. Чим відрізняються за внутрішньою структурою зависі, колоїдні та істинні розчини? Як їх можна відрізнити один від одного?

31. Як можна довести або спростувати, що кава та чай — це істинні розчини?

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

33. Які спільні й відмінні ознаки істинних розчинів та механічних сумішей?

Завдання для засвоєння матеріалу

34. Наведіть приклади використання в побуті зависей, колоїдних та істинних розчинів.

35. Щоб підготувати плодові дерева до зимування, їхні стовбури вкривають такою сумішшю: до 10 л води додають 2 кг вапна, 250 г мідного купоросу, 1 кг глини та 200 г столярного клею. До якого типу дисперсних систем належить ця суміш?

36. Медичний спирт є сумішшю, у 100 г якої міститься 96 г спирту та 4 г води. Чи можна дати однозначну відповідь, що в цьому розчині є розчинником, а що — розчиненою речовиною? Чому?

37. Обчисліть масу води в розчині нітратної кислоти з масовою часткою 20 %, який містить 40 г кислоти.

38. Визначте масу води, в якій необхідно розчинити 2 г натрій нітрату, щоб отримати розчин з масовою часткою солі 0,1 %.

39. Для фарбування різних покриттів найчастіше використовують так звані нітрофарби (суміші різних забарвлених солей або оксидів зі спеціальною рідиною, що за властивостями нагадує бензин) та водоемульсійні фарби (суміш пігментів з водою та клеєм ПВА). До якого типу дисперсних систем належать ці фарби? Як ви вважаєте, якою фарбою безпечніше та зручніше користуватися вдома?

40. Молоко, вершки та вершкове масло — це емульсії, що складаються з води та коров'ячого жиру. Але зовні вони істотно відрізняються. У чому полягають принципові відмінності цих продуктів харчування?

41^*. У додатковій літературі або Інтернеті знайдіть інформацію про використання колоїдних розчинів, емульсій та суспензій у різних галузях промисловості, медицині, будівництві тощо.