Дисперсные системы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство общего и профессионального образования Свердловской области

«Екатеринбургский колледж транспортного строительства»

Реферат

по дисциплине « Химия»

Дисперсные системы

Для химии наибольшее значение имеют дисперсионные системы, в которых средой является вода и жидкие растворы.

Чистые вещества в природе встречаются очень редко. Смеси различных веществ в разных агрегатных состояниях могут образовывать гетерогенные и гомогенные системы - дисперсные системы и растворы. Знакомство с дисперсными системами и растворами показывает, насколько они важны в повседневной жизни и природе. Цивилизация Древнего Египта не состоялась бы без нильского ила ; без воды, воздуха, горных пород, минералов вообще бы не существовала живая планета - наш общий дом - Земля; без клеток не было бы живых организмов.

Как известно, химической основой существования живого организма является обмен белков в нем. В среднем концентрация белков в организме составляет от 18 до 21 %. Большинство белков растворяются в воде (концентрация которой в организме человека и животных составляет примерно 65 %) и образуют коллоидные растворы.

Дисперсные системы - это гетерогенные системы, состоящие из двух или большего числа фаз с сильно развитой поверхностью раздела между ними.

Особые свойства дисперсных систем обусловлены именно малым размером частиц и наличием большой межфазной поверхности. В связи с этим определяющими являются свойства поверхности, а не частиц в целом. Характерными являются процессы, происходящие на поверхности, а не внутри фазы. Отсюда становится понятным, почему коллоидную химию называют физико-химией поверхностных явлений и дисперсных систем.

Дисперсная фаза и дисперсная среда. То вещество (или несколько веществ), которое присутствует в дисперсной системе в меньшем количестве и распределено в объеме, называют дисперсной фазой. Присутствующее в бьльшем количестве вещество, в объеме которого распределена дисперсная фаза, называют дисперсионной средой. Между дисперсионной средой и частицами дисперсной фазы существует поверхность раздела, именно поэтому дисперсные системы называют гетерогенными, т.е. неоднородными.

Классификация дисперсных систем

И дисперсионную среду, и дисперсную фазу могут составлять вещества, находящиеся в различных агрегатных состояниях. В зависимости от сочетания состояний дисперсионной среды и дисперсной фазы можно выделить восемь видов таких систем

Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию

Так же в качестве классификационного признака можно выделить такое понятие как размер частиц дисперсной системы :

- Грубодисперсные (> 10 мкм): сахар-песок, грунты, туман, капли дождя, вулканический пепел, магма и т. п.

- Среднедисперсные (0,1-10 мкм): эритроциты крови человека, кишечная палочка и т. п.

дисперсный эмульсия суспензия гель

- Высокодисперсные (1-100 нм): вирус гриппа, дым, муть в природных водах, искусственно полученные золи различных веществ, водные растворы природных полимеров (альбумин, желатин и др.) и т. п.

- Наноразмерные (1-10 нм): молекула гликогена, тонкие поры угля, золи металлов, полученные в присутствии молекул органических веществ, ограничивающих рост частиц, углеродные нанотрубки, магнитные нанонити из железа, никеля и т. п.

Грубодисперсные системы: эмульсии, суспензии, аэрозоли

По величине частиц вещества, составляющих дисперсную фазу, дисперсные системы делят на грубодисперсные с размерами частиц более 100 нм и тонкодисперсные с размерами частиц от 1 до 100 нм. Если же вещество раздроблено до молекул или ионов размером менее 1 нм, образуется гомогенная система - раствор. Раствор однороден, поверхности раздела между частицами и средой нет, а потому к дисперсным системам он не относится. Грубодисперсные системы делятся на три группы: эмульсии, суспензии и аэрозоли.

Эмульсии - это дисперсные системы с жидкой дисперсионной средой и жидкой дисперсной фазой.

Их можно также разделить на две группы: 1) прямые - капли неполярной жидкости в полярной среде (масло в воде); 2) обратные (вода в масле). Изменение состава эмульсий или внешнее воздействие могут привести к превращению прямой эмульсии в обратную и наоборот. Примерами наиболее известных природных эмульсий являются молоко (прямая эмульсия) и нефть (обратная эмульсия). Типичная биологическая эмульсия - это капельки жира в лимфе.

Из известных в практической деятельности человека эмульсий можно назвать смазочно-охлаждающие жидкости, битумные материалы, пестицидные препараты, лекарственные и косметические средства, пищевые продукты. Например, в медицинской практике широко применяют жировые эмульсии для энергетического обеспечения голодающего или ослабленного организма путем внутривенного вливания. Для получения таких эмульсий используют оливковое, хлопковое и соевое масла. В химической технологии широко используют эмульсионную полимеризацию как основной метод получения каучуков, полистирола, поливинилацетата и др. Суспензии - это грубодисперсные системы с твердой дисперсной фазой и жидкой дисперсионной средой.

Обычно частицы дисперсной фазы суспензии настолько велики, что оседают под действием силы тяжести - седиментируют. Системы, в которых седиментация идет очень медленно из-за малой разности в плотности дисперсной фазы и дисперсионной среды, также называют взвесями. Практически значимыми строительными суспензиями являются побелка («известковое молоко»), эмалевые краски, различные строительные взвеси, например те, которые называют «цементным раствором». К суспензиям относят также медицинские препараты, например жидкие мази - линименты. Особую группу составляют грубодисперсные системы, в которых концентрация дисперсной фазы относительно высока по сравнению с ее небольшой концентрацией в суспензиях. Такие дисперсные системы называют пастами. Например, вам хорошо известные из повседневной жизни зубные, косметические, гигиенические и др.

Аэрозоли - это грубодисперсные системы, в которых дисперсионной средой является воздух, а дисперсной фазой могут быть капельки жидкости (облака, радуга, выпущенный из баллончика лак для волос или дезодорант) или частицы твердого вещества (пылевое облако, смерч)

Коллоидные системы - в них размеры коллоидных частиц достигают до 100 нм. Такие частицы легко проникают через поры бумажных фильтров, однако не проникают через поры биологических мембран растений и животных. Поскольку коллоидные частицы (мицеллы) имеют электрозаряд и сольватные ионные оболочки, благодаря которым они остаются во взвешенном состоянии, они достаточно продолжительное время могут не выпадать в осадок. Ярким примером коллоидной системы являются растворы желатина, альбумина, гуммиарабика, коллоидные растворы золота и серебра.

Коллоидные системы занимают промежуточное положение между грубодисперсными системами и истинными растворами. Они широко распространены в природе. Почва, глина, природные воды, многие минералы, в том числе и некоторые драгоценные камни, - все это коллоидные системы.

Различают две группы коллоидных растворов: жидкие (коллоидные растворы - золи) и гелеобразные (студни - гели).

Большинство биологических жидкостей клетки (уже упомянутые цитоплазма, ядерный сок - кариоплазма, содержимое вакуолей) и живого организма в целом являются коллоидными растворами (золями). Все процессы жизнедеятельности, которые происходят в живых организмах, связаны с коллоидным состоянием материи. В каждой живой клетке биополимеры (нуклеиновые кислоты, белки, гикозаминогликаны, гликоген) находятся в виде дисперсных систем.

Гели - это коллоидные системы, в которых частицы дисперсной фазы образуют пространственную структуру.

Гели могут быть: пищевые - мармелад, зефир, холодец, желе; биологические- хрящи, сухожилия, волосы, мышечная и нервные ткани, тела медуз; косметические- гели для душа, крема ; медицинские- лекарства, мази; минеральные - жемчуг, опал, сердолик, халцедон.

Большое значение имеют коллоидные системы для биологии и медицины. В состав любого живого организма входят твердые, жидкие и газообразные вещества, находящиеся в сложном взаимоотношении с окружающей средой. С химической точки зрения организм в целом - это сложнейшая совокупность многих коллоидных систем.

Биологические жидкости (кровь, плазма, лимфа, спинномозговая жидкость и др.) представляют собой коллоидные системы, в которых такие органические соединения, как белки, холестерин, гликоген и многие другие, находятся в коллоидном состоянии. Почему же именно ему природа отдает такое предпочтение? Эта особенность связана, в первую очередь, с тем, что вещество в коллоидном состоянии имеет большую поверхность раздела между фазами, что способствует лучшему протеканию реакций обмена веществ.

Примеры природных и искусственных дисперсных систем. Минералы и горные породы как природные смеси

Вся окружающая нас природа - организмы животных и растений, гидросфера и атмосфера, земная кора и недра представляют собой сложную совокупность множества разнообразных и разнотипных грубодисперсных и коллоидных систем. Облака нашей планеты представляют собой такие же живые сущности, как вся природа, которая нас окружает. Они имеют огромное значение для Земли, так как являются информационными каналами. Ведь облака состоят из капиллярной субстанции воды, а вода, как известно, очень хороший накопитель информации. Круговорот воды в природе приводит к тому, что информация о состоянии планеты и настроении людей накапливается в атмосфере, и вместе с облаками передвигается по всему пространству Земли. Удивительное творение природы- облака, которое доставляет человеку радость, эстетическое удовольствие и просто желание иногда посмотреть на небо.

Туман тоже может быть примером природной дисперсной системы, скопление воды в воздухе, когда образуются мельчайшие продукты конденсации водяного пара (при температуре воздуха выше ?10° -- мельчайшие капельки воды, при ?10..?15° -- смесь капелек воды и кристалликов льда, при температуре ниже ?15° -- кристаллики льда, сверкающие в солнечных лучах или в свете луны и фонарей). Относительная влажность воздуха при туманах обычно близка к 100 % (по крайней мере, превышает 85-90 %). Однако в сильные морозы (?30° и ниже) в населённых пунктах, на железнодорожных станциях и аэродромах туманы могут наблюдаться при любой относительной влажности воздуха (даже менее 50 %) -- за счёт конденсации водяного пара, образующегося при сгорании топлива (в двигателях, печах и т. п.) и выбрасываемого в атмосферу через выхлопные трубы и дымоходы.

Непрерывная продолжительность туманов составляет обычно от нескольких часов (а иногда полчаса-час) до нескольких суток, особенно в холодный период года.

Туманы препятствуют нормальной работе всех видов транспорта (особенно авиации), поэтому прогноз туманов имеет большое народно-хозяйственное значение.

Примером сложной дисперсной системы может служить молоко, основными составными частями которого (не считая воды) являются жир, казеин и молочный сахар. Жир находится в виде эмульсии и при стоянии молока постепенно поднимается кверху (сливки). Казеин содержится в виде коллоидного раствора и самопроизвольно не выделяется, но легко может быть осаждён (в виде творога) при подкислении молока, наприм., уксусом. В естественных условиях выделение казеина происходит при скисании молока. Наконец, молочный сахар находится в виде молекулярного раствора и выделяется лишь при испарении воды.

Многие газы, жидкости и твердые вещества растворяются в воде. Сахар и поваренная соль легко растворяются в воде; углекислый газ, аммиак и многие другие вещества, сталкиваясь с водой, переходят в раствор и теряют свое предыдущее агрегатное состояние. Растворенное вещество определенным способом можно выделить из раствора. Если выпарить раствор поваренной соли, то соль остается в виде твердых кристаллов.

При растворении веществ в воде (или ином растворителе) образуется однородная (гомогенная) система. Таким образом, раствором называется гомогенная система, состоящая из двух или более компонентов. Растворы могут быть жидкими, твердыми и газообразными. К жидким растворам относятся, например, раствор сахара или поваренной соли в воде, спирта в воде и тому подобное. К твердым растворам одного металла в другом относятся сплавы: латунь -- это сплав меди и цинка, бронза -- сплав меди и олова и тому подобное. Газообразным веществом является воздух или вообще любая смесь газов.

Минералы и горные породы как природные смеси.

Общепринято под горными породами понимать естественные минеральные агрегаты определенного состава и строения, сформировавшиеся в результате геологических процессов и залегающие в земной коре в виде самостоятельных тел. В соответствии с главными геологическими процессами, приводящими к образованию горных пород, среди них по происхождению различают три генетических класса: осадочные, магматические и метаморфические.

В природе нет просто горных пород, а это или твердые дисперсные фазы суспензий, или дисперсионные среды пористых тел, или затвердевшие эмульсии.

Геологи говорят, что на дне моря накапливается глина. В реальности отложенный глинистый осадок представляет собой рыхлую тонкодисперсную минеральную массу, насыщенную морской водой. Начальная пористость глинистых илов колеблется от 70 до 90%, или в 1 м³ ила содержится 700-900 л морской воды. Как известно, сосуд объемом в 1 м³ вмещает 1000 л воды. Такое образование практически из одной воды (дисперсионной среды), в которой в небольшом количестве изолировано друг от друга находятся глинистые частицы, горной породой назвать нельзя. Это - физико-химическая система типа суспензии.

С погружением в недра литосферы и перекрытием новыми слоями, из суспензии начинает отжиматься вода, глинистые минералы контактируют, сдавливают друг друга, что приводит к уменьшению расстояния атомов их кристаллических решеток. Вещество дисперсной фазы суспензии начинает перекристаллизовываться с увеличением размера кристаллов. Рыхлая минеральная глинистая масса цементируется возникающими кристалликами, переходы в сцементированную глинистую массу - аргиллит.

Возрастающая литостатическая нагрузка (масса) накапливающихся сверху слоев вызывает сильное одностороннее давление. Согласно принципу (закону) Рикке, минералы начинают растворяться по направлению этого давления. При продолжающимся удалении части дисперсионной среды суспензии, что сопровождается уменьшением плотности системы, минералы кристаллизуются в направлении, перпендикулярном статическому давлению. С увеличением размера кристаллов физико-химическая система из суспензии переходит в систему пористого тела из кристаллической дисперсионной среды и нагретой жидкой дисперсной фазы. В кристаллической дисперсионной среде возникает сланцеватая (кристаллические сланцы) и параллельно-полосчатая (гнейсы) текстура.

Ниже из пористого тела удаляется водно-силикатный раствор базальтового состава. Остающаяся дисперсионная среда из кристаллов гранита имеет плотность, меньшую глинистых частиц. Уменьшение плотности фиксируется формированием гранита хаотической текстуры.

При перекристаллизации глинистой дисперсной фазы суспензии в кристаллическую с увеличением размера кристаллов дисперсионную среду пористого тела сопровождается выделением из глинистых минералов потенциальной свободной поверхностной, внутренней энергии (аккумулированной при гипергенезе солнечной энергии) в виде кинетической тепловой. Перекристаллизация вещества с удалением из силикатных минералов примесей (в конечном итоге всех катионов) приводит к уменьшению с глубиной плотности вещества, что способствует изменению координационного числа алюминия в глинах с 4 до 6 в полевых шпатах гнейсов и гранитов, что сопровождается выделением геохимической энергии в виде тепла.

Удаляемый нагретый водно-силикатный раствор базальтового состава представляет собой эмульсию из растворов электролитов, неэлектролитов, а силикатная часть ее составляет коллоидный раствор.

Коагуляция - явление слипания коллоидных частиц и выпадения их в осадок - наблюдается при нейтрализации зарядов этих частиц, когда в коллоидный раствор добавляют электролит. При этом раствор превращается в суспензию или гель. Некоторые органические коллоиды коагулируют при нагревании (клей, яичный белок) или при изменении кислотно-щелочной среды раствора.

Синерезис. Со временем структура гелей нарушается - из них выделяется жидкость. Происходит синерезис - самопроизвольное уменьшение объема геля, сопровождающееся отделением жидкости. Синерезис определяет сроки годности пищевых, медицинских и косметических гелей. Очень важен биологический синерезис при приготовлении сыра, творога. У теплокровных животных есть процесс, который называется свертывание крови: под действием специфических факторов растворимый белок крови фибриноген превращается в фибрин, сгусток которого в процессе синерезиса уплотняется и закупоривает ранку. Если свертывание крови затруднено, то говорят о возможности заболевания человека гемофилией. Носителями гена гемофилии являются женщины, а заболевают ею мужчины. Хорошо известен исторический династический пример: царствующая более 300 лет российская династия Романовых страдала этим заболеванием.

Заключение

В дисперсных системах удельная поверхность дисперсной фазы очень велика. Одно из наиболее важных следствий большой поверхности дисперсной фазы заключается в том, что лиофобные дисперсные системы обладают избыточной поверхностной энергией, а, следовательно, являются термодинамически неустойчивыми. Поэтому в дисперсных системах протекают различные самопроизвольные процессы, которые ведут к уменьшению избытка энергии. Наиболее общими являются процессы уменьшения удельной поверхности за счет укрупнения частиц. В итоге такие процессы приводят к разрушению системы. Таким образом, ключевое свойство, которое характеризует само существование дисперсных систем - это их устойчивость, или, наоборот, неустойчивость.

Глобальная роль коллоидов заключается в том, что они являются основными компонентами таких биологических образований как живые организмы. Все вещества организма человека представляют собой коллоидные системы.

Коллоиды поступают в организм в виде пищевых веществ и в процессе пищеварения превращаются в специфические, характерные для данного организма коллоиды. Из коллоидов, богатых белками, состоят кожа, мышцы, ногти, волосы, кровеносные сосуды и т.д. Можно сказать, что весь организм человека - это сложная коллоидная система.

Список источников информации

1. Официальный сайт Российской Академии Естествознания

2. Википедия, свободная энциклопедия

3. Ребиндер П. А Дисперсные системы

4. Сайт о химии «Химик»

5. Официальный сайт журнала «Химия и жизнь»

Размещено на Allbest.ru