Понятие о дисперсных системах. Коллоидные и истинные растворы

 
 

§ 3. Понятие о дисперсных системах. Коллоидные и истинные растворы

Вспомните:

  • смесями называют системы, состоящие из нескольких веществ — компонентов; в их состав входят частицы (атомы, молекулы или ионы) различных веществ;
  • если отдельные компоненты смеси нельзя различить невооруженным глазом или при помощи микроскопа, то такие смеси называют однородными, в ином случае смеси являются неоднородными.

Понятие о дисперсных системах

Вам уже известно, что существуют однородные и неоднородные смеси. У смесей нет постоянного состава (в отличие от химических соединений), и их можно разделить на индивидуальные вещества, если не происходит необратимых химических процессов.

Смеси, в которых одно вещество распределено в другом, как, например, дым, туман, молоко, называют дисперсными системами (от латин. dispergo — рассеивать, измельчать).

Дисперсные системы отличаются тем, какие частицы (твердые, жидкие, газообразные) распределены в какой среде (жидкой, твердой, газообразной).

Наиболее распространены в природе дисперсные системы, в которых частицы твердого вещества распределены в жидкой среде (воде).

В зависимости от размера частиц (измельчения) смешиваемых веществ различают следующие типы дисперсных систем:

  • взвеси (грубодисперсные системы);
  • коллоидные растворы, или золи (высокодисперсные системы);
  • истинные растворы.

Свойства различных дисперсных систем приведены в таблице 7. Главное различие между ними — размер частиц распределенного вещества (рис. 3.1).

Рис. 3.1. а — взвесь мела (во взвеси распределенное вещество находится в виде крупных кристалликов твердых веществ или капель жидкости); б — золь золота (в коллоидных растворах частицы вещества довольно большие и состоят из десятков или тысяч молекул, атомов или ионов); в — раствор купрум(ІІ) сульфата (в истинных растворах вещество существует в виде отдельных молекул или ионов)

Во взвесях отдельные частицы вещества видны невооруженным глазом или в обычный микроскоп, поэтому взвеси всегда мутные. В зависимости от агрегатного состояния распределенного в воде вещества среди взвесей выделяют суспензии и эмульсии. Суспензии — это смеси твердого вещества с водой (рис. 3.2). Например, белильная смесь — это суспензия тонкоизмельченного мела или извести в воде. В эмульсиях в воде распределены мелкие капельки других жидкостей, не смешивающихся друг с другом. Молоко — это эмульсия жира в воде, который со временем всплывает на поверхность, образуя сливки (рис. 3.3). В водоэмульсионных красках капли клея ПВА с краской того или иного цвета смешаны с водой.

Рис. 3.2. Суспензия — смесь песка и ила в воде: а — во взболтанном состоянии; б — после оседания твердых частиц

Рис. 3.3. Молоко — классический пример эмульсии, в микроскоп видны мелкие капли жира

Таблица 7. Сравнение свойств дисперсных систем

Характеристика

Взвеси

Коллоидные растворы

Истинные растворы

Размер частиц r — радиус

Вещество находится в виде небольших частиц (кристалликов),

10-7м < r < 10-5м

Вещество находится в виде соединенных молекул (ионов),

10-9м < r < 10-7м

Вещество находится в виде отдельных молекул или ионов

Оптические свойства

Непрозрачные, мутные

Прозрачные, но рассеивают свет

Прозрачные, свет не рассеивают

Возможность разделения на отдельные компоненты

Частицы вещества не проходят сквозь бумажный фильтр

Не фильтруются бумажным фильтром, но фильтруются пергаментным

Фильтрованием разделить невозможно

Стойкость

Нестойкие, частицы достаточно быстро оседают на дно или всплывают на поверхность

Относительно стойкие, однако постепенно «стареют» с образованием осадка

Могут существовать бесконечно долго, если не испарится растворитель

Взвеси могут образовываться не только при участии воды (рис. 3.4). Различные измельченные вещества могут быть распределены в твердой и газообразной средах, образуя взвеси: дым представляет собой маленькие твердые частицы, а туман — жидкие частицы, распределенные в воздухе. Такие системы называют аэрозолями. Если газообразное вещество распределить в жидкости, то образуются пены, которые также относятся к взвесям, например взбитые сливки или мыльная пена. Газы с твердыми веществами могут образовывать твердые пены, как, в частности, пемза или пенопласт.

Рис. 3.4. Примеры взвесей: а — газированная вода — гидрозоль углекислого газа в напитке; б — дым — аэрозоль твердых частиц в воздухе; в — туман — аэрозоль капель воды в воздухе

В коллоидных растворах размер частиц вещества значительно меньше, чем во взвесях. Невооруженным глазом и даже в обычный микроскоп такие частицы заметить невозможно, поэтому коллоидные растворы кажутся прозрачными. Кофе и чай — это коллоидные растворы.

Молекулы некоторых веществ, например крахмала или белков, очень больших размеров — как несколько тысяч обычных молекул. Растворы таких веществ также являются коллоидными. Некоторые из них являются гелеобразователями и при малых концентрациях могут превратить раствор в густой гель (рис. 3.5). Среди пищевых гелеобразователей наиболее известны агар-агар и желатин. Агар-агар получают из морских водорослей, а желатин содержится в костях, хрящах и копытах животных.

Рис. 3.5. Гель — коллоидная система, в которой коллоидные частицы потеряли способность свободно перемещаться в растворе

Гели и другие коллоидные системы изучает отдельный раздел — коллоидная химия, одним из основателей которой был наш соотечественник Антон Владимирович Думанский.

Истинные растворы

Большинство растворов, с которыми мы имеем дело, являются истинными, поэтому для удобства их называют просто растворами. Их основным признаком является то, что в таких растворах вещества измельчены до отдельных молекул или ионов, поэтому они всегда прозрачны.

Раствор может быть окрашенным, как, например, раствор медного купороса (рис. 3.6), или бесцветным, как растворы поваренной соли и сахара. Но истинный раствор всегда прозрачный и в закрытом сосуде может храниться сколь угодно долго.

Рис. 3.6. В истинных растворах отдельные компоненты невозможно различить: после растворения медного купороса в воде раствор приобретает синюю окраску и остается прозрачным

• Растворы — это однородные смеси переменного состава, состоящие из двух или более компонентов, один из которых обычно является жидким.

Вещество, содержащееся в растворе в избытке и находящееся в том же агрегатном состоянии, что и раствор, называют растворителем, а другие компоненты — растворенными веществами.

В смесях с водой растворителем является вода. В качестве растворителей используют и другие жидкости: этиловый спирт, бензин, керосин и т. п. Например, йодная настойка, которую используют для дезинфекции ран, — это раствор йода в этиловом спирте. Но в школьном курсе химии вы будете иметь дело преимущественно с водными растворами.

Необходимо также отметить, что хотя растворы и называют смесями, однако их нужно отличать от обычных механических смесей. Как и смеси, растворы не имеют постоянного состава (в отличие от химических соединений), и их можно разделить на индивидуальные вещества (если между ними не происходит необратимых химических процессов). Однако главный признак, характеризующий растворы, — это однородность. Кроме того, в отличие от механических смесей, в растворах существуют определенные взаимодействия между частицами растворителя и растворенного вещества. Ввиду этого смеси двух газообразных веществ нельзя называть растворами.

Как отличить истинный раствор от коллоидного?

Несмотря на внешнюю прозрачность истинных и коллоидных растворов, их все же можно различить при помощи простого опыта: все коллоидные растворы рассеивают свет. Если в затемненной комнате сквозь стакан с коллоидным раствором пропустить луч света, например, от обычной лазерной указки, то этот луч в стакане будет хорошо заметен (рис. 3.7). Это связано с тем, что при прохождении луча через коллоидный раствор на пути света попадаются коллоидные частицы и луч рассеивается. Этот эффект называют эффектом Тиндаля в честь английского ученого Джона Тиндаля, открывшего его. Точно такой же эффект мы наблюдаем, когда луч света пробивается сквозь занавески в затемненную пыльную комнату. Истинные растворы такого эффекта не проявляют. Световой луч проходит сквозь них без каких-либо препятствий, поскольку частицы вещества настолько малы, что не рассеивают свет. Поэтому луч света, пропущенный сквозь стакан с истинным раствором, увидеть невозможно.

Рис. 3.7. Эффект Тиндаля: при пропускании света через истинный раствор луч не рассеивается, в отличие от прохождения сквозь коллоидный раствор

Значение растворов в природе и жизни человека

Первые химические реакции на нашей планете протекали в «первичном бульоне» — растворе различных молекул в Мировом океане. С точки зрения современной науки, жизнь зародилась именно в растворе.

Кровь, лимфа, цитоплазма и другие жидкости живых организмов — это растворы различных веществ в воде. Часто в составе таких растворов есть белковые молекулы, значит, эти растворы — коллоидные. Можно смело утверждать, что наш организм — это сплошная коллоидная система.

Жидкая пища также преимущественно является коллоидным раствором, поскольку в ее составе содержатся белковые молекулы и молекулы других питательных веществ. В большинстве случаев твердая пища — это эмульсии и суспензии. Растворенные в воде вещества образуют осадочные породы и полезные ископаемые, в частности мел, мрамор, руды различных металлов. Благодаря растворению минералов в воде в пещерах формируются сталактиты и сталагмиты.

Растворы некоторых солей применяют для подкормки культурных растений. Минеральные удобрения вносят в почву в основном в виде растворов.

Многие лекарства используют в виде растворов в воде или в спирте (настойки). Мази, кремы и некоторые другие лечебные средства — это суспензии или эмульсии лекарственных веществ.

В химической промышленности многие процессы протекают в растворах (в воде или других растворителях). Без использования растворов невозможно изготовление бумаги, тканей, пищевых кислот, моющих средств и др.

Антон Владимирович Думанский (1880-1967)

Известный украинский и советский ученый, академик НАН Украины, член-корреспондент АН СССР, один из основателей коллоидной химии в СССР. В 1903 году окончил Киевский политехнический институт. Его дипломная работа «Коллоидальное серебро» привлекла внимание Д. И. Менделеева, который присутствовал на защите. Возглавлял институт общей и неорганической химии в Киеве. Усовершенствовал методы исследования коллоидной химии. Создал научное направление применения коллоидной химии в пищевых технологиях: хлебопечении, производстве сахара, вина, пива, дрожжей, кондитерских изделий. Его именем назван институт коллоидной химии и химии воды НАН Украины.

Лингвистическая задача

  • 1. На латыни слово gelare означает «мерзнуть, застывать», а gelato — «мороженое». Предположите, какое значение имеют термины «желе», «гель» и «желатин».
  • 2. На греческом aero означает «воздух», hydro — «вода», а на латыни solvere — «растворять», suspensio — «подвешивание». Что, по вашему мнению, означают названия коллоидных систем «золи», «гидрозоли», «аэрозоли» и «суспензии»?

• Вода появилась на Земле миллиарды лет назад в виде водяного пара вместе с газами, которые выделялись из горячих недр. Около 3,5 миллиардов лет назад первые формы жизни начали развиваться именно в воде — незаменимом для жизни веществе.

• Слово «эмульсия» происходит от латинского слова emulgere, что означает «доить», поскольку первой из известных эмульсий было молоко.

• В начале XXI века ученые получили принципиально новый материал — аэрогель. Он похож на обычный гель, но вместо воды между коллоидными частицами находится воздух. Аэрогелям присущи необычайные свойства: они полупрозрачные, очень легкие (образец, как на рисунке, имеет массу около 2 г), их плотность почти равна плотности воздуха. К тому же они очень прочные (выдерживают нагрузки в 2000 раз больше их массы) и обладают очень низкой теплопроводностью (проводят тепло хуже воздуха). NASA уже использует различные аэрогели для строительства космических аппаратов.

Ключевая идея

Истинные растворы в природе встречаются редко, чаще мы сталкиваемся с другими дисперсными системами: взвесями (суспензиями и эмульсиями), золями, аэрозолями, гидрозолями, пенами и др.

Контрольные вопросы

  • 29. Какие смеси называют растворами?
  • 30. Чем по внутренней структуре отличаются взвеси, коллоидные и истинные растворы? Как их можно отличить друг от друга?
  • 31. Как можно доказать или опровергнуть, что кофе и чай — это истинные растворы?
  • 32. Можно ли смесь из двух газов назвать раствором? Почему?
  • 33. Какие общие и отличительные признаки истинных растворов и механических смесей?

Задания для усвоения материала

34. Приведите примеры использования в быту взвесей, коллоидных и истинных растворов.

35. Чтобы подготовить плодовые деревья к зимовке, их стволы покрывают такой смесью: к 10 л воды добавляют 2 кг извести, 250 г медного купороса, 1 кг глины и 200 г столярного клея. К какому типу дисперсных систем относится эта смесь?

36. Медицинский спирт является смесью, в 100 г которой содержится 96 г спирта и 4 г воды. Можно ли дать однозначный ответ, что в этом растворе является растворителем, а что — растворенным веществом? Почему?

37. Рассчитайте массу воды в растворе нитратной кислоты с массовой долей 20 %, содержащем 40 г кислоты.

38. Определите массу воды, в которой необходимо растворить 2 г натрий нитрата, чтобы получить раствор с массовой долей соли 0,1 %.

39. Для ремонтных работ часто используют нитрокраски (смеси различных окрашенных солей или оксидов со специальной жидкостью, по свойствам напоминающей бензин) и водоэмульсионные краски (смесь пигментов с водой и клеем ПВА). К какому типу дисперсных систем относятся эти краски? Какой краской безопаснее и удобнее пользоваться дома?

40. Молоко, сливки и сливочное масло — это эмульсии, состоящие из воды и коровьего жира. Но внешне они очень разные. В чем заключаются принципиальные отличия этих продуктов питания?

41*. В дополнительных источниках найдите информацию об использовании коллоидных растворов, эмульсий и суспензий в различных отраслях промышленности, медицине, строительстве и т. п.

скачать dle 11.0фильмы бесплатно

Популярне з Хімії за 9 клас

Добавити коментар

Автору дуже потрібно знати, чи Вам допоміг даний матеріал?!

    • bowtiesmilelaughingblushsmileyrelaxedsmirk
      heart_eyeskissing_heartkissing_closed_eyesflushedrelievedsatisfiedgrin
      winkstuck_out_tongue_winking_eyestuck_out_tongue_closed_eyesgrinningkissingstuck_out_tonguesleeping
      worriedfrowninganguishedopen_mouthgrimacingconfusedhushed
      expressionlessunamusedsweat_smilesweatdisappointed_relievedwearypensive
      disappointedconfoundedfearfulcold_sweatperseverecrysob
      joyastonishedscreamtired_faceangryragetriumph
      sleepyyummasksunglassesdizzy_faceimpsmiling_imp
      neutral_faceno_mouthinnocent
оновити, якщо не видно коду

Коментарів 0


Ми створили сайт TEXTBOOKS з метою розміщення матеріалів (шкільних підручників) Міністерства Освіти України, для покращення освітнього процесу учнів у школах та вузах України.
Онлайн перегляд шкільного матеріалу допоможе Вам знайти якісну відповідь на поставлені питання вчителя.
Використовуйте Наш ресур для підготовки до ЗНО 2021, адже у нас присутні підготовчі курси з математики, української мови та літератури, англіської мови та історії України.