Учебник для 11 класса

Естествознание

§ 14. Дисперсные системы

Дайте характеристику таких атмосферных явлений, как радуга, облака, туман, пыльная буря.

Классификация дисперсных систем. Чистые вещества в природе встречаются очень редко. Смеси различных веществ в различных агрегатных состояниях могут образовывать гетерогенные и гомогенные системы — дисперсные системы и растворы.

Дисперсными называют гетерогенные системы, в которых одно вещество в виде очень мелких частиц равномерно распределено в объёме другого.

То вещество, которое присутствует в дисперсной системе в меньшем количестве и распределено в объёме другого вещества, называют дисперсной фазой (может состоять из нескольких веществ). Вещество, присутствующее в большем количестве, в объёме 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.

И дисперсионную среду, и дисперсную фазу могут составлять вещества, находящиеся в различных агрегатных состояниях. В зависимости от сочетания дисперсионной среды и дисперсной фазы можно выделить восемь видов таких систем (табл. 7).

Таблица 7
Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию

По величине частиц вещества, составляющих дисперсную фазу, дисперсные системы делят на грубодисперсные (или взвеси) с размерами частиц более 100 нм и тонкодисперсные с размерами частиц от 100 до 1 нм.

Гомогенная система однородна, поверхности раздела между частицами и средой нет, а потому растворы к дисперсным системам не относятся.

Раствором называют гомогенную систему, в которой вещество раздроблено до молекул или ионов размером менее 1 нм.

Знакомство с дисперсными системами и растворами показывает, насколько они важны в хозяйственной деятельности человека, его повседневной жизни и, конечно, в природе.

Судите сами: без нильского ила не было бы великой цивилизации Древнего Египта; без воды, воздуха, горных пород, минералов вообще бы не существовала живая планета — наш общий дом — Земля; без клеток не было бы живых организмов.

Классификация дисперсных систем и растворов в зависимости от размеров частиц показана на схеме.

Грубодисперсные системы. Как можно судить по схеме, грубодисперсные системы (или взвеси) делятся на три группы: эмульсии, суспензии и аэрозоли.

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

Их также можно разделить на две группы:

прямые, с каплями неполярной жидкости в полярной среде (типа «масло в воде»);
обратные (типа «вода в масле»).

Однако изменение состава эмульсий или внешнее воздействие на неё могут привести к превращению прямой эмульсии в обратную и наоборот. Примерами наиболее известных природных эмульсий являются молоко (прямая эмульсия) и нефть (обратная эмульсия) (рис. 58). Типичная биологическая эмульсия — это капельки жира в лимфе.

Рис. 58. Природные эмульсии: а — молоко; б — нефть

Лабораторный опыт

Налейте в тарелку цельное молоко. Капните на поверхность несколько разноцветных капель пищевых красителей. Ватную палочку смочите моющим средством и коснитесь ею центра тарелки. Молоко начинает двигаться, а цвета перемешиваться. Объясните почему.

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 путём внутривенного вливания. Для получения таких эмульсий используют оливковое, хлопковое или соевое масло.

В химической технологии широко используют эмульсионную полимеризацию как основной метод получения каучуков, полистирола, по-ливинилацетата и др.

Суспензии — это грубодисперсные системы с твёрдой дисперсной фазой и жидкой дисперсионной средой.

Обычно частицы дисперсной фазы в суспензии настолько велики, что оседают под действием силы тяжести. Этот процесс называется седиментация.

Наиболее распространённые строительные суспензии — это побелка («известковое молоко»), различные строительные взвеси, например цементный раствор, эмалевые краски (рис. 59). К суспензиям относятся также медицинские препараты, например жидкие мази — линименты.

Рис. 59. Использование суспензий: а — в строи тельстве; б — в медицине

Особую группу составляют грубодисперсные системы, в которых концентрация дисперсной фазы относительно высока по сравнению с её небольшой концентрацией в суспензиях. Такие дисперсные системы называют пастами. Пасты хорошо вам известны из повседневной жизни, например зубные, косметические, гигиенические и др. (рис. 60).

Рис. 60. Пасты, используемые в быту

Аэрозоли — это грубодисперсные системы, в которых дисперсионной средой является воздух, а дисперсной фазой могут быть капельки жидкости или частицы твёрдого вещества.

В качестве примеров аэрозолей можно назвать облака, радугу, дезодоранты, лаки для волос в баллончиках, пылевые облака, смерчи (рис. 61).

Рис. 61. Аэрозоли

Коллоидные системы. Промежуточное положение между грубодисперсными системами и истинными растворами занимают коллоидные системы.

Коллоидные системы широко распространены в природе. Почва, глина, природные воды, многие минералы, в том числе и некоторые драгоценные камни (жемчуг, опал), — всё это коллоидные системы.

Большое значение имеют коллоидные системы для биологии и медицины. В состав любого живого организма входят твёрдые, жидкие и газообразные вещества, находящиеся в сложном взаимоотношении с окружающей средой. Цитоплазма клеток обладает свойствами, характерными как для жидких, так и для студнеобразных веществ. С химической точки зрения организм в целом — это сложнейшая совокупность многих коллоидных систем, включающих в себя и жидкие коллоиды, и студни — гели (рис. 62).

Рис. 62. Коллоидные системы в живых орга низ мах: а — хрящи, сухожилия; б — стекловидное тело глаза

Биологические жидкости (кровь, плазма, лимфа, спинномозговая жидкость) представляют собой коллоидные системы, в которых такие органические соединения, как белки, холестерин, гликоген и многие другие, находятся в коллоидном состоянии.

Почему же именно коллоидному состоянию природа отдаёт 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 обмена веществ.

Лабораторный опыт

В пластиковый стакан насыпьте столовую ложку крахмала. Постепенно добавьте тёплую воду и тщательно разотрите смесь ложкой. (Не лейте много воды — смесь должна быть густой.) Столовую ложку полученного коллоидного раствора налейте на ладонь и дотроньтесь до неё пальцем — смесь твердеет. Если вы уберёте палец, смесь снова станет жидкой.

Коллоиды под давлением могут менять своё состояние. В результате давления пальца частички крахмала соединяются друг с другом, и смесь становится твёрдой. Когда давление прекращается, смесь возвращается в первоначальное — жидкое — состояние.

Коллоидные системы делятся на золи (коллоидные растворы) и гели (студни).

Большинство биологических жидкостей клетки (уже упомянутые цитоплазма, ядерный сок — кариоплазма, содержимое вакуолей) и живого организма в целом (плазма крови, лимфа, тканевая жидкость, пищеварительные соки, гуморальные жидкости и т. д.) являются коллоидными растворами (золями).

Золи — это коллоидные системы, в которых частицы дисперсной фазы свободно и независимо друг от друга перемещаются в процессе броуновского движения.

Для золей характерно явление коагуляции, т. е. слипания коллоидных частиц и выпадение их в осадок. При этом коллоидный раствор превращается в суспензию или гель. Некоторые органические коллоиды коагулируют при нагревании (яичный белок, клей) или при изменении кислотно-основной среды (пищеварительные соки) (рис. 63).

Рис. 63. Коагуляция белка: а — при нагревании; б — при изменении среды раствора

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

Классификация гелей, которые часто встречаются в повседневной жизни, представлена на схеме.

Со временем структура гелей нарушается — из них выделяется жидкость. Происходит синерезис — самопроизвольное уменьшение объёма геля, сопровождающееся отделением жидкости. Синерезис определяет сроки годности пищевых, медицинских и косметических гелей.

Для теплокровных животных очень важен биологический синере-зис, который называется свёртыванием крови. Под действием специфических факторов растворимый белок крови фибриноген превращается в фибрин, сгусток которого и закупоривает ранку. Если этот процесс затруднён, то говорят о возможности заболевания человека гемофилией. Как вы знаете из курса биологии, носителями гена гемофилии являются женщины, а заболевают ею мужчины. Хорошо известен печальный пример из российской истории: наследник престола царевич Алексей, сын императора Николая II, страдал гемофилией, ген которой передался ему через мать, императрицу Александру Фёдоровну.

Рис. 64. Генрих фон Ангели. Портрет императрицы Александры Фёдоровны с диадемой, серьгами и бусами из жемчуга. 1896

По внешнему виду истинные и коллоидные растворы трудно отличить друг от друга. Для этого используют эффект Тиндаля, когда при пропускании через коллоидный раствор луча света образуется конус «светящейся дорожки» (рис. 65). Более крупные, чем в истинном растворе, частицы дисперсной фазы золя отражают своей поверхностью свет, а частицы истинного раствора — нет. Аналогичный эффект, но только для аэрозольного, а не жидкого коллоида, вы можете наблюдать в кинотеатре при прохождении луча света от киноаппарата через запылённый воздух зрительного зала.

Рис. 65. Эффект Тиндаля

В следующем параграфе разговор пойдёт о химических реакциях как процессах образования одних веществ из других, отличающихся по свойствам, о классификации химических реакций.

Теперь вы знаете

классификацию дисперсных и коллоидных систем
в чём заключается эффект Тиндаля

Теперь вы можете

классифицировать дисперсные системы по агрегатному состоянию среды и фазы и по размерам частиц фазы
дать характеристику эмульсий, суспензий, аэрозолей, паст и привести примеры
объяснить, что с точки зрения химии наш организм — это сложнейшая совокупность многих коллоидных систем

Выполните задания

Сформулируйте, что такое дисперсная система, дисперсионная среда, дисперсная фаза.
Докажите, что природный газ и истинные растворы не являются дисперсными системами.
Приведите классификацию гелей по группам и объясните, чем определяется срок годности косметических, медицинских и пищевых гелей.
Объясните, что такое коагуляция, синерезис, эмульсионная полимеризация, седиментация.
Дайте свою трактовку того факта, что природа в качестве носителя эволюции избрала именно коллоидные системы.
Назовите дисперсные системы, о которых идёт речь в этих строках М. Цветаевой:

Темы для рефератов

Латекс и изделия из него.
Эстетическая, биологическая и культурная роль коллоидных систем в жизни человека.
Коллоидные системы в медицине.
Суспензии и эмульсии.
Естественные и искусственные аэрозоли.