Hầu hết các chất xung quanh chúng ta là hỗn hợp của nhiều chất khác nhau, vì vậy việc nghiên cứu tính chất của chúng đóng một vai trò quan trọng trong sự phát triển của hóa học, y học, công nghiệp thực phẩm và các lĩnh vực khác của nền kinh tế. Bài viết thảo luận các vấn đề về mức độ phân tán là gì và nó ảnh hưởng như thế nào đến các đặc tính của hệ thống.
Hệ thống phân tán là gì?
Trước khi thảo luận về mức độ phân tán, cần phải làm rõ khái niệm này có thể được áp dụng cho những hệ thống nào.
Hãy tưởng tượng rằng chúng ta có hai chất khác nhau có thể khác nhau về thành phần hóa học, ví dụ, muối ăn và nước tinh khiết, hoặc ở trạng thái tập hợp, ví dụ, cùng một loại nước ở thể lỏng và rắn (nước đá). Bây giờ bạn cần lấy và trộn hai chất này và trộn chúng thật kỹ. Kết quả sẽ như thế nào? Nó phụ thuộc vào việc phản ứng hóa học có diễn ra trong quá trình trộn hay không. Khi nói về các hệ thống phân tán, người ta tin rằng khi chúngkhông có phản ứng nào xảy ra trong quá trình hình thành, tức là các chất ban đầu vẫn giữ cấu trúc của chúng ở mức vi mô và các đặc tính vật lý vốn có của chúng, chẳng hạn như mật độ, màu sắc, độ dẫn điện và những chất khác.
Như vậy, một hệ phân tán là một hỗn hợp cơ học, do đó hai hoặc nhiều chất được trộn lẫn với nhau. Khi nó được hình thành, các khái niệm "môi trường phân tán" và "pha" được sử dụng. Đầu tiên có thuộc tính liên tục trong hệ thống và, như một quy luật, được tìm thấy trong nó với một lượng lớn tương đối. Pha thứ hai (pha phân tán) được đặc trưng bởi tính chất không liên tục, nghĩa là trong hệ thống, nó ở dạng các hạt nhỏ, được giới hạn bởi bề mặt ngăn cách chúng với môi trường.
Hệ thống đồng nhất và không đồng nhất
Rõ ràng là hai thành phần này của hệ phân tán sẽ khác nhau về tính chất vật lý của chúng. Ví dụ, nếu bạn ném cát vào nước và khuấy nó, rõ ràng là các hạt cát tồn tại trong nước, công thức hóa học của nó là SiO2, sẽ không khác nhau theo bất kỳ cách nào từ trạng thái khi họ không ở trong nước. Trong những trường hợp như vậy, người ta nói về tính không đồng nhất. Nói cách khác, một hệ không đồng nhất là một hỗn hợp của một số (hai hoặc nhiều) pha. Phần sau được hiểu là một khối lượng hữu hạn nào đó của hệ thống, được đặc trưng bởi một số tính chất nhất định. Trong ví dụ trên, chúng ta có hai pha: cát và nước.
Tuy nhiên, kích thước của các hạt của pha phân tán khi chúng được hòa tan trong bất kỳ môi trường nào có thể trở nên nhỏ đến mức chúng không còn thể hiện được các đặc tính riêng lẻ của chúng. Trong trường hợp này, người ta nói vềcác chất đồng nhất hoặc đồng đẳng. Mặc dù chúng chứa một số thành phần, nhưng tất cả chúng đều tạo thành một pha trong toàn bộ khối lượng của hệ thống. Một ví dụ về hệ đồng thể là dung dịch NaCl trong nước. Khi nó tan ra, do tương tác với các phân tử phân cực H2O, tinh thể NaCl bị phân hủy thành các cation riêng biệt (Na+) và anion (Cl - ). Chúng được trộn đồng nhất với nước và không còn có thể tìm thấy mặt phân cách giữa chất tan và dung môi trong một hệ thống như vậy.
Kích thước hạt
Mức độ phân tán là gì? Giá trị này cần được xem xét chi tiết hơn. Cô ấy đại diện cho cái gì? Nó tỷ lệ nghịch với kích thước hạt của pha phân tán. Chính đặc điểm này làm cơ sở cho việc phân loại tất cả các chất đang được xem xét.
Khi nghiên cứu hệ phân tán, sinh viên thường nhầm lẫn trong tên gọi của chúng, bởi vì họ tin rằng sự phân loại của chúng cũng dựa trên trạng thái tập hợp. Đây không phải là sự thật. Hỗn hợp của các trạng thái tập hợp khác nhau thực sự có những tên gọi khác nhau, ví dụ, nhũ tương là các chất nước, và sol khí đã gợi ý sự tồn tại của pha khí. Tuy nhiên, các đặc tính của hệ phân tán phụ thuộc chủ yếu vào kích thước hạt của pha hòa tan trong chúng.
Phân loại được chấp nhận chung
Phân loại hệ thống phân tán theo mức độ phân tán được đưa ra dưới đây:
- Nếu kích thước hạt có điều kiện nhỏ hơn 1 nm, thì các hệ như vậy được gọi là dung dịch thực hoặc đúng.
- Nếu kích thước hạt có điều kiện nằm trong khoảng từ 1 nm đến100 nm, thì chất được đề cập sẽ được gọi là dung dịch keo.
- Nếu các hạt lớn hơn 100 nm, thì chúng ta đang nói về huyền phù hoặc huyền phù.
Đối với sự phân loại ở trên, chúng ta hãy làm rõ hai điểm: thứ nhất, các số liệu đã cho là chỉ dẫn, tức là, một hệ thống trong đó kích thước hạt là 3 nm không nhất thiết phải là chất keo, nó cũng có thể là một hệ thống đúng. sự hòa tan. Điều này có thể được thiết lập bằng cách nghiên cứu các tính chất vật lý của nó. Thứ hai, bạn có thể nhận thấy rằng danh sách sử dụng cụm từ "kích thước có điều kiện". Điều này là do hình dạng của các hạt trong hệ có thể hoàn toàn tùy ý, và trong trường hợp chung có dạng hình học phức tạp. Do đó, chúng nói về một số kích thước trung bình (có điều kiện) của chúng.
Ở phần sau của bài viết, chúng tôi sẽ mô tả ngắn gọn về các loại hệ thống phân tán được lưu ý.
Giải pháp đích thực
Như đã đề cập ở trên, mức độ phân tán của các hạt trong dung dịch thực rất cao (kích thước của chúng rất nhỏ, < 1 nm) đến mức không có mặt phân cách giữa chúng và dung môi (môi trường), tức là là một hệ thống đồng thể một pha. Để có thông tin đầy đủ, chúng ta nhớ lại rằng kích thước của một nguyên tử là theo bậc của một angstrom (0,1 nm). Con số cuối cùng chỉ ra rằng các hạt trong dung dịch thực có kích thước nguyên tử.
Các tính chất chính của dung dịch thực sự phân biệt chúng với chất keo và huyền phù như sau:
- Trạng thái của dung dịch tồn tại trong thời gian dài tùy ý không thay đổi, tức là không có kết tủa của pha phân tán được tạo thành.
- Tan biếnkhông thể tách chất này khỏi dung môi bằng cách lọc qua giấy thường.
- Chất cũng không bị tách ra do quá trình đi qua màng xốp, được gọi là thẩm tách trong hóa học.
- Có thể tách một chất tan khỏi dung môi chỉ bằng cách thay đổi trạng thái tập hợp của chất sau, ví dụ, bằng cách bay hơi.
- Đối với các dung dịch lý tưởng, có thể tiến hành điện phân, tức là dòng điện có thể chạy qua nếu đặt một hiệu điện thế (hai điện cực) vào hệ thống.
- Chúng không tán xạ ánh sáng.
Một ví dụ về các giải pháp đúng là trộn các muối khác nhau với nước, ví dụ, NaCl (muối ăn), NaHCO3(muối nở), KNO3 (kali nitrat) và các loại khác.
Dung dịch keo
Đây là các hệ thống trung gian giữa dung dịch thực và hệ thống treo. Tuy nhiên, chúng có một số đặc điểm riêng biệt. Hãy liệt kê chúng:
- Chúng ổn định về mặt cơ học trong một thời gian dài tùy ý nếu điều kiện môi trường không thay đổi. Nó đủ để làm nóng hệ thống hoặc thay đổi độ axit của nó (giá trị pH), khi chất keo đông tụ (kết tủa).
- Chúng không được phân tách bằng giấy lọc, tuy nhiên, quá trình thẩm tách dẫn đến sự phân tách của pha phân tán và môi trường.
- Cũng như các dung dịch thật, chúng có thể bị điện phân.
- Đối với hệ thống keo trong suốt, cái gọi là hiệu ứng Tyndall là đặc trưng: truyền một chùm ánh sáng qua hệ thống này, bạn có thể nhìn thấy nó. Nó được kết nối vớisự tán xạ của sóng điện từ trong phần nhìn thấy của quang phổ theo mọi hướng.
- Khả năng hấp phụ các chất khác.
Hệ keo, do các đặc tính được liệt kê, được con người sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực hoạt động khác nhau (công nghiệp thực phẩm, hóa học) và cũng thường được tìm thấy trong tự nhiên. Một ví dụ về chất keo là bơ, mayonnaise. Về bản chất, đây là sương mù, mây.
Trước khi tiếp tục mô tả lớp cuối cùng (thứ ba) của các hệ phân tán, hãy để chúng tôi giải thích chi tiết hơn một số đặc tính được đặt tên cho chất keo.
Dung dịch keo là gì?
Đối với loại hệ thống phân tán này, phân loại có thể được đưa ra, có tính đến các trạng thái tổng hợp khác nhau của môi trường và pha hòa tan trong đó. Dưới đây là bảng tương ứng /
| Thứ 4 / Giai đoạn | Khí | Lỏng | Thân cứng cáp |
| khí | tất cả các chất khí đều hòa tan vô hạn trong nhau nên luôn tạo thành dung dịch đúng | aerosol (sương mù, mây) | aerosol (khói) |
| lỏng | bọt (kem cạo râu, kem đánh) | nhũ (sữa, sốt mayonnaise, sốt) | sol (màu nước) |
| thânrắn | bọt (đá bọt, sô cô la có ga) | gel (gelatin, phô mai) | sol (pha lê ruby, đá granit) |
Bảng cho thấy chất keo có mặt ở khắp mọi nơi, cả trong cuộc sống hàng ngày và trong tự nhiên. Lưu ý rằng một bảng tương tự cũng có thể được đưa ra để tạm ngưng, hãy nhớ rằng sự khác biệt vớichất keo trong chúng chỉ có kích thước của pha phân tán. Tuy nhiên, hệ thống treo không ổn định về mặt cơ học và do đó ít được quan tâm thực tế hơn so với hệ thống keo.
Lý do cho sự ổn định cơ học của chất keo
Tại sao mayonnaise để lâu trong tủ lạnh mà các hạt lơ lửng trong đó không kết tủa được? Tại sao các hạt sơn hòa tan trong nước cuối cùng không "rơi" xuống đáy bình? Câu trả lời cho những câu hỏi này sẽ là chuyển động Brown.
Kiểu chuyển động này được phát hiện vào nửa đầu thế kỷ 19 bởi nhà thực vật học người Anh Robert Brown, người đã quan sát dưới kính hiển vi cách các hạt phấn hoa nhỏ di chuyển trong nước. Theo quan điểm vật lý, chuyển động Brown là biểu hiện của sự chuyển động hỗn loạn của các phân tử chất lỏng. Cường độ của nó tăng lên nếu nhiệt độ của chất lỏng được tăng lên. Chính kiểu chuyển động này làm cho các hạt nhỏ của dung dịch keo ở trạng thái huyền phù.
Tính chất hấp phụ
Độ phân tán là nghịch đảo của kích thước hạt trung bình. Vì kích thước này ở chất keo nằm trong khoảng từ 1 nm đến 100 nm nên chúng có bề mặt rất phát triển, tức là tỷ số S / m là một giá trị lớn, ở đây S là tổng diện tích mặt phân cách giữa hai pha (môi trường phân tán. và các hạt), m - tổng khối lượng của các hạt trong dung dịch.
Nguyên tử nằm trên bề mặt của các hạt của pha phân tán có liên kết hóa học không bão hòa. Điều này có nghĩa là chúng có thể tạo thành các hợp chất vớicác phân tử. Theo quy luật, các hợp chất này phát sinh do lực van der Waals hoặc liên kết hydro. Chúng có thể giữ một số lớp phân tử trên bề mặt của các hạt keo.
Một ví dụ cổ điển về chất hấp phụ là than hoạt tính. Nó là một chất keo, trong đó môi trường phân tán là chất rắn, và pha là chất khí. Diện tích bề mặt cụ thể của nó có thể đạt tới 2500 m2/ g.
Mức độ mịn và diện tích bề mặt cụ thể
Tính S / m không phải là một việc dễ dàng. Thực tế là các hạt trong dung dịch keo có kích thước, hình dạng khác nhau và bề mặt của mỗi hạt có một nét nổi riêng. Do đó, các phương pháp lý thuyết để giải quyết vấn đề này dẫn đến kết quả định tính chứ không phải định lượng. Tuy nhiên, rất hữu ích khi đưa ra công thức cho diện tích bề mặt cụ thể từ mức độ phân tán.
Nếu chúng ta giả sử rằng tất cả các hạt của hệ đều có dạng hình cầu và cùng kích thước, thì kết quả của các phép tính đơn giản, ta thu được biểu thức sau: Sud=6 / (dρ), trong đó Sud- diện tích bề mặt (riêng), d - đường kính hạt, ρ - khối lượng riêng của chất mà nó bao gồm. Từ công thức có thể thấy rằng các hạt nhỏ nhất và nặng nhất sẽ đóng góp nhiều nhất vào đại lượng đang xét.
Cách thực nghiệm để xác định Sudlà tính thể tích khí bị hấp phụ bởi chất được nghiên cứu, cũng như đo kích thước lỗ rỗng (pha phân tán) trong đó.
Làm khô đông lạnh vàlyophobic
Tính dễ khô và tính khô - đây là những đặc điểm mà trên thực tế, xác định sự tồn tại của việc phân loại các hệ phân tán ở dạng mà nó được đưa ra ở trên. Cả hai khái niệm đều đặc trưng cho liên kết lực giữa các phân tử của dung môi và chất tan. Nếu mối quan hệ này lớn, thì chúng nói về tính khô. Vì vậy, tất cả các dung dịch thực sự của muối trong nước đều là chất đông khô, vì các hạt (ion) của chúng liên kết điện với các phân tử có cực H2O. Nếu chúng ta xem xét các hệ thống như bơ hoặc mayonnaise, thì đây là những đại diện của chất keo kỵ nước điển hình, vì các phân tử chất béo (lipid) trong chúng đẩy lùi các phân tử phân cực H2O.
Điều quan trọng cần lưu ý là hệ thống lyophobic (kỵ nước nếu dung môi là nước) không ổn định về mặt nhiệt động lực học, điều này phân biệt chúng với hệ thống đông khô.
Thuộc tính của hệ thống treo
Bây giờ hãy xem xét lớp cuối cùng của hệ thống phân tán - hệ thống treo. Nhớ lại rằng chúng được đặc trưng bởi thực tế là hạt nhỏ nhất trong chúng lớn hơn hoặc có bậc 100 nm. Chúng có những thuộc tính nào? Danh sách tương ứng được đưa ra dưới đây:
- Chúng không ổn định về mặt cơ học, vì vậy chúng tạo thành cặn trong thời gian ngắn.
- Chúng có nhiều mây và mờ đục đối với ánh sáng mặt trời.
- Pha có thể được tách ra khỏi môi trường bằng giấy lọc.
Ví dụ về huyền phù trong tự nhiên bao gồm nước bùn ở sông hoặc tro núi lửa. Việc con người sử dụng hệ thống treo có liên quan đếnthường là với thuốc (dung dịch thuốc).
Đông tụ
Có thể nói gì về hỗn hợp các chất có mức độ phân tán khác nhau? Một phần nào đó, vấn đề này đã được đề cập trong bài báo, vì trong bất kỳ hệ phân tán nào, các hạt đều có kích thước nằm trong giới hạn nhất định. Ở đây chúng tôi chỉ xem xét một trường hợp tò mò. Điều gì xảy ra nếu trộn một dung dịch keo và một dung dịch điện li thật? Hệ thống có trọng lượng sẽ bị phá vỡ và sự đông tụ của nó sẽ xảy ra. Lý do của nó là do ảnh hưởng của điện trường của các ion dung dịch thực sự lên điện tích bề mặt của các hạt keo.
