Дисперсные системы. Коллоидные системы. Растворы. Растворимость

Вещества, растворы которых имеют определенное осмотичес­кое давление, проникают через полупроницаемые перепонки и выделяются из растворов в виде кристаллов. Такие вещества анг­лийский ученый Т. Грэм (1805-1869 гг.) назвал кристаллоидами, а их растворы — истинными, в отличие от растворов коллоидных. У коллоидных растворов осмотическое давление незначительно или его нет совсем, и вещества, растворенные в этих растворах, не проникают через полупроницаемые перепонки и не кристаллизу­ются, т.е. после испарения растворителя остаются в виде бесфор­менной массы (принимают форму сосуда). Самым известным из таких веществ является клей (по-гречески — колла); поэтому они и были названы коллоидами.

Позднее было обнаружено, что некоторые нерастворимые в воде вещества, будучи очень тонко распыленными (усиленным дроблением или же под влиянием особых причин при их выделе­нии), образуют смеси с такими же свойствами, как и коллоидные растворы; кристаллоиды же при подборе подходящего раствори­теля также дают коллоидные растворы. Поэтому в настоящее время название коллоид (кристаллоид) применяется только к ве­ществам, известным лишь в коллоидном (кристаллоидном) состо­янии. В других случаях говорят о коллоидном состоянии вещест­ва, а не околлоидных веществах.

Часть химии, которая занимается изучением веществ в кол­лоидном состоянии, называется коллоидной химией. Рассмотрим ее основу на примере. Графит не растворяется в масле. Если же размешать порошок графита в масле, то образуется смесь — сус­пензия, которая по истечении некоторого времени разделится, т.к. графит осядет на дно сосуда. Если графит, измельченный до пылевидного состояния, рассеян в масле, то он не дает осадка, т.е. получится коллоидный раствор графита в масле. Точно так же

можно жидкость (например, масло) рассеять в другой жидкости (например, в воде) в эмульсию, которая хотя и разделится через некоторое время, однако при определенных условиях становится коллоидным раствором масла в воде.

Общее название суспензии, эмульсии, коллоидных и истин­ных растворов — дисперсоиды, или дисперсные системы.

Дисперсная фаза системы — раздробленное вещество, дис­персная среда — жидкость.

Известны дисперсоиды твердые и газообразные, как это видно из разделения их по группам дисперсной среды:

1. Дисперсоиды газообразные: дым, туман (твердые вещества или жидкости, рассеянные в газовой среде).

2. Дисперсоиды жидкие:

а) пирозоли (устойчивы при высокой температуре), например рассеянные металлы в расплавленных солях;

б) криозоли (устойчивы при низкой температуре), например лед в хлороформе;

в) лиозоли (устойчивы при обыкновенной температуре), напри­мер коллоидные растворы — суспенсоиды и эмульсоиды.

I. Дисперсоиды твердые: цветное стекло, опалы и некоторые сплавы металлов.

Чаще всего в химии мы встречаемся с лиозолями, которые делятся по степени дисперсности:

Коллоидные растворы составляют переход между суспензия­ми (эмульсиями) и истинными растворами. Все зависит здесь от величины частичек дисперсной фазы, т.е. от степени дисперснос­ти (рассеивания) дисперсной фазы.

Величина рассеянных частиц от 10^-4 до 10^-8 см.¹

1 микрон = 1m=10^-4 см

1миллимикрон=1mm=10^-7см.

Таким образом, коллоидность не является свойством каких-либо определенных веществ, но является общим свойством всех веществ, т.к. каждое вещество (твердое, жидкое или газообраз­ное) можно привести в коллоидное состояние в подходящей среде при достаточном размельчении.

Так, например, поваренная соль NaCl — кристаллоид (обра­зует с водой истинный раствор). Коллоидный раствор NaCl можно получить при достаточном рассеянии NaCl в бензине.

Дисперсные системы неустойчивы. Уменьшением степени дисперсности, т.е. увеличением размера частичек, коллоидное состояние нарушается, и частицы оседают. В этом случае колло­идный раствор коагулирует, т.е.образуется суспензия или гель (желатинообразное вещество), связывающие большую часть дис­персной среды, т.е. растворителя.

Твердые, жидкие и газообразные системы (смеси) двух или нескольких компонентов, образующих одну фазу (гомогенные), называются растворами.

По агрегатному состоянию различают растворы газообразные (газовые смеси, например воздух), растворы жидкие (растворы газов, жидкостей и твердых веществ в жидкостях) и твердые рас­творы (сплавы, стекло).

Истинные растворы сострят из растворенного вещества, на­ходящегося в виде атомов, ионов иди молекул, равномерно окру­женных атомами, ионами или молекулами растворителя. То есть истинные растворы однофазны, в них отсутствует граница разде­ла между растворителем и растворенным веществом.

Огромное значение имеют жидкие смеси, в которых раствори­телем является жидкость. Общепринятым растворителем являет­ся вода, но применяются и другие растворители, например спирт, эфир, ацетон, бензин, пиридин и т.д.

Итак, в процессе растворения частицы (ионы или молекулы) растворяемого вещества под действием движущихся частиц рас­творителя переходят в раствор, образуя качественно новую одно­родную систему.

В зависимости от способности растворяться вещества делятся на хорошо растворимые в воде, малорастворимые в воде и практи­чески нерастворимые в воде.

Например, практически нерастворимы в воде: благородные газы, золото; малорастворимы в воде: оксид азота (II), азот, кис­лород, гидроксид кальция; хорошо растворимы в воде: нитраты (соли азотной кислоты), аммиак и т.д.

Растворимость веществ зависит от температуры, давления, от природы растворителя и растворимых веществ, от присутствия в растворах посторонних веществ.

Остановимся на зависимости растворимости веществ от тем­пературы и природы растворителя.

Растворимость твердых веществ в воде, как правило, увели­чивается с повышением температуры.

При определенной температуре при растворении твердого вещества концентрация его в растворе растет. Одновременно происходит и обратный процесс — выделение твердого вещест­ва из раствора — кристаллизация вещества. Если система на­ходится в состоянии динамического равновесия, то скорости прямого и обратного процессов одинаковы, а концентрация растворенного вещества неизменна. Такое состояние системы может сохраняться долго, пока не изменятся условия течения процесса растворения. Раствор, в котором достигается равнове­сие, называется насыщенным. Кроме насыщенных, различают ненасыщенные растворы. Это растворы, содержащие при задан­ной температуре меньше растворенного вещества, чем должен содержать насыщенный раствор.

При быстром охлаждении насыщенного раствора может про­изойти образование пересыщенного раствора. Пересыщенным называют раствор, в котором при данной температуре содержится большее количество вещества, чем в насыщенном растворе. Пере­сыщенный раствор неустойчив, и при изменении условий (при встряхивании и т.п.) выпадет осадок, над которым остается насы­щенный раствор.

Растворимость газов увеличивается при понижении темпера­туры. При изменении давления растворимость газа в жидкости подчиняется закону Генри:

Эту закономерность выражают формулой: x=kp

где x — мольная доля растворенного вещества, p — давление, k — постоянная величина (константа Генри).