Неоднородной, или гетерогенной , считается система, которая состоит из двух или нескольких фаз. Каждая фаза имеет свою поверхность раздела, которую можно механически разделить.
Неоднородная система состоит из дисперсной (внутренней) фазы и дисперсионной (внешней) среды, окружающей частицы дисперсной фазы.
Системы, в которых внешней фазой являются жидкости, называются неоднородными жидкими системами, а системы, в которых внешней фазой являются газы, – неоднородными газовыми системами. Гетерогенные системы часто называют дисперсными системами.
Различают следующие виды неоднородных систем : суспензии, эмульсии, пены, пыли, дымы, туманы.
Суспензия – это система, состоящая из жидкой дисперсионной фазы и твердой дисперсной фазы (например, соусы с мукой, крахмальное молоко, патока с кристаллами сахара). Суспензии в зависимости от размеров частиц делятся на грубые (размер частиц более 100 мкм), тонкие (0,1–100 мкм) и коллоидные (0,1 мкм и менее).
Эмульсия – это система, состоящая из жидкости и распределенных в ней капель другой жидкости, не смешивающейся с первой (например, молоко, смесь растительного масла и воды). Под действием силы тяжести эмульсии расслаиваются, но при незначительных размерах капель (менее 0,4–0,5 мкм) или при добавлении стабилизаторов эмульсии становятся устойчивыми, не способными к расслоению в течение продолжительного периода.
Увеличение концентрации дисперсной фазы может вызвать ее переход в дисперсионную фазу, и наоборот. Такой взаимный переход называется инверсией фаз.Имеются газовые эмульсии, в которых дисперсионная среда – жидкость, а дисперсная фаза – газ.
Пена – это система, состоящая из жидкой дисперсионной фазы и распределенных в ней пузырьков газа (газовая дисперсная фаза) (например, кремы и другие взбитые продукты). Пены по своим свойствам близки к эмульсиям. Для эмульсий и пен характерна инверсия фаз.
Пыли, дымы, туманы представляют собой аэрозоли.
Аэрозолями
называют дисперсную систему с газообразной дисперсионной средой и твердой или жидкой дисперсной фазой, которая состоит из частиц от квазимолекулярного до микроскопического размера, обладающих свойством находиться во взвешенном состоянии более или менее продолжительное время (например, мучная пыль, образуемая при , просеивании, транспортировке муки; сахарная пыль, образуемая при , и др.). Дым образуется при сжигании твердого топлива, туман – при конденсации пара.
В аэрозолях дисперсионной средой является газ или воздух, а дисперсной фазой в пыли и дыме – твердые вещества, в туманах – жидкость. Размеры твердых частиц пыли составляют 3–70 мкм, дыма – 0,3–5 мкм.
Туман – это система, состоящая из газовой дисперсионной среды и распределенных в ней капель жидкости (жидкая дисперсная фаза). Размер жидких капель, образовавшихся в результате конденсации в тумане, составляет 0,3–3 мкм. Качественным показателем, характеризующим однородность частиц аэрозоля по размеру, является степень дисперсности.
Аэрозоль называют монодисперсным, когда составляющие его частицы имеют одинаковый размер, и полидисперсным при содержании в нем частиц разного размера. Монодисперсных аэрозолей в природе практически не существует. Лишь некоторые аэрозоли по размерам частиц приближаются к монодисперсным системам (гифы грибов, специально получаемые туманы и др.).
Дисперсные, или гетерогенные, системы в зависимости от количества дисперсных фаз могут быть одно– и многокомпонентными. Например, многокомпонентной системой являются молоко (имеет две дисперсные фазы: жир и белок); соусы (дисперсными фазами являются мука, жир и др.).
Дисперсные системы.
Дисперсные системы широко распространены в природе и с давних времен используются человеком в его жизнедеятельности. Практически любой живой организм либо представляет собой дисперсную систему, либо содержит их в различных формах.
Пример: свободнодисперсные системы (нет сплошных жестких структур - золи): кровь, лимфа, желудочный и кишечный соки, спинномозговая жидкость и т.д.
связнодисперсные системы (есть жесткие пространственные структуры - гели): протоплазма, мембраны клеток, мышечное волокно, хрусталик глаза и т.д.
Дисперсные системы активно применяют в медицине, это в первую очередь коллоидные растворы, аэрозоли, кремы, мази. Биохимические процессы в организме протекают в дисперсных системах. Усвоение пищи связано с переходом питательных веществ в растворенное состояние. Биожидкости (дисперсные системы) участвуют в транспорте питательных веществ (жиров, аминокислот, кислорода), лекарственных препаратов к органам и тканям, а также в выведении из организма метаболитов (мочевины, билирубина, углекислого газа).
Знание закономерностей физико-химических процессов в дисперсных системах важно будущим врачам как для изучения медико-биологических и клинических дисциплин, так и для более глубокого понимания процессов, протекающих в организме, и сознательного изменения их в желаемом направлении.
Дисперсные системы – это многокомпонентные системы, в которых одни вещества в виде мелких частиц распределены в другом веществе. Вещество, которое распределяется, называется дисперсной фазой. Вещество, в котором распределяется дисперсная фаза, называется дисперсионной средой.
Пример: водный раствор глюкозы
молекулы глюкозы – дисперсная фаза
вода – дисперсионная среда
Дисперсность – величина, характеризующая размер взвешенных частиц в дисперсных системах. Она обратна диаметру частиц дисперсной фазы. Чем меньше размер частиц, тем больше дисперсность.
Классификация дисперсных систем.
Дисперсные системы классифицируют по пяти признакам.
1. По степени дисперсности:
· грубодисперсные
Д = 10 4 – 10 6 м –1 , характеризуются неустойчивостью, непрозрачностью.
Пример: суспензии, эмульсии, пены, взвеси.
· коллоидно-дисперсные
Д = 10 7 – 10 9 м –1 , могут быть прозрачными и мутными, обладать устойчивостью и быть неустойчивыми.
Пример: коллоидные растворы, растворы высокомолекулярных соединений.
· молекулярно-дисперсные и ионно-дисперсные
Д = 10 10 – 10 11 м –1 , характеризуются прозрачностью и устойчивостью.
Пример: растворы низкомолекулярных соединений.
2. По наличию физической поверхности раздела между дисперсной фазой и дисперсионной средой:
· гомогенные (однофазные системы, граница раздела отсутствует.
Пример: растворы низкомолекулярных и высокомолекулярных соединений.
· гетерогенные
существует граница раздела между дисперсной фазой и дисперсионной средой.
Пример: коллоидные растворы и грубодисперсные системы.
3. По характеру взаимодействия между дисперсной фазой и дисперсионной средой:
· лиофильные
между дисперсной фазой и дисперсионной средой существует сродство.
Пример: все гомогенные системы.
· лиофобные
между дисперсной фазой и дисперсионной средой слабое взаимодействие или отсутствует.
Пример: все гетерогенные системы.
4. По агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды:
| дисп.фаза дисп.среда | газообразная | твердая | жидкая |
| газообразная | смесь газов (воздух) | табачный дым пыль мучная, космическая аэрозоли | туман пар облака |
| жидкая | растворенный в крови CO 2 , O 2 , N 2 , пены минеральные воды фруктовые газированные напитки | коллоидные растворы суспензии растворы ВМС растворы НМС | эмульсии: молоко масло сливочное маргарин кремы мази нефть |
| твердая | твердые пены (пенопласт, активированный уголь) ионообменные смолы молекулярные сита | сплавы металла цветные стекла, хрусталь драгоценные камни (рубин, аметист) суппозитории (лечебные свечи) | кристаллогидраты минералы с жидкими включениями (жемчуг, опал) влажные почвы |
5. По природе дисперсионной среды:
Истинные растворы.
Истинный раствор – это гомогенная лиофильная дисперсная система с размерами частиц 10 –10 – 10 –11 м.
Истинные растворы – это однофазные дисперсные системы, они характеризуются большой прочностью связи между дисперсной фазой и дисперсионной средой. Истинный раствор сохраняет гомогенность неопределенно долгое время. Истинные растворы всегда прозрачны. Частицы истинного раствора не видны даже в электронный микроскоп. Истинные растворы хорошо диффундируют.
Компонент, агрегатное состояние которого не изменяется при образовании раствора, называют растворителем (дисперсионная среда), а другой компонент – растворенным веществом (дисперсная фаза).
При одинаковом агрегатном состоянии компонентов растворителем считается компонент, количество которого в растворе преобладает.
В растворах электролитов вне зависимости от соотношения компонентов электролиты рассматриваются как растворенные вещества.
Истинные растворы подразделяются:
· по типу растворителя: водные и неводные
· по типу растворенного вещества: растворы солей, кислот, щелочей, газов и т.д.
· по отношению к электрическому току: электролиты и неэлектролиты
· по концентрации: концентрированные и разбавленные
· по степени достижения предела растворимости: насыщенные и ненасыщенные
· с термодинамической точки зрения: идеальные и реальные
· по агрегатному состоянию: газообразные, жидкие, твердые
Истинные растворы бывают:
· ионно-дисперсные (дисперсная фаза – гидратированные ионы): водный раствор NaCl
· молекулярно-дисперсные (дисперсная фаза – молекулы): водный раствор глюкозы
Ионы каждый в отдельности или совместно выполняют определённые функции в организме. Решающая роль в переносе воды в организме принадлежит ионам Na + и Cl – , т.е участвуют в водно-солевом обмене. Ионы электролитов участвуют в процессах поддержания постоянства осмотического давления, установления кислотно-щелочного равновесия, в процессах передачи нервных импульсов, в процессах активации ферментов.
С позиции живых систем наибольший интерес представляют растворы, в которых растворителем является вода.
В ней растворяется огромное число веществ. Она не только растворитель, который обеспечивает молекулярное рассеяние веществ по всему организму. Она также является участником многих химических и биохимических процессов в организме. Например, гидролиза, гидратации, набухания, транспорта питательных и лекарственных веществ, газов, антител и т.п.
В организме происходит непрерывный обмен воды и растворённых в ней веществ. Вода составляет основную массу любого живого существа. Её содержание в теле человека меняется с возрастом: у эмбриона человека – 97%, у новорождённого – 77%, у взрослых мужчин – 61%, у взрослых женщин – 54%, у стариков старше 81 года – 49,8%. Большая часть воды в организме находится внутри клеток (70%), около 23% – межклеточной воды, а остальная (7%) – находится внутри кровеносных сосудов и в составе плазмы крови.
Всего в организме 42 л воды. В сутки поступает в организм и выводится из него 1,5 – 3 л воды. Это нормальный водный баланс организма.
Главный путь выведения воды из организма – почки. Потеря 10 – 15% воды опасна, а 20 – 25% смертельна для организма.
Важнейшей характеристикой раствора является его концентрация.
Способы выражения концентрации растворов:
1. Массовая доля w(х) – величина, равная отношению массы растворённого вещества m(x) к массе раствора m(p-p)
w (x) = × 100%
2. Молярная концентрация раствора с (х) – величина, равная отношению количества вещества n(х), содержащегося в растворе, к объёму этого раствора V(р-р).
с (х) = [моль/л], где n(х) = [моль]
Миллимолярный раствор – раствор с молярной концентрацией равной 0,001 моль/л
Сантимолярный раствор – раствор с молярной концентрацией равной 0,01 моль/л
Децимолярный раствор – раствор с молярной концентрацией равной 0,1 моль/л
3. Молярная концентрация эквивалента с ( x) – величина, равная отношению количества вещества эквивалента n ( x) в растворе к объёму этого раствора.
c ( x) = [моль/л], где n ( x) = [моль], а М( x) = × М(x)
Эквивалент – это реальная или условная частица вещества х , которая в данной кислотно-основной реакции эквивалентна одному иону водорода или в данной ОВР – одному электрону.
Число эквивалентности z и фактор эквивалентности f = . Фактор эквивалентности показывает, какая доля реальной частицы вещества х эквивалентна одному иону водорода или одному электрону. Число эквивалентности z равно для:
а) кислот – основности кислоты H 2 SO 4 z = 2.
б) оснований – кислотности основания Aℓ(OH) 3 z = 3.
в) солей – произведению степени окисления (с.о.) металла на число его атомов в молекуле Fe 2 (SO 4) 3 z = 2 × 3 = 6.
г) окислителей – числу присоединенных электронов
Mn +7 + 5ē → Mn +2 z = 5
д) восстановителей – числу отданных электронов
Fe +2 – 1ē → Fe +3 z = 1
4. Моляльная концентрация b(x) – величина, равная отношению количества вещества к массе растворителя (кг)
b(x) = = [моль/кг]
5. Молярная доля c(x i) равна отношению количества вещества данного компонента к суммарному количеству всех компонентов раствора
Формулы взаимосвязи концентраций:
с ( x) = c (x) × z
У растворов имеется ряд свойств, которые не зависят от природы растворенного вещества, а зависят только от его концентрации. Наиболее важным является осмос.
Благодаря осмосу через мембраны клеток органов и тканей осуществляется сложный процесс обмена веществ организма с внешней средой.
Диффузия – процесс самопроизвольного выравнивания концентрации в единице объема.
Осмос – односторонняя диффузия молекул растворителя через полупроницаемую мембрану из растворителя в раствор или из раствора с меньшей концентрацией в раствор с большей концентрацией.
раствор растворитель
Перенос растворителя через мембрану обусловлен осмотическим давлением. Оно равно избыточному внешнему давлению, которое следует приложить со стороны раствора, чтобы прекратить процесс, то есть создать условия осмотического равновесия. Превышение избыточного давления над осмотическим может привести к обращению осмоса - обратной диффузии растворителя. Обратный осмос имеет место при фильтрации плазмы крови в артериальной части капилляра и в почечных клубочках.
Осмотическое давление – давление, которое нужно приложить к раствору, чтобы осмос прекратился.
Уравнение Вант-Гоффа: Р осм = c RT×10 3
Осмотическое давление крови: 780 – 820 кПа
Все растворы, с точки зрения осмотических явлений, можно разделить на 3 группы:
· Изотонические растворы – растворы, имеющие одинаковые осмотические давления и осмолярные концентрации. Примеры: желчь, раствор NaCl (w=0,9%, с=0,15 моль/л), раствор глюкозы (w=7%, с=0,3 моль/л)
Осмолярная концентрация (осмолярность) – суммарное количество вещества всех кинетически активных частиц, содержащихся в 1 литре раствора. с осм, осмоль/л
Осмоляльная концентрация (осмоляльность) – суммарное количество вещества всех кинетически активных частиц, содержащихся в 1 кг растворителя. b осм, осмоль/кг
Для разбавленных растворов осмолярная концентрация совпадает с осмоляльной концентрацией. с осм ≈ b осм
· Гипертонический раствор – раствор с более высокой концентрацией растворенных веществ, следовательно, с более высоким осмотическим давлением по сравнению с другим раствором и способный при наличии проницаемых мембран вытягивать из него воду. Примеры: кишечный сок, моча.
· Гипотонический раствор – раствор с более низкой концентрацией растворенных веществ, следовательно, с более низким осмотическим давлением по сравнению с другим раствором и способный при наличии проницаемых мембран терять воду. Примеры: слюна, пот.
Животные и растительные клетки отделены от окружающей среды мембраной. При помещении клетки в различные по осмолярным концентрациям или давлениям растворы будут наблюдаться следующие явления:
· плазмолиз – уменьшение клетки в объеме. При этом клетку помещают в гипертонический раствор. Разность осмотических давлений вызывает перемещение растворителя из клетки в гипертонический раствор.
· лизис – увеличение клетки в объеме. При этом клетку помещают в гипотонический раствор. Разность осмотических давлений вызывает перемещение растворителя в клетку. В случае разрыва эритроцитарных мембран и перехода гемоглобина в плазму явление называется гемолизом.
· изоосмия – объем клетки не изменяется. При этом клетку помещают в изотонический раствор.
С помощью осмотических явлений поддерживается водно-солевой обмен в организме человека. Осмос – это основа механизма работы почек. Изотонический (физиологический) раствор NaCl (0,9%) используется при больших кровопотерях. Гипертонический раствор NaCl (10%) используют при накладывании марлевых повязок на гнойные раны.
Онкотическое давление – это часть осмотического давления, создаваемого белками.
В плазме крови человека составляет лишь около 0,5 % осмотического давления (0,03-0,04 атм или 2,5 – 4,0 кПа). Тем не менее, онкотическое давление играет важнейшую роль в образовании межклеточной жидкости, первичной мочи и др. Стенка капилляров свободно проницаема для воды и низкомолекулярных веществ, но не для белков. Скорость фильтрации жидкости через стенку капилляра определяется разницей между онкотическим давлением белков плазмы и гидростатическим давлением крови, создаваемым работой сердца. На артериальном конце капилляра солевой раствор вместе с питательными веществами переходит в межклеточное пространство. На венозном конце капилляра процесс идёт в противоположном направлении, поскольку венозное давление ниже онкотического давления. В результате в кровь переходят вещества, отдаваемые клетками. При заболеваниях, сопровождающихся уменьшением концентрации в крови белков (особенно альбуминов), онкотическое давление снижается, и это может явиться одной из причин накопления жидкости в межклеточном пространстве, в результате чего развиваются отёки.
 |
§ 14. ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ
Чистые вещества в природе встречаются очень редко. Смеси различных веществ в разных агрегатных состояниях могут образовывать гетерогенные и гомо генные системы – дисперсные системы и растворы.|
Дисперсными
называют гетерогенные системы
,
в которых одно вещество в виде очень мелких ча
стиц равномерно распределено в объеме другого.
|
То вещество (или несколько веществ), которое
присутствует в дисперсной системе в меньшем коли
честве и распределено в объеме, называют
дисперс
ной фазой
. Присутствующее в бόльшем количестве
вещество, в объеме которого распределена дисперс
ная фаза, называют дисперсионной средой
. Между
дисперсионной средой и частицами дисперсной фазы
существует поверхность раздела, именно поэтомудисперсные системы называют гетерогенными
, т.е. неоднородными.
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 (табл. 2).
Таблица 2
Классификация дисперсных систем
по агрегатному состоянию
| Дисперсион- ная среда | Дисперс- ная фаза | Примеры некоторых природных и бытовых дисперсных систем |
| Газ | Жидкость | Туман, попутный газ с капельками нефти, карбюраторная смесь в двигателях автомо- билей (капельки бен- зина в воздухе) |
| Твердое вещество | Пыль в воздухе, дымы, смог, самумы (пыльные и песчаные бури) |
|
| Жидкость | Газ | Шипучие напитки, пена в ванне |
| Жидкость | Жидкие среды орга- низма (плазма крови, лимфа, пищевари- тельные соки), жидкое содержимое клеток (цитоплазма, карио- плазма) |
|
| Твердое вещество | Кисели, студни, клеи, взвешенный в воде речной или морской ил, строительные рас- творы |
|
| Твердое вещество | Газ | Снежный наст с пу- зырьками воздуха в нем, почва, текстиль- ные ткани, кирпич и керамика, поролон, пористый шоколад, порошки |
| Жидкость | Влажная почва, меди- цинские и косметиче- ские средства (мази, тушь, помада и т.д.) |
|
| Твердое вещество | Горные породы, цвет- ные стекла, некоторые сплавы |
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.
Знакомство с дисперсными системами и растворами показывает, насколько они важны в повседневной жизни и природе. Судите сами: без нильского ила не состоялась бы великая цивилизация Древнего Египта (рис. 15); без воды, воздуха, горных пород, минералов вообще бы не существовала живая планета – наш общий дом – Земля; без клеток не было бы живых организмов.
Рис. 15. Разливы Нила и история цивилизации
Классификация дисперсных систем и растворов в зависимости от размеров частиц фазы дана на схеме 1.
Схема 1
Классификация дисперсных систем и растворов
Грубодисперсные системы.
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.
Л а б о р а т о р н ы й о п ы т. 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. 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 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 суспен-
зиями 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) (рис. 16).
Рис. 16. Примеры грубодисперсных систем с твердой
Дисперсной фазой: а – суспензия – строительный раствор;
б – аэрозоль – пыльная буря
Коллоидные системы.
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.
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.
Л а б о р а т о р н ы й о п ы т. В пластиковый стакан насыпьте столовую ложку крахмала. Постепенно добавляйте теплой воды и тщательно растирайте смесь ложкой. Нельзя перелить воды, смесь должна быть густой. Столовую ложку полученного коллоидного раствора налейте на ладонь и дотроньтесь пальцем другой руки. Смесь твердеет. Если вы уберете палец, смесь снова становится жидкой.
Коллоиды под давлением могут менять свое состояние. В результате давления пальца на приготовленный коллоид частички крахмала соединяются друг с другом, и смесь становится твердой. Когда давление ослабевает, смесь возвращается в первоначальное жидкое состояние.
Коллоидные системы подразделяют на золи
(коллоидные
растворы) и гели
(студни
).
Большинство биологических жидкостей клетки (уже упомянутые цитоплазма, ядерный сок – кариоплазма, содержимое вакуолей) и живого организма в целом являются коллоидными растворами (золями).
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, клеи) или при изменении кислотно-основной среды (пищеварительные соки).
Гели
– это коллоидные системы, в которых частицы дисперсной фазы образуют пространственную структуру.
Гели – это дисперсные системы, которые встречаются вам в повседневной жизни (схема 2).
Схема 2
Классификация гелей
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. Как вы знаете из курса биологии, носителями гена гемофилии являются женщины, а заболевают ею мужчины. Хорошо известен исторический династический пример: царствующая более 300 лет российская династия Романовых страдала этим заболеванием.
По внешнему виду истинные и коллоидные растворы трудно отличить друг от друга. Чтобы это сделать,используют эффект Тиндаля – образование конуса «светящейся дорожки» при пропускании через коллоидный раствор луча света (рис. 17). 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 запыленный воздух зрительного зала.
Рис. 17. Эффект Тиндаля позволяет визуально отличить
истинный раствор (в правом стакане) от коллоидного
(в левом стакане)
? 1. Что такое дисперсные системы? Дисперсионная среда? Дисперсная фаза?
2. Как классифицируют дисперсные системы по агрегатному состоянию среды и фазы? Приведите примеры.
3. Почему воздух, природный газ и истинные растворы не относятся к дисперсным системам?
4. Как подразделяются грубодисперсные системы? Назовите представителей каждой группы и укажите их значение.
5. Как подразделяются тонкодисперсные системы? Назовите представителей каждой группы и укажите их значение.
6. На какие подгруппы можно разделить гели? Чем определяется срок годности косметических, медицинских и пищевых гелей?
7. Что такое коагуляция? Чем она может быть вызвана?
8. Что такое синерезис? Чем он может быть вызван?
9. Почему природа в качестве носителя эволюции избрала именно коллоидные системы?
10. Приготовьте сообщение на тему «Эстетическая, биологическая и культурная роль коллоидных систем в жизни человека» с использованием ресурсов Интернета.
11. О каких дисперсных системах идет речь в небольшом стихотворении М.Цветаевой?
Отнимите жемчуг – останутся слезы,
Отнимите злато – останутся листья
Осеннего клена, отнимите пурпур –
Останется кровь.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Дисперсные системы – образования, состоящие из двух или более фаз, которые практически не смешиваются и не реагируют друг с другом. Вещество, которое мелко распределено в другом веществе (дисперсионная среда) называют дисперсной фазой .
Существует классификация дисперсных систем по размеру частиц дисперсной фазы. Выделяют, молекулярно-ионные (< 1 нм) – глюкоза, сахароза, коллоидные (1-100 нм) – эмульсии (масло) и суспензии (раствор глины) и грубодисперсные (>100 нм) системы.
Различают гомогенные и гетерогенные дисперсные системы. Гомогенные системы по-другому называют истинными растворами.
Растворы
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Раствор – гомогенная система, состоящая из двух или более компонентов.
По агрегатному состоянию растворы делят на газообразные (воздух), жидкие, твердые (сплавы). В жидких растворах существует понятие растворителя и растворенного вещества. В большинстве случаев растворителем служит вода, однако это могут быть и неводные растворители (этанол, гексан, хлороформ).
Способы выражения концентрации растворов
Для выражения концентрации растворов используют: массовую долю растворенного вещества (, %) , которая показывает, сколько граммов растворенного вещества содержится в 100 г раствора.
Молярная концентрация (С М, моль/л) показывает, сколько моль растворенного вещества содержится в одном литре раствора. Растворыс концентрацией 0,1 моль/л называют децимолярными, 0,01 моль/л – сантимолярными, а с концентрацией 0,001 моль/л – миллимолярными.
Нормальная концентрация (С Н, моль-экв/л) показывает число эквивалентов растворенного вещества в одном литре раствора.
Моляльная концентрация (С m , моль/1кг H 2 O) – число моль растворенного вещества, приходящееся на 1 кг растворителя, т.е. на 1000 г воды.
Мольная доля растворенного вещества (N) – это отношение числа моль растворенного вещества к числу моль раствора. Для газовых растворов мольная доля вещества совпадает с объемной долей (φ ).
Растворимость
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Растворимость (s, г/100 г H 2 O) – свойство вещества растворяться в воде или другом растворителе.
По растворимости растворы и вещества делят на 3 группы: хорошо растворимые (сахар), малорастворимые (бензол, гипс) и практически нерастворимые (стекло, золото, серебро). Абсолютно нерастворимых веществ в воде нет, нет приборов, с помощью которых возможно вычислить количества вещества, которое растворилось. Растворимость зависит от температуры (рис. 1), природы вещества и давления (для газов). При повышении температуры, растворимость вещества увеличивается.
Рис. 1. Пример зависимости некоторых солей в воде от температуры
С понятием растворимости тесно связано понятие насыщенного раствора, поскольку растворимость характеризует массу растворенного вещества в насыщенном растворе. Пока вещество способно растворяться раствор называют ненасыщенным, если вещество перестает растворяться – насыщенным; на некоторое время можно создать пересыщенный раствор.
Давление пара растворов
Пар, находящийся в равновесии с жидкостью называется насыщенным. При заданной температуре давление насыщенного пара над каждой жидкостью – величина постоянная. Поэтому каждой жидкости присуще давление насыщенного пара. Рассмотрим это явление на следующем примере: раствор неэлектролита (сахарозы) в воде – молекулы сахарозы значительно больше молекул воды. Давление насыщенного пара в растворе создает растворитель. Если сравнить между собой давление растворителя и давление растворителя над раствором при одинаковой температуре, то в растворе число молекул, перешедших в пар над раствором меньше, чем в самом растворе. Отсюда следует, что давление насыщенного пара растворителя над раствором всегда ниже, чем над чистым растворителем при той же температуре.
Если обозначить давление насыщенного пара растворителя над чистым растворителем p 0 , а над раствором – p, то относительное понижение давления пара над раствором будет представлять собой (p 0 -p)/p 0 .
На основании этого Ф.М. Рауль вывел закон: относительное понижение насыщенного пара растворителя над раствором равно молярной доле растворенного вещества: (p 0 -p)/p 0 = N (молярная доля растворенного вещества).
Криоскопия. Эбулиоскопия. Второй закон Рауля
Понятия криоскопии и эбулиоскопии тесно связаны с температурами замерзания и кипения растворов, соответственно. Так, температура кипения и кристаллизация растворов зависят от давления пара над раствором. Любая жидкость кипит при той температуре, при которой давление ее насыщенного пара достигает внешнего (атмосферного давления).
При замерзании кристаллизация начинается при той температуре, при которой давление насыщенного пара над жидкой фазой равно давлению насыщенного пара над твердой фазой. Отсюда – второй закон Рауля: понижение температуры кристаллизации и повышение температуры кипения раствора пропорционально концентрациям растворенного вещества. Математическое выражение этого закона:
Δ T крист = K × C m ,
Δ T кип = Е × C m ,
где К и Е криоскопическая и эбулиоскопическая константы, зависящие от природы растворителя.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | Какое количество воды и 80%-го раствора уксусной кислоты следует взять для получения 200 г 8%-го раствора? |
| Решение |
Пусть масса 80% раствора уксусной кислоты равна х г. Найдем массу растворенного в нем вещества: m р.в-ва (CH 3 COOH) =m р-ра × /100% m р.в-ва (CH 3 COOH) 1 =х × 0,8 (г) Найдем массу растворенного вещества в растворе 8%-й уксусной кислоты: m р.в-ва (CH 3 COOH) 2 =200 (г) × 0,08 = 16 (г) m р.в-ва (CH 3 COOH) 2 = х × 0,8 (г) = 16 (г) Найдем х: х = 16/0,8 = 20 Масса 80% раствора уксусной кислоты равна 20 (г). Найдем необходимое количество воды: m(H 2 O) = m р-ра2 – m р-ра1 m(H 2 O) = 200 (г) – 20 (г) = 180 (г) |
| Ответ | m р-ра (CH 3 COOH) 80% = 20 (г), m(H 2 O) = 180 (г) |
ПРИМЕР 2
