Дисперсные системы и их разновидности

В растворах растворенное вещество равномерно распределе­но в растворителе по всему объему в виде отдельных ионов, молекул или ато­мов. Такие растворы иногда называют ис­тин­ными раство­ра­ми. Размер частиц истинного раствора соответствует размеру ионов, молекул или атомов и обычно составляет менее 10^–7 см (то есть менее одного нанометра). Визу­аль­но однородные смеси не всегда являются растворами – размеры частиц в них могут быть намного больше, чем в ис­тинном растворе.

Однако существуют смеси, в которых одно вещество тоже рав­номерно распределено в другом, но размеры его частиц на­мно­го превышают размеры частиц раствора. Такие смеси на­зываются дисперсными системами. Подобно растворам, дисперсные системы состоят, по меньшей мере, из двух ве­ществ – дисперсионной среды и диспергированного (раз­дроб­лен­но­го) вещества (или веществ).

Если частицы диспергированного вещества имеют размер в интервале 1–100 нм (10^–7–10^–5 см), это так называемый кол­лоидный раствор (греч. kolla – клей, eidos – вид). Под мик­роскопом коллоидный раствор выглядят как однород­ный. В основном коллоидные растворы достаточно устойчивы, раз­де­ления диспергированного вещества и дисперсионной сре­ды с течением времени не происходит.

Помимо истинных растворов в повседневной жизни мы часто сталкиваемся и с множеством дисперсных систем. К ним от­но­сятся многие продукты питания и напитки. Человече­ский организм также содержит дисперсные системы.

Как же определить, с каким раствором мы имеем дело – с истинным или коллоидным? Самый простой способ – это поставить раствор в темную комнату и пропу­стить через него пучок света от карманного фонарика или другого источника света. Стоя рядом, в истинном растворе пучок света мы не увидим. В коллоидном растворе частицы намного крупнее, чем в ис­тинном растворе, поэтому падающий свет отражается от них и рассеивается в разных направлениях. При прохожде­нии света через коллоидный раствор мы видим в растворе светя­щуюся полосу. Это явление было открыто известным англий­ским ученым Джоном Тиндалем и получило название эф­фек­та Тиндаля.

Эффект Тиндаля можно наблюдать и в повседневной жизни. Например, луч света в пыльной комнате становится видимым из-за рассеянных в воздухе маленьких пылинок, а пучок све­та автомобильных фар в тумане – из-за висящих в воздухе ка­пелек воды. В обоих случаях дисперсионной средой является воздух.

Грубодисперсные системы, в которых размеры дисперги­рованных частиц превышают 10^–5 см (то есть более 100 нм), к коллоид­ным растворам не относятся. В таких смесях частицы диспер­ги­рованного вещества видны под простым микроско­пом и даже невоо­ру­жен­ным глазом. Смеси веществ с круп­ны­ми диспергированными частицами неустой­чивы, в них происходит постепенное разделение ди­спер­ги­ро­ван­но­го ве­щества и дисперсионной среды. К неус­тойчивым диспер­сным системам относятся также мут­ные растворы (например, из­вес­тковое молоко). Со временем диспергиро­ван­ное вещество в нем осаждает­ся, и раствор становится прозрач­ным. Такой раствор часто называют известковой водой.

Смеси веществ с менее крупными диспергированными части­цами более устойчивы. Примером такой смеси является мо­ло­ко. С течением времени диспергированное вещество (ка­пельки жира) выделяется из дисперсионной среды (водного раствора), и на поверхности молока образуются сливки. На­пом­ним, что истинные растворы довольно устойчивы. Важ­ное отличие между дисперсными системами и растворами определяется разными размерами частиц.

В повседневной жизни мы используем различные дисперс­ные системы. Они классифицируются по агрегатному состоя­нию дисперсионной среды и диспергированного вещества.

Самое широкое распространение получили дисперсные си­сте­мы, в которых дисперсионной средой является жид­кость. Если в жидкости распределена другая жидкость, мы имеем дело с эмульсией. В эмульсиях частицы одной жид­кости распределены в другой жидкости. Эмульсиями являют­ся молоко, майонез, различные соусы, кремы, косметические средства, красители и т. д. Для большей устойчивости к мно­го­компонентным эмульсиям добавляют cпециальные вещест­ва – так называемые эмульгаторы.

Если в жидкости распределено твердое вещество – это сус­пензия. Суспензиями являются природные воды с частица­ми глины или грязи, различные краски, резиновый клей, зубная паста, а также кофе и какао.

В жидкой среде можно диспергировать и газообразные ве­щества. В таких случаях получается пена. Ее образование мож­но наблюдать при стирке, а также в процессе взбивания сливок, яичного желтка, мусса и т. д.

В некоторых дисперсных системах дисперсионной средой является газ или смесь газов, пре­и­му­щест­вен­но воздух. Та­кие дисперсные системы на­зы­ва­ют­ся аэрозолями. В виде аэрозолей используются многие лекарства (для ингаляции при воспалении носоглотки, астматических заболеваниях и др.), дезодоранты, средства для ухода за волосами, красители, средства для защиты растений от вредителей и т. д.

Если в воздухе распылены мельчайшие частицы воды, обра­зу­ется туман или облака. Диспергированные твердые  вещества – это пыль и дым. При сильном загрязнении воздуха образуется смог (смесь дыма и тумана), в котором распылены твердые и жид­кие вещества.

Существуют также дисперсные системы, в которых дисперси­онной средой является твердое вещество. Твердые пены (пемза, пенопласт и др.) содержат диспергированный в твер­дой среде газ. Твердые эмульсии содержат дисперги­ро­ван­ную в твердой среде жидкость (например, драгоценный камень опал, который содержит диспергированные капельки воды, придающие ему переливчатый блеск, а также желе). В случае твер­дой суспензии в твердой среде диспергировано твердое вещество (некоторые цветные стекла содержат твердые распыляемые добавки, придающие окраску, например частицы металла) и т. д.

Коллоидные растворы, содержащие большие полимерные мо­лекулы (желатин, крахмал, белки и др.), обладают особым свойством: при определенных условиях они теряют те­кучесть и превращаются в гели. Гелями являются хо­ло­дец, кисель, желе, сыр, хлеб, кислое молоко и другие продук­ты. Гели образуются и в живых организмах (хрящи, кости, кожа, мышечные и другие ткани).

Связи между крупными молекулами диспергированного ве­щества образуют в гелях сетчатую пространственную струк­туру, которая удерживает большое количество диспер­си­он­ной среды (воды). В какой-то степени такая структура позво­ляет сохранять форму, что придает ей сходство с твердыми ве­ществами. Гели являются неустойчивыми ве­ществами. При длительном хранении из них выделяется вода, и гель (на­при­мер, холодец или желе) снова превращается в жидкость.