Хімія. 9 клас. Гранкіна

Тема 2. РОЗЧИНИ

§ 4. ПОНЯТТЯ ПРО ДИСПЕРСНІ СИСТЕМИ. КОЛОЇДНІ ТА ІСТИННІ РОЗЧИНИ

— Ми вчора з батьками ходили на риболовлю. Ранком був туман. Я розпалював багаття, воно погано розгорялося, було багато диму. А ще довелося набирати воду з річки у відро, і видно було, яка вона мутна...

— Хвилинку! Туман, дим, мутна вода... Що між ними спільного?

— Ну, не знаю... Риболовля?

— Ні, це ж дисперсні системи.

— От це так! А що таке дисперсні системи?

— Давай читати параграф...

Ви вже знаєте, що бувають чисті речовини й суміші. Чисті речовини ні в природі, ні в побуті не трапляються. Їх одержують спеціально, очищаючи від домішок досить складним шляхом.

Суміші складаються з двох або більше речовин. Оскільки речовини можуть бути в різних агрегатних станах (рідкі, тверді й газоподібні), то й суміші існують у різних агрегатних станах. Також у сумішах може бути різним розмір частинок. Отже, існує велике різноманіття сумішей, і їх треба якось класифікувати.

Встановлені кваліфікації чистоти хімічних реактивів: «чистий» (ч.), «чистий для аналізу» (ч. д. а.), «хімічно чистий» (х. ч.) і «особливо чистий» (ос. ч.). Препарати високого очищення («особливої чистоти») призначені лише для спеціальних цілей, коли навіть мільйонні частки відсотка домішки є зовсім неприпустимими. Основні споживачі таких препаратів — промисловість напівпровідникових матеріалів, радіоелектроніка, квантова електроніка. Наприклад, в особливо чистому SiO2 загальний уміст десяти домішок (Аl, В, Fe, Са, Mg, Na, Р, Ti, Sn, Рb) не перевищує 1 · 10-5 %.

ГОМОГЕННІ Й ГЕТЕРОГЕННІ СУМІШІ

Згадаємо матеріал 7 класу. Насамперед суміші ділять на гомогенні (однорідні) і гетерогенні (неоднорідні). У гетерогенних сумішах візуально або з допомогою оптичних приладів (мікроскопа) завжди можна побачити більш-менш великі часточки. Наприклад, суміш глини з водою. Часточки глини добре видно (рис. 3). У гомогенних сумішах часточки найдрібніші (молекули або йони), і ми не можемо їх бачити. Наприклад, розчин цукру у воді.

Рис. 3. Гетерогенна суміш глини з водою

Порівняння сумішей наведено в таблиці 3.

Таблиця 3

Гомогенні

Гетерогенні

• Складові частини не можна виявити ні візуально, ні з допомогою оптичних приладів, оскільки перемішуються найменші частинки — молекули, йони.

• Під час зберігання не змінюються.

• Приклади: розчин солі або цукру у воді, повітря, деякі сплави

• Складові частини можна виявити візуально або з допомогою оптичних приладів.

• Із часом може відбуватися розшарування сумішей.

• Приклади: суміш річкового мулу й води, пил у повітрі, граніт

ДИСПЕРСНІ СИСТЕМИ

Якщо одна речовина рівномірно розподілена у вигляді частинок усередині іншої речовини, то такі суміші називають дисперсними системами.

• Системою ми будемо називати сукупність різних речовин і продуктів їх взаємодії (можливо, у різних агрегатних станах), які містяться в одній ємності.

Диспергування (від лат. dispersio — розсіювання) — тонке дроблення твердих або рідких тіл у якому-небудь середовищі.

У дисперсних системах розрізняють дисперсну фазу — дрібнороздроблену речовину (або кілька речовин) і дисперсійне середовище — однорідну речовину, в якій розподілена дисперсна фаза. Вони не реагують одна з одною хімічно.

Дисперсну фазу становлять більш-менш великі частинки, які відділені від дисперсійного середовища межею розділення (рис. 4).

Рис. 4. Дисперсна система

ЯКИМИ БУВАЮТЬ ДИСПЕРСНІ СИСТЕМИ?

• Дисперсні системи відрізняються одна від одної розмірами частинок, тобто ступенем дисперсності (роздробленості).

Якщо розміри частинок більше 100 нм, то це грубодисперсні системи.

Існують високодисперсні системи (колоїдні системи) з розмірами частинок від 100 до 1 нм.

Якщо ж речовина подрібнена до молекул або йонів розміром менше 1 нм, утворюється гомогенна суміш — розчини або істинні розчини. У цьому випадку межі розділення між частинками й середовищем немає.

1 нм = 10-9 м

Грубодисперсні системи

Грубодисперсні системи, або зависі — гетерогенні суміші.

До них належать, наприклад, дим, туман, а також суспензії, емульсії та ін.

Суспензії — це дисперсні системи, в яких дисперсною фазою є тверда речовина, а дисперсійним середовищем — рідина, причому тверда речовина майже нерозчинна в рідині.

Щоби приготувати суспензію, потрібно речовину подрібнити до тонкого порошку, висипати в рідину, в якій речовина не розчиняється, і добре збовтати (наприклад, збовтування крейди у воді) (рис. 5). Згодом часточки випадуть на дно посудини. Очевидно, чим менше часточки, тим довше зберігатиметься суспензія.

Рис. 5. Суспензія (суміш крейди і води)

— Я знаю приклад суспензії — зубна паста. Основу деяких паст становить дуже дрібний порошок кальцій карбонату (це складова частина крейди). При цьому крейду не дроблять, а одержують СаСО3 хімічним шляхом. Так він виходить дуже дрібним і не ушкоджує емаль зубів.

— Я теж можу навести приклад суспензії: нерозчинна кава, якщо її заварювати прямо в чашці, — також суспензія. Частина речовин із порошку кави переходить у розчин (екстрагується), і виходить чудовий напій, а частина осідає на дні чашки.

Емульсії — це дисперсні системи, в яких і дисперсна фаза, і дисперсійне середовище є рідинами, що взаємно не змішуються.

Із води й рослинної олії можна приготувати емульсію тривалим струшуванням суміші. Прикладом емульсії є молоко, в якому дрібні кульки жиру плавають у рідині; нафта, яка містить різні рідкі хімічні сполуки; косметичні креми.

Лікарські засоби можуть бути у вигляді емульсій і суспензій. На етикетці при цьому написано: «перед уживанням збовтувати».

Дізнайтеся більше

Багато харчових продуктів є також емульсіями, наприклад майонез, який одержують збиванням яєць і рослинної олії (рис. 6). Однак під час зберігання емульсії розшаровуються й той самий майонез утрачає привабливий вигляд. Тому в емульсії додають спеціальні речовини — емульгатори, які дозволяють зберігати емульсію без змін тривалий час, наприклад збиті вершки.

Рис. 6. Емульсії

Аерозолі — зависі в газі (наприклад, у повітрі) дрібних частинок рідин або твердих речовин.

Розрізняють пили, дими, тумани. Перші два види аерозолів являють собою зависі твердих частинок у газі (великі частинки в пилах), а от туман — це завись крапельок рідини в газі.

— От, наприклад, ранковий туман, тумани над морським прибоєм, поблизу водоспадів і фонтанів, грозові хмари — все це зависі в повітрі крапельок води. А дим із пічної труби — дрібні тверді частинки сажі.

— А смог, що висить над найбільшими містами світу, — це також аерозоль із твердою й рідкою дисперсною фазою.

Аерозолі відіграють важливу роль у природі, побуті й виробничій діяльності людини. Наприклад, обробка полів хімікатами, нанесення лакофарбових покриттів з допомогою пульверизатора, лікування дихальних шляхів (інгаляція) і багато іншого.

• Важливо запам'ятати, що грубодисперсні системи недовговічні й із часом розшаровуються. Їх можна розділити фізичними методами — фільтруванням, відстоюванням.

Високодисперсні системи. Колоїдні системи

У колоїдних системах частинки зазвичай складаються з великої кількості згрупованих молекул або йонів (наприклад, осад арґентум хлориду) або з дуже великих молекул, наприклад таких, як білок. Ці частинки не видно неозброєним оком, але їх можна спостерігати в досить потужний мікроскоп.

З давньогрецьк. κόλλα — клей + είδος — вид; «клеєподібні».

— Колоїдних систем навколо нас досить багато: це плазма крові, тканинна рідина, цитоплазма живих клітин та ін. Такі системи утворюють клеї, крохмаль, білки, деякі полімери. Їх можна одержати й у результаті хімічних реакцій. До колоїдних систем належать сталь і чавун, самоцвітні камені й перли. Можна навести ще безліч прикладів.

— Як добре відомі приклади колоїдних систем можна навести холодець, кисіль, желе.

Колоїдні системи дуже різноманітні, їх класифікують за різними ознаками. Ми виділимо тільки золі (колоїдні розчини) і гелі.

Колоїдні розчини (золі)

Характерна властивість колоїдних розчинів — їх прозорість. Колоїдні розчини зовні схожі на істинні розчини.

Дізнайтеся більше

Як же відрізнити колоїдні та істинні розчини? Виявляється, у колоїдних розчинів є особливість: у разі пропускання крізь них променю світла утворюється «світлова доріжка». Це явище називають ефектом Тіндаля (рис. 7).

Рис. 7. Ефект Тіндаля

Більші, ніж в істинному розчині, частинки дисперсної фази золю відбивають світло від своєї поверхні, і спостерігач бачить у посудині з колоїдним розчином світловий конус. В істинному розчині конус не утворюється.

Завдання. Серед розчинів у хімічній лабораторії спробуйте знайти золі.

Залежно від розмірів частинок золи можуть мати різне забарвлення, тоді як у істинних розчинів воно завжди однакове. Наприклад, золі золота можуть бути синіми, фіолетовими, вишневими, рубіново-червоними залежно від розмірів частинок золота.

У процесі утворення частинки в золях одержують однойменні заряди (плюс або мінус), що взаємно відштовхуються й тому не злипаються. Але за певних умов колоїдні частинки втрачають заряд. Тоді вони починають укрупнюватися й осідають. Це може бути під час кип'ятіння розчинів, під час приливання якого-небудь розчину солі, кислоти або лугу. Такий процес називають коагуляцією (рис. 8).

Рис. 8. Коагуляція

Коагуляція — явище злипання колоїдних частинок і випадіння їх в осад.

При цьому золь перетворюється на суспензію або гель. Що таке суспензії, ми вже знаємо, тож розглянемо гелі.

Гелі

Гелі являють собою драглисті осади, які утворюються під час коагуляції золів.

Уявімо, як це відбувається: частинки дисперсної фази злипаються одна з одною, а в проміжки між ними потрапляють молекули речовини дисперсійного середовища. Це можуть бути молекули води. У цьому випадку гелі називають гідрогелями. Типовим гідрогелем є мінерал опал (рис. 9).

Рис. 9. Гідрогель опал

Глиняне тісто, застосовуване для виготовлення керамічного посуду, у тому числі порцелянового й фаянсового, а також будівельної кераміки — цегли, черепиці й т. п., цементний і вапняний будівельні розчини теж являють собою гідрогелі (рис. 10).

Рис. 10. Гідрогель — вапняний будівельний розчин

Існують гелеподібні ліки, причому в їхніх назвах зазвичай при сутнє слово «гель», наприклад «Альмагель», «Фосфалюгель», «Силікагель» і т. п.

Вам добре відомі косметичні гелі (гель для волосся, гоління, гелі для догляду за шкірою) і харчові гелі (желатин, холодець, мармелад, торт «Пташине молоко») (рис. 11).

Рис. 11. Кондитерський гель — желатин

Гелі можуть перетворюватися на золі, і навпаки. Цей процес ми спостерігаємо щоразу, коли застигає холодець або желе. Якщо нагріти застиглий холодець (гель), він знову стане рідиною (золем).

Дізнайтеся більше

Цікаво, що одноклітинна тварина амеба, яка не має постійної форми тіла, рухається за рахунок утворення псевдоподій (рис. 12). Внутрішньо вміст амеби — золь — по її контуру переходить у більш в'язку й щільну речовину — гель, який не дає її вмісту перемішатися з водою. Як за незмінних умов і за дуже стислі проміжки часу амеба примудряється здійснювати перетворення «золь — гель» і навпаки — науці досі не відомо. От вам і найпростіше...

Рис. 12. Амеба

ДОМАШНІЙ ЕКСПЕРИМЕНТ

Під час виконання дослідів дотримуйтеся правил безпеки! Просимо допомоги батьків!

Хімія на кухні

Колоїдні розчини бувають навіть дуже смачними. Наприклад, кисіль. Основою колоїдної системи тут є молекули крохмалю.

Дослід 1 «Отримуємо крохмальний клейстер»

Розмішайте крохмаль (2-3 столові ложки) у чашці холодної воді, а потім вилийте отриману суспензію в гарячу воду (приблизно 0,5 л) — крохмаль набухає, утворюючи крохмальний клейстер. Звичайно, він несмачний.

Його ви можете використати для склеювання паперу, картону, тканини. Він відмінно клеїть і, до того ж, зовсім нешкідливий. Клейстер сміливо можна давати молодшим сестричкам і братикам, якщо вони щось склеюють, не побоюючись того, що вони будуть облизувати руки або пензлик. Але потрібно пам'ятати, що це харчовий продукт і з часом він псується.

Дослід 2 «Варимо кисіль»

Знову розмішаємо крохмаль у холодній воді в тих самих пропорціях, але тепер виллємо крохмальну суспензію не у воду, а в компот. Виходить смачний кисіль. Остудіть його, прикрасьте свіжими ягодами, посипте цукром, покладіть зверху збиті вершки і пригощайте батьків і друзів.

Підіб'ємо підсумки

Отже, дисперсні системи — гетерогенні суміші. До них належать високодисперсні системи (золі й гелі) і грубодисперсні системи. Вони відрізняються одна від одної насамперед розмірами частинок, тобто ступенем дисперсності (подрібнення), а також агрегатними станами дисперсної фази й дисперсійного середовища.

ПЕРЕВІРТЕ СВОЇ ЗНАННЯ

  • 36. Чим відрізняються гомогенні й гетерогенні суміші?
  • 37. Що таке «дисперсна система»?
  • 38. Поясніть, що таке дисперсна фаза й дисперсійне середовище.
  • 39. Яке визначення можна дати суспензіям? емульсіям? аерозолям? Наведіть приклади цих сумішей.
  • 40. Укажіть дисперсну фазу й дисперсійне середовище для суспензій, емульсій, аерозолів.
  • 41. Дайте визначення золям і гелям.
  • 42. Як відрізнити золь від істинного розчину?

ВИКОНАЙТЕ ЗАВДАННЯ

43. Наведіть приклади гомогенних і гетерогенних сумішей.

44. Наведіть приклади колоїдних систем, істинних розчинів.

45. Установіть відповідності між розмірами частинок і типом дисперсної системи.

  • 1) Істинні розчини
  • 2) Грубодисперсні системи
  • 3) Колоїдні системи
  • а) Більше 100 нм
  • б) Менше 1 нм
  • в) Від 1 до 100 нм

46. Відомо, що серед викидів відходів виробництва в повітря є:

  • 1) часточки сажі;
  • 2) нітроген(IV) оксид;
  • 3) краплі сульфітної кислоти.

До якого типу дисперсних систем належить кожний випадок? Запропонуйте способи очищення повітря від цих забруднень.

47. Є склянки, заповнені дистильованою водою, водопровідною водою, розчином білка курячого яйця, розчином цукру. Крізь кожний розчин пропустили промінь світла. Як ви вважаєте, в якій із пробірок промінь видно?

Поясніть результати.

48. Був такий випадок: під час війни снаряд потрапив у вагон із цукром. Цукор розплавився й змішався із землею. Запропонуйте спосіб очищення цукру.

49. Кухонну сіль одержують різними способами. Запропонуйте способи одержання чистого натрій хлориду з морської води й із мінералу галіту, ураховуючи, що в мінералі можуть бути домішки не тільки інших солей, але й піску.