Колоїдні системи: типи, властивості і значення

Коли мова йде про агрегатному стані речовин, прийнято виділяти чотири основних типи:

плазма;

тверде;

рідина;

газ.

Однак більшість біологічних середовищ, рідин, природних явищ являє собою якусь суміш з декількох варіантів. Значна частина всіх розчинів володіє особливими властивостями. Вони відрізняються і зовнішніми ознаками, і внутрішньою будовою. Називають їх так: колоїдні системи. Це сукупна суміш речовин різної природи, що знаходяться в різних агрегатних станах. Щоб краще розібратися в даному питанні, слід розглянути всі властивості і характеристики подібних розчинів, що ми й зробимо в цій статті.

Колоїдно-дисперсна система: характеристика

Якщо говорити простою повсякденною мовою, то дана система - це щось середнє між істинним розчином, який є 100% гомогенної середовищем і грубодисперсними суспензіями, в яких чітко простежується межа розділу фаз. Взагалі колоїдні системи є частиною дисперсних систем, однією з їх різновидів. Тому не дивно, що властивості їх багато в чому схожі. Щоб краще уявити собі, що ж таке описуване стан речовини, наведемо кілька прикладів з життя.

Гелі та гелеподібні тіла. Наприклад, ті, що застосовуються для укладання зачіски. Також сюди можна віднести і гелевидні студнеобразние крему, в тому числі і кондитерські. Розчин агар-агару, набряклий крохмаль, розчин курячого білка - все це колоїдні системи. Хімія, яка займається вивченням подібних структур, іменується физколлоидной або фізичної.

Золі. Іншими словами, це деструктурированние гелі. Саме вони і стоять на кордоні між грубодисперсними системами та істинними розчинами. Приклади даного стану: туман, дим або пил у повітрі.

Також можна навести ще кілька загальновідомих сполук, які вважають колоїдами:

пил;

аерозоль;

емульсія;

суспензія;

туман та інші.

Для кожного наведеного прикладу можна привести свої специфічні властивості. Однак існують і ті, що є для них спільними.

Класифікація колоїдних систем

Так як різноманітність розглянутих сполук велике, то природно, що є їх класифікація. В основу покладені ознаки будови - структурованість, розміри дисперсної фази по відношенню до середовища та інші. Якщо всі колоїдні системи розділити на типи за характером входять до їх складу частинок, то можна виділити основні з них:

рідина в газі - туман, наприклад;

тверді частинки в газовому середовищі - дим, пил;

рідина в рідині - різні емульсії;

тверді частинки в рідині - суспензії;

рідина в твердому - емульсії;

тверді частинки в твердому середовищі - тверді золі.

Також існує ще одна ознака, який лягає в основу поділу розглянутих систем. Це взаємодія частинок фази і середовища один з іншому. Класифікація колоїдних систем в цьому випадку приймає наступний вигляд.

Ліофільні. Включають в себе ті системи, в яких відбувається взаємодія і навіть розчинення частинок фази в середовищі.

Ліофобні. Не відбувається ні взаємодії між середовищем і фазою, ні їх взаємного розчинення.

Якщо мова йде про такому середовищі, як вода, то можна ці ж групи назвати, відповідно, гідрофільними та гідрофобними. Ще один варіант підрозділу розглянутих систем наступний:

Свободнодисперсние. Це такі, в яких частинки перебувають у постійному русі, взаємодіють один з одним і не формують певної структури, тобто знаходяться в якомусь хаосі. Приклади: дрібнодисперсні суспензії, емульсії, лиозоли, аерозолі.

Связнодисперсние - це колоїдні системи, в яких внутрішня структура чітко впорядкована і являє собою якийсь молекулярний каркас із середовища, заповнений усередині фазою. Прикладами можуть служити гелі, пасти, порошки, густі емульсії і суспензії.

Можливий самовільний перехід золя в гель, цей процес має назву гелеутворення. Проте нерідко спостерігається і зворотний процес.

Ліофобні системи: золі

Це така колоїдна система, фази якої досить чітко відокремлені один від одного кордоном розділу. Однак перевірити це складно, адже розміри частинок дисперсних - не більше 100 нм. Саме тому золі - проміжне стан між істинними розчинами і грубодисперсними складами. У даних систем є своя класифікація. Їх поділяють в залежності від виду дисперсійного середовища. Можна виділити кілька основних варіантів:

гидрозоли - водна середовище;

алкозоли - спирт;

этерозоли - ефірна;

органозоли - більш загальне позначення органічної природи середовища.

Саме для лиозолей (середа - рідка) характерне таке поняття, як мицелла. Їм позначають фазні частки в сукупності із зовнішньою сферою - частинками (іонами) навколишнього середовища. Для будь-зольної системи можна записати своє хімічне вираз, що відображає її склад у вигляді міцели. Приклад: червоний золь золота з складом NaAuO 2 + HCOH + Na 2 CO 3 -> Au + HCOONa + H 2 O має міцел наступного вигляду: {[Au] m · n AuO 2 – · (n-x) Na + } x– · xNa + . Властивості золів можна описати кількома пунктами:

Існує межа розділу фаз, у якій сильне поверхневий натяг.

Частка фази і середовища перебувають у постійному броунівському русі.

Частинки здатні до агрегації - злипання і осадженню. Це пояснюється їх постійним взаємодією.

Якщо ж говорити про використання золів в промисловості, то воно досить широко. Якщо згадати, що всі аерозолі, суспензії та емульсії відносяться саме до них, то стає ясно, що без подібних колоїдних систем не обходяться:

хімічна промисловість;

фармацевтика;

військова справа;

харчова галузь та інші.

При певних умовах золі можуть почати структуруватися. Тобто вибудовувати внутрішній каркас з дисперсних частинок, клітинки, в яких будуть заповнені молекулами середовища. Ще одна назва, що відбувається - коагуляції або злипання. У цьому випадку говорять про гелеобразовании, так як продуктом стане гель.

Ліофільні системи

Дані структури утворюються завдяки тісній взаємодії частинок середовища і фази. Це призводить до того, що вони розчиняються один в одному, набухають і утворюються драглисті гелевидні по консистенції з'єднання. Всередині ж вони являють собою тривимірну просторову сітку, в якій всі пори заповнюються частками рідкої або твердої середовища. Завдяки такій будові всі ліофільні гелі володіють наступними властивостями:

пружність;

здатність зберігати постійну форму;

міцність;

пластичність;

нетекучесть.

Такі молекулярні колоїдні системи зустрічаються дуже часто. Адже за своєю природою це високомолекулярні, так і низькомолекулярні речовини, які зазнали впливу для зміни властивостей. Наведемо кілька всім відомих варіантів:

косметичні гелі для гоління, для волосся;

лікарські препарати - від болю, ударів, ран та іншого;

побутова хімія;

адсорбенти в хімічній промисловості.

Особливу властивість даних речовин - здатність мимовільно необоротно руйнуватися при висушуванні. Напевно багато хто помічав, що є звичайний гель для волосся залишити відкритим, то через два-три дні від нього залишиться лише маленька суха маса, непридатна до використання. Це відбувається через руйнування просторової структури та випаровування вологи. Іноді вологу спеціально прибирають зі складу гелів, щоб отримати потрібний продукт. Але робиться це хімічним шляхом, без руйнування загальної структури. Так отримують силикагели, алюмогели.

Особливі й загальні властивості колоїдів

Властивості колоїдних систем (або колоїдів) наступні:

Характерний зовнішній вигляд, особливо якщо мова йде про гелях, емульсіях і суспензіях, аерозолях.

Особливе ставлення до проходить крізь речовину світла: більшість з них не перешкоджає цьому, а частина (прозорі) взагалі розсіюють спрямований пучок.

Постійний рух частинок не дозволяє в колоїдних системах утворюватися осідання.

Так як середовище і фаза можуть бути дуже різними по відношенню один до одного, то виділити загальні фізичні параметри складно. Вони повинні ставитися до кожної конкретної речовини.

Якщо говорити про особливі властивості розглянутих станів речовин, то слід вказати на броунівський рух структурних елементів і на ефект Тиндаля, тобто на розсіювання світла.

Ефект Тиндаля

Дане явище входить в особливі оптичні властивості колоїдних систем. Суть його полягає в наступному: пучок світла, що проходить через розчин (або аерозоль) системи, розсіюється. Проте робить це не зовсім звичайно. Так як здатність відбивати або поглинати пучки світла у всіх часток різна, показник заломлення варіюється, то виходить, що можна спостерігати конусоподібний пляма на темному тлі. Цей ефект використовується для визначення якості, кількості та розмірів частинок, що складають дану систему. Вперше методика була розроблена і введена в використання Джоном Тиндалем, за що й отримала таку назву. Дуже простий і доступний досвід в домашніх умовах дозволить переконатися в наявності даного ефекту. Потрібно приготувати розчин курячого білка у воді. Вийде типова лиофильная колоїдна система. Потім пропустити через нього лазерний промінь і забезпечити позаду судини темний фон. Таким чином, конус Тіндаля буде видно дуже чітко, а світло всередині розчину розсіється.

Броунівський рух частинок

Це ще одне особливе властивість розглянутих систем. Полягає в постійному русі частинок фази в середовищі розчину як газоподібним, так і рідкої. Молекули, атоми, іони знаходяться в безперервному хаотичному вирі. Це дозволяє коллоиду існувати в незмінному вигляді. Крім того, завдяки їх однаковим зарядам злипання між ними не відбувається. Це дозволяє системі бути досить стійкою. Це явище характерне лише для тих частинок, розмір яких не перевищує 3 мкм. Інакше настає седиментація розчину.

Способи утворення колоїдів

Методи одержання колоїдних систем досить різноманітні, оскільки і самі системи неоднакові. Можна виділити декілька найбільш часто застосовуваних прийомів.

Конденсація.

Диспергування.

Пептизація.

Всі ці методи колоїдних систем мають широке промислове значення при роботі з ними, при їх отриманні і вивченні властивостей. Розглянемо більш детально кожен з них. Конденсація - це метод, в основі якого лежить здатність молекул і іонів асоціюватися один з одним, злипатися, утворюючи більші частинки. Таким чином, формується нова система, найчастіше володіє властивостями колоїду. Зробити це можна двома шляхами:

заміною розчинника (тобто середовища);

хімічної конденсацією, то є низкою послідовних взаємодій, що призводять до укрупнення частинок.

І в тому, і в іншому випадку виходять справжні колоїди, в яких тверді частинки утримуються броунівським рухом у зваженому стані. Диспергування, навпаки, полягає в подрібненні фазового компонента суміші до того стану, коли розчин стане колоїдом. Роблять це кількома способами:

механічним подрібненням;

електродуговим розпиленням;

подрібненням ультразвуком та інше.

Пептизація - хімічне розщеплення злиплих коагулированних частинок на більш дрібні структури. Таким способом отримують розчини в промисловості. При цьому обов'язкова участь беруть специфічні агенти - пептизатори.

Умови стійкого стану

Стійкість колоїдних систем вимагає певних умов. Адже ми вже говорили, що з плином часу вони можуть руйнуватися, іноді незворотно. Особливо це стосується ліофобних систем - золів. Тому існують методи, що дозволяють зберегти і підвищити стійкість колоїдів:

Додавання спеціальних антикоагулянтів - стабілізаторів.

Запровадження постійних і тимчасових електролітів для зміни значення електродного потенціалу учасників системи.

Інші способи є узкоспецифичними для кожного конкретного колоїду, коли враховуються всі властивості розчину.

Поширення та значення колоїдних систем

Зустрітися з колоїдами можна як в хімічній лабораторії, так і в природі. Відомо, що практично всі внутрішні біологічні речовини живого організму являють собою саме такі дисперсні системи. Наприклад:

цитоплазма;

строма;

кістковий мозок та інші.

Серед будівельних матеріалів дуже багато саме колоїдних систем, які володіють хорошими технічними характеристиками. Це бетон, металеві сплави, глиносодержащие з'єднання, піни, аерозолі і так далі. Фармацевтика взагалі неможлива без колоїдів. Всі пасти, мазі, гелі, суспензії та емульсії - це лікарські засоби, що представляють собою розглянуті нами системи. Тому переоцінити значення і поширення колоїдів складно, вони одні з найбільш поширених і широко використовуваних видів агрегатного стану речовини.