Rodzaje układów fizycznych w zależności od stopnia rozproszenia substancji w środowisku wodnym

Układ - wyodrębniona myślowo lub fizycznie część przestrzeni.

Faza - jednolita fizycznie część układu, oddzielona od pozostałych części wyraźną powierzchnią rozdziału, na której następuje skokowa zmiana właściwości.

Składnik - substancja chemiczna bez względu na jej stan skupienia.

Mieszanina - układ wieloskładnikowy lub wielofazowy.

Mieszanina jednorodna - układ, w którym składniki zatracają część swoich indywidualnych cech makroskopowych do tego stopnia, że stają się nierozróżnialne nawet przy dużym powiększeniu.

Mieszanina niejednorodna - układ, w którym fazy poszczególnych składników zachowują swoje cechy makroskopowe i mikroskopowe.

Układ rozproszony (dyspersyjny) - układ złożony z fazy rozpraszającej i fazy rozproszonej.

Rodzaje układów rozproszonych:

1. Układy gruboziarniste - rozmiary cząstek większe od około 500nm, widoczne pod mikroskopem optycznym lub przez lupę, a nawet gołym okiem.

Może to być:

• Zawiesina (ciało stałe rozproszone w cieczy)

• Dym (ciało stałe rozproszone w gazie)

• Emulsja (ciecz rozproszona w cieczy)

• Mgła (ciecz rozproszona w gazie)

• Piana (pęcherzyki gazu rozproszone w cieczy lub w ciele stałym)

• Koloidy (roztwory koloidalne) - rozmiary cząstek są mniejsze od ok. 500nm, ale większe od ok. 1nm.

• Roztwory rzeczywiste - rozmiary cząstek są mniejsze od ok. 1nm.

Porównanie właściwości układów rozproszonych.

Właściwość	Zawiesina	Koloid (zol)	Roztwór rzeczywisty
Stopień rozproszenia i widoczność cząstek fazy rozproszonej	Cząstki większe od ok. 500nm, widoczne pod mikroskopem optycznym	Cząstki mniejsze od ok. 500nm, ale większe od ok.1nm, widoczne pod ultramikroskopem	Jony lub cząstki mniejsze od ok. 1nm, Niewidoczne pod ultramikroskopem
Ilość faz	Wielofazowa (niejednorodna, heterogeniczna)	Jednofazowy (jednorodny, homogeniczny)	Jednofazowy (jednorodny, homogeniczny)
Przechodzenie przez sączek z bibuły	Faza rozproszona nie przechodzi	Przechodzą obie fazy	Przechodzą obie fazy
Właściwości optyczne	Nieprzezroczysta, Wiązka światła zostaje odbita i rozproszona	Efekt Tyndalla - ugięcie światła na cząstkach fazy rozproszonej, droga światła przybiera formę smugi (stożek Tyndalla)	Przezroczysty, promienie przechodzą przez roztwór bez przeszkód, bez widocznej drogi światła
Otrzymywanie	Mieszanie	Metody dyspersyjne, metody kondensacyjne, rozpuszczanie	Rozpuszczanie
Metody rozdzielania poszczególnych składników	Sączenie, sedymentacja, wirowanie, dekantacja	Ultrawirowanie, chromatografia, krystalizacja, odparowanie rozpuszczalnika	Odparowanie rozpuszczalnika, destylacja, krystalizacja, chromatografia
Wzajemne przejścia	Dyspersja→	←Koagulacja Dysolucja→	←Kondensacja

KOLOIDY

Są to układy dyspersyjne o dużym stopniu rozdrobnienia i wyglądzie układów fizycznie jednorodnych, choć w rzeczywistości składniki nie są ze sobą zmieszane cząsteczkowo. Koloidy, w których fazą rozpraszającą jest ciecz nazywamy zolami. Pojęcie koloidy do chemii po raz pierwszy wprowadził Graham, dla określenia substancji o właściwościach zbliżonych do kleju.

Cząstki fazy rozproszonej mają wymiary od ok.1nm do ok. 500nm i mogą mieć kształty blaszkowate, nitkowate oraz kuliste. Istnieją trzy rodzaje cząstek koloidalnych:

• Zawierające nie mniej niż 1500 atomów makrocząsteczki polimerów syntetycznych lub naturalnych (skrobi, celulozy, białka, kauczuku i in.)

• Micele, powstające w wyniku łączenia się jonów lub cząsteczek substancji rozpuszczonej wielkie zespoły, w których skład mogą wchodzić również cząsteczki rozpuszczalnika. Najczęściej micela składa się z jądra, stanowiącego niewielki fragment kryształu danej substancji, otoczonego koncentrycznymi warstwami jonów o przeciwnych znakach lub warstwą cząsteczek rozpuszczalnika adsorbowanych z roztworu.

• Bardzo małe fragmenty krystalicznej fazy stałej.

Podziały koloidów:

1. Podział koloidów ze względu na wielkość cząstek fazy rozproszonej:

• Monodyspersyjne - cząstki fazy rozproszonej mają jednakową wielkość

• Polidyspersyjne - cząstki fazy rozproszonej mają różne wymiary

2. Podział koloidów w zależności od wartości dyspergowania :

• Koloidy asocjacyjne - w których substancja rozproszona samorzutnie przechodzi w stan koloidalny

• Koloidy dyspersyjne - w których substancję rozproszoną otrzymuje się przez wymuszone rozdrobnienie

3. Podział koloidów w zależności od powinowactwa do rozpuszczalnika:

• Koloidy liofilowe - mające duże powinowactwo do rozpuszczalnika (w przypadku wody hydrofilowe), dzięki czemu cząstki koloidalne otaczają się cząsteczkami rozpuszczalnika (solwatacja a w przypadku ośrodka wodnego hydratacja), co nadaje im trwałość - stają się mniej wrażliwe na działanie czynników koagulujących.

• Koloidy liofobowe - posiadające małe powinowactwo do rozpuszczalnika (hydrofobowe) i na swojej powierzchni gromadzące ładunek elektryczny, który jest czynnikiem stabilizującym. Nie ulegają solwatacji lub ulegają jej w bardzo nieznacznym stopniu.

Własności charakterystyczne koloidów liofilowych i liofobowych.

Własność	Koloidy liofobowe	Koloidy liofilowe
Otrzymywanie Struktura cząstek Stężenie fazy rozproszonej Ruchy Browna Efekt Tyndalla Barwa układu Ładunek elektryczny Tworzenie piany Pęcznienie Tworzenie galaret Wrażliwość na elektrolity Wrażliwość na środki dehydratujące Charakter koagulacji	metodami dyspersji lub kondensacji przeważnie zespoły zwykłych cząsteczek na ogół nieznaczne występują wyraźnie wyraźny często zabarwione cząstki są zawsze naładowane nie tworzą piany nie pęcznieją nie tworzą galaret koagulacja pod wpływem małych stężeń elektrolitu nieznaczna i dopiero przy dużych stężeniach nieodwracalna	można otrzymać przez zwykłe rozpuszczenie makrocząsteczki (cząsteczki olbrzymy) może być duże często bardzo niewyraźne niewyraźny najczęściej bezbarwne ładunek nieznaczny lub brak ładunku łatwo tworzą pianę pęcznieją, zwiększając objętość łatwo tworzą galarety mała wrażliwość, pod wpływem dużych stężeń elektrolitu następuje wysalanie przy dużych stężeniach znaczna odwracalna

4. Podział koloidów w zależności od stanu skupienia ośrodka dyspersyjnego i fazy rozproszonej.

Ośrodek Dyspersyjny	Faza rozproszona	Przykłady	Nazwa
Gaz	Gaz Ciecz Ciało stałe	układy koloidalne tego rodzaju nie istnieją, gdyż gazy mieszają się cząsteczkowo mgła, chmury, kondensujące pary kurz, dym, cząstki węgla w płomieniu Bunsena	_ mgły gazozole
Ciecz	Gaz Ciecz Ciało stałe	pęcherzyki gazów w cieczy, np. piana mydlana mleko, emulsja tłuszczu w wodzie, roztwór żelatyny, białka zole metali, siarczków, tlenków i wodorotlenków metalicznych	piany, zole liozole, emulsoidy liozole, suspensoidy
Ciało stałe	Gaz Ciecz Ciało stałe	pumeks, okluzje gazowe w minerałach kwarc mleczny szkło rubinowe, perły fosforowe, kryształy chlorku sodowego zabarwione przez cząstki koloidalne metalicznego sodu	piany stałe piany stałe zole stałe

Właściwości koloidów

Własności mechaniczne:

• Dyfuzja - jest zjawiskiem związanym z kinetycznym ruchem cząsteczek i zależy od ich wielkości. Cząstki w układach koloidalnych są znacznie większe niż w roztworach rzeczywistych, dlatego proces dyfuzji przebiega w nich znacznie wolniej.

• Ruchy Browna - polegają na nieustannych, chaotycznych ruchach postępowych, obrotowych i drgających cząstek fazy rozproszonej w ośrodku ciekłym lub gazowym. Są one jedną z najbardziej charakterystycznych cech układów koloidalnych.

Własności optyczne:

• Efekt Tyndalla (tabelka)

Własności elektryczne:

• Tworzenie miceli

• Elektroforeza - polega na ruchu cząstek fazy rozproszonej względem nieruchomego ośrodka dyspersyjnego w polu elektrycznym. Cząstki naładowane dodatnio wędrują do katody (kataforeza), a cząstki naładowane ujemnie do anody (anaforeza).

• Elektroosmoza - zjawisko odwrotne do elektroforezy, polega na ruchu ośrodka dyspersyjnego względem nieruchomej fazy rozproszonej pod wpływem prądu elektrycznego.

Koagulacja

Koagulacja koloidów polega na zmniejszeniu się stopnia dyspersji układów koloidalnych i łączeniu się cząstek koloidalnych w wielkie agregaty, tworzące nieregularną sieć, przenikającą cały układ. Pozostałą przestrzeń wypełniają cząsteczki rozpuszczalnika. Produktem koagulacji jest koagulat.

Typową formą koagulatu jest żel - układ o wyglądzie zbliżonym do ciała stałego, zawierający dwie poplątane fazy ciągłe: stałą i ciekłą. Dzięki temu żele wykazują dużą elastyczność.

Koagulację dzielimy na:

• Odwracalną

• Nieodwracalną

Odwracalność koagulacji zależy od charakteru koloidu (liofilowy czy liofobowy) i rodzaju czynnika koagulującego. Proces przejścia koagulatu w koloid nazywamy peptyzacją.

koagulacja

Koloid → Koagulat

(np. zol) ← (np. żel)

peptyzacja

Czynniki wywołujące koagulację:

• Dodatek elektrolitu, który powoduje zmniejszenie się potencjału elektrokinetycznego cząstek i ułatwia ich agregację;

• Dodatek koloidu o ładunku przeciwnym, co powoduje rozładowanie cząstek;

• Naświetlanie promieniowaniem jonizującym (np. promieniowanie β powoduje zwykle koagulację zoli dodatnich);

• Ogrzewanie (np. ścinanie się białka);

• Działanie mechaniczne (mieszanie, wstrząsanie);

• Dehydratacja lub desolwatacja przez dodanie środków odwadniających, np. etanolu lub acetonu (koagulacja żelatyny, denaturacja białka);

• Odparowanie lub wymrażanie ośrodka dyspersyjnego.

Czynniki warunkujące trwałość koloidów:

• Ładunek na powierzchni cząstki koloidalnej (głównie koloidy liofobowe);

• Solwatacja (głównie koloidy liofilowe).

Koloidy liofobowe koagulują łatwo pod wpływem nieznacznych ilości elektrolitu, który zobojętnia ich ładunek elektryczny, natomiast liofilowe są zwykle mało wrażliwe na działanie małych ilości elektrolitu, gdyż ich trwałość warunkują głównie otoczki solwatacyjne (liosfera), a nie ładunek elektryczny.

Wysalanie to jeden z rodzajów koagulacji koloidów liofilowych, polegający na wydzielaniu się fazy rozproszonej pod wpływem większych stężeń elektrolitu.

Koacerwacja to zjawisko polegające na rozwarstwianiu hydrozolu na dwie fazy ciekłe: jedna z nich to zol stężony, druga - rozcieńczony. Zjawisko to występuje zawsze podczas mieszania dwóch zoli liofilowych o przeciwnych ładunkach.

Synereza polega na wydzielaniu się z zastygniętych żeli ośrodka dyspersyjnego po dłuższym staniu i jest związana z procesami koagulacji, np. wydzielanie się serwatki z kwaśnego mleka.

Tiksotropia polega na tym, że pod wpływem bodźców mechanicznych (wstrząsanie, mieszanie) zastygłe żele przechodzą w stan ciekły (liozol), a po pewnym czasie zastygają ponownie w żel.

Działanie ochronne polega na wprowadzeniu odpowiedniego zolu liofilowego w niewielkiej ilości do zolu liofobowego, co zwiększa odporność zolu liofobowego na dziełanie elektrolitu.

Jeżeli do zolu liofobowego dodamy zolu ochronnego, jednak w ilości mniejszej niż jest to potrzebne do zabezpieczenia go przed koagulacją, to zdarza się, że koloid liofobowy staje się bardziej wrażliwy na działanie elektrolitu. To uczulenie na działanie elektrolitu nazywamy sensybilizacją.

Żelatynowaniem (galaretowaceniem) nazywamy usztywnienie całego układu rozproszonego na jednolitą, sztywną masę.

Pęcznienie polega na wchłanianiu ośrodka dyspersyjnego przez żel w wyniku czego zwiększa on swoją objętość. Jest to zjawisko charakterystyczne dla koloidów liofilowych.

Emulsje

Są to układy rozproszone, w których zarówno substancja rozproszona jak i ośrodek rozpraszający są cieczami, a wielkość kropelek cieczy rozproszonej jest często większa od typowych cząstek koloidalnych. Emulsje można zaliczyć do koloidów ze względu na podobne właściwości. Są to układy termodynamiczne nietrwałe i odnoszą się do układów dwóch nierozpuszczających się wzajemnie cieczy. Łatwo ulegają koalescencji, czyli łączeniu się kropelek cieczy rozproszonej w większe krople. Aby zapobiec koalescencji stosuje się emulgatory, stabilizujące układ. Działanie emulgatora zależy od rodzaju emulsji.

Emulsje dzielimy na:

• Emulsje typu O/W (olej w wodzie) - olej jest substancją rozproszoną, a woda ośrodkiem dyspersyjnym (np. mleko, masło);

• Emulsje typu W/O (woda w oleju) - woda jest substancją rozproszoną, a olej ośrodkiem dyspersyjnym (np. margaryna).

Emulgatorami są najczęściej związki organiczne, których drobiny składają się z części hydrofobowej i hydrofilowej. Niezależnie od rodzaju emulsji część hydrofilowa zawsze zanurzona jest w wodzie, a część hydrofobowa w oleju, łącząc obie fazy (zanika granica międzyfazowa).

Piany

Są to układy, w których substancją rozproszoną jest gaz, a ośrodkiem dyspersyjnym ciecz. Banieczki gazu rozdzielone są cieniutkimi warstewkami cieczy. Piany można zaliczyć do koloidów z tych samych powodów co emulsje. Są one z reguły nietrwałe. Stabilizatorami pian są mydła i detergenty, które działają podobnie jak emulgatory.

Istnieją też piany stałe, tzw. pirozole (np. pumeks, styropian).

Metody otrzymywania koloidów:

Metody dyspersyjne - polegają na rozdrabnianiu cząstek większych niż 500nm aż do osiągnięcia rozdrobnienia koloidalnego. W tym celu stosuje się: młyny koloidalne o dużej liczbie obrotów, ultradźwięki, rozpylanie wysokotemperaturowe, łuk elektryczny, peptyzatory

Metody kondensacyjne - polegają na skupianiu drobin w coraz większe agregaty, aż do uzyskania wymiarów charakterystycznych dla koloidów. Stosuje się w tym celu takie procesy chemiczne jak:

• Polimeryzacja

• Zmniejszenie rozpuszczalności (np. otrzymywanie koloidalnego roztworu siarki w wodzie przez wlewanie do wody nasyconego roztworu siarki w alkoholu)

• Redukcja

• Utlenianie

• Wymiana

• Hydroliza roztworów soli na gorąco

Metody oczyszczania koloidów:

• Dializa - w dializatorze po jednej stronie membrany znajduje się zanieczyszczony koloid, druga strona jest omywana czystym rozpuszczalnikiem. Substancje o rozdrobnieniu cząsteczkowym przechodzą przez membranę do zewnętrznej cieczy i mogą być w ten sposób usunięte z koloidu.

• Elektrodializa - dializa przeprowadzona w polu elektrycznym.

• Ultrafiltracja - ultrasączenie zolu przez sączki o odpowiednich porach pod zmniejszonym ciśnieniem.

• Wymiana jonowa (wykorzystanie jonitów).

Źródła:

„Chemia dla licealistów. Podstawy - chemia ogólna” cz. I - K. M. Pazdro i W. Danikiewicz

Wyd. II Warszawa 1996

„Chemia fizyczna” - praca zbiorowa

Wyd. IV PWN Warszawa 1980

Internet

---