›

Дисперсионные системы. Дисперсные системы и растворы

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

Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию

Дисперсионная среда

Дисперсная фаза

Примеры некоторых природных и бытовых дисперсных систем

Жидкость

Туман, попутный газ с капельками нефти, карбюраторная смесь в двигателях автомобилей (капельки бензина в воздухе)

Твердое вещество

Пыль в воздухе, дымы, смог, самумы (пыльные и песчаные бури)

Жидкость

Шипучие напитки, пена в ванне

Жидкость

Жидкие среды организма (плазма крови, лимфа, пищеварительные соки), жидкое содержимое клеток (цитоплазма, кариоплазма)

Твердое вещество

Кисели, студни, клеи, взвешенный в воде речной или морской ил, строительные растворы

Твердое вещество

Снежный наст с пузырьками воздуха в нем, почва, текстиль- ные ткани, кирпич и керамика, поролон, пористый шоколад, порошки

Жидкость

Влажная почва, медицинские и косметические средства (мази, тушь, помада и т.д.)

Твердое вещество

Горные породы, цветные стекла, некоторые сплавы

Так же в качестве классификационного признака можно выделить такое понятие как размер частиц дисперсной системы:

  • - Грубодисперсные (> 10 мкм): сахар-песок, грунты, туман, капли дождя, вулканический пепел, магма и т. п.
  • - Среднедисперсные (0,1-10 мкм): эритроциты крови человека, кишечная палочка и т. п.

дисперсный эмульсия суспензия гель

  • - Высокодисперсные (1-100 нм): вирус гриппа, дым, муть в природных водах, искусственно полученные золи различных веществ, водные растворы природных полимеров (альбумин, желатин и др.) и т. п.
  • - Наноразмерные (1-10 нм): молекула гликогена, тонкие поры угля, золи металлов, полученные в присутствии молекул органических веществ, ограничивающих рост частиц, углеродные нанотрубки, магнитные нанонити из железа, никеля и т. п.

Грубодисперсные системы: эмульсии, суспензии, аэрозоли

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. 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.

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 суспензиями 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)

Коллоидные системы - в них размеры коллоидных частиц достигают до 100 нм. Такие частицы легко проникают через поры бумажных фильтров, однако не проникают через поры биологических мембран растений и животных. Поскольку коллоидные частицы (мицеллы) имеют электрозаряд и сольватные ионные оболочки, благодаря которым они остаются во взвешенном состоянии, они достаточно продолжительное время могут не выпадать в осадок. Ярким примером коллоидной системы являются растворы желатина, альбумина, гуммиарабика, коллоидные растворы золота и серебра.

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.

Различают две группы коллоидных растворов: жидкие (коллоидные растворы - золи) и гелеобразные (студни - гели).

Большинство биологических жидкостей клетки (уже упомянутые цитоплазма, ядерный сок - кариоплазма, содержимое вакуолей) и живого организма в целом являются коллоидными растворами (золями). Все процессы жизнедеятельности, которые происходят в живых организмах, связаны с коллоидным состоянием материи. В каждой живой клетке биополимеры (нуклеиновые кислоты, белки, гикозаминогликаны, гликоген) находятся в виде дисперсных систем.

Гели - это коллоидные системы, в которых частицы дисперсной фазы образуют пространственную структуру.

Гели могут быть: пищевые - мармелад, зефир, холодец, желе; биологические- хрящи, сухожилия, волосы, мышечная и нервные ткани, тела медуз; косметические- гели для душа, крема; медицинские- лекарства, мази; минеральные - жемчуг, опал, сердолик, халцедон.

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.

Примеры природных и искусственных дисперсных систем. Минералы и горные породы как природные смеси

Вся окружающая нас природа - организмы животных и растений, гидросфера и атмосфера, земная кора и недра представляют собой сложную совокупность множества разнообразных и разнотипных грубодисперсных и коллоидных систем. Облака нашей планеты представляют собой такие же живые сущности, как вся природа, которая нас окружает. Они имеют огромное значение для Земли, так как являются информационными каналами. Ведь облака состоят из капиллярной субстанции воды, а вода, как известно, очень хороший накопитель информации. Круговорот воды в природе приводит к тому, что информация о состоянии планеты и настроении людей накапливается в атмосфере, и вместе с облаками передвигается по всему пространству Земли. Удивительное творение природы- облака, которое доставляет человеку радость, эстетическое удовольствие и просто желание иногда посмотреть на небо.

Туман тоже может быть примером природной дисперсной системы, скопление воды в воздухе, когда образуются мельчайшие продукты конденсации водяного пара (при температуре воздуха выше?10° -- мельчайшие капельки воды, при?10..?15° -- смесь капелек воды и кристалликов льда, при температуре ниже?15° -- кристаллики льда, сверкающие в солнечных лучах или в свете луны и фонарей). Относительная влажность воздуха при туманах обычно близка к 100 % (по крайней мере, превышает 85-90 %). Однако в сильные морозы (?30° и ниже) в населённых пунктах, на железнодорожных станциях и аэродромах туманы могут наблюдаться при любой относительной влажности воздуха (даже менее 50 %) -- за счёт конденсации водяного пара, образующегося при сгорании топлива (в двигателях, печах и т. п.) и выбрасываемого в атмосферу через выхлопные трубы и дымоходы.

Непрерывная продолжительность туманов составляет обычно от нескольких часов (а иногда полчаса-час) до нескольких суток, особенно в холодный период года.

Туманы препятствуют нормальной работе всех видов транспорта (особенно авиации), поэтому прогноз туманов имеет большое народно-хозяйственное значение.

Примером сложной дисперсной системы может служить молоко, основными составными частями которого (не считая воды) являются жир, казеин и молочный сахар. Жир находится в виде эмульсии и при стоянии молока постепенно поднимается кверху (сливки). Казеин содержится в виде коллоидного раствора и самопроизвольно не выделяется, но легко может быть осаждён (в виде творога) при подкислении молока, наприм., уксусом. В естественных условиях выделение казеина происходит при скисании молока. Наконец, молочный сахар находится в виде молекулярного раствора и выделяется лишь при испарении воды.

Многие газы, жидкости и твердые вещества растворяются в воде. Сахар и поваренная соль легко растворяются в воде; углекислый газ, аммиак и многие другие вещества, сталкиваясь с водой, переходят в раствор и теряют свое предыдущее агрегатное состояние. Растворенное вещество определенным способом можно выделить из раствора. Если выпарить раствор поваренной соли, то соль остается в виде твердых кристаллов.

При растворении веществ в воде (или ином растворителе) образуется однородная (гомогенная) система. Таким образом, раствором называется гомогенная система, состоящая из двух или более компонентов. Растворы могут быть жидкими, твердыми и газообразными. К жидким растворам относятся, например, раствор сахара или поваренной соли в воде, спирта в воде и тому подобное. К твердым растворам одного металла в другом относятся сплавы: латунь -- это сплав меди и цинка, бронза -- сплав меди и олова и тому подобное. Газообразным веществом является воздух или вообще любая смесь газов.

Дисперсные системы

Чистые вещества в природе встречаются очень редко. Смеси разных веществ в различных агрегатных состояниях могут образовывать гетерогенные и гомогенные системы - дисперсные системы и растворы.
Дисперсными называют гетерогенные системы, в которых одно вещество в виде очень мелких частиц равномерно распределено в объеме другого.
То вещество, которое присутствует в меньшем количестве и распределено в объеме другого, называют дисперсной фазой . Она может состоять из нескольких веществ.
Вещество, присутствующее в большем количестве, в объеме которого распределена дисперсная фаза, называют дисперсионной средой . Между ней и частицами дисперсной фазы существует поверхность раздела, поэтому дисперсные системы называют гетерогенными (неоднородными).
И дисперсионную среду, и дисперсную фазу могут представлять вещества, находящиеся в различных агрегатных состояниях - твердом, жидком и газообразном.
В зависимости от сочетания агрегатного состояния дисперсионной среды и дисперсной фазы можно выделить 9 видов таких систем.

По величине частиц веществ, составляющих дисперсную фазу, дисперсные системы делят на грубодисперсные (взвеси) с размерами частиц более 100 нм и тонкодисперсные (коллоидные растворы или коллоидные системы) с размерами частиц от 100 до 1 нм. Если же вещество раздроблено до молекул или ионов размером менее 1 нм, образуется гомогенная система - раствор. Она однородна (гомогенна), поверхности раздела между частицами и средой нет.

Уже беглое знакомство с дисперсными системами и растворами показывает, насколько они важны в повседневной жизни и в природе.

Судите сами: без нильского ила не состоялась бы великая цивилизация Древнего Египта; без воды, воздуха, горных пород и минералов вообще бы не существовала живая планета - наш общий дом - Земля; без клеток не было бы живых организмов и т. д.

Классификация дисперсных систем и растворов


Взвеси

Взвеси - это дисперсные системы, в которых размер частиц фазы более 100 нм. Это непрозрачные системы, отдельные частицы которых можно заметить невооруженным глазом. Дисперсная фаза и дисперсионная среда легко разделяются отстаиванием. Такие системы разделяют на:
1) эмульсии (и среда, и фаза - нерастворимые друг в друге жидкости). Это хорошо известные вам молоко, лимфа, водоэмульсионные краски и т. д.;
2) суспензии (среда - жидкость, а фаза - нерастворимое в ней твердое вещество). Это строительные растворы (например, «известковое молоко» для побелки), взвешенный в воде речной и морской ил, живая взвесь микроскопических живых организмов в морской воде - планктон, которым питаются гиганты-киты, и т. д.;
3) аэрозоли - взвеси в газе (например, в воздухе) мелких частиц жидкостей или твердых веществ. Различают пыли, дымы, туманы. Первые два вида аэрозолей представляют собой взвеси твердых частиц в газе (более крупные частицы в пылях), последний - взвесь мелких капелек жидкости в газе. Например, природные аэрозоли: туман, грозовые тучи - взвесь в воздухе капелек воды, дым - мелких твердых частиц. А смог, висящий над крупнейшими городами мира, также аэрозоль с твердой и жидкой дисперсной фазой. Жители населенных пунктов вблизи цементных заводов страдают от всегда висящей в воздухе тончайшей цементной пыли, образующейся при размоле цементного сырья и продукта его обжига - клинкера. Аналогичные вредные аэрозоли - пыли - имеются и в городах с металлургическими производствами. Дым заводских труб, смоги, мельчайшие капельки слюны, вылетающие изо рта больного гриппом, также вредные аэрозоли.
Аэрозоли играют важную роль в природе, быту и производственной деятельности человека. Скопления облаков, обработка полей химикатами, нанесение лакокрасочных покрытий при помощи пульверизатора, распыление топлив, выработка сухих молочных продуктов, лечение дыхательных путей (ингаляция) - примеры тех явлений и процессов, где аэрозоли приносят пользу. Аэрозоли - туманы над морским прибоем, вблизи водопадов и фонтанов, возникающая в них радуга доставляет человеку радость, эстетическое удовольствие.
Для химии наибольшее значение имеют дисперсные системы, в которых средой является вода и жидкие растворы.
Природная вода всегда содержит растворенные вещества. Природные водные растворы участвуют в процессах почвообразования и снабжают растения питательными веществами. Сложные процессы жизнедеятельности, происходящие в организмах человека и животных, также протекают в растворах. Многие технологические процессы в химической и других отраслях промышленности, например получение кислот, металлов, бумаги, соды, удобрений, протекают в растворах.

Коллоидные системы

Коллоидные системы - это такие дисперсные системы, в которых размер частиц фазы от 100 до 1 нм. Эти частицы не видны невооруженным глазом, и дисперсная фаза и дисперсионная среда в таких системах отстаиванием разделяются с трудом.
Их подразделяют на золи (коллоидные растворы) и гели (студни).
1. Коллоидные растворы, или золи. Это большинство жидкостей живой клетки (цитоплазма, ядерный сок - кариоплазма, содержимое органоидов и вакуолей) и живого организма в целом (кровь, лимфа, тканевая жидкость, пищеварительные соки, гуморальные жидкости и т. д.). Такие системы образуют клеи, крахмал, белки, некоторые полимеры.
Коллоидные растворы могут быть получены в результате химических реакций; например, при взаимодействии растворов силикатов калия или натрия («растворимого стекла») с растворами кислот образуется коллоидный раствор кремниевой кислоты. Золь образуется и при гидролизе хлорида железа (Ш) в горячей воде. Коллоидные растворы внешне похожи на истинные растворы. Их отличают от последних по образующейся «светящейся дорожке» - конусу при пропускании через них луча света.

Это явление называют эффектом Тиндаля . Более крупные, чем в истинном растворе, частицы дисперсной фазы золя отражают свет от своей поверхности, и наблюдатель видит в сосуде с коллоидным раствором светящийся конус. В истинном растворе он не образуется. Аналогичный эффект, но только для аэрозольного, а не жидкого коллоида, вы можете наблюдать в кинотеатрах при прохождении луча света от киноаппарата через воздух кинозала.

Частицы дисперсной фазы коллоидных растворов нередко не оседают даже при длительном хранении из-за непрерывных соударений с молекулами растворителя за счет теплового движения. Они не слипаются и при сближении друг с другом из-за наличия на их поверхности одноименных электрических зарядов. Но при определенных условиях может происходить процесс коагуляции.

Коагуляция - явление слипания коллоидных частиц и выпадения их в осадок - наблюдается при нейтрализации зарядов этих частиц, когда в коллоидный раствор добавляют электролит. При этом раствор превращается в суспензию или гель. Некоторые органические коллоиды коагулируют при нагревании (клей, яичный белок) или при изменении кислотно-щелочной среды раствора.

2. Гели , или студни, представляющие собой студенистые осадки, образующиеся при коагуляции золей. К ним относят большое количество полимерных гелей, столь хорошо известные вам кондитерские, косметические и медицинские гели (желатин, холодец, желе, мармелад, торт «Птичье молоко») и конечно же бесконечное множество природных гелей: минералы (опал), тела медуз, хрящи, сухожилия, волосы, мышечная и нервная ткани и т. д. Историю развития жизни на Земле можно одновременно считать историей эволюции коллоидного состояния вещества. Со временем структура гелей нарушается - из них выделяется вода. Это явление называют синерезисом .

Растворы

Раствором называют гомогенную систему, состоящую из двух и более веществ.
Растворы всегда однофазны, то есть представляют собой однородный газ, жидкость или твердое вещество. Это связано с тем, что одно из веществ распределено в массе другого в виде молекул, атомов или ионов (размер частиц менее 1 нм).
Растворы называют истинными , если требуется подчеркнуть их отличие от коллоидных растворов.
Растворителем считают то вещество, агрегатное состояние которого не изменяется при образовании раствора. Например, вода в водных растворах поваренной соли, сахара, углекислого газа. Если же раствор образовался при смешении газа с газом, жидкости с жидкостью и твердого вещества с твердым, растворителем считают тот компонент, которого больше в растворе. Так, воздух - это раствор кислорода, благородных газов, углекислого газа в азоте (растворитель). Столовый уксус, в котором содержится от 5 до 9% уксусной кислоты, представляет собой раствор этой кислоты в воде (растворитель - вода). Но в уксусной эссенции роль растворителя играет уксусная кислота, так как ее массовая доля составляет 70- 80%, следовательно, это раствор воды в уксусной кислоте.

При кристаллизации жидкого сплава серебра и золота можно получить твердые растворы разного состава.
Растворы подразделяют на:
молекулярные - это водные растворы неэлектролитов - органических веществ (спирта, глюкозы, сахарозы и т. д.);
молекулярно-ионные - это растворы слабых электролитов (азотистой, сероводородной кислот и др.);
ионные - это растворы сильных электролитов (щелочей, солей, кислот - NaOH, K 2 S0 4 , HN0 3 , НС1О 4).
Раньше существовали две точки зрения на природу растворения и растворов: физическая и химическая. Согласно первой растворы рассматривали как механические смеси, согласно второй - как нестойкие химические соединения частиц растворенного вещества с водой или другим растворителем. Последняя теория была высказана в 1887 г. Д. И. Менделеевым, который посвятил исследованию растворов более 40 лет. Современная химия рассматривает растворение как физико-химический процесс, а растворы как физико-химические системы.
Более точное определение раствора таково:
Раствор - гомогенная (однородная) система, состоящая из частиц растворенного вещества, растворителя и продуктов их взаимодействия.

Поведение и свойства растворов электролитов, как вы хорошо знаете, объясняет другая важнейшая теория химии - теория электролитической диссоциации, разработанная С. Аррениусом, развитая и дополненная учениками Д. И. Менделеева, и в первую очередь И. А. Каблуковым.

Вопросы для закрепления:
1. Что такое дисперсные системы?
2. При повреждении кожи (ранке) наблюдается свертывание крови - коагуляция золя. В чем сущность этого процесса? Почему это явление выполняет защитную функцию для организма? Как называют болезнь, при которой свертывание крови затруднено или не наблюдается?
3. Расскажите о значении различных дисперсных систем в быту.
4. Проследите эволюцию коллоидных систем в процессе развития жизни на Земле.

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. ВМС

Основные понятия

Дисперсные системы – это гетерогенные системы, состоящие из двух или большего числа фаз с сильно развитой поверхностью раздела между ними. Особые свойства дисперсных систем обусловлены именно малым размером частиц и наличием большой межфазной поверхности . В связи с этим определяющими являются свойства поверхности, а не частиц в целом. Характерными являются процессы, происходящие на поверхности , а не внутри фазы. Отсюда становится понятным, почему коллоидную химию называют физико-химией поверхностных явлений и дисперсных систем .

Особенность дисперсных систем состоит в их дисперсности – одна из фаз обязательно должна быть раздробленной, ее называют дисперсной фазой . Сплошная среда, в которой распределены частицы дисперсной фазы, называется дисперсионной средой . Фаза считается дисперсной, если вещество раздроблено хотя бы в одном направлении. Если вещество раздроблено только по высоте, образуются пленки, ткани, пластины и т. д. Если вещество раздроблено и по высоте и по ширине, образуются волокна, нити, капилляры. Наконец, если вещество раздроблено по всем трем направлениям, дисперсная фаза состоит из дискретных (отдельных) частиц, форма которых может быть самой разнообразной.

Дисперсные системы можно классифицировать по многим признакам, что связано с огромным множеством объектов, которые изучает коллоидная химия. В качестве основного классификационного признака можно выделить размер частиц дисперсной фазы:

-Грубодисперсные (> 10 мкм): сахар-песок, грунты, туман, капли дождя, вулканический пепел, магма и т. п.

-Среднедисперсные (0,1-10 мкм): эритроциты крови человека, кишечная палочка и т. п.

-Высокодисперсные (1-100 нм): вирус гриппа, дым, муть в природных водах, искусственно полученные золи различных веществ, водные растворы природных полимеров (альбумин, желатин и др.) и т. п.

-Наноразмерные (1-10 нм): молекула гликогена, тонкие поры угля, золи металлов, полученные в присутствии молекул органических веществ, ограничивающих рост частиц, углеродные нанотрубки , магнитные нанонити из железа, никеля и т. п.

Здесь отметим, что классификацию дисперсных систем по размеру частиц мы рассматриваем первой не случайно. Именно размер частиц (линейный размер , а не вес и не число частиц атомов в частице!) является важнейшим количественным показателем дисперсных систем, определяющим их качественные особенности . По мере изменения размеров частиц изменяются все основные свойства дисперсных систем: реакционная, адсорбционная способность; оптические, каталитические свойства и т. д. Современная коллоидная химия изучает дисперсные системы с широким диапазоном размеров частиц: от грубодисперсных (10 -6 -10 - 4 м ) до высокодисперсных или собственно коллоидных (10 -9 -10 - 7 м ).

Под взаимодействием фаз дисперсных систем подразумевают процессы сольватации (гидратации в случае водных систем), т. е. образование сольватных (гидратных ) оболочек из молекул дисперсионной среды вокруг частиц дисперсной фазы. Соответственно, по интенсивности взаимодействия между веществами дисперсной фазы и дисперсионной среды (только для систем с жидкой дисперсионной средой), по предложению Г. Фрейндлиха различают следующие дисперсные системы:

-Лиофильные (гидрофильные, если ДС – вода): мицеллярные растворы ПАВ, критические эмульсии, водные растворы некоторых природных ВМС, например, белков (желатина, яичного белка), полисахаридов (крахмала). Для них характерно сильное взаимодействие частиц ДФ с молекулами ДС. В предельном случае наблюдается полное растворение. Лиофильные дисперсные системы образуются самопроизвольно вследствие процесса сольватации. Термодинамически агрегативно устойчивы.

-Лиофобные (гидрофобные, если ДС – вода): эмульсии, суспензии, золи. Для них характерно слабое взаимодействие частиц ДФ с молекулами ДС. Самопроизвольно не образуются, для их образования необходимо затратить работу. Термодинамически агрегативно неустойчивы (т. е. имеют тенденцию к самопроизвольной агрегации частиц дисперсной фазы), их относительная устойчивость (так называемая метастабильность ) обусловлена кинетическими факторами (т. е. низкой скоростью агрегации).

По агрегатному состоянию фаз В. Оствальд предложил ставшую весьма распространенной классификацию:

Таблица 1. Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию фаз

ДС

ДФ

Жидкая

Газообразная

Твердая

Твердая

Т/Ж – суспензии, золи: суспензии металлов и других твердых частиц, золи металлов и их оксидов

Т/Г – пыли, дымы, порошки: промышленные выбросы твердых частиц в атмосферу, дым от костра, песчаные бури, мучная и дорожная пыль в воздухе, аэрозоли твердых лекарственных веществ

Т/Т – сплавы, твердые коллоидные растворы: сплавы металлов, оксидные и металлоксидные композиционные материалы, минералы

Жидкая

Ж /Ж – эмульсии, кремы: молоко, сметана, нефть, косметические кремы

Ж/Г – аэрозоли с жидкой ДФ: туман, капли дождя, распыленная струя охлаждающей жидкости, распыленные в воздухе духи, жидкое топливо в камере сгорания) туманы

Ж/Т – пористые тела, заполненные жидкостью, капиллярные тела, гели: клетки живых организмов, жемчуг, глины, яблоко

Газооб-разная

Г/Ж – пены: мыльная пена, пивная пена, пена для тушения пожаров

Г/Т – пористые и капиллярные системы, ксерогели : пемза, активированный уголь, силикагель, пенопласт, древесина, бумага, картон, текстильные ткани

В соответствии с кинетическими свойствами дисперсной фазы различают свободнодисперсные и связнодисперсные системы. Выделяют также разбавленные и концентрированные системы. В связнодисперсных системах одна из фаз структурно закреплена (между частицами реализуется взаимодействие, они «связаны» друг с другом) и не может перемещаться свободно. В свободнодисперсных системах частицы обособлены и участвуют в тепловом движении и диффузии. В разбавленных связнодисперсных системах частицы образуют сплошную пространственную сетку (дисперсную структуру) – возникают гели . Дисперсные системы любого типа, полученные в концентрированном состоянии (пасты, мази, густые золи, густые аэрозоли и т. п.), также относят к связнодисперсным системам. В концентрированных дисперсных системах независимое движение частиц дисперсной фазы затруднено, и для них характерна некоторая степень структурированности, что и позволяет их рассматривать как связнодисперсные системы.

Получение и очищение дисперсных систем

Огромное разнообразие типов и форм дисперсных систем, которое встречается во всех областях жизнедеятельности человека, предполагает и многочисленность методов их получения – как общих, так и специальных. Логично рассмотреть по отдельности методы, в основе которых лежит один из подходов – конденсационный или диспергационный .

Действительно, механическое диспергирование является основным способом измельчения материалов, который применяется в промышленности и повсеместно встречается в природе. При механическом диспергировании преодоление межмолекулярных сил и накопление поверхностной энергии в процессе дробления происходят при совершении над системой внешней механической работы. Механическое диспергирование осуществляют различными способами: истиранием, раздавливанием, раскалыванием, распылением, барботажем (пропусканием струи воздуха через жидкость), встряхиванием, взрывом, действием звуковых и ультразвуковых волн и т. п. В промышленности так получают стройматериалы (цемент, бетонную крошку, сухие краски, шпатлевки и другие строительные смеси в виде сухих порошков и суспензий), лекарственные средства (порошки, мази, пасты, эмульсии), пищевые продукты (пряности, молотый кофе) и др. Механическим диспергированием обычно удается получить дисперсные системы только с довольно большим размером частиц (не менее 100 нм). Измельчением получают дисперсные системы Т /Т , Т/Ж и Ж/Ж .

Пептизацией называют переход осадков в коллоидный раствор под действием специальных стабилизирующих добавок (пептизаторов ), либо за счет удаления из системы ионов, способствующих агрегации частиц. В роли пептизаторов могут выступать раствор электролита, поверхностно-активного вещества или растворитель. Пептизировать можно только свежеприготовленные осадки, в которых частицы коллоидного размера соединены в более крупные агрегаты через прослойки ДС. По мере хранения осадков происходят явления рекристаллизации и старения, приводящие к сращиванию частиц друг с другом, что препятствует пептизации. Пептизацию относят к методам диспергирования условно, т. к. в ее основе лежит и метод конденсации, т. е. предварительное получение агрегатов из истинных растворов. Метод пептизации, в отличие от других диспергационных методов, позволяет также добиться получения коллоидных систем с малым размером частиц (до 1 нм), что характерно в основном для методов конденсации.

К конденсационным способам получения дисперсных систем относятся конденсация , кристаллизация и десублимация . Они основаны на образовании новой фазы в условиях пересыщенного состояния веществ в газовой или жидкой среде. Необходимым условием конденсации является пересыщение и неравномерное распределение веществ в дисперсионной среде (флуктуации концентрации), а также образование центров конденсации или зародышей. При этом система из гомогенной переходит в гетерогенную. Конденсация и десублимация характерны для газовой, а кристаллизация для жидкой среды.

Методы конденсации не требуют специальных машин и дают возможность получать дисперсные системы с меньшим размером частиц по сравнению с диспергационными методами. В частности, диспергационные методы (за исключением метода пептизации и метода Бредига ) не позволяют получать наноразмерные дисперсные системы (1-100 нм). Для этой цели обычно используют конденсационные методы. При этом в зависимости от условий синтеза формируются частицы дисперсной фазы любых размеров. Еще одно преимущество конденсационного подхода заключается в том, что он в большинстве случаев не требуют существенной затраты внешней работы.

Для удаления низкомолекулярных примесей (в частности, дестабилизирующих электролитов) золи после получения часто подвергают очистке. Методами очистки золей являются диализ и ультрафильтрация .

Диализ основан на разнице в скорости диффузии небольших молекул или ионов и частиц коллоидных размеров через полупроницаемую перегородку – мембрану . Для этих целей применяют мембраны, изготовленные из животных и растительных перепонок, задубленного желатина, мембраны из коллодия, ацетата целлюлозы и целлофана, пергаментной бумаги, керамических пористых материалов и др.

Небольшие молекулы и ионы из золя проникают через мембрану и диффундируют в воду, контактирующую с мембраной, а молекулы воды при этом проникают через мембрану в обратном направлении. В результате после очистки коллоидная система оказывается разбавленной. Очистка коллоидных растворов таким способом требует значительного времени (дни, недели и даже месяцы). Для ускорения диализа можно применять разные приемы, например, увеличивать площадь мембраны, уменьшать слой очищаемой жидкости или часто менять внешнюю жидкость (воду), повышать температуру, прикладывать электрическое поле (электродиализ). В частности, электродиализ позволяет закончить процесс диализа в течение нескольких часов. В производственных условиях диализом очищают от солей белки (желатин, агар-агар, гуммиарабик), красители, силикагель, дубильные вещества и др

В процессе ультрафильтрации мембраной задерживаются частицы дисперсной фазы или макромолекулы, а дисперсионная среда с нежелательными низкомолекулярными примесями проходит через мембрану. Ультрафильтрация относится к баромембранным процессам, в отличие от диализа ее проводят под давлением. При ультрафильтрации достигают высокой степени очистки золей при одновременном их концентрировании. Иногда говорят, что ультрафильтрация – это диализ, проводимый под давлением, хотя это и не совсем верно (особо любознательные из Вас могут подумать почему).

Свойства дисперсных систем

Для того, чтобы более четко представлять процессы, которые лежат в основе, например, вышеописанных мембранных процессов – диализа и ультрафильтрации, целесообразно рассмотреть молекулярно-кинетические свойства растворов, которые обусловлены хаотическим тепловым движением молекул и атомов. Законы этого самопроизвольного движения изучает молекулярно-кинетическая теория. Некоторые свойства растворов обусловлены этим движением, т. е. определяются не составом, а числом кинетических единиц – молекул в единице объема или массы. К ним относятся свойства, которые называются коллигативными : диффузия, осмотическое давление, различия в давлении пара и температур замерзания и кипения в случае чистого растворителя и раствора.

Броуновское движение – это непрерывное беспорядочное движение частиц микроскопических и коллоидных размеров, не затухающие во времени. Это движение тем интенсивнее, чем выше температура и чем меньше масса частицы и вязкость дисперсионной среды.

Для количественной характеристики броуновского движения используется средний сдвиг , который связан с коэффициентом диффузии уравнением Эйнштейна-Смолуховского :

где D – коэффициент диффузии, t – время диффузии

Диффузией называется самопроизвольный процесс выравнивания концентрации молекул, ионов или коллоидных частиц под влиянием их теплового движения. Процесс диффузии идет самопроизвольно, поскольку он сопровождается увеличением энтропии системы. Напомним, что равномерное распределение вещества в системе отвечает ее наиболее вероятному состоянию.

Для количественного описания диффузии используется закон Фика , который был установлен по аналогии с законами переноса тепла и электричества:

,

где dQ – количество продиффундировавшего вещества; D – коэффициент диффузии; dc /dx – градиент концентрации; s – площадь, через которую идет диффузия; τ – продолжительность диффузии.

Осмос – это односторонняя диффузия молекул растворителя через полупроницаемую мембрану при условии разности концентраций раствора по обе стороны мембраны. При разделении двух растворов различной концентрации или раствора и чистого растворителя полупроницаемой перегородкой (мембраной) возникает поток растворителя от меньшей концентрации вещества к большей, что приводит к выравниванию концентраций. Возникновение потока обусловлено тем, что число ударов молекул растворителя о мембрану со стороны более разбавленного раствора (или чистого растворителя) будет больше, чем со стороны более концентрированного раствора. Это избыточное число ударов и является причиной перемещения растворителя через поры мембраны туда, где молекул меньше.

Для коллоидных систем можно записать

.

Седиментация – это еще одно из явлений, связанных с молекулярно-кинетическими свойствами дисперсных систем .

Седиментацией называют процесс оседания (в редких случаях всплывание) частиц дисперсной фазы в жидкой или газообразной среде под действием силы тяжести. Седиментация характерна для суспензий. В эмульсиях, наоборот, частицы дисперсной фазы обычно всплывают

Устойчивость дисперсных систем

Современная модель строения мицеллы учитывает тот факт, что противоионы располагаются в два слоя – плотный и диффузный, и что поверхностью скольжения частицы в растворе является граница между этими слоями

Наиболее важным электрокинетическим явлением, которое типично для дисперсных систем, является электрофорез, т. е. перемещение коллоидных частиц во внешнем электрическом поле.

Электрофорез и электроосмос – это электрокинетические явления I -го рода. К электрокинетическим явлениям II -го рода относятся потенциал протекания и потенциал седиментации , которые заключаются в возникновении разности потенциалов при перемещении частиц дисперсной фазы или дисперсионной среды.

Величина ζ - потенциала связана со скоростью электрофореза заряженных частиц уравнением Гельмгольца-Смолуховского :

где k – коэффициент, зависящий от формы частиц (для сфер k = 6, для цилиндров k = 4); v – линейная скорость перемещения частиц (или границы золя); ε – относительная диэлектрическая проницаемость; E – напряженность электрического поля.

В дисперсных системах удельная поверхность дисперсной фазы очень велика. Одно из наиболее важных следствий большой поверхности дисперсной фазы заключается в том, что лиофобные дисперсные системы обладают избыточной поверхностной энергией, а, следовательно, являются термодинамически неустойчивыми. Поэтому в дисперсных системах протекают различные самопроизвольные процессы, которые ведут к уменьшению избытка энергии. Наиболее общими являются процессы уменьшения удельной поверхности за счет укрупнения частиц. В итоге такие процессы приводят к разрушению системыТаким образом, ключевое свойство, которое характеризует само существование дисперсных систем – это их устойчивость, или, наоборот, неустойчивость.

Н.П. Песковым в 1920 г было предложено различать кинетическую и агрегативную устойчивости . В первом случае рассматривается выделение диспергированной фазы под действием силы тяжести в зависимости от степени дисперсности, а сама степень дисперсности полагается величиной, постоянной для данной системы. Во втором случае рассматриваются условия постоянства или непостоянства самой степени дисперсности частиц

Для большинства гидрофобных золей основным фактором, обеспечивающим их стабильность (наряду с гидратной оболочкой), является наличие одноименного заряда у частиц дисперсной фазы. Введение электролитов в гидрозоли может приводить к уменьшению или полной нейтрализации заряда коллоидных частиц, что ослабляет их электростатическое отталкивание, способствует сближению и агрегации

Минимальная концентрация электролита, которая вызывает начало процесса коагуляции называется порогом коагуляции g к (моль/дм 3).

Растворы высокомолекулярных веществ

Полимеры, подобно низкомолекулярным веществам, в зависимости от условий получения раствора (природа полимера и растворителя, температура и др.) могут образовывать как коллоидные, так и истинные растворы. В связи с этим принято говорить о коллоидном или истинном состоянии вещества в растворе. Мы не будем касаться систем «полимер – растворитель» коллоидного типа. Рассмотрим только растворы полимеров молекулярного типа. Следует отметить, что вследствие больших размеров молекул и особенностей их строения, растворы ВМС обладают рядом специфических свойств:

1. Равновесные процессы в растворах ВМС устанавливаются медленно.

2. Процессу растворения ВМС, как правило, предшествует процесс набухания.

3. Растворы полимеров не подчиняются законам идеальных растворов, т.е. законам Рауля и Вант-Гоффа .

4. При течении растворов полимеров возникает анизотропия свойств (неодинаковые физические свойства раствора в разных направлениях) за счет ориентации молекул в направлении течения.

5. Высокая вязкость растворов ВМС.

6. Молекулы полимеров, благодаря большим размерам, проявляют склонность к ассоциации в растворах. Время жизни ассоциатов полимеров более длительное, чем ассоциатов низкомолекулярных веществ.

Процесс растворения ВМС протекает самопроизвольно, но в течение длительного времени, и ему часто предшествует набухание полимера в растворителе. Полимеры, макромолекулы которых имеют симметричную форму, могут переходить в раствор, предварительно не набухая. Например, гемоглобин, печеночный крахмал – гликоген при растворении почти не набухают, а растворы этих веществ не обладают высокой вязкостью даже при сравнительно больших концентрациях. В то время, как вещества с сильно асимметрическими вытянутыми молекулами при растворении очень сильно набухают (желатин, целлюлоза, натуральный и синтетические каучуки).

Набухание – это увеличение массы и объема полимера за счет проникновения молекул растворителя в пространственную структуру ВМС.

Различают два вида набухания: неограниченное , заканчивающееся полным растворением ВМС (например, набухание желатины в воде, каучука в бензоле, нитроцеллюлозы в ацетоне) и ограниченное , приводящее к образованию набухшего полимера – студня (например, набухание целлюлозы в воде, желатина в холодной воде, вулканизованного каучука в бензоле).

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.