Disperzné médium aj dispergovaná fáza môžu byť zložené z látok v rôznom stave agregácie. V závislosti od kombinácie stavov disperzného média a dispergovanej fázy možno rozlíšiť osem typov takýchto systémov
Klasifikácia rozptýlených systémov podľa stavu agregácie
|
Disperzné médium |
Dispergovaná fáza |
Príklady niektorých prírodných a domácich disperzných systémov |
|
Kvapalina |
Hmla, plyn spojený s kvapkami oleja, zmes karburátora v motoroch automobilov (kvapôčky benzínu vo vzduchu) |
|
|
Pevné |
Prach vo vzduchu, dym, smog, simoomy (prachové a pieskové búrky) |
|
|
Kvapalina |
Šumivé nápoje, perličkový kúpeľ |
|
|
Kvapalina |
Tekuté médiá tela (krvná plazma, lymfa, tráviace šťavy), tekutý obsah buniek (cytoplazma, karyoplazma) |
|
|
Pevné |
Kissels, želé, lepidlá, riečne alebo morské bahno suspendované vo vode, malty |
|
|
Pevné |
Snehová kôra so vzduchovými bublinami v nej, zemina, textílie, tehla a keramika, penová guma, sýtená čokoláda, prášky |
|
|
Kvapalina |
Vlhká pôda, lekárske a kozmetické výrobky (masti, maskara, rúž atď.) |
|
|
Pevné |
Kamene, farebné sklá, nejaké zliatiny |
Ako klasifikačný znak môžeme tiež rozlíšiť taký koncept, ako je veľkosť častíc rozptýleného systému:
- - Hrubo rozptýlené (> 10 mikrónov): kryštálový cukor, pôda, hmla, dažďové kvapky, sopečný popol, magma atď.
- - Stredne jemné (0,1-10 mikrónov): ľudské krvné erytrocyty, E. coli atď.
disperzný emulzný suspenzný gél
- - Vysoko rozptýlené (1-100 nm): vírus chrípky, dym, zákal v prírodných vodách, umelo získané sóly rôzne látky, vodné roztoky prírodných polymérov (albumín, želatína atď.) atď.
- - Nano-veľkosť (1-10 nm): molekula glykogénu, jemné póry uhlia, kovové sóly získané v prítomnosti molekúl organickej hmoty, obmedzenie rastu častíc, uhlíkové nanorúrky, magnetické nanodrôty vyrobené zo železa, niklu atď.
Hrubo disperzné systémy: emulzie, suspenzie, aerosóly
Na základe veľkosti častíc látky, ktoré tvoria dispergovanú fázu, sa dispergované systémy delia na hrubé s veľkosťou častíc väčšou ako 100 nm a jemne dispergované s veľkosťou častíc od 1 do 100 nm. Ak je látka fragmentovaná na molekuly alebo ióny s veľkosťou menšou ako 1 nm, vzniká homogénny systém - roztok. Roztok je homogénny, medzi časticami a médiom neexistuje rozhranie, a preto nepatrí do disperzných systémov. Hrubo disperzné systémy sa delia do troch skupín: emulzie, suspenzie a aerosóly.
Emulzie sú dispergované systémy s kvapalným disperzným médiom a kvapalnou dispergovanou fázou.
Možno ich tiež rozdeliť do dvoch skupín: 1) priame - kvapky nepolárnej kvapaliny v polárnom prostredí (olej vo vode); 2) spätný chod (voda v oleji). Zmena zloženia emulzií alebo vonkajšie vplyvy môžu viesť k premene priamej emulzie na reverznú emulziu a naopak. Príklady najznámejších prírodných emulzií sú mlieko (dopredná emulzia) a olej (inverzná emulzia). Typickou biologickou emulziou sú tukové kvapôčky v lymfe.
Medzi emulzie známe v ľudskej praxi patria rezné kvapaliny, bitúmenové materiály, pesticídy, lieky a kozmetika, potravinárske výrobky. Napríklad v lekárskej praxi sa tukové emulzie široko používajú na dodanie energie hladujúcemu alebo oslabenému telu prostredníctvom intravenóznej infúzie. Na získanie takýchto emulzií sa používajú oleje z olív, bavlníkových semien a sójových bôbov. V chemickej technológii je emulzná polymerizácia široko používaná ako hlavná metóda na výrobu kaučukov, polystyrénu, polyvinylacetátu atď. Suspenzie sú hrubé systémy s tuhou disperznou fázou a kvapalným disperzným médiom.
Častice dispergovanej fázy suspenzie sú zvyčajne také veľké, že sa vplyvom gravitácie usadzujú - sedimentujú. Systémy, v ktorých sedimentácia prebieha veľmi pomaly v dôsledku malého rozdielu v hustote dispergovanej fázy a disperzného média, sa tiež nazývajú suspenzie. Prakticky významnými stavebnými suspenziami sú vápno („vápenné mlieko“), emailové farby a rôzne stavebné suspenzie, napríklad „cementová malta“. Suspenzie zahŕňajú aj lieky, napríklad tekuté masti - linimenty. Osobitnú skupinu tvoria hrubo disperzné systémy, v ktorých je koncentrácia dispergovanej fázy relatívne vysoká v porovnaní s jej nízkou koncentráciou v suspenziách. Takéto rozptýlené systémy sa nazývajú pasty. Napríklad vám dobre známy z každodenný život zubné, kozmetické, hygienické a pod.
Aerosóly sú hrubé systémy, v ktorých je disperzným médiom vzduch a dispergovanou fázou môžu byť kvapôčky kvapaliny (oblaky, dúhy, lak na vlasy alebo dezodorant uvoľnené z plechovky) alebo častice pevnej látky (mrak prachu, tornádo)
Koloidné systémy – v nich dosahujú veľkosti koloidných častíc až 100 nm. Takéto častice ľahko prenikajú do pórov papierových filtrov, ale neprenikajú cez póry biologické membrány rastlín a živočíchov. Keďže koloidné častice (micely) majú elektrický náboj a solvatujú iónové obaly, vďaka čomu zostávajú suspendované, nemusia sa pomerne dlho zrážať. Pozoruhodným príkladom koloidného systému sú roztoky želatíny, albumínu, arabskej gumy a koloidné roztoky zlata a striebra.
Koloidné systémy zaujímajú medzipolohu medzi hrubými systémami a skutočnými riešeniami. V prírode sú rozšírené. Pôda, hlina, prírodné vody, veľa minerálov, medzi nimi aj niektoré drahokamy, - to všetko sú koloidné systémy.
Existujú dve skupiny koloidných roztokov: tekuté (koloidné roztoky – sóly) a gélovité (želé – gély).
Väčšina biologických tekutín bunky (už spomínaná cytoplazma, jadrová šťava – karyoplazma, obsahy vakuol) a živého organizmu ako celku sú koloidné roztoky (soly). Všetky životne dôležité procesy, ktoré sa vyskytujú v živých organizmoch, sú spojené s koloidným stavom hmoty. V každej živej bunke sú biopolyméry ( nukleových kyselín, proteíny, glykozaminoglykány, glykogén) sú vo forme dispergovaných systémov.
Gély sú koloidné systémy, v ktorých častice dispergovanej fázy tvoria priestorovú štruktúru.
Gély môžu byť: potraviny - marmeláda, marshmallows, želé mäso, želé; biologické - chrupavky, šľachy, vlasy, svalové a nervové tkanivo, telá medúz; kozmetika - sprchové gély, krémy; lekárske - lieky, masti; minerál - perly, opál, karneol, chalcedón.
Koloidné systémy majú veľký význam pre biológiu a medicínu. Zloženie akéhokoľvek živého organizmu zahŕňa pevné, kvapalné a plynné látky, ktoré sú v komplexnom vzťahu s prostredím. S chemický bod Z nášho pohľadu je organizmus ako celok komplexnou zbierkou mnohých koloidných systémov.
Biologické tekutiny (krv, plazma, lymfa, cerebrospinálny mok atď.) sú koloidné systémy, v ktorých sú organické zlúčeniny ako bielkoviny, cholesterol, glykogén a mnohé ďalšie v koloidnom stave. Prečo mu príroda dáva takú prednosť? Táto vlastnosť je primárne spôsobená tým, že látka v koloidnom stave má veľké rozhranie medzi fázami, čo prispieva k lepším metabolickým reakciám.
Príklady prírodných a umelých disperzných systémov. Minerály a horniny ako prírodné zmesi
Celá príroda, ktorá nás obklopuje - živočíšne a rastlinné organizmy, hydrosféra a atmosféra, zemská kôra a podložie je komplexný súbor mnohých rôznorodých a rôznych typov hrubých a koloidných systémov. Mraky našej planéty sú rovnaké živé bytosti ako celá príroda, ktorá nás obklopuje. Pre Zem majú veľký význam, keďže sú to informačné kanály. Koniec koncov, oblaky pozostávajú z kapilárnej látky vody a voda, ako viete, je veľmi dobrým zariadením na uchovávanie informácií. Kolobeh vody v prírode vedie k tomu, že informácie o stave planéty a nálade ľudí sa hromadia v atmosfére a spolu s oblakmi sa pohybujú po celom priestore Zeme. Úžasný výtvor prírody - oblaky, ktoré dávajú ľuďom radosť, estetické potešenie a jednoducho chuť občas sa pozrieť na oblohu.
Príkladom prirodzeného disperzného systému môže byť aj hmla, akumulácia vody vo vzduchu, kedy vznikajú drobné kondenzačné produkty vodnej pary (pri teplote vzduchu nad? 10° - drobné kvapôčky vody, pri? 10..? 15° - zmes kvapiek vody a kryštálov ľadu, pri teplotách pod 15° - kryštáliky ľadu trblietajúce sa v slnečných lúčoch alebo vo svetle mesiaca a lampášov). Relatívna vlhkosť vzduchu počas hmiel je zvyčajne blízka 100% (najmenej presahuje 85-90%). Pri silných mrazoch (? 30° a menej) v obývaných oblastiach, na železničných staniciach a letiskách je však možné pozorovať hmly pri akejkoľvek relatívnej vlhkosti vzduchu (aj menej ako 50 %) – v dôsledku kondenzácie vodnej pary vznikajúcej pri spaľovaní paliva (v motoroch, peciach atď.) a uvoľňujú sa do atmosféry cez výfukové potrubie a komíny.
Nepretržité trvanie hmiel sa zvyčajne pohybuje od niekoľkých hodín (a niekedy pol hodiny až hodiny) až po niekoľko dní, najmä v chladnom období.
Hmly bránia bežnej prevádzke všetkých druhov dopravy (najmä leteckej), preto majú predpovede hmly veľký hospodársky význam.
Príkladom komplexného disperzného systému je mlieko, hlavné komponentov ktorými (nepočítajúc vodu) sú tuk, kazeín a mliečny cukor. Tuk je vo forme emulzie a keď mlieko stojí, postupne stúpa na vrch (smotana). Kazeín je obsiahnutý vo forme koloidného roztoku a neuvoľňuje sa samovoľne, ale môže sa ľahko vyzrážať (vo forme tvarohu), keď sa mlieko okyslí napríklad octom. V prirodzených podmienkach sa kazeín uvoľňuje, keď mlieko kysne. Napokon, mliečny cukor je vo forme molekulárneho roztoku a uvoľňuje sa až pri odparovaní vody.
Mnoho plynov, kvapalín a pevných látok sa rozpúšťa vo vode. Cukor a kuchynská soľ sa ľahko rozpúšťajú vo vode; oxid uhličitý, amoniak a mnohé ďalšie látky pri zrážke s vodou prechádzajú do roztoku a strácajú svoj predchádzajúci stav agregácie. Rozpustená látka môže byť izolovaná z roztoku určitým spôsobom. Ak odparíte roztok kuchynská soľ, potom soľ zostáva vo forme pevných kryštálov.
Keď sa látky rozpustia vo vode (alebo inom rozpúšťadle), vytvorí sa jednotný (homogénny) systém. Roztok je teda homogénny systém pozostávajúci z dvoch alebo viacerých zložiek. Roztoky môžu byť kvapalné, pevné a plynné. Medzi kvapalné roztoky patrí napríklad roztok cukru alebo kuchynskej soli vo vode, alkohol vo vode a podobne. Tuhé roztoky jedného kovu v druhom zahŕňajú zliatiny: mosadz je zliatina medi a zinku, bronz je zliatina medi a cínu a podobne. Plynná látka je vzduch alebo akákoľvek zmes plynov.
Dispergované systémy
Čisté látky sú v prírode veľmi zriedkavé. Zmesi rôznych látok v rôznom stave agregácie môžu vytvárať heterogénne a homogénne systémy – disperzné systémy a roztoky.
Rozptýlené
sa nazývajú heterogénne systémy, v ktorých je jedna látka vo forme veľmi malých častíc rovnomerne rozložená v objeme druhej.
Látka, ktorá je prítomná v menšom množstve a rozložená v objeme inej, sa nazýva dispergovaná fáza
. Môže pozostávať z niekoľkých látok.
Látka prítomná vo väčšom množstve, v objeme ktorej sa rozptýli dispergovaná fáza, sa nazýva tzv disperzné médium
. Medzi ním a časticami dispergovanej fázy je rozhranie, preto sa dispergované systémy nazývajú heterogénne (nehomogénne).
Ako disperzné médium, tak aj dispergovaná fáza môžu byť zastúpené látkami v rôznom stave agregácie – tuhá, kvapalná a plynná.
V závislosti od kombinácie agregovaného stavu disperzného média a dispergovanej fázy možno rozlíšiť 9 typov takýchto systémov.
Na základe veľkosti častíc látok, ktoré tvoria dispergovanú fázu, sa dispergované systémy delia na hrubo dispergované (suspenzie) s veľkosťou častíc väčšou ako 100 nm a jemne dispergované (koloidné roztoky alebo koloidné systémy) s veľkosťou častíc od 100 do 1 nm. Ak je látka fragmentovaná na molekuly alebo ióny s veľkosťou menšou ako 1 nm, vzniká homogénny systém - roztok. Je rovnomerný (homogénny), medzi časticami a médiom neexistuje rozhranie.
Už rýchle zoznámenie sa s rozptýlenými systémami a riešeniami ukazuje, aké dôležité sú v každodennom živote a v prírode.
Posúďte sami: bez nílskeho bahna by nevznikla veľká civilizácia starovekého Egypta; bez vody, vzduchu, skaly a nerasty by vôbec neexistovali, živá planéta – náš spoločný domov – Zem; bez buniek by nebolo živé organizmy atď.
Klasifikácia disperzných systémov a roztokov
Pozastaviť
Pozastaviť
- ide o disperzné systémy, v ktorých je veľkosť fázových častíc väčšia ako 100 nm. Ide o nepriehľadné systémy, ktorých jednotlivé častice je možné vidieť voľným okom. Dispergovaná fáza a disperzné médium sa ľahko oddelia usadzovaním. Takéto systémy sa delia na:
1) emulzie
(médium aj fáza sú navzájom nerozpustné kvapaliny). Ide o známe mliečne, lymfatické, vodouriediteľné farby atď.;
2) pozastavenia
(médium je kvapalina a fáza je v nej nerozpustná pevná látka). Ide o konštrukčné riešenia (napríklad „vápenné mlieko“ na bielenie), riečny a morský kal suspendovaný vo vode, živú suspenziu mikroskopických živých organizmov v morskej vode - planktón, ktorým sa živia obrie veľryby atď.;
3) aerosólov
- suspenzie malých častíc kvapalín alebo pevných látok v plyne (napríklad vo vzduchu). Rozlišujte medzi prachom, dymom a hmlou. Prvé dva typy aerosólov sú suspenzie pevných častíc v plyne (väčšie častice v prachu), druhý je suspenzia malých kvapiek kvapaliny v plyne. Napríklad prírodné aerosóly: hmla, búrky - suspenzia kvapiek vody vo vzduchu, dym - malé pevné častice. A smog visiaci nad najväčšími mestami sveta je tiež aerosól s tuhou a kvapalnou rozptýlenou fázou. Obyvatelia osady v blízkosti cementární trpia najjemnejším cementovým prachom vždy visiacim vo vzduchu, ktorý vzniká pri mletí cementárskych surovín a produktu jeho výpalu – slinku. Podobné škodlivé aerosóly – prach – sú prítomné aj v mestách s hutníckou výrobou. Dym z továrenských komínov, smog, drobné kvapôčky slín vylietavajúce z úst chorého na chrípku a tiež škodlivé aerosóly.
Aerosóly zohrávajú dôležitú úlohu v prírode, každodennom živote a ľudských výrobných činnostiach. Nahromadenie mrakov, chemické ošetrenie polí, nanášanie farieb v spreji, rozprašovanie paliva, výroba sušeného mlieka a ošetrenie dýchacích ciest (inhalácia) sú príklady javov a procesov, pri ktorých aerosóly prinášajú výhody. Aerosóly sú hmly nad morským príbojom, v blízkosti vodopádov a fontán, dúha, ktorá sa v nich objavuje, dáva človeku radosť a estetické potešenie.
Pre chémiu majú najväčší význam disperzné systémy, v ktorých je médiom voda a kvapalné roztoky.
Prírodná voda vždy obsahuje rozpustené látky. Prírodné vodné roztoky sa podieľajú na procesoch tvorby pôdy a zásobujú rastliny živinami. V roztokoch sa vyskytujú aj zložité životné procesy vyskytujúce sa v ľudskom a zvieracom tele. Mnoho technologických procesov v chemickom a inom priemysle, napríklad výroba kyselín, kovov, papiera, sódy, hnojív, prebieha v roztokoch.
Koloidné systémy
Koloidné systémy
- ide o disperzné systémy, v ktorých je veľkosť fázových častíc od 100 do 1 nm. Tieto častice nie sú viditeľné voľným okom a dispergovaná fáza a disperzné médium v takýchto systémoch sa ťažko separujú usadzovaním.
Delia sa na sóly (koloidné roztoky) a gély (želé).
1.
Koloidné roztoky alebo sóly.
Ide o väčšinu tekutín živej bunky (cytoplazma, jadrová šťava - karyoplazma, obsah organel a vakuol) a živého organizmu ako celku (krv, lymfa, tkanivový mok, tráviace šťavy, humorálne tekutiny a pod.). Takéto systémy tvoria lepidlá, škrob, proteíny a niektoré polyméry.
Koloidné roztoky možno získať ako výsledok chemických reakcií; napríklad, keď roztoky kremičitanov draselných alebo sodných (“rozpustné sklo”) reagujú s roztokmi kyselín, vzniká koloidný roztok kyseliny kremičitej. Sól sa tvorí aj počas hydrolýzy chloridu železitého (III) v horúcej vode. Koloidné roztoky majú podobný vzhľad ako skutočné roztoky. Odlišujú sa od nich „svetelnou dráhou“, ktorá sa vytvára - kužeľom, keď cez ne prechádza lúč svetla.
Častice dispergovanej fázy koloidných roztokov sa často neusadzujú ani pri dlhodobom skladovaní v dôsledku kontinuálnych zrážok s molekulami rozpúšťadla v dôsledku tepelného pohybu. Pri približovaní sa k sebe nelepia kvôli prítomnosti rovnakého mena na ich povrchu elektrické náboje. Ale za určitých podmienok môže dôjsť ku koagulačnému procesu.
Koagulácia - jav zlepovania a zrážania koloidných častíc - pozorujeme, keď sa náboj týchto častíc neutralizuje, keď sa do koloidného roztoku pridá elektrolyt. V tomto prípade sa roztok zmení na suspenziu alebo gél. Niektoré organické koloidy sa pri zahrievaní zrážajú (lepidlo, vaječný bielok) alebo pri zmene acidobázického prostredia roztoku.
2.
Gély
, alebo želé, čo sú želatínové usadeniny vznikajúce pri koagulácii sólov. Patrí medzi ne veľké množstvo polymérových gélov, ktoré sú vám tak dobre známe cukrárske, kozmetické a lekárske (želatína, želé, želé, marmeláda, torta z vtáčieho mlieka) a samozrejme nekonečné množstvo prírodných gélov: minerály (opál), medúzy telieska, chrupavky, šľachy, vlasy, svalové a nervové tkanivo atď. Dejiny vývoja života na Zemi možno súčasne považovať za históriu evolúcie koloidného stavu hmoty. Časom sa štruktúra gélov naruší a uvoľní sa z nich voda. Tento jav sa nazýva syneréza
.
Riešenia
Volá sa riešenie
homogénny systém pozostávajúci z dvoch alebo viacerých látok.
Roztoky sú vždy jednofázové, to znamená, že ide o homogénny plyn, kvapalinu alebo tuhú látku. Je to spôsobené tým, že jedna z látok je rozložená v hmote druhej vo forme molekúl, atómov alebo iónov (veľkosť častíc menšia ako 1 nm).
Riešenia sú tzv pravda
, ak chcete zdôrazniť ich odlišnosť od koloidných roztokov.
Za rozpúšťadlo sa považuje látka, ktorej stav agregácie sa pri tvorbe roztoku nemení. Napríklad voda vo vodných roztokoch kuchynskej soli, cukru, oxidu uhličitého. Ak roztok vznikol zmiešaním plynu s plynom, kvapaliny s kvapalinou a pevnej látky s pevnou látkou, rozpúšťadlo sa považuje za zložku, ktorá je v roztoku zastúpená vo väčšom množstve. Vzduch je teda roztok kyslíka, vzácnych plynov, oxidu uhličitého v dusíku (rozpúšťadle). Stolový ocot, ktorý obsahuje od 5 do 9% kyseliny octovej, je roztok tejto kyseliny vo vode (rozpúšťadlom je voda). Ale v octovej podstate zohráva úlohu rozpúšťadla kyselina octová, keďže jeho hmotnostný podiel je 70-80%, ide teda o roztok vody v kyseline octovej.
Pri kryštalizácii tekutej zliatiny striebra a zlata možno získať tuhé roztoky rôzneho zloženia.
Riešenia sa delia na:
molekulárne - sú to vodné roztoky neelektrolytov - organických látok (alkohol, glukóza, sacharóza atď.);
molekulárny ión- ide o roztoky slabých elektrolytov (dusík, sulfidové kyseliny atď.);
iónové - sú to roztoky silných elektrolytov (zásady, soli, kyseliny - NaOH, K 2 S0 4, HN0 3, HC1O 4).
Predtým existovali dva pohľady na povahu rozpúšťania a roztokov: fyzikálny a chemický. Podľa prvého boli roztoky považované za mechanické zmesi, podľa druhého - ako nestabilné chemické zlúčeniny častíc rozpustenej látky s vodou alebo iným rozpúšťadlom. Posledná teória bola vyjadrená v roku 1887 D.I. Mendelejevom, ktorý sa viac ako 40 rokov venoval štúdiu riešení. Moderná chémia rozpúšťanie považuje za fyzikálno-chemický proces a roztoky za fyzikálno-chemické systémy.
Presnejšia definícia riešenia je:
Riešenie
- homogénna (homogénna) sústava pozostávajúca z častíc rozpustenej látky, rozpúšťadla a produktov ich vzájomného pôsobenia.
Správanie a vlastnosti roztokov elektrolytov, ako dobre viete, vysvetľuje ďalšia dôležitá teória chémie - teória elektrolytickej disociácie, ktorú vypracoval S. Arrhenius, rozpracovali a doplnili ju žiaci D. I. Mendelejeva a predovšetkým I. A. Kablukov.
Otázky na konsolidáciu:
1. Čo sú disperzné systémy?
2. Pri poškodení kože (rane) sa pozoruje zrážanie krvi - koagulácia solu. Čo je podstatou tohto procesu? Prečo tento jav plní ochrannú funkciu tela? Ako sa nazýva ochorenie, pri ktorom je zrážanie krvi ťažké alebo nie je pozorované?
3. Povedzte nám o význame rôznych disperzných systémov v každodennom živote.
4. Sledujte vývoj koloidných systémov počas vývoja života na Zemi.
Heterogénne alebo heterogénne, sa považuje za systém, ktorý pozostáva z dvoch alebo viacerých fáz. Každá fáza má svoje vlastné rozhranie, ktoré je možné mechanicky oddeliť.
Heterogénny systém pozostáva z dispergovanej (vnútornej) fázy a disperzného (vonkajšieho) média obklopujúceho častice dispergovanej fázy.
Systémy, v ktorých sú kvapaliny vonkajšou fázou, sa nazývajú nehomogénne kvapalné systémy a systémy, v ktorých sú vonkajšou fázou plyny, sa nazývajú nehomogénne plynové systémy. Heterogénne systémy sa často nazývajú rozptýlené systémy.
Rozlišujú sa tieto: typy heterogénnych systémov: suspenzie, emulzie, peny, prachy, výpary, hmly.
Pozastavenie je systém pozostávajúci z kvapalnej dispergovanej fázy a tuhej dispergovanej fázy (napríklad omáčky s múkou, škrobové mlieko, melasa s kryštálmi cukru). V závislosti od veľkosti častíc sa suspenzie delia na hrubé (veľkosť častíc viac ako 100 µm), jemné (0,1–100 µm) a koloidné (0,1 µm alebo menej).
Emulzia je systém pozostávajúci z kvapaliny a kvapiek inej kvapaliny rozmiestnenej v nej, ktoré sa nezmiešajú s prvou (napríklad mlieko, zmes rastlinného oleja a vody). Vplyvom gravitácie sa emulzie oddeľujú, ale s malými veľkosťami kvapiek (menej ako 0,4–0,5 μm) alebo keď sa pridajú stabilizátory, emulzie sa stanú stabilnými a nedokážu sa oddeliť po dlhú dobu.
Zvýšenie koncentrácie dispergovanej fázy môže spôsobiť jej prechod do dispergovanej fázy a naopak. Tento vzájomný prechod sa nazýva fázová inverzia Existujú plynové emulzie, v ktorých je disperzné médium kvapalina a dispergovaná fáza je plyn.
Pena je systém pozostávajúci z kvapalnej dispergovanej fázy a v nej rozmiestnených plynových bublín (plyn dispergovaná fáza) (napríklad krémy a iné šľahané výrobky). Peny majú podobné vlastnosti ako emulzie. Emulzie a peny sa vyznačujú fázovou inverziou.
Prach, výpary a hmly sú aerosóly.
Aerosóly nazývaný disperzný systém s plynným disperzným médiom a tuhou alebo kvapalnou disperznou fázou, ktorý pozostáva z častíc od kvázimolekulárnych až po mikroskopické veľkosti, ktoré majú tú vlastnosť, že sú suspendované na viac či menej dlhý čas (napríklad múkový prach vznikajúci počas preosievanie, preprava múky, cukrového prachu, ktorý vzniká pri, atď.). Pri spaľovaní tuhého paliva vzniká dym, pri kondenzácii pary sa tvorí hmla.
V aerosóloch je disperzným médiom plyn alebo vzduch a rozptýlená fáza v prachu a dyme je pevná látka a v hmle je kvapalina. Veľkosť pevných prachových častíc je 3–70 mikrónov, dym – 0,3–5 mikrónov.
Hmla je systém pozostávajúci z plynného disperzného média a v ňom rozmiestnených kvapiek kvapaliny (kvapalná disperzná fáza). Veľkosť kvapiek kvapaliny vytvorených v dôsledku kondenzácie v hmle je 0,3–3 μm. Kvalitatívnym ukazovateľom charakterizujúcim rovnomernosť veľkosti častíc aerosólu je stupeň disperzie.
Aerosól sa nazýva monodisperzný, ak sú jeho častice rovnakej veľkosti, a polydisperzný, ak obsahuje častice rôznych veľkostí. Monodisperzné aerosóly v prírode prakticky neexistujú. Len niektoré aerosóly sú veľkosťou častíc blízke monodisperzným systémom (hubové hýfy, špeciálne vyrábané hmly atď.).
Dispergované alebo heterogénne systémy, v závislosti od počtu dispergovaných fáz, môžu byť jednozložkové alebo viaczložkové. Napríklad viaczložkovým systémom je mlieko (má dve rozptýlené fázy: tuk a bielkoviny); omáčky (dispergované fázy sú múka, tuk a pod.).
Dispergované systémy. námorníctvo
Základné pojmy
Dispergované systémy - ide o heterogénne systémy pozostávajúce z dvoch alebo viacerých fáz s vysoko vyvinutým rozhraním medzi nimi.Špeciálne vlastnosti disperzných systémov sú spôsobené práve malou veľkosťou častíc a ich prítomnosťou veľký povrch rozhrania. V tomto ohľade sú určujúcimi vlastnosťami vlastnosti povrchu, a nie častice ako celok. Charakteristické sú procesy prebiehajúce na povrchu a nie v rámci fázy. Z toho je jasné, prečo sa nazýva koloidná chémia fyzikálno-chémia povrchové javy a rozptýlené systémy.
Zvláštnosťou disperzných systémov je ich disperzia – jedna z fáz musí byť rozdrvená, tzv dispergovaná fáza. Spojité médium, v ktorom sú rozptýlené častice dispergovanej fázy, sa nazýva disperzné médium. Fáza sa považuje za rozptýlenú, ak je látka fragmentovaná aspoň v jednom smere. Ak je látka fragmentovaná len do výšky, vytvárajú sa filmy, tkanivá, platničky atď. Ak je látka fragmentovaná na výšku aj na šírku, vytvárajú sa vlákna, vlákna a kapiláry. Nakoniec, ak je látka fragmentovaná vo všetkých troch smeroch, dispergovaná fáza pozostáva z diskrétnych (individuálnych) častíc, ktorých tvar môže byť veľmi rôznorodý.
Dispergované systémy možno klasifikovať podľa mnohých kritérií, čo súvisí s obrovským množstvom predmetov, ktoré študujú koloidnú chémiu. Je možné identifikovať hlavný klasifikačný znak veľkosť častíc dispergovaná fáza:
-Hrubý(> 10 mikrónov): granulovaný cukor, pôdy, hmla, dažďové kvapky, sopečný popol, magma atď.
-Stredne rozptýlené (0,1-10 µm): ľudské červené krvinky, E. coli atď.
-Vysoko rozptýlené(1-100 nm): vírus chrípky, dym, zákal v prírodných vodách, umelo získané sóly rôznych látok, vodné roztoky prírodných polymérov (albumín, želatína atď.) atď.
-Nanoškála (1-10 nm): molekula glykogénu, jemné póry uhlia, kovové sóly získané za prítomnosti molekúl organických látok, ktoré obmedzujú rast častíc, uhlíkové nanorúrky, magnetické nanotrubice zo železa, niklu atď.
Tu poznamenávame, že nie je náhoda, že najskôr uvažujeme o klasifikácii disperzných systémov podľa veľkosti častíc. Je to veľkosť častíc (lineárny rozmer a nie hmotnosť a nie počet častíc atómov v častici!) je najdôležitejším kvantitatívnym ukazovateľom rozptýlených systémov, určujúcim ich kvalitatívne znaky. So zmenou veľkosti častíc sa menia všetky základné vlastnosti disperzných systémov: reaktivita, adsorpčná kapacita; optické, katalytické vlastnosti a pod. Moderná koloidná chémia študuje disperzné systémy so širokým rozsahom veľkostí častíc: od hrubý(10-6-10-4 m ) do vysoko rozptýlené alebo vlastne koloidný (10 -9 -10 - 7 m).
Interakciou fáz disperzných systémov sa rozumejú procesy solvatácie (v prípade vodných systémov hydratácia), t.j. tvorba solvatačných (hydrátových) obalov z molekúl disperzného prostredia okolo častíc dispergovanej fázy. resp. Podľa intenzity interakcie medzi látkami dispergovanej fázy a disperzným prostredím (len pre systémy s kvapalným disperzným prostredím) sa podľa návrhu G. Freundlicha rozlišujú tieto disperzné systémy:
-Lyofilné(hydrofilné, ak je DS voda): micelárne roztoky povrchovo aktívnych látok, kritické emulzie, vodné roztoky niektorých prírodných uhľovodíkov, napr. proteíny (želatína, vaječný bielok), polysacharidy (škrob).Vyznačujú sa silnou interakciou častíc DP s molekulami DS. V obmedzujúcom prípade sa pozoruje úplné rozpustenie. Lyofilné disperzné systémy sa tvoria spontánne v dôsledku solvatačného procesu. Termodynamicky agregovane stabilný.
-Lyofóbny(hydrofóbne, ak je DS voda): emulzie, suspenzie, sóly. Vyznačujú sa slabou interakciou častíc DP s molekulami DS. Netvoria sa spontánne, na ich formovanie je potrebná práca. Termodynamicky sú agregatívne nestabilné (t. j. majú sklon k samovoľnému zhlukovaniu častíc dispergovanej fázy), ich relatívna stabilita (tzv. metastabilita ) je spôsobená kinetickými faktormi (t. j. nízkou rýchlosťou agregácie).
Na základe stavu agregácie fáz navrhol W. Ostwald klasifikáciu, ktorá sa veľmi rozšírila:
Tabuľka 1. Klasifikácia disperzných systémov podľa stavu agregácie fáz
|
DS DF |
Kvapalina |
Plynný |
Pevné |
|
Pevné |
T/L – suspenzie, sóly: suspenzie kovov a iných pevných častíc, sóly kovov a ich oxidov |
T/G – prachy, výpary, prášky: priemyselné emisie pevných častíc do ovzdušia, dym z požiaru, piesočné búrky, múka a cestný prach v ovzduší, aerosóly pevných liečivých látok |
T/T – zliatiny, tuhé koloidné roztoky: zliatiny kovov, oxidové a oxidové kompozitné materiály, minerály |
|
Kvapalina |
A/F – emulzie, krémy: mlieko, kyslá smotana, olej, kozmetické krémy |
L/G – aerosóly s tekutým DF: hmla, kvapky dažďa, rozprášený prúd chladiacej kvapaliny, parfum rozprášený vo vzduchu, tekuté palivo v spaľovacej komore) hmly |
L/T – pórovité telieska naplnené kvapalinou, kapilárne telieska, gély: bunky živých organizmov, perly, íly, jablká |
|
Plynný |
G/L - peny: mydlová pena, pivná pena, hasiaca pena |
H/T – porézne a kapilárne systémy, xerogély: pemza, aktívne uhlie, silikagél, penový polystyrén, drevo, papier, lepenka, textílie |
V súlade s kinetickými vlastnosťami dispergovanej fázy sa rozlišujú voľne rozptýlené A súdržne rozptýlené systémov.Existujú aj zriedené a koncentrované systémy. V súdržne rozptýlených systémoch je jedna z fáz štrukturálne pevná (medzi časticami dochádza k interakcii, sú navzájom „spojené“) a nemôže sa voľne pohybovať. Vo voľne rozptýlených systémoch sú častice izolované a podieľajú sa na tepelnom pohybe a difúzii. V zriedených koherentne rozptýlených sústavách tvoria častice súvislú priestorovú sieť (dispergovanú štruktúru) – vznikajú gély. Disperzné systémy akéhokoľvek typu získané v koncentrovanom stave (pasty, masti, husté sóly, husté aerosóly atď.) sú tiež klasifikované ako súdržné disperzné systémy. V koncentrovaných disperzných systémoch je samostatný pohyb častíc dispergovanej fázy obtiažny a vyznačujú sa určitým stupňom štruktúry, čo im umožňuje považovať ich za koherentne dispergované systémy.
Príprava a čistenie disperzných systémov
Obrovská rozmanitosť typov a foriem rozptýlených systémov, ktoré sa nachádzajú vo všetkých oblastiach ľudskej činnosti, zahŕňa aj rôzne spôsoby ich výroby - všeobecné aj špeciálne. Je logické uvažovať samostatne o metódach, ktoré sú založené na jednom z prístupov – kondenzácii resp disperzný.
Mechanická disperzia je skutočne hlavnou metódou mletia materiálov, ktorá sa používa v priemysle a nachádza sa všade v prírode. Pri mechanickej disperzii dochádza pri vykonávaní vonkajšej mechanickej práce na systéme k prekonávaniu medzimolekulových síl a akumulácii povrchovej energie pri drvení. Mechanické rozptyľovanie sa uskutočňuje rôznymi spôsobmi: obrusovaním, drvením, štiepaním, striekaním, bublaním (prechádzanie prúdu vzduchu kvapalinou), trasením, výbuchom, pôsobením zvukových a ultrazvukových vĺn atď. V priemysle sa takto stavia získavajú sa materiály (cement, betónová drť, suché farby, tmely a iné stavebné zmesi vo forme suchých práškov a suspenzií), liečivá (prášky, masti, pasty, emulzie), potravinárske výrobky (korenie, mletá káva) atď. disperziou je zvyčajne možné získať dispergované systémy len s dosť veľkou veľkosťou častíc (najmenej 100 nm). Dispergované systémy sa získavajú mletím T /T, T/F A F/F.
Peptizácianazývaný prechod sedimentov na koloidný roztok vplyvom špeciálnych stabilizačných prísad ( peptizéry ), alebo odstránením iónov zo systému, ktoré podporujú agregáciu častíc.Peptizéry môžu byť roztoky elektrolytu, povrchovo aktívnej látky alebo rozpúšťadla. Peptizovať možno len čerstvo pripravené sedimenty, v ktorých sú častice koloidnej veľkosti cez vrstvy DS spojené do väčších agregátov. Pri ukladaní sedimentov dochádza k javom rekryštalizácie a starnutia, čo vedie k vzájomnému zlučovaniu častíc, čo zabraňuje peptizácii. Peptizácia je konvenčne klasifikovaná ako disperzná metóda, pretože je tiež založená na kondenzačnej metóde, t.j. predbežnej príprave agregátov zo skutočných roztokov. Peptizačná metóda, na rozdiel od iných disperzný metódami tiež umožňuje získať koloidné systémy s malými veľkosťami častíc (do 1 nm), čo je typické hlavne pre kondenzačné metódy.
Kondenzačné metódy na výrobu dispergovaných systémov zahŕňajú kondenzácii, kryštalizácia A desublimácia. Sú založené na tvorbe novej fázy v podmienkach presýteného stavu látok v plynnom alebo kvapalnom médiu. Nevyhnutnou podmienkou kondenzácie je presýtenie a nerovnomerné rozloženie látok v disperznom prostredí (kolísanie koncentrácie), ako aj vznik kondenzačných centier alebo jadier. V tomto prípade systém prechádza od homogénneho k heterogénnemu. Kondenzácia a desublimácia sú charakteristické pre plynné médium a kryštalizácia je charakteristická pre kvapalné médium.
Kondenzačné metódy nevyžadujú špeciálne stroje a umožňujú získať disperzné systémy s menšími veľkosťami častíc v porovnaní s disperzný metódy. najmä disperzný metódy (s výnimkou peptizačnej metódy a Bredigovej metódy) neumožňujú získať disperzné systémy s nanorozmermi (1-100 nm). Na tento účel sa zvyčajne používajú kondenzačné metódy. V tomto prípade sa v závislosti od podmienok syntézy tvoria častice dispergovanej fázy akejkoľvek veľkosti. Ďalšou výhodou kondenzačného prístupu je, že vo väčšine prípadov nevyžaduje výraznú externú prácu.
Aby sa odstránili nečistoty s nízkou molekulovou hmotnosťou (najmä destabilizujúce elektrolyty), sóly sa po príprave často čistia. Spôsoby čistenia sólov sú dialýza a ultrafiltrácia.
Dialýza je založená na rozdiele v rýchlosti difúzie malých molekúl alebo iónov a častíc koloidných veľkostí cez polopriepustnú prepážku - membránu. Na tieto účely sa používajú membrány vyrobené zo živočíšnych a rastlinných membrán, vyčinená želatína, kolódiové membrány, acetát celulózy a celofán, pergamenový papier, keramické porézne materiály atď.
Malé molekuly a ióny zo sólu prenikajú membránou a difundujú do vody v kontakte s membránou, zatiaľ čo molekuly vody prenikajú membránou v opačnom smere. Výsledkom je, že po vyčistení sa koloidný systém zriedi. Čistenie koloidných roztokov týmto spôsobom vyžaduje značný čas (dni, týždne a dokonca mesiace). Na urýchlenie dialýzy možno použiť rôzne techniky, napríklad zväčšenie plochy membrány, zmenšenie vrstvy čistenej kvapaliny alebo častú výmenu vonkajšej kvapaliny (vody), zvýšenie teploty alebo použitie elektrického poľa (elektrodialýza). Najmä elektrodialýza umožňuje, aby bol proces dialýzy ukončený v priebehu niekoľkých hodín. V priemyselných podmienkach sa dialýzou odstraňujú soli z bielkovín (želatína, agar-agar, arabská guma), farbivá, silikagél, triesloviny a atď.
Počas procesu ultrafiltrácie membrána zadržiava častice dispergovanej fázy alebo makromolekúl a cez membránu prechádza disperzné médium s nežiaducimi nízkomolekulárnymi nečistotami.Ultrafiltrácia je baromembránový proces, na rozdiel od dialýzy sa vykonáva pod tlakom. S ultrafiltráciou dosahujú vysoký stupeňčistenie sólov za súčasného ich zahustenia. Niekedy sa hovorí, že ultrafiltrácia je dialýza vykonávaná pod tlakom, aj keď to nie je celkom pravda (tí z vás, ktorí sú obzvlášť zvedaví, sa možno pýtajú prečo).
Vlastnosti disperzných systémov
Za to Na lepšie pochopenie procesov, ktoré sú základom napríklad vyššie popísaných membránových procesov – dialýzy a ultrafiltrácie, je vhodné zvážiť molekulárne kinetické vlastnosti riešenia, ktoré sú spôsobené chaotickým tepelným pohybom molekúl a atómov. Zákonitosti tohto spontánneho pohybu študuje molekulárna kinetická teória. Niektoré vlastnosti roztokov sú určené týmto pohybom, to znamená, že nie sú určené zložením, ale počtom kinetických jednotiek - molekúl na jednotku objemu alebo hmotnosti. Patria sem vlastnosti tzv koligatívne : difúzia, osmotický tlak, rozdiely v tlaku pár a bodoch tuhnutia a varu v prípade čistého rozpúšťadla a roztoku.
Brownov pohyb - ide o nepretržitý náhodný pohyb častíc mikroskopických a koloidných veľkostí, ktoré sa časom nerozpadajú. Tento pohyb je tým intenzívnejší, čím vyššia je teplota a čím nižšia je hmotnosť častice a viskozita disperzného média.
Na kvantitatívnu charakterizáciu Brownovho pohybu používame priemerný posun, čo súvisí s koeficientom difúzie rovnica Einstein-Smoluchowski :
Kde D- difúzny koeficient, t - čas difúzie
Difúzia je spontánny proces vyrovnávania koncentrácie molekúl, iónov alebo koloidných častíc pod vplyvom ich tepelného pohybu. Proces difúzie prebieha spontánne, pretože je sprevádzaný zvýšením entropie systému.Pripomeňme, že rovnomerné rozloženie hmoty v systéme zodpovedá jej najpravdepodobnejšiemu stavu.
Používa sa na kvantitatívne opísanie difúzie Fickov zákon, ktorý bol ustanovený analogicky so zákonmi o prenose tepla a elektriny:
,
Kde dQ- množstvo rozptýlené látky; D– koeficient difúzie; dc /dx– koncentračný gradient; s– oblasť, cez ktorú dochádza k difúzii; τ – trvanie difúzie.
Osmóza- Ide o jednosmernú difúziu molekúl rozpúšťadla cez polopriepustnú membránu, ktorá podlieha rozdielom v koncentráciách roztoku na oboch stranách membrány.Keď sú dva roztoky rôznych koncentrácií alebo roztok a čisté rozpúšťadlo oddelené polopriepustnou priehradkou (membránou), dochádza k toku rozpúšťadla od nižšej koncentrácie látky k vyššej, čo vedie k vyrovnaniu koncentrácií. Výskyt prúdenia je spôsobený tým, že počet dopadov molekúl rozpúšťadla na membránu zo strany zriedenejšieho roztoku (alebo čistého rozpúšťadla) bude väčší ako zo strany koncentrovanejšieho roztoku. Tento nadmerný počet nárazov spôsobuje, že sa rozpúšťadlo pohybuje cez póry membrány tam, kde je menej molekúl.
Pre koloidné systémy môžeme písať
.
Sedimentácia– to je ďalší jav spojený s molekulárnymi kinetickými vlastnosťami disperzných systémov.
Sedimentácia je proces usadzovania (v zriedkavých prípadoch plávania) častíc dispergovanej fázy v kvapalnom alebo plynnom prostredí pod vplyvom gravitácie. Sedimentácia je charakteristická pre suspenzie. Naopak, v emulziách častice dispergovanej fázy zvyčajne plávajú
Stabilita rozptýlených systémov
Moderný model štruktúry micely berie do úvahy skutočnosť, že protiióny sú umiestnené v dvoch vrstvách - hustej a difúznej, a že klzný povrch častice v roztoku je hranicou medzi týmito vrstvami.
Najdôležitejším elektrokinetickým javom, ktorý je typický pre disperzné systémy, je elektroforéza, teda pohyb koloidných častíc vo vonkajšom elektrickom poli.
Elektroforéza a elektroosmóza sú elektrokinetické javy ja - láskavý. K elektrokinetickým javom II patria do rodu potenciál úniku A sedimentačný potenciál, ktoré spočívajú vo výskyte rozdielu potenciálov pri pohybe častíc dispergovanej fázy alebo disperzného prostredia.
Veľkosť ζ - potenciálny súvisí s rýchlosťou elektroforézy nabitých častíc rovnica Helmholtz-Smoluchowski :
Kde k– koeficient v závislosti od tvaru častíc (pre guľôčkyk= 6, pre valcek = 4); v– lineárna rýchlosť pohybu častíc (alebo hraníc sólu); ε – relatívna dielektrická konštanta;E- intenzita elektrického poľa.
V disperzných systémoch je špecifický povrch dispergovanej fázy veľmi veľký. Jedným z najdôležitejších dôsledkov veľkého povrchu dispergovanej fázy je, že lyofóbne disperzné systémy majú nadmernú povrchovú energiu, a preto sú termodynamicky nestabilné. Preto v rozptýlených systémoch prebiehajú rôzne spontánne procesy, ktoré vedú k poklesu prebytočnej energie. Najbežnejšími procesmi sú zmenšenie špecifického povrchu v dôsledku zväčšenia častíc. Výsledkom je, že takéto procesy vedú k deštrukcii systému. Kľúčovou vlastnosťou, ktorá charakterizuje samotnú existenciu rozptýlených systémov, je teda ich stabilita, alebo naopak, nestabilita.
N.P. Peskov v roku 1920 navrhol rozlišovať medzi kinetickou a agregatívnou stabilitou. V prvom prípade zvažujeme výber rozptýlené fázy pod vplyvom gravitácie v závislosti od stupňa disperzie a samotný stupeň disperzie sa predpokladá ako konštantná hodnota pre daný systém. V druhom prípade sa zvažujú podmienky pre stálosť alebo premenlivosť samotného stupňa disperzie častíc
Pre väčšinu hydrofóbnych sólov je hlavným faktorom zabezpečujúcim ich stabilitu (spolu s hydratačným obalom) prítomnosť rovnakého náboja na časticiach dispergovanej fázy. Zavedenie elektrolytov do hydrosólov môže viesť k zníženiu alebo úplnej neutralizácii náboja koloidných častíc, čo oslabuje ich elektrostatické odpudzovanie a podporuje konvergenciu a agregáciu
Minimálna koncentrácia elektrolytu, ktorá spôsobí nástup koagulačného procesu, sa nazýva koagulačný prah g Komu(mol/dm3).
Roztoky látok s vysokou molekulovou hmotnosťou
Polyméry, podobne ako nízkomolekulové látky, v závislosti od podmienok na získanie roztoku (povaha polyméru a rozpúšťadla, teplota atď.) môžu tvoriť koloidné aj pravé roztoky. V tomto ohľade je zvykom hovoriť o koloidnom alebo skutočnom stave látky v roztoku. Nebudeme sa dotýkať koloidných systémov polymér-rozpúšťadlo. Uvažujme len roztoky polymérov molekulárneho typu. Je potrebné poznamenať, že vzhľadom na veľkú veľkosť molekúl a zvláštnosti ich štruktúry majú roztoky IUD množstvo špecifických vlastností:
1. Rovnovážne procesy v roztokoch IUD sa vytvárajú pomaly.
2. Procesu rozpúšťania IUD zvyčajne predchádza proces opuchu.
3. Polymérne roztoky sa neriadia zákonmi ideálnych riešení, t.j. Raoultove zákony a van't Hoff.
4. Pri prúdení polymérnych roztokov dochádza k anizotropii vlastností (nerovnaké fyzikálne vlastnosti roztoku v rôznych smeroch) v dôsledku orientácie molekúl v smere toku.
5. Vysoká viskozita roztokov IUD.
6. Kvôli svojej veľkej veľkosti majú molekuly polyméru tendenciu spájať sa v roztokoch. Životnosť polymérnych zložiek je dlhšia ako životnosť látok s nízkou molekulovou hmotnosťou.
Proces rozpúšťania VMC prebieha spontánne, ale počas dlhého časového obdobia a často mu predchádza napučiavanie polyméru v rozpúšťadle. Polyméry, ktorých makromolekuly majú symetrický tvar, môžu prejsť do roztoku bez predchádzajúceho napučiavania. Napríklad hemoglobín, pečeňový škrob - glykogén pri rozpustení takmer nenapučiava a roztoky týchto látok nemajú vysokú viskozitu ani pri relatívne vysokých koncentráciách. Zatiaľ čo látky s vysoko asymetrickými predĺženými molekulami pri rozpustení veľmi silno napučiavajú (želatína, celulóza, prírodné a syntetické kaučuky).
Napučiavanie je nárast hmotnosti a objemu polyméru v dôsledku prenikania molekúl rozpúšťadla do priestorovej štruktúry IMC.
Existujú dva typy opuchov:neobmedzené, končiace úplným rozpustením IUD (napríklad napučaním želatíny vo vode, gumy v benzéne, nitrocelulózy v acetóne) aobmedzené, čo vedie k vytvoreniu napučaného polyméru - želé (napríklad napučiavanie celulózy vo vode, želatíny v studenej vode, vulkanizovaného kaučuku v benzéne).
Dispergované systémy.
Rozptýlené systémy sú v prírode rozšírené a človek ich vo svojom živote využíval už od staroveku. Takmer každý živý organizmus predstavuje buď rozptýlený systém, alebo ich obsahuje v rôznych formách.
Príklad: voľne rozptýlené systémy(neexistujú pevné tuhé štruktúry - soly): krv, lymfa, žalúdočné a črevné šťavy, likvor a pod.
kohézne rozptýlené systémy(sú tu tuhé priestorové štruktúry – gély): protoplazma, bunkové membrány, svalové vlákno, očná šošovka atď.
V medicíne sa aktívne používajú disperzné systémy, predovšetkým koloidné roztoky, aerosóly, krémy a masti. Biochemické procesy v tele prebiehajú v rozptýlených systémoch. Vstrebávanie potravy je spojené s prechodom živín do rozpusteného stavu. Biofluidy (dispergované systémy) sa podieľajú na transporte živín (tuky, aminokyseliny, kyslík), liečiv do orgánov a tkanív, ako aj na vylučovaní metabolitov (močovina, bilirubín, oxid uhličitý) z tela.
Poznanie zákonitostí fyzikálnych a chemických procesov v disperzných systémoch je pre budúcich lekárov dôležité tak pre štúdium biomedicínskych a klinických odborov, ako aj pre hlbšie pochopenie procesov prebiehajúcich v organizme a ich vedomú zmenu želaným smerom.
Dispergované systémy- ide o viaczložkové systémy, v ktorých sú niektoré látky vo forme malých častíc rozložené v inej látke. Látka, ktorá je distribuovaná, sa nazýva dispergovaná fáza. Látka, v ktorej je dispergovaná fáza distribuovaná, sa nazýva disperzné médium.
Príklad: vodný roztok glukózy
molekuly glukózy – dispergovaná fáza
voda – disperzné médium
Disperzita je hodnota charakterizujúca veľkosť suspendovaných častíc v disperzných systémoch. Je to prevrátená hodnota priemeru častíc dispergovanej fázy. Čím menšia je veľkosť častíc, tým väčšia je disperzia.
Klasifikácia disperzných systémov.
Rozptýlené systémy sú klasifikované podľa piatich kritérií.
1. Podľa stupňa disperzie:
· hrubý
D = 10 4 – 10 6 m –1 , sa vyznačujú nestabilitou a neprehľadnosťou.
Príklad: suspenzie, emulzie, peny, suspenzie.
· koloidné rozptýlené
D = 10 7 – 10 9 m –1 , môže byť priehľadný a zakalený, stabilný a nestabilný.
Príklad: koloidné roztoky, roztoky zlúčenín s vysokou molekulovou hmotnosťou.
molekulovo-disperzné a iónovo-disperzné
D = 10 10 – 10 11 m –1 , sa vyznačujú transparentnosťou a stabilitou.
Príklad: roztoky zlúčenín s nízkou molekulovou hmotnosťou.
2. Prítomnosťou fyzického rozhrania medzi dispergovanou fázou a disperzným prostredím:
· homogénne (jednofázové systémy, bez rozhrania.
Príklad: roztoky zlúčenín s nízkou a vysokou molekulovou hmotnosťou.
· heterogénne
existuje rozhranie medzi dispergovanou fázou a disperzným prostredím.
Príklad: koloidné roztoky a hrubé systémy.
3. Podľa povahy interakcie medzi dispergovanou fázou a disperzným prostredím:
· lyofilné
Medzi dispergovanou fázou a disperzným médiom existuje afinita.
Príklad: všetky homogénne systémy.
· lyofóbne
Medzi dispergovanou fázou a disperzným médiom je malá alebo žiadna interakcia.
Príklad: všetky heterogénne systémy.
4. Podľa stavu agregácie dispergovanej fázy a disperzného média:
| kontrolná fáza riadiace médium | plynný | ťažké | kvapalina |
| plynný | zmes plynov (vzduch) | prach z tabakového dymu, vesmírne aerosóly | hmlové oblaky pary |
| kvapalina | rozpustený v krvi CO 2, O 2, N 2, pena minerálna voda ovocné sýtené nápoje | koloidné roztoky suspenzie IUD roztoky NMS roztoky | emulzie: mlieko maslo margarín krémy masti olej |
| ťažké | tuhé peny (penový plast, aktívne uhlie) iónomeničové živice molekulové sitá | zliatiny kovov farebné sklo, krištáľové drahé kamene (rubín, ametyst) čapíky (liečivé čapíky) | kryštál hydratuje minerály s tekutými inklúziami (perly, opál) vlhké pôdy |
5. Podľa povahy disperzného média:
Skutočné riešenia.
Skutočným roztokom je homogénny lyofilný disperzný systém s veľkosťou častíc 10 –10 – 10 –11 m.
Skutočné roztoky sú jednofázové disperzné systémy, vyznačujú sa vysokou pevnosťou väzby medzi dispergovanou fázou a disperzným médiom. Skutočné riešenie zostáva homogénne na neurčito. Skutočné riešenia sú vždy transparentné. Častice skutočného roztoku nie sú viditeľné ani elektrónovým mikroskopom. Skutočné riešenia sa dobre šíria.
Zložka, ktorej agregovaný stav sa počas tvorby roztoku nemení, sa nazýva rozpúšťadlo (disperzné médium) a druhá zložka sa nazýva rozpustená látka (disperzná fáza).
Ak majú zložky rovnaký stav agregácie, rozpúšťadlom je zložka, ktorej množstvo v roztoku prevažuje.
V roztokoch elektrolytov, bez ohľadu na pomer zložiek, sa elektrolyty považujú za rozpustené látky.
Skutočné riešenia sú rozdelené:
· podľa typu rozpúšťadla: vodné a nevodné
· podľa druhu rozpustenej látky: roztoky solí, kyselín, zásad, plynov atď.
· vo vzťahu k elektrickému prúdu: elektrolyty a neelektrolyty
podľa koncentrácie: zahustené a zriedené
· podľa stupňa dosiahnutia hranice rozpustnosti: nasýtené a nenasýtené
· z termodynamického hľadiska: ideálne a skutočné
· podľa stavu agregácie: plynné, kvapalné, tuhé
Skutočné riešenia sú:
· iónovo dispergované (dispergovaná fáza – hydratované ióny): vodný roztok NaCl
· molekulárne dispergovaný (dispergovaná fáza – molekuly): vodný roztok glukózy
Každý ión, jednotlivo alebo spoločne, vykonáva v tele určité funkcie. Rozhodujúcu úlohu pri prenose vody v organizme majú ióny Na + a Cl –, t.j. podieľajú sa na metabolizme voda-soľ. Elektrolytové ióny sa podieľajú na procesoch udržiavania konštantného osmotického tlaku, nastolenia acidobázickej rovnováhy, v procesoch prenosu nervových impulzov a v procesoch aktivácie enzýmov.
Z pohľadu živých systémov sú najzaujímavejšie roztoky, v ktorých je rozpúšťadlom voda.
Rozpúšťa sa v ňom obrovské množstvo látok. Nie je to len rozpúšťadlo, ktoré zabezpečuje molekulárny rozptyl látok po celom tele. Je tiež účastníkom mnohých chemických a biochemických procesov v tele. Napríklad hydrolýza, hydratácia, opuch, transport živín a liečiv, plynov, protilátok atď.
V organizme prebieha nepretržitá výmena vody a látok v nej rozpustených. Voda tvorí väčšinu každého živého tvora. Jeho obsah v ľudskom tele sa mení s vekom: v ľudskom embryu - 97%, u novorodenca - 77%, u dospelých mužov - 61%, u dospelých žien - 54%, u starých ľudí nad 81 rokov - 49,8%. Väčšina vody v tele je vo vnútri buniek (70%), asi 23% je medzibunková voda a zvyšok (7%) je vo vnútri krvných ciev a ako súčasť krvnej plazmy.
Celkovo je v tele 42 litrov vody. Do tela denne vstupuje a odchádza 1,5 - 3 litre vody. Toto je normálna vodná bilancia tela.
Hlavnou cestou odstraňovania vody z tela sú obličky. Strata 10 - 15% vody je nebezpečná a 20 - 25% je pre telo smrteľná.
Najdôležitejšou charakteristikou roztoku je jeho koncentrácia.
Spôsoby vyjadrenia koncentrácie roztokov:
1. Hmotnostný zlomok w(x)– hodnota rovnajúca sa pomeru hmotnosti rozpustenej látky m(x) k hmotnosti roztoku m(p-p)
w(x) = × 100 %
2. Molárna koncentrácia roztoku s(X)– hodnota rovnajúca sa pomeru látkového množstva n(x) obsiahnutého v roztoku k objemu tohto roztoku V(roztok).
s(x) = [mol/l], kde n(x) = [mol]
Milimolárny roztok - roztok s molárnou koncentráciou rovnou 0,001 mol/l
Centimolárny roztok - roztok s molárnou koncentráciou rovnou 0,01 mol/l
Decimolárny roztok - roztok s molárnou koncentráciou rovnou 0,1 mol/l
3. Ekvivalent molárnej koncentrácie s (x) – hodnota rovnajúca sa podielu látkového ekvivalentu n (x) v roztoku na objem tohto roztoku.
c (x) = [mol/l], kde n (x) = [mol] a M(x) = × M(x)
Ekvivalent – je reálna alebo podmienená častica hmoty X, ktorý je v danej acidobázickej reakcii ekvivalentný jednému vodíkovému iónu alebo v danom ORR - jednému elektrónu.
Ekvivalenčné číslo z A faktor ekvivalencie f= . Faktor ekvivalencie ukazuje, aký podiel skutočnej častice hmoty X ekvivalent jedného vodíkového iónu alebo jedného elektrónu. Ekvivalenčné číslo z rovná sa:
a) kyseliny - kyslá zásaditosť H 2 SO 4 z = 2.
b) zásady – kyslosť zásady Aℓ(OH) 3 z = 3.
c) soli - súčin oxidačného stavu (s.o.) kovu počtom jeho atómov v molekule Fe 2 (SO 4) 3 z= 2 × 3 = 6.
d) oxidačné činidlá - počet pripojených elektrónov
Mn +7 + 5ē → Mn +2 z = 5
e) redukčné činidlá - počet odovzdaných elektrónov
Fe +2 – 1ē → Fe +3 z = 1
4. Molálna koncentrácia b(x)– hodnota rovnajúca sa pomeru množstva látky k hmotnosti rozpúšťadla (kg)
b(x) = = [mol/kg]
5. Molový zlomok c (x i) rovný pomeru látkového množstva danej zložky k celkovému množstvu všetkých zložiek roztoku
Vzorce pre vzťah medzi koncentráciami:
s(x) = c(x) × z
Roztoky majú množstvo vlastností, ktoré nezávisia od povahy rozpustenej látky, ale závisia len od jej koncentrácie. Najdôležitejšia je osmóza.
Vďaka osmóze prebieha zložitý proces metabolizmu tela s vonkajším prostredím cez membrány buniek orgánov a tkanív.
Difúzia je proces spontánneho vyrovnávania koncentrácie na jednotku objemu.
Osmóza je jednosmerná difúzia molekúl rozpúšťadla cez polopriepustnú membránu z rozpúšťadla do roztoku alebo z roztoku s nižšou koncentráciou do roztoku s vyššou koncentráciou.
roztok rozpúšťadla
Prestup rozpúšťadla cez membránu je spôsobený osmotický tlak . Rovná sa nadmernému vonkajšiemu tlaku, ktorý by mal byť aplikovaný z roztoku, aby sa proces zastavil, to znamená, aby sa vytvorili podmienky osmotickej rovnováhy. Prekročenie nadmerného tlaku nad osmotický tlak môže viesť k zvráteniu osmózy – reverznej difúzii rozpúšťadla. K reverznej osmóze dochádza pri filtrácii krvnej plazmy v arteriálnej časti kapiláry a v obličkových glomerulách.
Osmotický tlak je tlak, ktorý musí byť aplikovaný na roztok, aby sa osmóza zastavila.
Van't Hoffova rovnica: P osm = c RT × 10 3
Osmotický tlak krvi: 780 – 820 kPa
Všetky roztoky možno z hľadiska osmotických javov rozdeliť do 3 skupín:
· Izotonické roztoky sú roztoky, ktoré majú rovnaký osmotický tlak a osmolárnu koncentráciu. Príklady: žlč, roztok NaCl (w=0,9 %, c=0,15 mol/l), roztok glukózy (w=7 %, c=0,3 mol/l)
Osmolárna koncentrácia (osmolarita) je celkové látkové množstvo všetkých kineticky aktívnych častíc obsiahnutých v 1 litri roztoku. s osm, osmol/l
Koncentrácia osmolality (osmolalita) je celkové látkové množstvo všetkých kineticky aktívnych častíc obsiahnutých v 1 kg rozpúšťadla. b osm, osmol/kg
Pre zriedené roztoky je osmolárna koncentrácia rovnaká ako osmolová koncentrácia. c osm ≈ b osm
· Hypertonický roztok - roztok s vyššou koncentráciou rozpustených látok, teda s vyšším osmotickým tlakom v porovnaní s iným roztokom a za prítomnosti priepustných membrán schopný z neho vytiahnuť vodu. Príklady: črevná šťava, moč.
· Hypotonický roztok - roztok s nižšou koncentráciou rozpustených látok, teda s nižším osmotickým tlakom v porovnaní s iným roztokom a schopný stratiť vodu v prítomnosti priepustných membrán. Príklady: sliny, pot.
Zvieratá a rastlinné bunky oddelené od životné prostredie membrána. Keď sa bunka umiestni do roztokov s rôznymi osmolárnymi koncentráciami alebo tlakmi, pozorujú sa tieto javy:
Plazmolýza – zmenšenie objemu buniek. V tomto prípade sa bunka umiestni do hypertonického roztoku. Rozdiel v osmotickom tlaku spôsobí, že sa rozpúšťadlo presunie z bunky do hypertonického roztoku.
· lýza – zväčšenie objemu buniek. V tomto prípade sa bunka umiestni do hypotonického roztoku. Rozdiel v osmotickom tlaku spôsobí, že sa rozpúšťadlo presunie do bunky. V prípade prasknutia membrán erytrocytov a prenosu hemoglobínu do plazmy sa tento jav nazýva hemolýza.
Izoosmia – objem buniek sa nemení. V tomto prípade sa bunka umiestni do izotonického roztoku.
Pomocou osmotických javov sa v ľudskom tele udržiava metabolizmus voda-soľ. Osmóza je základom mechanizmu funkcie obličiek. Pri veľkých krvných stratách sa používa izotonický (fyziologický) roztok NaCl (0,9 %). Hypertonický roztok NaCl (10%) sa používa pri aplikácii gázových obväzov na hnisavé rany.
Onkotický tlak- Je súčasťou osmotického tlaku vytvoreného proteínmi.
V ľudskej krvnej plazme tvorí len asi 0,5 % osmotického tlaku (0,03-0,04 atm alebo 2,5 - 4,0 kPa). Onkotický tlak však zohráva rozhodujúcu úlohu pri tvorbe medzibunkovej tekutiny, primárneho moču atď. Stena kapilár je voľne priepustná pre vodu a látky s nízkou molekulovou hmotnosťou, nie však pre bielkoviny. Rýchlosť filtrácie tekutiny cez kapilárnu stenu je určená rozdielom medzi onkotickým tlakom plazmatických bielkovín a hydrostatickým tlakom krvi vytvoreným prácou srdca. Na arteriálnom konci kapiláry soľný roztok spolu s živinami prechádza do medzibunkového priestoru. Na venóznom konci kapiláry proces prebieha v opačnom smere, pretože venózny tlak je nižší ako onkotický. Výsledkom je, že látky uvoľňované bunkami prechádzajú do krvi. Pri ochoreniach sprevádzaných poklesom koncentrácie bielkovín (najmä albumínu) v krvi klesá onkotický tlak, čo môže byť jedným z dôvodov hromadenia tekutiny v medzibunkovom priestore, čo vedie k rozvoju edému.
 |