معظم المواد من حولنا عبارة عن خلائط من مواد مختلفة ، لذا فإن دراسة خصائصها تلعب دورًا مهمًا في تطوير الكيمياء والطب وصناعة الأغذية وغيرها من قطاعات الاقتصاد. المقالة تناقش ما هي درجة التشتت وكيف تؤثر على خصائص النظام
ما هي أنظمة التفريق؟
قبل مناقشة درجة التشتت ، من الضروري توضيح الأنظمة التي يمكن تطبيق هذا المفهوم عليها.
لنتخيل أن لدينا مادتين مختلفتين قد تختلفان عن بعضهما البعض في التركيب الكيميائي ، على سبيل المثال ، ملح الطعام والماء النقي ، أو في حالة التجميع ، على سبيل المثال ، نفس الماء في الحالة السائلة والصلبة (الجليد) الدول. أنت الآن بحاجة إلى تناول هاتين المادتين وخلطهما بشكل مكثف. ماذا ستكون النتيجة؟ يعتمد ذلك على ما إذا كان التفاعل الكيميائي قد حدث أثناء الخلط أم لا. عند الحديث عن أنظمة متفرقة ، يعتقد أنها عندمالا يحدث أي تفاعل في التكوين ، أي أن المواد الأولية تحتفظ ببنيتها على المستوى الجزئي وخصائصها الفيزيائية المتأصلة ، مثل الكثافة واللون والتوصيل الكهربائي وغيرها.
وبالتالي ، فإن النظام المشتت هو خليط ميكانيكي ، ونتيجة لذلك يتم خلط مادتين أو أكثر مع بعضهما البعض. عندما يتم تشكيلها ، يتم استخدام مفاهيم "وسط التشتت" و "المرحلة". الأول له خاصية الاستمرارية داخل النظام ، وكقاعدة عامة ، يوجد فيه بكمية نسبية كبيرة. تتميز المرحلة الثانية (الطور المشتت) بخاصية الانقطاع ، أي أنها في النظام تكون على شكل جسيمات صغيرة محدودة بالسطح الذي يفصلها عن الوسط.
أنظمة متجانسة وغير متجانسة
من الواضح أن هذين المكونين للنظام المشتت سيختلفان في خصائصهما الفيزيائية. على سبيل المثال ، إذا رميت الرمل في الماء وقلبته ، فمن الواضح أن حبيبات الرمل الموجودة في الماء ، والصيغة الكيميائية لها SiO2، لن تختلف بأي شكل من الأشكال من الدولة عندما لم يكونوا في الماء. في مثل هذه الحالات ، يتحدث المرء عن عدم التجانس. بمعنى آخر ، النظام غير المتجانس هو مزيج من عدة مراحل (مرحلتين أو أكثر). يُفهم الأخير على أنه بعض الحجم المحدود للنظام ، والذي يتميز بخصائص معينة. في المثال أعلاه لدينا مرحلتان: الرمل والماء
ومع ذلك ، يمكن أن يصبح حجم جسيمات المرحلة المشتتة عند إذابتها في أي وسط صغيرًا جدًا بحيث تتوقف عن إظهار خصائصها الفردية. في هذه الحالة ، يتحدث المرء عنمواد متجانسة أو متجانسة. على الرغم من أنها تحتوي على عدة مكونات ، إلا أنها تشكل مرحلة واحدة في جميع أنحاء الحجم الكامل للنظام. مثال على النظام المتجانس هو محلول كلوريد الصوديوم في الماء. عندما يذوب ، بسبب التفاعل مع الجزيئات القطبية H2O ، تتحلل بلورة NaCl إلى كاتيونات منفصلة (Na+) وأنيونات (Cl - ). يتم خلطها بشكل متجانس مع الماء ، ولم يعد من الممكن العثور على السطح البيني بين المذاب والمذيب في مثل هذا النظام.
حجم الجسيمات
ما هي درجة التشتت؟ هذه القيمة تحتاج إلى النظر بمزيد من التفصيل. ماذا تمثل؟ يتناسب عكسيا مع حجم الجسيمات للمرحلة المشتتة. هذه هي الخاصية التي يقوم عليها تصنيف جميع المواد قيد الدراسة.
عند دراسة أنظمة التشتيت ، غالبًا ما يتم الخلط بين الطلاب في أسمائهم ، لأنهم يعتقدون أن تصنيفهم يعتمد أيضًا على حالة التجميع. هذا ليس صحيحا. للمخاليط من حالات التجميع المختلفة أسماء مختلفة حقًا ، على سبيل المثال ، المستحلبات عبارة عن مواد مائية ، وتشير الهباء الجوي بالفعل إلى وجود مرحلة غازية. ومع ذلك ، فإن خصائص أنظمة التشتت تعتمد بشكل أساسي على حجم جسيم المرحلة الذائبة فيها.
التصنيف المقبول عمومًا
تصنيف أنظمة التشتت حسب درجة التشتت يرد أدناه:
- إذا كان حجم الجسيم الشرطي أقل من 1 نانومتر ، فإن هذه الأنظمة تسمى حلول حقيقية أو حقيقية.
- إذا كان حجم الجسيم الشرطي يقع بين 1 نانومتر و100 نانومتر ، فإن المادة المعنية ستسمى محلول غرواني.
- إذا كانت الجسيمات أكبر من 100 نانومتر ، فإننا نتحدث عن تعليق أو تعليق.
فيما يتعلق بالتصنيف أعلاه ، دعنا نوضح نقطتين: أولاً ، الأرقام المعطاة إرشادية ، أي أن النظام الذي يكون حجم الجسيم فيه 3 نانومتر ليس بالضرورة مادة غروانية ، بل يمكن أن يكون أيضًا صحيحًا المحلول. يمكن إثبات ذلك من خلال دراسة خصائصه الفيزيائية. ثانيًا ، قد تلاحظ أن القائمة تستخدم عبارة "الحجم الشرطي". هذا يرجع إلى حقيقة أن شكل الجسيمات في النظام يمكن أن يكون تعسفيًا تمامًا ، وفي الحالة العامة له هندسة معقدة. لذلك ، يتحدثون عن حجم متوسط (مشروط) لهم.
لاحقًا في المقالة سنقدم وصفًا موجزًا للأنواع المذكورة من أنظمة التفريق.
حلول حقيقية
كما ذكرنا سابقًا ، درجة تشتت الجزيئات في المحاليل الحقيقية عالية جدًا (حجمها صغير جدًا ، < 1 نانومتر) بحيث لا توجد واجهة بينها وبين المذيب (المتوسط) ، أي هناك هو نظام متجانس أحادي الطور. من أجل اكتمال المعلومات ، نتذكر أن حجم الذرة بترتيب أنجستروم واحد (0.1 نانومتر). الرقم الأخير يشير إلى أن الجسيمات في المحاليل الحقيقية ذرية في الحجم.
الخصائص الرئيسية للحلول الحقيقية التي تميزها عن الغرويات والمعلقات هي كما يلي:
- حالة الحل موجودة لفترة طويلة بشكل تعسفي دون تغيير ، أي ، لا يتم تشكيل أي راسب من المرحلة المشتتة.
- منحللا يمكن فصل المادة عن المذيب بالترشيح من خلال الورق العادي.
- كما لا يتم فصل المادة نتيجة لعملية المرور عبر الغشاء المسامي والذي يسمى بغسيل الكلى في الكيمياء.
- من الممكن فصل المذاب عن المذيب فقط عن طريق تغيير حالة تجمع الأخير ، على سبيل المثال ، عن طريق التبخر.
- للحلول المثالية ، يمكن إجراء التحليل الكهربائي ، أي أنه يمكن تمرير تيار كهربائي إذا تم تطبيق فرق الجهد (قطبين) على النظام.
- لا تشتت الضوء
مثال على الحلول الحقيقية هو خلط الأملاح المختلفة بالماء ، على سبيل المثال ، NaCl (ملح الطعام) ، NaHCO3(صودا الخبز) ، KNO3 (نترات البوتاسيوم) وغيرها.
حلول الغروانية
هذه أنظمة وسيطة بين الحلول الحقيقية والتعليق. ومع ذلك ، لديهم عدد من الخصائص الفريدة. دعونا نذكرهم:
- إنها مستقرة ميكانيكيًا لفترة طويلة بشكل تعسفي إذا لم تتغير الظروف البيئية. يكفي تسخين النظام أو تغيير حموضته (قيمة الأس الهيدروجيني) ، حيث يتخثر الغرواني (يترسب).
- لا يتم فصلهم باستخدام ورق الترشيح ، ولكن عملية غسيل الكلى تؤدي إلى فصل المرحلة المشتتة والوسط.
- كما هو الحال مع الحلول الحقيقية ، يمكن تحليلها كهربائيا.
- بالنسبة للأنظمة الغروانية الشفافة ، فإن ما يسمى بتأثير Tyndall هو خاصية مميزة: تمرير شعاع من الضوء عبر هذا النظام ، يمكنك رؤيته. إنه متصل بـتشتت الموجات الكهرومغناطيسية في الجزء المرئي من الطيف في كل الاتجاهات.
- القدرة على امتصاص المواد الأخرى.
الأنظمة الغروية ، نظرًا للخصائص المدرجة ، تستخدم على نطاق واسع من قبل البشر في مختلف مجالات النشاط (صناعة الأغذية والكيمياء) ، وغالبًا ما توجد أيضًا في الطبيعة. مثال على مادة الغروانية الزبدة والمايونيز. في الطبيعة ، هذه ضباب ، غيوم.
قبل الشروع في وصف الفئة الأخيرة (الثالثة) من أنظمة التشتت ، دعونا نشرح بمزيد من التفصيل بعض الخصائص المسماة للغرويات.
ما هي المحاليل الغروية؟
بالنسبة لهذا النوع من أنظمة التشتت ، يمكن إعطاء التصنيف ، مع مراعاة الحالات التجميعية المختلفة للوسط والمرحلة المذابة فيه. يوجد أدناه الجدول المقابل /
| الأربعاء / المرحلة | غاز | سائل | جسم صلب |
| غاز | جميع الغازات قابلة للذوبان بشكل لا نهائي في بعضها البعض ، لذا فهي دائمًا ما تشكل حلولًا حقيقية | الهباء الجوي (ضباب ، غيوم) | الهباء الجوي (دخان) |
| سائل | رغوة (حلاقة ، كريمة مخفوقة) | مستحلب (حليب ، مايونيز ، صوص) | sol (ألوان مائية) |
| جسم صلب | رغوة (خفاف ، شوكولاتة غازية) | جل (جيلاتين ، جبن) | sol (كريستال روبي ، جرانيت) |
يوضح الجدول أن المواد الغروية موجودة في كل مكان ، سواء في الحياة اليومية أو في الطبيعة. لاحظ أنه يمكن أيضًا إعطاء جدول مشابه للتعليق ، مع تذكر الاختلاف معالغرويات فيها فقط في حجم المرحلة المشتتة. ومع ذلك ، فإن أنظمة التعليق غير مستقرة ميكانيكياً ، وبالتالي فهي أقل أهمية من الناحية العملية من الأنظمة الغروية.
سبب الاستقرار الميكانيكي للغرويات
لماذا يمكن أن يرقد المايونيز في الثلاجة لفترة طويلة ، ولا تترسب الجزيئات المعلقة فيه؟ لماذا لا "تسقط" جزيئات الطلاء الذائبة في الماء في النهاية إلى قاع الإناء؟ الإجابة على هذه الأسئلة ستكون الحركة البراونية.
تم اكتشاف هذا النوع من الحركة في النصف الأول من القرن التاسع عشر من قبل عالم النبات الإنجليزي روبرت براون ، الذي لاحظ تحت المجهر كيف تتحرك جزيئات حبوب اللقاح الصغيرة في الماء. من وجهة نظر فيزيائية ، فإن الحركة البراونية هي مظهر من مظاهر الحركة الفوضوية للجزيئات السائلة. تزداد شدته إذا ارتفعت درجة حرارة السائل. هذا النوع من الحركة هو الذي يتسبب في تعليق الجزيئات الصغيرة من المحاليل الغروية.
خاصية الامتزاز
التشتت هو مقلوب متوسط حجم الجسيمات. نظرًا لأن هذا الحجم في الغرويات يقع في النطاق من 1 نانومتر إلى 100 نانومتر ، فإن لها سطحًا متطورًا للغاية ، أي أن النسبة S / m قيمة كبيرة ، وهنا S هي مساحة الواجهة الإجمالية بين المرحلتين (وسط التشتت والجسيمات) ، م - الكتلة الكلية للجسيمات في المحلول.
الذرات الموجودة على سطح جسيمات الطور المشتت لها روابط كيميائية غير مشبعة. هذا يعني أنه يمكنهم تكوين مركبات مع الآخرينالجزيئات. كقاعدة عامة ، تنشأ هذه المركبات بسبب قوى فان دير فال أو روابط الهيدروجين. إنهم قادرون على الاحتفاظ بعدة طبقات من الجزيئات على سطح الجسيمات الغروية.
المثال الكلاسيكي للممتاز هو الكربون المنشط. إنه غرواني ، حيث يكون وسط التشتت مادة صلبة ، والطور عبارة عن غاز. يمكن أن تصل مساحة السطح المحددة لها إلى 2500 م2/ ز.
درجة النعومة ومساحة السطح المحددة
حساب S / م ليس بالمهمة السهلة. الحقيقة هي أن الجسيمات الموجودة في المحلول الغرواني لها أحجام وأشكال مختلفة ، ولسطح كل جسيم ارتياح فريد. لذلك فإن الأساليب النظرية لحل هذه المشكلة تؤدي إلى نتائج نوعية وليس نتائج كمية. ومع ذلك ، من المفيد إعطاء الصيغة الخاصة بمساحة السطح المحددة من درجة التشتت.
إذا افترضنا أن جميع جسيمات النظام لها شكل كروي ونفس الحجم ، فنتيجة الحسابات المباشرة ، يتم الحصول على التعبير التالي: Sud=6 / (دρ) ، حيث Sud- مساحة السطح (محددة) ، د - قطر الجسيم ، ρ - كثافة المادة التي تتكون منها. يتضح من الصيغة أن الجزيئات الأصغر والأثقل ستساهم بأكبر قدر في الكمية قيد الدراسة.
الطريقة التجريبية لتحديد Sudهي حساب حجم الغاز الذي تمتصه المادة قيد الدراسة ، وكذلك قياس حجم المسام (المرحلة المشتتة) فيه
تجميد التجفيف ورهاب الموت
الليوفوبيا والليوفوبيا - هذه هي الخصائص التي ، في الواقع ، تحدد وجود تصنيف أنظمة التشتت بالشكل الذي تم تقديمه أعلاه. كلا المفهومين يميزان قوة الرابطة بين جزيئات المذيب والمذاب. إذا كانت هذه العلاقة كبيرة ، فإنهم يتحدثون عن التجاعيد. لذا ، فإن جميع الحلول الحقيقية للأملاح في الماء تكون مجففة ، لأن جزيئاتها (أيوناتها) متصلة كهربائيًا بجزيئات قطبية H2O. إذا أخذنا في الاعتبار أنظمة مثل الزبدة أو المايونيز ، فهؤلاء ممثلون عن الغرويات الكارهة للماء ، لأن جزيئات الدهون (الدهن) فيها تصد الجزيئات القطبية H2O.
من المهم أن نلاحظ أن الأنظمة اللاهوائية (كارهة للماء إذا كان المذيب ماء) غير مستقرة من الناحية الديناميكية الحرارية ، مما يميزها عن الأنظمة المحبة للتجميد.
خصائص التعليق
الآن ضع في اعتبارك الفئة الأخيرة من أنظمة التشتت - المعلقات. تذكر أنها تتميز بحقيقة أن أصغر جسيم فيها أكبر من أو في حدود 100 نانومتر. ما هي الخصائص التي لديهم؟ القائمة المقابلة موضحة أدناه:
- هم غير مستقرين ميكانيكيا ، لذلك يشكلون الرواسب في فترة قصيرة من الزمن.
- غائمة ومعتمة لأشعة الشمس.
- يمكن فصل الطور عن الوسط بورق الترشيح.
تشمل الأمثلة على المعلقات في الطبيعة المياه الموحلة في الأنهار أو الرماد البركاني. يرتبط استخدام الإنسان للتعليق كـعادة مع الأدوية (المحاليل الدوائية).
تجلط الدم
ماذا يمكن أن يقال عن مخاليط المواد بدرجات مختلفة من التشتت؟ جزئيًا ، تمت تغطية هذه المشكلة بالفعل في المقالة ، نظرًا لأن الجسيمات في أي نظام تشتت لها حجم يقع ضمن حدود معينة. هنا ننظر فقط في حالة فضولية واحدة. ماذا يحدث إذا قمت بخلط محلول غرواني مع محلول إلكتروليت حقيقي؟ سيتم كسر النظام الموزون وسيحدث تخثره. يكمن سببها في تأثير المجالات الكهربائية لأيونات المحلول الحقيقي على الشحنة السطحية للجسيمات الغروية.
