При изучении тех или иных свойств и явлений исследуемый объект обычно ставят в определенные условия и ограничивают мысленно пространство, в котором происходит данный процесс или проявляется данное свойство.
Эта мысленная граница позволяет выделить из окружающего нас материального мира некоторую систему и сконцентрировать на ней свое внимание.
Система, в которой происходят или могут произойти химические или физико-химические превращения, называется химической.
Что такое дисперсные системы
Если отдельные компоненты ее отличаются по своим свойствам и при этом отделены друг от друга некоторой поверхностью раздела, то химическая система называется неоднородной или гетерогенной, например суспензия песка в воде.
Свойства песчинок отличаются от свойств воды и между каждой песчинкой и водой существует поверхностная граница.
Смесь воды со льдом — тоже гетерогенная система, хотя она образована одними и теми же молекулами.
В кусочках льда молекулы Н2О занимают узлы кристаллической решетки и совершают колебательные движения около положения равновесия; в структуре жидкой воды строгий порядок отсутствует.
Лед и вода отличаются по свойствам и отделены друг от друга поверхностью раздела.
Раствор хлорида натрия в воде является примером однородной, или гомогенной системы.
Гомогенная система
Между отдельными компонентами этого раствора (молекулами Н2О, гидратированными ионами Na+, Сl—, Н3О+ и ОН+) отсутствует четкая поверхность раздела.
Однородность гомогенной системы — относительное понятие.
При ближайшем рассмотрении всякая такая система вызывается в действительности неоднородной:
1) Жидкой воде наряду с отдельными молекулами Н2O имеются ассоциаты состава (Н2О)х.
2) Кристалл хлорида натрия содержит дефекты кристаллической решетки.
3) Чистая безводная серная кислота состоит из агрегатов (H2SO4) y переменного состава.
Кроме того, серная кислота диссоциирует по схеме:
2Н2SO4 ⇄ Н3SO4+ +HSO4— ⇄ H3O+ + HS2O7—
Таких примеров можно привести очень много.
Характеризуя систему как гомогенную, мы отвлекаемся от тех неоднородностей в ней, которые не оказывают существенного влияния на изучаемые в данный момент свойства.
Гомогенная часть химической системы, отделенная от других ее частей замкнутой поверхностью раздела, называется фазой.
Гетерогенная система
В гетерогенной системе «суспензия песка в воде» две фазы:
1) Одну составляют песчинки.
2) Другую — вся масса воды.
Двухфазными являются так же системы «вода — пар», «осадок — раствор», «смесь красного и белого фосфора».
Любая гомогенная система по определению однофазна.
Систему, состоящую из относительно маленьких по размеру частиц, распределенных в какой-либо среде, называют дисперсной (раздробленной).
Это обычные и коллоидные растворы, взвеси, эмульсии, пены. Распределенное вещество называется дисперсной фазой, а среда — дисперсионной средой.
Дисперсные системы
В зависимости от размера частиц дисперсной фазы, дисперсные системы принято разделять на три большие группы:
1) Истинные растворы.
2) Коллоидные растворы.
3) Грубодисперсные системы (таблица 1).
Резкой границы между этими группами не существует, они непрерывно переходят друг в друга.
В грубодисперсных системах частицы дисперсной фазы быстро оседают (или всплывают) в гравитационном поле Земли, полностью задерживаются бумажным фильтром и хорошо видны в микроскоп.
Коллоидные частицы практически не оседают, задерживаются только специальными ультрафильтрами (целлофан, пергамент) и не видимы в обычный оптический микроскоп.
Истинные растворы однородны и свободно проходят без изменения состава через любые фильтры.
Таблица 1
Классификация дисперсных систем по размеру частиц дисперсной фазы
| Название системы | Примеры | Размер частиц дисперсной фазы, м |
| Грубо дисперсная | Суспензии, эмульсии, взвеси | 10-6 |
| Высокодисперсная (коллоидный раствор) | Раствор белка в воде | 10-7—10-8 |
| Ультрадисперсная (истинный раствор) | Раствор хлорида натрия в воде | 10-9 |
Таблица 2
Изменение удельной поверхности твердого тела при измельчении
| Длина ребра, м | Число кубиков | Общая поверхность, м2 |
| 1•10-2 | 1 | 6•10-4 |
| 1•10-3 | 103 | 6•10-3 |
| 1•10-4 | 106 | 6•10—2 Грубо дисперсные системы |
| 1•10-5 | 109 | 0,6 Грубо дисперсные системы |
| 1•10-6 | 1012 | 6 |
| 1•10-7 | 1015 | 60 Коллоидные растворы |
| 1•10-8 | 1018 | 6•102 Коллоидные растворы |
| 1•10-9 | Поверхность Истинные растворы | |
| 1•10-10 | раздела исчезает | |
Дисперсность системы можно количественно охарактеризовать величиной удельной поверхности S частиц дисперсной фазы, представляющей собой отношение общей поверхности этих частиц (So) к их суммарному объему V:
Для кубических частиц S = 6l2/l3 = 6/l (l — длина ребра куба), а для сферических—S = 4πr2/(4/3)πr3 = 3/r=6/d (r —радиус частицы, d — ее диаметр).
Откуда следует, что удельная поверхность возрастает обратно пропорционально линейному размеру частиц.
В коллоидной области она достигает очень больших значений (таблица 2).
Например, для вещества, раздробленного на кубики с длиной ребра 1 • 10-8 м, величина S составляет 600 м2 на 1 см3 дисперсной фазы.