רוב החומרים שסביבנו הם תערובות של חומרים שונים, ולכן לחקר התכונות שלהם יש תפקיד חשוב בפיתוח הכימיה, הרפואה, תעשיית המזון ומגזרים נוספים במשק. המאמר דן בסוגיות של מהי מידת הפיזור, וכיצד היא משפיעה על מאפייני המערכת.
מהן מערכות פיזור?
לפני הדיון במידת הפיזור, יש צורך להבהיר לאילו מערכות ניתן ליישם מושג זה.
בוא נדמיין שיש לנו שני חומרים שונים שעשויים להיות שונים זה מזה בהרכב הכימי, למשל, מלח שולחני ומים טהורים, או במצב צבירה, למשל, אותם מים בנוזל ובמוצק (קרח) מדינות. כעת עליך לקחת ולערבב את שני החומרים הללו ולערבב אותם באינטנסיביות. מה תהיה התוצאה? זה תלוי אם התגובה הכימית התרחשה במהלך הערבוב או לא. כשמדברים על מערכות מפוזרות, מאמינים שכאשר הםלא מתרחשת תגובה בהיווצרות, כלומר, החומרים הראשוניים שומרים על המבנה שלהם ברמת המיקרו ועל התכונות הפיזיקליות המובנות שלהם, כגון צפיפות, צבע, מוליכות חשמלית ועוד.
לכן, מערכת מפוזרת היא תערובת מכנית, כתוצאה ממנה מערבבים שני חומרים או יותר זה בזה. כאשר הוא נוצר, משתמשים במושגים של "מדיום פיזור" ו"פאזה". לראשון יש תכונה של המשכיות בתוך המערכת וככלל, נמצא בו בכמות יחסית גדולה. השלב השני (השלב המפוזר) מאופיין בתכונת אי ההמשכיות, כלומר במערכת הוא בצורת חלקיקים קטנים, המוגבלים על ידי פני השטח המפרידים ביניהם מהמדיום.
מערכות הומוגניות והטרוגניות
ברור ששני המרכיבים הללו של המערכת המפוזרת יהיו שונים בתכונותיהם הפיזיקליות. למשל, אם זורקים חול למים ומערבבים אותו, ברור שגרגרי החול הקיימים במים, שהנוסחה הכימית שלהם היא SiO2, לא יהיו שונים. בכל דרך מהמדינה כשהם לא היו במים. במקרים כאלה, מדברים על הטרוגניות. במילים אחרות, מערכת הטרוגנית היא תערובת של כמה (שניים או יותר) שלבים. זה האחרון מובן כנפח סופי כלשהו של המערכת, המאופיין בתכונות מסוימות. בדוגמה למעלה, יש לנו שני שלבים: חול ומים.
עם זאת, גודל החלקיקים של הפאזה המפוזרת כשהם מומסים בכל תווך יכול להיות קטן כל כך עד שהם מפסיקים להראות את תכונותיהם האישיות. במקרה הזה, אחד מדבר עלחומרים הומוגניים או הומוגניים. למרות שהם מכילים מספר רכיבים, כולם מהווים שלב אחד בכל נפח המערכת. דוגמה למערכת הומוגנית היא תמיסה של NaCl במים. כאשר הוא מתמוסס, עקב האינטראקציה עם מולקולות קוטביות H2O, גביש NaCl מתפרק לקטיונים נפרדים (Na+) ולאניונים (Cl-). הם מעורבבים בצורה הומוגנית עם מים, וכבר לא ניתן למצוא את הממשק בין המומס לממס במערכת כזו.
גודל חלקיק
מהי מידת הפיזור? ערך זה צריך להיחשב ביתר פירוט. מה היא מייצגת? זה ביחס הפוך לגודל החלקיקים של הפאזה המפוזרת. מאפיין זה הוא שעומד בבסיס הסיווג של כל החומרים הנבדקים.
כאשר לומדים מערכות מפוזרות, תלמידים מתבלבלים לעתים קרובות בשמותיהם, מכיוון שהם מאמינים שגם הסיווג שלהם מבוסס על מצב הצבירה. זה לא נכון. לתערובות של מצבי צבירה שונים יש באמת שמות שונים, למשל, תחליבים הם חומרי מים, ואירוסולים כבר מרמזים על קיומו של שלב גז. עם זאת, התכונות של מערכות פיזור תלויות בעיקר בגודל החלקיקים של הפאזה המומסת בהן.
סיווג מקובל בדרך כלל
סיווג מערכות פיזור לפי מידת הפיזור ניתן להלן:
- אם גודל החלקיקים המותנה קטן מ-1 ננומטר, אזי מערכות כאלה נקראות פתרונות אמיתיים או אמיתיים.
- אם גודל החלקיקים המותנה נע בין 1 ננומטר ו100 ננומטר, אז החומר המדובר ייקרא תמיסה קולואידית.
- אם החלקיקים גדולים מ-100 ננומטר, אז אנחנו מדברים על השעיות או השעיות.
בהתייחס לסיווג לעיל, הבה נבהיר שתי נקודות: ראשית, הנתונים הנתונים הם אינדיקטיביים, כלומר, מערכת שבה גודל החלקיקים הוא 3 ננומטר היא לא בהכרח קולואיד, היא יכולה להיות גם אמת פִּתָרוֹן. ניתן לקבוע זאת על ידי לימוד התכונות הפיזיקליות שלו. שנית, ייתכן שתבחין שהרשימה משתמשת בביטוי "גודל מותנה". זאת בשל העובדה שצורת החלקיקים במערכת יכולה להיות שרירותית לחלוטין, ובמקרה הכללי יש לה גיאומטריה מורכבת. לכן, הם מדברים על גודל ממוצע (מותנה) שלהם.
בהמשך המאמר נביא תיאור קצר של הסוגים המצוינים של מערכות פיזור.
פתרונות אמיתיים
כפי שהוזכר לעיל, מידת הפיזור של חלקיקים בתמיסות אמיתיות כל כך גבוהה (גודלם קטן מאוד, < 1 ננומטר) עד שאין ממשק בינם לבין הממס (בינוני), כלומר שם היא מערכת הומוגנית חד פאזית. למען שלמות המידע, נזכיר שגודלו של אטום הוא בסדר גודל של אנגסטרם אחד (0.1 ננומטר). המספר האחרון מציין שהחלקיקים בתמיסות אמיתיות הם בגודל אטומי.
המאפיינים העיקריים של פתרונות אמיתיים המבדילים אותם מקולואידים ומתלים הם כדלקמן:
- מצב הפתרון קיים במשך זמן רב שרירותי ללא שינוי, כלומר לא נוצר משקעים של השלב המפוזר.
- מומסלא ניתן להפריד את החומר מהממס על ידי סינון דרך נייר רגיל.
- החומר גם לא מופרד כתוצאה מתהליך המעבר דרך הקרום הנקבובי, הנקרא דיאליזה בכימיה.
- ניתן להפריד מומס מממס רק על ידי שינוי מצב הצבירה של האחרון, למשל, על ידי אידוי.
- לפתרונות אידיאליים, ניתן לבצע אלקטרוליזה, כלומר ניתן להעביר זרם חשמלי אם מופעל על המערכת הפרש פוטנציאלים (שתי אלקטרודות).
- הם לא מפזרים אור.
דוגמה לפתרונות אמיתיים היא ערבוב של מלחים שונים עם מים, למשל, NaCl (מלח שולחני), NaHCO3 (סודה לשתייה), KNO 3(אשלגן חנקתי) ואחרים.
פתרונות קולואידים
אלו מערכות ביניים בין פתרונות אמיתיים לבין מתלים. עם זאת, יש להם מספר מאפיינים ייחודיים. בואו נרשום אותם:
- הם יציבים מבחינה מכנית לזמן ארוך באופן שרירותי אם התנאים הסביבתיים אינם משתנים. מספיק לחמם את המערכת או לשנות את החומציות שלה (ערך pH), שכן הקולואיד מתקרש (משקעים).
- הם לא מופרדים באמצעות נייר סינון, עם זאת, תהליך הדיאליזה מוביל להפרדה של השלב המפוזר והמדיום.
- כמו עם פתרונות אמיתיים, הם יכולים לעבור אלקטרוליזה.
- למערכות קולואידיות שקופות, מה שנקרא אפקט Tyndall אופייני: העברת אלומת אור דרך מערכת זו, אתה יכול לראות אותה. זה קשור עםפיזור של גלים אלקטרומגנטיים בחלק הנראה של הספקטרום לכל הכיוונים.
- יכולת לספוח חומרים אחרים.
מערכות קולואידיות, בשל התכונות המפורטות, נמצאות בשימוש נרחב על ידי בני אדם בתחומי פעילות שונים (תעשיית המזון, כימיה), ונמצאות לעיתים קרובות גם בטבע. דוגמה לקולואיד היא חמאה, מיונז. בטבע, אלה ערפילים, עננים.
לפני שנמשיך לתיאור של המחלקה האחרונה (השלישית) של מערכות מפוזרות, הבה נסביר ביתר פירוט כמה מהמאפיינים הנקראים של קולואידים.
מהם פתרונות קולואידים?
עבור סוג זה של מערכות פיזור, ניתן לתת את הסיווג, תוך התחשבות במצבים המצטברים השונים של המדיום והפאזה המומסת בו. להלן הטבלה המתאימה/
| יום רביעי/שלב | גז | נוזל | גוף נוקשה |
| גז | כל הגזים מסיסים זה בזה בצורה אינסופית, כך שהם תמיד יוצרים פתרונות אמיתיים | תרסיס (ערפל, עננים) | תרסיס (עשן) |
| נוזל | קצף (גילוח, קצפת) | תחליב (חלב, מיונז, רוטב) | סול (צבעי מים) |
| גוף מוצק | קצף (פומיס, שוקולד מאוורר) | ג'ל (ג'לטין, גבינה) | סול (גביש רובי, גרניט) |
הטבלה מראה כי חומרים קולואידים נמצאים בכל מקום, הן בחיי היומיום והן בטבע. שימו לב שניתן לתת טבלה דומה גם עבור השעיות, לזכור שההבדל עםקולואידים בהם הוא רק בגודל השלב המפוזר. עם זאת, המתלים אינם יציבים מבחינה מכנית ולכן הם בעלי עניין מעשי פחות ממערכות קולואידיות.
הסיבה ליציבות המכנית של קולואידים
למה מיונז יכול לשכב הרבה זמן במקרר, וחלקיקים מרחפים בו לא יורדים? מדוע לא "נופלים" בסופו של דבר חלקיקי צבע המומסים במים לתחתית הכלי? התשובה לשאלות אלו תהיה תנועה בראונית.
סוג זה של תנועה התגלה במחצית הראשונה של המאה ה-19 על ידי הבוטנאי האנגלי רוברט בראון, שצפה במיקרוסקופ כיצד חלקיקי אבקה קטנים נעים במים. מנקודת מבט פיזית, תנועה בראונית היא ביטוי לתנועה הכאוטית של מולקולות נוזלים. עוצמתו עולה אם מעלים את טמפרטורת הנוזל. סוג זה של תנועה הוא שגורם לחלקיקים קטנים של תמיסות קולואידיות להיות בהשעיה.
נכס ספיחה
פיזור הוא ההדדיות של גודל החלקיקים הממוצע. מכיוון שגודל זה בקולואידים נע בטווח שבין 1 ננומטר ל-100 ננומטר, יש להם משטח מאוד מפותח, כלומר היחס S/m הוא ערך גדול, כאן S הוא שטח הממשק הכולל בין שני השלבים (מדיום פיזור וחלקיקים), m - מסה כוללת של חלקיקים בתמיסה.
אטומים שנמצאים על פני החלקיקים של הפאזה המפוזרת הם בעלי קשרים כימיים בלתי רוויים. זה אומר שהם יכולים ליצור תרכובות עם אחריםמולקולות. ככלל, תרכובות אלו נוצרות עקב כוחות ואן דר ואלס או קשרי מימן. הם מסוגלים להחזיק מספר שכבות של מולקולות על פני השטח של חלקיקים קולואידים.
דוגמה קלאסית של סופח היא פחם פעיל. זהו קולואיד, כאשר מדיום הפיזור הוא מוצק, והפאזה היא גז. שטח הפנים הספציפי עבורו יכול להגיע ל-2500 מ'2/ג.
דרגת העדינות ושטח הפנים הספציפי
חישוב S/m אינו משימה קלה. העובדה היא שלחלקיקים בתמיסה קולואידית יש גדלים שונים, צורות שונות, ולשטח של כל חלקיק יש הקלה ייחודית. לכן, שיטות תיאורטיות לפתרון בעיה זו מובילות לתוצאות איכותיות, ולא לכמותיות. עם זאת, כדאי לתת את הנוסחה עבור שטח הפנים הספציפי ממידת הפיזור.
אם נניח שלכל חלקיקי המערכת יש צורה כדורית ובאותו גודל, אז כתוצאה מחישובים פשוטים, מתקבל הביטוי הבא: Sud=6/(dρ), כאשר Sud - שטח פנים (ספציפי), d - קוטר החלקיקים, ρ - צפיפות החומר ממנו הוא מורכב. ניתן לראות מהנוסחה שהחלקיקים הקטנים והכבדים ביותר יתרמו הכי הרבה לכמות הנבדקת.
הדרך הניסיונית לקבוע Sud היא לחשב את נפח הגז שנספג על ידי החומר הנבדק, כמו גם למדוד את גודל הנקבוביות (שלב מפוזר) בו.
ייבוש בהקפאה וליופובי
ליופיליות וליופוביות - אלו הם המאפיינים שקובעים למעשה את קיומו של סיווג המערכות המפוזרות בצורה שבה הוא מובא לעיל. שני המושגים מאפיינים את קשר הכוח בין המולקולות של הממס והמומס. אם מערכת היחסים הזו גדולה, אז הם מדברים על ליופיליות. לכן, כל התמיסות האמיתיות של מלחים במים הן ליאופיליות, מכיוון שהחלקיקים (יונים) שלהם מחוברים חשמלית עם מולקולות קוטביות H2O. אם ניקח בחשבון מערכות כאלה כמו חמאה או מיונז, אז אלו הם נציגים של קולואידים הידרופוביים טיפוסיים, שכן מולקולות שומן (שומנים) בהן דוחות מולקולות קוטביות H2O.
חשוב לציין שמערכות ליופוביות (הידרופוביות אם הממס הוא מים) אינן יציבות מבחינה תרמודינמית, מה שמבדיל אותן ממערכות ליופיליות.
מאפייני השעיות
עכשיו שקול את המחלקה האחרונה של מערכות פיזור - מתלים. נזכיר שהם מאופיינים בעובדה שהחלקיק הקטן ביותר בהם גדול מ-100 ננומטר או בסדר גודל של 100 ננומטר. אילו תכונות יש להם? הרשימה המתאימה ניתנת להלן:
- הם לא יציבים מבחינה מכנית, ולכן הם יוצרים משקעים תוך פרק זמן קצר.
- הם מעוננים ואטומים לאור השמש.
- ניתן להפריד בין שלב לאמצעי באמצעות נייר סינון.
דוגמאות לתרחיות בטבע כוללות מים בוציים בנהרות או אפר וולקני. שימוש אנושי בהשעיות קשור כבדרך כלל עם תרופות (תמיסות תרופתיות).
קרישה
מה אפשר לומר על תערובות של חומרים בדרגות פיזור שונות? באופן חלקי, נושא זה כבר נדון במאמר, שכן בכל מערכת פיזור לחלקיקים יש גודל שנמצא בגבולות מסוימים. כאן אנו מתייחסים רק למקרה מוזר אחד. מה קורה אם מערבבים קולואיד ותמיסת אלקטרוליט אמיתית? המערכת המשוקללת תישבר, והקרישה שלה תתרחש. הסיבה לכך נעוצה בהשפעת השדות החשמליים של יוני התמיסה האמיתיים על מטען פני השטח של חלקיקים קולואידים.
