Химические системы индивидуальные вещества или смеси веществ

Химические системы • индивидуальные вещества или смеси веществ, отделенные от окружающей среды реальной или воображаемой поверхностью раздела, способные обмениваться с другими телами (между собой) энергией и (или) веществом в результате взаимодействия которых устанавливается равновесное состояние системы.

Дисперсионные системы смесь, состоящая как минимум из двух веществ, которые совершенно или практически не смешиваются друг с другом и не реагируют друг с другом химически. Дисперсная фаза Дисперсионная среда Примеры Газ Смесь газов Жидкость Газ Туман Твердое вещество Газ Дым Жидкость Молоко (капельки жира распределены в воде) Жидкость Твердое вещество Жемчуг (мельчайшие капельки воды распределены в массе карбоната кальция) Твердое Вещество Твердое вещество Твердые растворы, сплавы

Классификация дисперсных систем по размерам частиц дисперсной фазы: • истинные растворы - системы с размером частиц менее 1 нм (10 -9 м), • коллоидные растворы от 1 до 100 нм, • суспензии и эмульсии больше 100 нм.

Истинные растворы Классификация по фазовому состоянию • твердые, • жидкие • газообразные По растворимости: • насыщенные, • ненасыщенные • пересыщенные растворы.

Взаимодействие дисперсионной среды и дисперсной фазы в жидких дисперсных систем включает: 1. диспергирование (дробление) вещества на более мелкие частицы, 2. гидратацию, взаимодействие дисперсной фазы с водой (или сольватацию в случае другой жидкости), 3. диффузию – процесс выравнивания концентрации дисперсионной фазы в дисперсионной среде.

Свойства растворов 1. способность замерзать при более низкой температуре и закипать при более высокой температуре по сравнению с чистым растворителем. Закон Рауля: понижение температуры замерзания Δtзам и повышение температуры кипения Δtкип раствора по сравнению с чистым растворителем пропорциональны числу частиц растворенного вещества (молярной концентрации раствора) и не зависят от природы растворенного вещества.

• При известной молярной концентрации раствора (С) Δtзам = К 1 С, Δtкип = К 2 С, где К 1 - криоскопическая константа, К 2 эбуллиоскопическая константа. • Криоскопическая константа показывает на сколько градусов понизится температура замерзания, если в 1000 г растворителя добавить 1 моль какого-либо вещества. • Эбуллиоскопическая константа показывает на сколько градусов понизится температура кипения, если в 1000 г растворителя добавить 1 моль какоголибо вещества. • Для воды в одномолярных водных растворах константы составляют соответственно К 1 =1, 86 °С, К 2 =0, 51°С. С=5/0, 51=10

Изотонический коэффициент i связан со степенью диссоциации формулой: α = (i-1)/(n-1), где n- число ионов, образующихся при диссоциации одной молекулы. Коэффициент можно вычислить, измеряя температуру кипения или замерзания раствора или его осмотическое давление и сравнивая эти характеристики с расчетными: i =Δtзам / Δtзам(расч); i = Δtкип / Δtкип(расч); i = росм. / росм (расч).

Коллоидные системы • отличаются от растворов меньшей устойчивостью. • Их свойства зависят от крупности частиц дисперсионной фазы. в зависимости от размеров частиц могут иметь различную окраску. Например, золи золота могут быть синими, фиолетовыми, вишневыми, рубиново-красными. • В отличие от истинных растворов для золей характерен эффект Тиндаля, т. е. рассеяние света коллоидными частицами. При пропускании через золь пучка света появляется светлый конус, видимый в затемненном помещении.

• Золи разрушаются, т. е. соединяются в более крупные частицы, агрегаты, и осаждаются только при создании определённых условий в системе: • 1) При добавлении к золю электролита. • 2) При добавлении к золю другого золя. (Например, частицы золей металлов, сульфидов, кремниевой и оловянной кислот коагулируют при добавлении гидроксидов, оксидов металлов). • 3) При нагревании.

Примеры коллоидных систем : растворы полисахаридов, белков, нуклеиновых кислот, кремневой кислоты, жидкие растворы металлов (золи). Типы коллоидных систем : • молекулярные коллоиды – например белковые вещества, полимеры. • ассоциативные или мицеллярные коллоиды – например, мыла. • агрегаты атомов или молекул, образующиеся при диспергировании компактных веществ или конденсацией частиц в концентрированных истинных растворах.

Свойства коллоидных систем • Наличие поверхности раздела. дисперсной фазы и дисперсионной среды. • В поверхностном (межфазном) слое межмолекулярные силы некомпенсированы и возникает поверхностное натяжение. • Поверхностное натяжение σ характеризуется избыточной энергией, отнесенной к единице площади, его выражают в дж/м 2 или н/м. • Поверхностное натяжение уменьшается при повышении температуры, а также под действием поверхностно-активных веществ.

Модель процесса образования коллоидной частицы, на примере получения коллоидных частиц Ag. I по реакции KI c Ag. NO 3 в разбавленных растворах при избытке KI. • В первую очередь на поверхности агрегата адсорбируются ионы, из которых образовано его ядро, а также противоионы, образуя коллоидную гранулу, приобретающую за счет адсорбированных ионов электрический заряд дисперсионной среды. • Часть противоионов удерживается электростатическими силами. Они образуют диффузионный слой притивоионов. • Гранула вместе с этим слоем образует электронейтральную коллоидную частицу – мицеллу. • Заряженные одинаково гранулы электростатически отталкиваются друг от друга, что является одной из причин устойчивости коллоидных систем.

По способности к взаимодействию частиц веществ с молекулами воды различают • гидрофобные дисперсные системы (или лиофобные в случае другой жидкости), в которых связь веществ с молекулами воды непрочная. В них частицы дисперсной фазы слабо взаимодействуют с окружающей средой. Межфазное натяжение в таких системах велико, они термодинамически неустойчивы. • гидрофильные (или лиофильные), в которых связь дисперсионной среды и дисперсной фазы прочная.

• Гидрофобные коллоиды например молекулы жиров или отдельные радикалы (в жироподобных соединениях и белках), гидро- и органозоли металлов, окисей, сульфидов (золи). • Лиофильные коллоиды - гели желатинообразная студенистая масса. например, мицеллообразующие поверхностно – активные вещества (мыла, некоторые органические пигменты и красители).

Золи разрушаются, т. е. соединяются в более крупные частицы, агрегаты, и осаждаются только при: 1) При добавлении к золю электролита. 2) При добавлении к золю другого золя. (Например, частицы золей металлов, сульфидов, кремниевой и оловянной кислот коагулируют при добавлении гидроксидов, оксидов металлов). 3) При нагревании.

• Осмос- особый вид диффузии растворителя через полупроницаемую мембрану. • Свойствами полунепроницаемой мембраны обладают наружные слои цитоплазмы любой животной или растительной клетки. • Полунепроницаемая мембрана легко пропускает растворитель и задерживает большинство растворенных веществ.

Сила, вызывающая осмос –осмотическое давление росм=CTR, (для разбавленных растворов неэлектролитов) где. R- универсальная газовая постоянная равная 8314 Па Л/(моль К), Т- температура в градусах Кельвина, С- молярная концентрация растворенного вещества. Для электролитов с учетом изотонического коэффициента i росм. = i росм(расч). Коэффициент i равен отношению числа ионов в электролите к числу молекул.

• • • Суспензии и эмульсии В суспензии дисперсной фазой является твердое вещество, а дисперсионной средой — жидкость. Суспензии классифицируются по нескольким признакам: 1. По природе дисперсионной среды: органосуспензии (дисперсионная среда органическая жидкость) и водные суспензии. 2. По размерам частиц дисперсной фазы: грубые суспензии (d > 10 -2 см), тонкие суспензии (10 -5< d < 10 -2 см), мути (10 -5< d < 5· 10 -5 см). 3. По концентрации частиц дисперсной фазы: разбавленные суспензии (взвеси) и концентрированные суспензии (пасты).

• • • Эмульсии Система «жидкость - жидкость» . Обе жидкости должны быть нерастворимы или мало растворимы друг в друге, а в системе должен присутствовать стабилизатор, называемый эмульгатором. Эмульсии классифицируются: 1. По состоянию дисперсной среды и дисперсной фазы: - масло в воде - вода в масле 2. По концентрации: а) Разбавленные 0, 01 - 0, 1%; б) Концентрированные до 74%; в) Высоко концентрированные до 90%.

• Эмульсия тем седиментационно устойчивее, чем ближе плотность обоих фаз. • Отличительной особенностью эмульсий является сферическая форма частиц (капель). • Для эмульсий характерно свойство обращения фаз. При введении в эмульсию в условиях интенсивного перемешивания большого количества поверхностно-активных веществ (ПАВ), являющегося стабилизатором эмульсии противоположного типа, первоначальная эмульсия может обращаться, т. е. дисперсная фаза становится дисперсионной средой и наоборот (масло + вода = вода + масло)

Энергетический баланс при образовании дисперсионной системы Е дисперсной фазы + Е дисперсионной среды → Е дисперсионной системы + Е образования системы • Энергия образования системы связана с энергией разрушения соотношением: Е обр. = - Е разр. ,