สารรอบตัวเราส่วนใหญ่เป็นของผสมของสารต่างๆ ดังนั้นการศึกษาคุณสมบัติของสารเหล่านี้จึงมีบทบาทสำคัญในการพัฒนาเคมี ยา อุตสาหกรรมอาหารและภาคอื่นๆ ของเศรษฐกิจ บทความนี้กล่าวถึงประเด็นต่างๆ เกี่ยวกับระดับของการกระจายตัว และผลกระทบต่อลักษณะของระบบอย่างไร
ระบบกระจายคืออะไร
ก่อนที่จะพูดถึงระดับของการกระจายตัว จำเป็นต้องชี้แจงว่าแนวคิดนี้สามารถนำไปใช้กับระบบใดได้
ลองนึกภาพว่าเรามีสารสองชนิดที่อาจต่างกันในองค์ประกอบทางเคมี เช่น เกลือแกงและน้ำบริสุทธิ์ หรือในสถานะการรวมตัว เช่น น้ำในของเหลวและของแข็งเดียวกัน (น้ำแข็ง) รัฐ ตอนนี้คุณต้องนำและผสมสารทั้งสองนี้และผสมให้เข้ากันอย่างเข้มข้น ผลจะเป็นอย่างไร? ขึ้นอยู่กับว่าปฏิกิริยาเคมีเกิดขึ้นระหว่างการผสมหรือไม่ เมื่อพูดถึงระบบกระจัดกระจาย เชื่อกันว่าเมื่อไม่มีปฏิกิริยาเกิดขึ้นในชั้นหิน กล่าวคือ สารตั้งต้นจะคงโครงสร้างไว้ที่ระดับจุลภาคและคุณสมบัติทางกายภาพโดยธรรมชาติ เช่น ความหนาแน่น สี การนำไฟฟ้า และอื่นๆ
ดังนั้น ระบบที่กระจัดกระจายจึงเป็นส่วนผสมทางกล ซึ่งเป็นผลมาจากสารตั้งแต่สองชนิดขึ้นไปผสมกัน เมื่อก่อตัวขึ้นจะใช้แนวคิดของ "ตัวกลางการกระจาย" และ "เฟส" สิ่งแรกมีคุณสมบัติของความต่อเนื่องภายในระบบและตามกฎแล้วจะพบได้ในปริมาณมาก ระยะที่สอง (ระยะกระจัดกระจาย) มีลักษณะเฉพาะของความไม่ต่อเนื่อง กล่าวคือ ในระบบจะอยู่ในรูปของอนุภาคขนาดเล็ก ซึ่งถูกจำกัดโดยพื้นผิวที่แยกพวกมันออกจากตัวกลาง
ระบบที่เป็นเนื้อเดียวกันและต่างกัน
เป็นที่แน่ชัดว่าทั้งสององค์ประกอบของระบบที่กระจัดกระจายจะแตกต่างกันในคุณสมบัติทางกายภาพของพวกมัน ตัวอย่างเช่น ถ้าคุณโยนทรายลงไปในน้ำแล้วคนให้เข้ากัน จะเห็นได้ชัดเจนว่าเม็ดทรายที่มีอยู่ในน้ำ ซึ่งมีสูตรทางเคมีคือ SiO2 จะไม่ต่างกัน ทางใดทางหนึ่งจากสภาพเมื่อไม่อยู่ในน้ำ ในกรณีเช่นนี้ เราพูดถึงความแตกต่าง กล่าวอีกนัยหนึ่ง ระบบที่ต่างกันเป็นส่วนผสมของหลายเฟส (สองเฟสขึ้นไป) หลังเป็นที่เข้าใจกันว่าเป็นระบบที่มีปริมาณ จำกัด ซึ่งมีลักษณะเฉพาะด้วยคุณสมบัติบางอย่าง ในตัวอย่างข้างต้น เรามีสองขั้นตอน: ทรายและน้ำ
อย่างไรก็ตาม ขนาดของอนุภาคของเฟสที่กระจายตัวเมื่อละลายในตัวกลางใดๆ อาจมีขนาดเล็กมากจนหยุดแสดงคุณสมบัติเฉพาะของพวกมัน ในกรณีนี้ มีคนพูดถึงสารที่เป็นเนื้อเดียวกันหรือเป็นเนื้อเดียวกัน แม้ว่าจะมีองค์ประกอบหลายอย่าง แต่ทั้งหมดนั้นก่อตัวเป็นเฟสเดียวตลอดทั้งโวลุ่มของระบบ ตัวอย่างของระบบที่เป็นเนื้อเดียวกันคือสารละลายของ NaCl ในน้ำ เมื่อมันละลาย เนื่องจากปฏิกิริยากับโมเลกุลของขั้ว H2O ผลึก NaCl จะสลายตัวเป็นไอออนบวกที่แยกจากกัน (Na+) และแอนไอออน (Cl-). พวกมันถูกผสมกับน้ำอย่างเป็นเนื้อเดียวกัน และไม่มีส่วนต่อประสานระหว่างตัวถูกละลายกับตัวทำละลายในระบบดังกล่าวอีกต่อไป
ขนาดอนุภาค
ระดับการกระจายตัวคืออะไร? ค่านี้ต้องได้รับการพิจารณาในรายละเอียดเพิ่มเติม เธอเป็นตัวแทนของอะไร? เป็นสัดส่วนผกผันกับขนาดอนุภาคของเฟสที่กระจัดกระจาย เป็นลักษณะเฉพาะที่รองรับการจำแนกประเภทของสารทั้งหมดที่อยู่ระหว่างการพิจารณา
เมื่อศึกษาระบบการกระจาย นักเรียนมักจะสับสนในชื่อของพวกเขา เพราะพวกเขาเชื่อว่าการจำแนกประเภทนั้นขึ้นอยู่กับสถานะของการรวมกลุ่มด้วย นี่ไม่เป็นความจริง. ของผสมของสถานะการรวมตัวที่แตกต่างกันมีชื่อต่างกันจริง ๆ ตัวอย่างเช่น อิมัลชันคือสสารน้ำ และละอองลอยแนะนำการมีอยู่ของเฟสของแก๊สแล้ว อย่างไรก็ตาม คุณสมบัติของระบบกระจายตัวขึ้นอยู่กับขนาดอนุภาคของเฟสที่ละลายในนั้นเป็นหลัก
การจำแนกประเภทที่ยอมรับโดยทั่วไป
การจำแนกประเภทระบบกระจายตามระดับของการกระจายได้รับด้านล่าง:
- หากขนาดอนุภาคแบบมีเงื่อนไขน้อยกว่า 1 นาโนเมตร ระบบดังกล่าวจะเรียกว่าวิธีแก้ปัญหาจริงหรือจริง
- ถ้าขนาดอนุภาคแบบมีเงื่อนไขอยู่ระหว่าง 1 นาโนเมตรถึง100 นาโนเมตร จากนั้นสารที่เป็นปัญหาจะเรียกว่าสารละลายคอลลอยด์
- ถ้าอนุภาคมีขนาดใหญ่กว่า 100 นาโนเมตร แสดงว่าเรากำลังพูดถึงสารแขวนลอยหรือสารแขวนลอย
เกี่ยวกับการจัดประเภทข้างต้น ขอชี้แจงสองประเด็น: ประการแรก ตัวเลขที่กำหนดเป็นตัวบ่งชี้ นั่นคือ ระบบที่ขนาดอนุภาค 3 นาโนเมตรไม่จำเป็นต้องเป็นคอลลอยด์ แต่ก็สามารถเป็นจริงได้ สารละลาย. สิ่งนี้สามารถกำหนดได้โดยการศึกษาคุณสมบัติทางกายภาพของมัน ประการที่สอง คุณอาจสังเกตเห็นว่ารายการใช้วลี "ขนาดตามเงื่อนไข" นี่เป็นเพราะความจริงที่ว่ารูปร่างของอนุภาคในระบบสามารถกำหนดเองได้อย่างสมบูรณ์ และในกรณีทั่วไปมีรูปทรงเรขาคณิตที่ซับซ้อน ดังนั้นพวกเขาจึงพูดถึงขนาดเฉลี่ย (ตามเงื่อนไข) ของพวกเขา
ในบทความ เราจะให้คำอธิบายสั้น ๆ เกี่ยวกับประเภทระบบกระจายตัวที่ระบุไว้
ทางออกที่แท้จริง
ดังที่กล่าวไว้ข้างต้น ระดับการกระจายตัวของอนุภาคในสารละลายจริงนั้นสูงมาก (ขนาดของพวกมันเล็กมาก < 1 นาโนเมตร) ที่ไม่มีส่วนต่อประสานระหว่างพวกมันกับตัวทำละลาย (ตัวกลาง) นั่นคือมี เป็นระบบเอกพันธ์แบบเฟสเดียว เพื่อความสมบูรณ์ของข้อมูล เราจำได้ว่าขนาดของอะตอมอยู่ในลำดับหนึ่งอังสตรอม (0.1 นาโนเมตร) ตัวเลขสุดท้ายระบุว่าอนุภาคในสารละลายจริงมีขนาดอะตอม
คุณสมบัติหลักของสารละลายจริงที่แยกความแตกต่างจากคอลลอยด์และสารแขวนลอยมีดังนี้:
- สภาพของสารละลายคงอยู่เป็นเวลานานโดยพลการไม่เปลี่ยนแปลง กล่าวคือ ไม่มีการตกตะกอนของเฟสที่กระจัดกระจาย
- ละลายสารไม่สามารถแยกออกจากตัวทำละลายโดยการกรองผ่านกระดาษธรรมดา
- สารยังไม่แยกจากกันเนื่องจากกระบวนการผ่านเมมเบรนที่มีรูพรุนซึ่งเรียกว่าการฟอกไตในวิชาเคมี
- มันเป็นไปได้ที่จะแยกตัวถูกละลายออกจากตัวทำละลายเท่านั้นโดยการเปลี่ยนสถานะของการรวมตัวของตัวหลัง ตัวอย่างเช่น โดยการระเหย
- สำหรับการแก้ปัญหาในอุดมคติ อิเล็กโทรไลซิสสามารถทำได้ กล่าวคือ กระแสไฟฟ้าสามารถส่งผ่านได้หากความต่างศักย์ (สองอิเล็กโทรด) ถูกนำไปใช้กับระบบ
- มันไม่กระจายแสง
ตัวอย่างสารละลายที่แท้จริงคือการผสมเกลือต่างๆ กับน้ำ เช่น NaCl (เกลือแกง), NaHCO3 (เบกกิ้งโซดา), KNO 3(โพแทสเซียมไนเตรต) และอื่นๆ
สารละลายคอลลอยด์
นี่คือระบบขั้นกลางระหว่างโซลูชั่นจริงและสารแขวนลอย อย่างไรก็ตาม พวกมันมีลักษณะเฉพาะหลายประการ มาลิสต์กัน:
- มีความเสถียรทางกลไกเป็นเวลานานโดยพลการหากสภาพแวดล้อมไม่เปลี่ยนแปลง เพียงพอที่จะทำให้ระบบร้อนหรือเปลี่ยนความเป็นกรด (ค่า pH) เนื่องจากคอลลอยด์จับตัวเป็นก้อน (ตกตะกอน)
- พวกมันจะไม่แยกจากกันโดยใช้กระดาษกรอง อย่างไรก็ตาม กระบวนการฟอกไตนำไปสู่การแยกเฟสที่กระจัดกระจายและตัวกลาง
- เช่นเดียวกับวิธีแก้ปัญหาจริง พวกเขาสามารถอิเล็กโทรไลต์ได้
- สำหรับระบบคอลลอยด์แบบโปร่งใส ลักษณะพิเศษที่เรียกว่า Tyndall effect คือการส่งผ่านลำแสงผ่านระบบนี้ คุณจะเห็นได้ มันเชื่อมต่อกับการกระเจิงของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในส่วนที่มองเห็นได้ของสเปกตรัมในทุกทิศทาง
- ความสามารถในการดูดซับสารอื่นๆ
ระบบคอลลอยด์เนื่องจากคุณสมบัติที่ระบุไว้ มนุษย์ใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านกิจกรรมต่างๆ (อุตสาหกรรมอาหาร เคมี) และมักพบในธรรมชาติเช่นกัน ตัวอย่างของคอลลอยด์คือเนย มายองเนส ในธรรมชาติ สิ่งเหล่านี้คือหมอก เมฆ
ก่อนดำเนินการต่อกับคำอธิบายของระบบกระจายตัวชั้นสุดท้าย (ที่สาม) ให้เราอธิบายรายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับคุณสมบัติที่มีชื่อสำหรับคอลลอยด์
สารละลายคอลลอยด์คืออะไร
สำหรับระบบกระจายชนิดนี้ สามารถจำแนกประเภทได้ โดยคำนึงถึงสถานะรวมต่างๆ ของตัวกลางและเฟสที่ละลายอยู่ในนั้น ด้านล่างเป็นตารางที่เกี่ยวข้อง/
| วันพุธ/เฟส | แก๊ส | ของเหลว | ตัวแข็ง |
| แก๊ส | ก๊าซทั้งหมดสามารถละลายได้ไม่สิ้นสุด ดังนั้นพวกมันจึงก่อตัวเป็นสารละลายที่แท้จริงเสมอ | ละอองลอย (หมอก เมฆ) | ละออง (ควัน) |
| ของเหลว | โฟม (ที่โกนหนวด, วิปครีม) | อิมัลชัน (นม มายองเนส ซอส) | โซล (สีน้ำ) |
| ตัวแข็ง | โฟม (ภูเขาไฟ, ช็อกโกแลตอัดลม) | เจล (เจลาติน, ชีส) | โซล (คริสตัลทับทิม หินแกรนิต) |
ตารางแสดงให้เห็นว่าสารคอลลอยด์มีอยู่ทุกที่ ทั้งในชีวิตประจำวันและในธรรมชาติ โปรดทราบว่าสามารถให้ตารางที่คล้ายกันสำหรับการระงับโดยจำไว้ว่าความแตกต่างกับคอลลอยด์ในนั้นมีขนาดของเฟสที่กระจายตัวเท่านั้น อย่างไรก็ตาม สารแขวนลอยมีความเสถียรทางกลไก ดังนั้นจึงมีประโยชน์ในทางปฏิบัติน้อยกว่าระบบคอลลอยด์
เหตุผลของความเสถียรทางกลของคอลลอยด์
ทำไมมายองเนสจึงนอนในตู้เย็นได้นานและอนุภาคแขวนลอยในนั้นไม่ตกตะกอน? ทำไมไม่ทาสีอนุภาคที่ละลายในน้ำในที่สุด "ตก" ไปที่ก้นภาชนะ? คำตอบของคำถามเหล่านี้คือ บราวเนียนโมชั่น
การเคลื่อนไหวประเภทนี้ถูกค้นพบในช่วงครึ่งแรกของศตวรรษที่ 19 โดยนักพฤกษศาสตร์ชาวอังกฤษ Robert Brown ซึ่งสังเกตภายใต้กล้องจุลทรรศน์ว่าอนุภาคละอองเกสรขนาดเล็กเคลื่อนที่อย่างไรในน้ำ จากมุมมองทางกายภาพ การเคลื่อนที่แบบบราวเนียนเป็นการรวมตัวกันของการเคลื่อนที่ที่วุ่นวายของโมเลกุลของเหลว ความเข้มข้นจะเพิ่มขึ้นหากอุณหภูมิของของเหลวสูงขึ้น การเคลื่อนที่ในลักษณะนี้ทำให้อนุภาคขนาดเล็กของสารละลายคอลลอยด์ถูกระงับ
คุณสมบัติการดูดซับ
Dispersity คือส่วนกลับของขนาดอนุภาคเฉลี่ย เนื่องจากคอลลอยด์ขนาดนี้อยู่ในช่วงตั้งแต่ 1 นาโนเมตรถึง 100 นาโนเมตร พวกมันจึงมีพื้นผิวที่พัฒนาอย่างมาก กล่าวคือ อัตราส่วน S / m มีค่ามาก ในที่นี้ S คือพื้นที่ส่วนต่อประสานทั้งหมดระหว่างสองเฟส (ตัวกลางการกระจาย และอนุภาค) m - มวลรวมของอนุภาคในสารละลาย
อะตอมที่อยู่บนพื้นผิวของอนุภาคในระยะกระจัดกระจายมีพันธะเคมีที่ไม่อิ่มตัว ซึ่งหมายความว่าพวกมันสามารถก่อตัวเป็นสารประกอบร่วมกับตัวอื่นได้โมเลกุล ตามกฎแล้วสารประกอบเหล่านี้เกิดขึ้นเนื่องจากแรงแวนเดอร์วาลส์หรือพันธะไฮโดรเจน พวกเขาสามารถเก็บโมเลกุลหลายชั้นบนพื้นผิวของอนุภาคคอลลอยด์
ตัวอย่างคลาสสิกของตัวดูดซับคือถ่านกัมมันต์ เป็นคอลลอยด์ โดยที่ตัวกลางกระจายตัวเป็นของแข็ง และเฟสเป็นแก๊ส พื้นที่ผิวจำเพาะของมันสามารถเข้าถึง 2500 m2/g.
ระดับความวิจิตรและพื้นที่ผิวจำเพาะ
การคำนวณ S/m ไม่ใช่เรื่องง่าย ความจริงก็คืออนุภาคในสารละลายคอลลอยด์มีขนาด รูปร่าง และพื้นผิวของแต่ละอนุภาคมีความพิเศษเฉพาะตัว ดังนั้น วิธีการเชิงทฤษฎีในการแก้ปัญหานี้จะนำไปสู่ผลลัพธ์เชิงคุณภาพ ไม่ใช่เชิงปริมาณ อย่างไรก็ตาม การให้สูตรสำหรับพื้นที่ผิวจำเพาะจากระดับการกระจายตัวจะเป็นประโยชน์
ถ้าเราคิดว่าอนุภาคทั้งหมดของระบบมีรูปร่างเป็นทรงกลมและมีขนาดเท่ากัน จากการคำนวณอย่างตรงไปตรงมา จะได้นิพจน์ต่อไปนี้: Sud=6/(dρ) โดยที่ Sud - พื้นที่ผิว (เฉพาะ), d - เส้นผ่านศูนย์กลางอนุภาค ρ - ความหนาแน่นของสารที่ประกอบด้วย จะเห็นได้จากสูตรที่ว่าอนุภาคที่เล็กที่สุดและหนักที่สุดจะมีส่วนทำให้เกิดปริมาณที่พิจารณามากที่สุด
วิธีทดลองเพื่อหาค่า Sud คือการคำนวณปริมาตรของก๊าซที่ถูกดูดซับโดยสารที่ทำการศึกษา ตลอดจนการวัดขนาดรูพรุน (เฟสกระจาย) ในนั้น
แช่เยือกแข็งและไม่ชอบน้ำ
Lyophilicity และ lyophobicity - นี่คือลักษณะที่อันที่จริงเป็นตัวกำหนดการมีอยู่ของการจำแนกประเภทของระบบการกระจายตัวในรูปแบบที่ให้ไว้ข้างต้น แนวความคิดทั้งสองมีลักษณะเฉพาะของแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลของตัวทำละลายและตัวถูกละลาย หากความสัมพันธ์นี้มีขนาดใหญ่ แสดงว่าพวกเขาพูดถึงความเยือกเย็น ดังนั้น สารละลายที่แท้จริงของเกลือในน้ำจึงเป็นแบบแห้ง เนื่องจากอนุภาค (ไอออน) ของพวกมันเชื่อมต่อทางไฟฟ้ากับโมเลกุลขั้ว H2O หากเราพิจารณาว่าระบบดังกล่าวเป็นเนยหรือมายองเนส สิ่งเหล่านี้เป็นตัวแทนของคอลลอยด์ที่ชอบน้ำทั่วไป เนื่องจากโมเลกุลของไขมัน (ลิปิด) ในตัวพวกมันขับไล่โมเลกุลของขั้ว H2O.
สิ่งสำคัญคือต้องสังเกตว่าระบบ lyophobic (ไม่ชอบน้ำถ้าตัวทำละลายเป็นน้ำ) นั้นไม่เสถียรทางอุณหพลศาสตร์ ซึ่งแยกความแตกต่างจากระบบ lyophilic
คุณสมบัติของสารแขวนลอย
ลองพิจารณาระบบกันกระเทือนรุ่นสุดท้าย - สารแขวนลอย จำได้ว่าพวกมันมีลักษณะเฉพาะจากความจริงที่ว่าอนุภาคที่เล็กที่สุดในพวกมันนั้นใหญ่กว่าหรือของ 100 นาโนเมตร พวกเขามีคุณสมบัติอะไรบ้าง? รายการที่เกี่ยวข้องได้รับด้านล่าง:
- กลไกไม่เสถียรจึงก่อตัวเป็นตะกอนในช่วงเวลาสั้นๆ
- เมฆครึ้มและทึบแสงต่อแสงแดด
- แยกเฟสจากกระดาษกรองได้
ตัวอย่างสารแขวนลอยในธรรมชาติ ได้แก่ น้ำโคลนในแม่น้ำหรือเถ้าภูเขาไฟ การใช้สารแขวนลอยของมนุษย์มีความเกี่ยวข้องเช่นปกติจะกินยา (ยาแก้แพ้)
แข็งตัว
จะพูดอย่างไรเกี่ยวกับของผสมของสารที่มีระดับการกระจายตัวต่างกัน บางส่วน ปัญหานี้ได้กล่าวถึงไปแล้วในบทความ เนื่องจากในระบบการกระจัดกระจาย อนุภาคจะมีขนาดที่อยู่ภายในขอบเขตที่กำหนด ที่นี่เราพิจารณาเพียงกรณีเดียวเท่านั้น จะเกิดอะไรขึ้นถ้าคุณผสมคอลลอยด์กับสารละลายอิเล็กโทรไลต์ที่แท้จริง ระบบถ่วงน้ำหนักจะขาดและเกิดการแข็งตัว เหตุผลก็คืออิทธิพลของสนามไฟฟ้าของไอออนของสารละลายที่แท้จริงที่มีต่อประจุที่พื้นผิวของอนุภาคคอลลอยด์