La plupart des substances qui nous entourent sont des mélanges de diverses substances, de sorte que l'étude de leurs propriétés joue un rôle important dans le développement de la chimie, de la médecine, de l'industrie alimentaire et d'autres secteurs de l'économie. L'article traite des questions de savoir quel est le degré de dispersion et comment il affecte les caractéristiques du système.
Que sont les systèmes dispersés ?
Avant de discuter du degré de dispersion, il est nécessaire de clarifier à quels systèmes ce concept peut être appliqué.
Imaginons que nous ayons deux substances différentes qui peuvent différer l'une de l'autre dans la composition chimique, par exemple, le sel de table et l'eau pure, ou dans l'état d'agrégation, par exemple, la même eau sous forme liquide et solide (glace). Maintenant, vous devez prendre et mélanger ces deux substances et les mélanger intensément. Quel sera le résultat ? Cela dépend si la réaction chimique a eu lieu pendant le mélange ou non. Lorsqu'on parle de systèmes dispersés, on pense que lorsqu'ilsaucune réaction ne se produit dans la formation, c'est-à-dire que les substances initiales conservent leur structure au niveau micro et leurs propriétés physiques inhérentes, telles que la densité, la couleur, la conductivité électrique et autres.
Ainsi, un système dispersé est un mélange mécanique, à la suite duquel deux substances ou plus sont mélangées entre elles. Lors de sa formation, les notions de « milieu de dispersion » et de « phase » sont utilisées. Le premier a la propriété de continuité à l'intérieur du système et, en règle générale, s'y trouve en quantité relative importante. La seconde (phase dispersée) se caractérise par la propriété de discontinuité, c'est-à-dire qu'elle se présente dans le système sous la forme de petites particules, qui sont limitées par la surface qui les sépare du milieu.
Systèmes homogènes et hétérogènes
Il est clair que ces deux composants du système dispersé auront des propriétés physiques différentes. Par exemple, si vous jetez du sable dans l'eau et que vous le remuez, il est clair que les grains de sable qui existent dans l'eau, dont la formule chimique est SiO2, ne différeront pas en aucune façon de l'état où ils n'étaient pas dans l'eau. On parle alors d'hétérogénéité. En d'autres termes, un système hétérogène est un mélange de plusieurs phases (deux ou plus). Ce dernier est compris comme un volume fini du système, caractérisé par certaines propriétés. Dans l'exemple ci-dessus, nous avons deux phases: le sable et l'eau.
Cependant, la taille des particules de la phase dispersée lorsqu'elles sont dissoutes dans n'importe quel milieu peut devenir si petite qu'elles cessent de montrer leurs propriétés individuelles. Dans ce cas, on parle desubstances homogènes ou homogènes. Bien qu'ils contiennent plusieurs composants, ils forment tous une phase dans tout le volume du système. Un exemple de système homogène est une solution de NaCl dans l'eau. Lorsqu'il se dissout, en raison de l'interaction avec les molécules polaires H2O, le cristal de NaCl se décompose en cations séparés (Na+) et en anions (Cl-). Ils sont mélangés de manière homogène avec de l'eau, et il n'est plus possible de trouver l'interface entre le soluté et le solvant dans un tel système.
Taille des particules
Quel est le degré de dispersion ? Cette valeur doit être considérée plus en détail. Que représente-t-elle ? Elle est inversement proportionnelle à la granulométrie de la phase dispersée. C'est cette caractéristique qui sous-tend la classification de toutes les substances considérées.
Lorsqu'ils étudient les systèmes dispersés, les étudiants sont souvent confus dans leurs noms, car ils pensent que leur classification est également basée sur l'état d'agrégation. Ce n'est pas vrai. Les mélanges de différents états d'agrégation ont vraiment des noms différents, par exemple, les émulsions sont des substances aqueuses et les aérosols suggèrent déjà l'existence d'une phase gazeuse. Cependant, les propriétés des systèmes dispersés dépendent principalement de la taille des particules de la phase qui y est dissoute.
Classification généralement acceptée
La classification des systèmes dispersés en fonction du degré de dispersion est donnée ci-dessous:
- Si la taille conditionnelle des particules est inférieure à 1 nm, alors ces systèmes sont appelés solutions réelles ou vraies.
- Si la taille conditionnelle des particules est comprise entre 1 nm et100 nm, alors la substance en question sera appelée une solution colloïdale.
- Si les particules sont supérieures à 100 nm, on parle alors de suspensions ou de suspensions.
En ce qui concerne la classification ci-dessus, clarifions deux points: premièrement, les chiffres donnés sont indicatifs, c'est-à-dire qu'un système dans lequel la taille des particules est de 3 nm n'est pas nécessairement un colloïde, il peut aussi être un vrai Solution. Ceci peut être établi en étudiant ses propriétés physiques. Deuxièmement, vous remarquerez peut-être que la liste utilise l'expression "taille conditionnelle". Cela est dû au fait que la forme des particules dans le système peut être complètement arbitraire et, dans le cas général, a une géométrie complexe. Par conséquent, ils parlent d'une taille moyenne (conditionnelle) d'entre eux.
Plus tard dans l'article, nous donnerons une brève description des types de systèmes dispersés notés.
Véritables solutions
Comme mentionné ci-dessus, le degré de dispersion des particules dans les solutions réelles est si élevé (leur taille est très petite, < 1 nm) qu'il n'y a pas d'interface entre elles et le solvant (milieu), c'est-à-dire qu'il est un système homogène monophasé. Pour être complet, rappelons que la taille d'un atome est de l'ordre d'un angström (0,1 nm). Le dernier chiffre indique que les particules dans les solutions réelles sont de taille atomique.
Les principales propriétés des vraies solutions qui les distinguent des colloïdes et des suspensions sont les suivantes:
- L'état de la solution existe pendant un temps arbitrairement long inchangé, c'est-à-dire qu'aucun précipité de la phase dispersée ne se forme.
- Dissousla substance ne peut pas être séparée du solvant par filtration sur du papier ordinaire.
- La substance n'est pas non plus séparée à la suite du processus de passage à travers la membrane poreuse, appelé dialyse en chimie.
- Il est possible de séparer un soluté d'un solvant uniquement en modifiant l'état d'agrégation de ce dernier, par exemple par évaporation.
- Pour des solutions idéales, l'électrolyse peut être effectuée, c'est-à-dire qu'un courant électrique peut être passé si une différence de potentiel (deux électrodes) est appliquée au système.
- Ils ne diffusent pas la lumière.
Un exemple de vraie solution est le mélange de divers sels avec de l'eau, par exemple, NaCl (sel de table), NaHCO3 (bicarbonate de soude), KNO 3(nitrate de potassium) et autres.
Solutions colloïdes
Ce sont des systèmes intermédiaires entre les vraies solutions et les suspensions. Cependant, ils ont un certain nombre de caractéristiques uniques. Listons-les:
- Ils sont mécaniquement stables pendant une durée arbitrairement longue si les conditions environnementales ne changent pas. Il suffit de chauffer le système ou de modifier son acidité (pH), car le colloïde coagule (précipite).
- Ils ne sont pas séparés à l'aide de papier filtre, cependant, le processus de dialyse conduit à la séparation de la phase dispersée et du milieu.
- Comme pour les vraies solutions, elles peuvent être électrolysées.
- Pour les systèmes colloïdaux transparents, l'effet dit Tyndall est caractéristique: en passant un faisceau de lumière à travers ce système, vous pouvez le voir. Il est lié àdiffusion des ondes électromagnétiques dans la partie visible du spectre dans toutes les directions.
- Capacité à adsorber d'autres substances.
Les systèmes colloïdaux, en raison des propriétés énumérées, sont largement utilisés par l'homme dans divers domaines d'activité (industrie alimentaire, chimie), et se retrouvent également souvent dans la nature. Un exemple de colloïde est le beurre, la mayonnaise. Dans la nature, ce sont des brouillards, des nuages.
Avant de passer à la description de la dernière (troisième) classe de systèmes dispersés, expliquons plus en détail certaines des propriétés nommées pour les colloïdes.
Que sont les solutions colloïdales ?
Pour ce type de systèmes dispersés, la classification peut être donnée en tenant compte des différents états agrégés du milieu et de la phase qui y est dissoute. Ci-dessous le tableau correspondant/
| Mercredi/Phase | Gaz | Liquide | Corps rigide |
| gaz | tous les gaz sont infiniment solubles les uns dans les autres, ils forment donc toujours de vraies solutions | aérosol (brouillard, nuages) | aérosol (fumée) |
| liquide | mousse (rasage, chantilly) | émulsion (lait, mayonnaise, sauce) | sol (aquarelles) |
| corps solide | mousse (pierre ponce, chocolat aéré) | gel (gélatine, fromage) | sol (cristal de rubis, granit) |
Le tableau montre que les substances colloïdales sont présentes partout, aussi bien dans la vie de tous les jours que dans la nature. A noter qu'un tableau similaire peut également être donné pour les suspensions, en se rappelant que la différence aveccolloïdes en eux est seulement dans la taille de la phase dispersée. Cependant, les suspensions sont mécaniquement instables et présentent donc moins d'intérêt pratique que les systèmes colloïdaux.
La raison de la stabilité mécanique des colloïdes
Pourquoi la mayonnaise peut rester longtemps au réfrigérateur et les particules en suspension ne précipitent pas ? Pourquoi les particules de peinture dissoutes dans l'eau ne finissent-elles pas par « tomber » au fond du récipient ? La réponse à ces questions sera le mouvement brownien.
Ce type de mouvement a été découvert dans la première moitié du XIXe siècle par le botaniste anglais Robert Brown, qui a observé au microscope comment les petites particules de pollen se déplaçaient dans l'eau. D'un point de vue physique, le mouvement brownien est une manifestation du mouvement chaotique des molécules liquides. Son intensité augmente si la température du liquide est élevée. C'est ce type de mouvement qui provoque la mise en suspension de petites particules de solutions colloïdales.
Propriété d'adsorption
La dispersité est l'inverse de la taille moyenne des particules. Comme cette taille dans les colloïdes est comprise entre 1 nm et 100 nm, ils ont une surface très développée, c'est-à-dire que le rapport S / m est une grande valeur, ici S est la surface totale d'interface entre les deux phases (milieu de dispersion et particules), m - masse totale des particules en solution.
Les atomes qui se trouvent à la surface des particules de la phase dispersée ont des liaisons chimiques insaturées. Cela signifie qu'ils peuvent former des composés avec d'autresmolécules. En règle générale, ces composés sont dus aux forces de van der Waals ou aux liaisons hydrogène. Ils sont capables de retenir plusieurs couches de molécules à la surface des particules colloïdales.
Un exemple classique d'adsorbant est le charbon actif. C'est un colloïde, où le milieu de dispersion est un solide et la phase est un gaz. Sa surface spécifique peut atteindre 2500 m2/g.
Degré de finesse et surface spécifique
Calculer S/m n'est pas une tâche facile. Le fait est que les particules d'une solution colloïdale ont des tailles, des formes différentes et que la surface de chaque particule a un relief unique. Par conséquent, les méthodes théoriques pour résoudre ce problème conduisent à des résultats qualitatifs et non quantitatifs. Néanmoins, il est utile de donner la formule de la surface spécifique à partir du degré de dispersion.
Si nous supposons que toutes les particules du système ont une forme sphérique et la même taille, alors à la suite de calculs simples, l'expression suivante est obtenue: Sud=6/(dρ), où Sud - surface (spécifique), d - diamètre des particules, ρ - densité de la substance qui les compose. Il ressort de la formule que les particules les plus petites et les plus lourdes contribueront le plus à la quantité considérée.
La manière expérimentale de déterminer Sud consiste à calculer le volume de gaz adsorbé par la substance étudiée, ainsi qu'à mesurer la taille des pores (phase dispersée) dedans.
Lyophilisation etlyophobe
Lyophilie et lyophobicité - ce sont les caractéristiques qui, en fait, déterminent l'existence de la classification des systèmes dispersés sous la forme dans laquelle elle est donnée ci-dessus. Les deux concepts caractérisent la liaison de force entre les molécules du solvant et le soluté. Si cette relation est importante, alors ils parlent de lyophilisation. Ainsi, toutes les vraies solutions de sels dans l'eau sont lyophiles, puisque leurs particules (ions) sont électriquement connectées aux molécules polaires H2O. Si nous considérons des systèmes tels que le beurre ou la mayonnaise, alors ce sont des représentants de colloïdes hydrophobes typiques, car les molécules de graisse (lipides) qu'ils contiennent repoussent les molécules polaires H2O.
Il est important de noter que les systèmes lyophobes (hydrophobes si le solvant est l'eau) sont thermodynamiquement instables, ce qui les distingue des systèmes lyophiles.
Propriétés des suspensions
Considérez maintenant la dernière classe de systèmes dispersés - les suspensions. Rappelons qu'ils se caractérisent par le fait que la plus petite particule qu'ils contiennent est supérieure ou de l'ordre de 100 nm. Quelles propriétés ont-ils ? La liste correspondante est donnée ci-dessous:
- Ils sont mécaniquement instables, ils forment donc des sédiments en peu de temps.
- Ils sont nuageux et opaques à la lumière du soleil.
- La phase peut être séparée du milieu avec du papier filtre.
Des exemples de suspensions dans la nature incluent l'eau boueuse dans les rivières ou les cendres volcaniques. L'utilisation humaine des suspensions est associée àgénéralement avec des médicaments (solutions médicamenteuses).
Coagulation
Que peut-on dire des mélanges de substances avec différents degrés de dispersion ? En partie, ce problème a déjà été traité dans l'article, car dans tout système dispersé, les particules ont une taille qui se situe dans certaines limites. Nous ne considérons ici qu'un cas curieux. Que se passe-t-il si vous mélangez un colloïde et une véritable solution d'électrolyte ? Le système pondéré sera brisé et sa coagulation se produira. Sa raison réside dans l'influence des champs électriques des vrais ions de la solution sur la charge de surface des particules colloïdales.
