Grau de dispersão. fase dispersa. Meio de dispersão

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Última modificação: 2023-12-17 05:39

A maioria das substâncias que nos rodeiam são misturas de várias substâncias, por isso o estudo de suas propriedades desempenha um papel importante no desenvolvimento da química, medicina, indústria alimentícia e outros setores da economia. O artigo discute as questões do que é o grau de dispersão e como isso afeta as características do sistema.

O que são sistemas dispersos?

Antes de discutir o grau de dispersão, é necessário esclarecer em quais sistemas esse conceito pode ser aplicado.

Vamos imaginar que temos duas substâncias diferentes que podem diferir uma da outra na composição química, por exemplo, sal de mesa e água pura, ou no estado de agregação, por exemplo, a mesma água em estado líquido e sólido (gelo) estados. Agora você precisa pegar e misturar essas duas substâncias e misturá-las intensamente. Qual será o resultado? Depende se a reação química ocorreu durante a mistura ou não. Quando se fala em sistemas dispersos, acredita-se que quando elesnenhuma reação ocorre na formação, ou seja, as substâncias iniciais mantêm sua estrutura no nível micro e suas propriedades físicas inerentes, como densidade, cor, condutividade elétrica e outras.

Assim, um sistema disperso é uma mistura mecânica, como resultado da qual duas ou mais substâncias são misturadas entre si. Quando se forma, são utilizados os conceitos de "meio de dispersão" e "fase". O primeiro tem a propriedade de continuidade dentro do sistema e, via de regra, é encontrado nele em grande quantidade relativa. A segunda (fase dispersa) é caracterizada pela propriedade de descontinuidade, ou seja, no sistema está na forma de pequenas partículas, que são limitadas pela superfície que as separa do meio.

Sistemas homogêneos e heterogêneos

Está claro que esses dois componentes do sistema disperso diferirão em suas propriedades físicas. Por exemplo, se você joga areia na água e a agita, fica claro que os grãos de areia que existem na água, cuja fórmula química é SiO₂, não serão diferentes de qualquer forma do estado quando não estavam na água. Nesses casos, fala-se de heterogeneidade. Em outras palavras, um sistema heterogêneo é uma mistura de várias (duas ou mais) fases. Este último é entendido como algum volume finito do sistema, que é caracterizado por certas propriedades. No exemplo acima, temos duas fases: areia e água.

No entanto, o tamanho das partículas da fase dispersa quando são dissolvidas em qualquer meio pode se tornar tão pequeno que elas deixam de mostrar suas propriedades individuais. Neste caso, fala-se desubstâncias homogêneas ou homogêneas. Embora contenham vários componentes, todos eles formam uma fase em todo o volume do sistema. Um exemplo de sistema homogêneo é uma solução de NaCl em água. Quando se dissolve, devido à interação com moléculas polares H₂O, o cristal de NaCl se decompõe em cátions separados (Na⁺) e ânions (Cl-^{). Eles são misturados homogeneamente com água, não sendo mais possível encontrar a interface entre o soluto e o solvente em tal sistema.}

Tamanho da partícula

Qual é o grau de dispersão? Esse valor precisa ser considerado com mais detalhes. O que ela representa? É inversamente proporcional ao tamanho de partícula da fase dispersa. É esta característica que fundamenta a classificação de todas as substâncias consideradas.

Ao estudar sistemas dispersos, os alunos muitas vezes ficam confusos em seus nomes, porque acreditam que sua classificação também é baseada no estado de agregação. Isso não é verdade. Misturas de diferentes estados de agregação realmente têm nomes diferentes, por exemplo, emulsões são substâncias aquosas e aerossóis já sugerem a existência de uma fase gasosa. No entanto, as propriedades dos sistemas dispersos dependem principalmente do tamanho das partículas da fase dissolvida neles.

Classificação geralmente aceita

A classificação dos sistemas dispersos de acordo com o grau de dispersão é dada abaixo:

Se o tamanho de partícula condicional for menor que 1 nm, então tais sistemas são chamados de soluções reais ou verdadeiras.
Se o tamanho de partícula condicional estiver entre 1 nm e100 nm, então a substância em questão será chamada de solução coloidal.
Se as partículas forem maiores que 100 nm, estamos falando de suspensões ou suspensões.

Com relação à classificação acima, vamos esclarecer dois pontos: em primeiro lugar, os números dados são indicativos, ou seja, um sistema em que o tamanho de partícula é de 3 nm não é necessariamente um colóide, também pode ser um verdadeiro solução. Isso pode ser estabelecido estudando suas propriedades físicas. Em segundo lugar, você pode notar que a lista usa a frase "tamanho condicional". Isso se deve ao fato de que a forma das partículas no sistema pode ser completamente arbitrária e, no caso geral, ter uma geometria complexa. Portanto, eles falam de algum tamanho médio (condicional) deles.

Mais adiante no artigo, faremos uma breve descrição dos tipos observados de sistemas dispersos.

Soluções verdadeiras

Como mencionado acima, o grau de dispersão das partículas em soluções reais é tão alto (seu tamanho é muito pequeno, < 1 nm) que não há interface entre elas e o solvente (meio), ou seja, não há é um sistema homogêneo monofásico. Para completar as informações, lembramos que o tamanho de um átomo é da ordem de um angstrom (0,1 nm). O último número indica que as partículas em soluções reais são de tamanho atômico.

As principais propriedades das soluções verdadeiras que as distinguem de colóides e suspensões são as seguintes:

O estado da solução existe por um tempo arbitrariamente longo in alterado, ou seja, nenhum precipitado da fase dispersa é formado.
Dissolvidoa substância não pode ser separada do solvente por filtração em papel comum.
A substância também não é separada como resultado do processo de passagem pela membrana porosa, que é chamado de diálise em química.
É possível separar um soluto de um solvente apenas alterando o estado de agregação deste último, por exemplo, por evaporação.
Para soluções ideais, a eletrólise pode ser realizada, ou seja, uma corrente elétrica pode ser passada se uma diferença de potencial (dois eletrodos) for aplicada ao sistema.
Eles não espalham luz.

Um exemplo de soluções verdadeiras é a mistura de vários sais com água, por exemplo, NaCl (sal de mesa), NaHCO₃ (bicarbonato de sódio), KNO _{3(nitrato de potássio) e outros.}

Soluções colóides

São sistemas intermediários entre soluções reais e suspensões. No entanto, eles têm uma série de características únicas. Vamos listá-los:

Eles são mecanicamente estáveis por um tempo arbitrariamente longo se as condições ambientais não mudarem. Basta aquecer o sistema ou alterar sua acidez (valor de pH), pois o colóide coagula (precipita).
Não são separados com papel de filtro, porém, o processo de diálise leva à separação da fase dispersa e do meio.
Assim como as soluções verdadeiras, elas podem ser eletrolisadas.
Para sistemas coloidais transparentes, o chamado efeito Tyndall é característico: passando um feixe de luz por este sistema, você pode vê-lo. Está conectado comespalhamento de ondas eletromagnéticas na parte visível do espectro em todas as direções.
Capacidade de adsorver outras substâncias.

Os sistemas coloidais, devido às propriedades listadas, são amplamente utilizados pelo homem em diversos campos de atividade (indústria alimentícia, química), e também são frequentemente encontrados na natureza. Um exemplo de um colóide é a manteiga, a maionese. Na natureza, são nevoeiros, nuvens.

Antes de prosseguir com a descrição da última (terceira) classe de sistemas dispersos, vamos explicar com mais detalhes algumas das propriedades nomeadas para colóides.

O que são soluções coloidais?

Para este tipo de sistemas dispersos, a classificação pode ser dada tendo em conta os diferentes estados agregados do meio e a fase nele dissolvida. Abaixo está a tabela correspondente/

Quarta-feira/Fase	Gás	Líquido	Corpo rígido
gás	todos os gases são infinitamente solúveis entre si, então eles sempre formam soluções verdadeiras	aerossol (nevoeiro, nuvens)	aerossol (fumaça)
líquido	espuma (barbear, chantilly)	emulsão (leite, maionese, molho)	sol (aquarelas)
corpo sólido	espuma (pomes, chocolate aerado)	gel (gelatina, queijo)	sol (cristal de rubi, granito)

A tabela mostra que as substâncias coloidais estão presentes em todos os lugares, tanto na vida cotidiana quanto na natureza. Observe que uma tabela semelhante também pode ser fornecida para suspensões, lembrando que a diferença comcolóides neles é apenas do tamanho da fase dispersa. No entanto, as suspensões são mecanicamente instáveis e, portanto, são de menor interesse prático do que os sistemas coloidais.

A razão para a estabilidade mecânica dos colóides

Por que a maionese pode ficar na geladeira por muito tempo e as partículas suspensas nela não precipitam? Por que as partículas de tinta dissolvidas na água não "caem" no fundo do vaso? A resposta a essas perguntas será o movimento browniano.

Esse tipo de movimento foi descoberto na primeira metade do século 19 pelo botânico inglês Robert Brown, que observou ao microscópio como pequenas partículas de pólen se movem na água. Do ponto de vista físico, o movimento browniano é uma manifestação do movimento caótico das moléculas líquidas. Sua intensidade aumenta se a temperatura do líquido for aumentada. É este tipo de movimento que faz com que pequenas partículas de soluções coloidais fiquem em suspensão.

Propriedade de adsorção

A dispersão é o recíproco do tamanho médio das partículas. Como esse tamanho nos colóides fica na faixa de 1 nm a 100 nm, eles possuem uma superfície muito desenvolvida, ou seja, a razão S/m é um valor grande, aqui S é a área total de interface entre as duas fases (meio de dispersão e partículas), m - massa total de partículas em solução.

Os átomos que estão na superfície das partículas da fase dispersa possuem ligações químicas insaturadas. Isso significa que eles podem formar compostos com outrosmoléculas. Como regra, esses compostos surgem devido a forças de van der Waals ou ligações de hidrogênio. Eles são capazes de conter várias camadas de moléculas na superfície de partículas coloidais.

Um exemplo clássico de adsorvente é o carvão ativado. É um colóide, onde o meio de dispersão é um sólido e a fase é um gás. A área de superfície específica para ele pode chegar a 2500 m²/g.

Grau de finura e área de superfície específica

Calcular S/m não é uma tarefa fácil. O fato é que as partículas em uma solução coloidal possuem diferentes tamanhos, formas, e a superfície de cada partícula possui um relevo único. Portanto, os métodos teóricos para resolver esse problema levam a resultados qualitativos, e não quantitativos. No entanto, é útil fornecer a fórmula para a área de superfície específica a partir do grau de dispersão.

Se assumirmos que todas as partículas do sistema têm uma forma esférica e o mesmo tamanho, então, como resultado de cálculos diretos, a seguinte expressão é obtida: S_ud=6/(dρ), onde S_ud - área superficial (específica), d - diâmetro da partícula, ρ - densidade da substância de que consiste. Pode-se ver pela fórmula que as partículas menores e mais pesadas contribuirão mais para a quantidade em consideração.

A forma experimental de determinar S_ud é calcular o volume de gás que é adsorvido pela substância em estudo, bem como medir o tamanho dos poros (fase dispersa) nele.

Secagem por congelamento eliofóbico

Liofilicidade e liofobicidade - estas são as características que, de fato, determinam a existência da classificação de sistemas dispersos na forma em que é dada acima. Ambos os conceitos caracterizam a força de ligação entre as moléculas do solvente e do soluto. Se essa relação é grande, então eles falam de liofilicidade. Assim, todas as verdadeiras soluções de sais em água são liofílicas, pois suas partículas (íons) estão eletricamente conectadas com moléculas polares H₂O. Se considerarmos sistemas como manteiga ou maionese, então estes são representantes de colóides hidrofóbicos típicos, uma vez que as moléculas de gordura (lipídios) neles repelem as moléculas polares H₂O.

É importante notar que os sistemas liofóbicos (hidrofóbicos se o solvente for água) são termodinamicamente instáveis, o que os distingue dos liofílicos.

Propriedades das suspensões

Agora considere a última classe de sistemas dispersos - suspensões. Lembre-se de que eles são caracterizados pelo fato de que a menor partícula neles é maior ou da ordem de 100 nm. Que propriedades eles têm? A lista correspondente é dada abaixo:

Eles são mecanicamente instáveis, então formam sedimentos em um curto período de tempo.
São nublados e opacos à luz do sol.
Fase pode ser separada do meio com papel de filtro.

Exemplos de suspensões na natureza incluem água barrenta em rios ou cinzas vulcânicas. O uso humano de suspensões está associado comogeralmente com remédios (soluções medicamentosas).

Coagulação

O que se pode dizer sobre misturas de substâncias com diferentes graus de dispersão? Parcialmente, essa questão já foi abordada no artigo, pois em qualquer sistema disperso as partículas possuem um tamanho que fica dentro de certos limites. Aqui consideramos apenas um caso curioso. O que acontece se você misturar um colóide e uma solução eletrolítica verdadeira? O sistema de ponderação será rompido e sua coagulação ocorrerá. Sua razão está na influência dos campos elétricos dos íons da solução verdadeira na carga superficial das partículas coloidais.