La mayoría de las sustancias que nos rodean son mezclas de varias sustancias, por lo que el estudio de sus propiedades juega un papel importante en el desarrollo de la química, la medicina, la industria alimentaria y otros sectores de la economía. El artículo analiza los problemas de cuál es el grado de dispersión y cómo afecta las características del sistema.
¿Qué son los sistemas dispersos?
Antes de discutir el grado de dispersión, es necesario aclarar a qué sistemas se puede aplicar este concepto.
Imaginemos que tenemos dos sustancias diferentes que pueden diferir entre sí en la composición química, por ejemplo, la sal de mesa y el agua pura, o en el estado de agregación, por ejemplo, la misma agua en estado líquido y sólido (hielo) estados. Ahora necesita tomar y mezclar estas dos sustancias y mezclarlas intensamente. ¿Cuál será el resultado? Depende de si la reacción química tuvo lugar durante la mezcla o no. Cuando se habla de sistemas dispersos, se cree que cuandono ocurre ninguna reacción en la formación, es decir, las sustancias iniciales conservan su estructura a nivel micro y sus propiedades físicas inherentes, como densidad, color, conductividad eléctrica y otras.
Así, un sistema disperso es una mezcla mecánica, como resultado de la cual dos o más sustancias se mezclan entre sí. Cuando se forma, se utilizan los conceptos de "medio de dispersión" y "fase". El primero tiene la propiedad de continuidad dentro del sistema y, por regla general, se encuentra en él en una gran cantidad relativa. La segunda (fase dispersa) se caracteriza por la propiedad de discontinuidad, es decir, en el sistema se presenta en forma de pequeñas partículas, las cuales están limitadas por la superficie que las separa del medio.
Sistemas homogéneos y heterogéneos
Está claro que estos dos componentes del sistema disperso diferirán en sus propiedades físicas. Por ejemplo, si echas arena al agua y la revuelves, está claro que los granos de arena que hay en el agua, cuya fórmula química es SiO2, no diferirán de ninguna manera del estado cuando no estaban en el agua. En tales casos, se habla de heterogeneidad. En otras palabras, un sistema heterogéneo es una mezcla de varias (dos o más) fases. Este último se entiende como un volumen finito del sistema, que se caracteriza por ciertas propiedades. En el ejemplo anterior, tenemos dos fases: arena y agua.
Sin embargo, el tamaño de las partículas de la fase dispersa cuando se disuelven en cualquier medio puede volverse tan pequeño que dejen de mostrar sus propiedades individuales. En este caso, se habla deSustancias homogéneas u homogéneas. Aunque contienen varios componentes, todos forman una fase en todo el volumen del sistema. Un ejemplo de un sistema homogéneo es una solución de NaCl en agua. Cuando se disuelve, debido a la interacción con las moléculas polares H2O, el cristal de NaCl se descompone en cationes separados (Na+) y aniones (Cl-). Se mezclan homogéneamente con agua y ya no es posible encontrar la interfase entre el soluto y el solvente en tal sistema.
Tamaño de partícula
¿Cuál es el grado de dispersión? Este valor debe ser considerado con más detalle. ¿Qué representa ella? Es inversamente proporcional al tamaño de partícula de la fase dispersa. Es esta característica la que subyace en la clasificación de todas las sustancias bajo consideración.
Al estudiar sistemas dispersos, los estudiantes a menudo se confunden en sus nombres, porque creen que su clasificación también se basa en el estado de agregación. Esto no es verdad. Las mezclas de diferentes estados de agregación realmente tienen diferentes nombres, por ejemplo, las emulsiones son sustancias acuosas y los aerosoles ya sugieren la existencia de una fase gaseosa. Sin embargo, las propiedades de los sistemas dispersos dependen principalmente del tamaño de partícula de la fase disuelta en ellos.
Clasificación generalmente aceptada
La clasificación de los sistemas dispersos según el grado de dispersión se indica a continuación:
- Si el tamaño de partícula condicional es inferior a 1 nm, estos sistemas se denominan soluciones reales o verdaderas.
- Si el tamaño de partícula condicional se encuentra entre 1 nm y100 nm, entonces la sustancia en cuestión se llamará solución coloidal.
- Si las partículas son mayores de 100 nm, entonces estamos hablando de suspensiones o suspensiones.
Con respecto a la clasificación anterior, aclaremos dos puntos: en primer lugar, las cifras dadas son indicativas, es decir, un sistema en el que el tamaño de partícula es de 3 nm no es necesariamente un coloide, también puede ser un verdadero solución. Esto se puede establecer estudiando sus propiedades físicas. En segundo lugar, puede notar que la lista usa la frase "tamaño condicional". Esto se debe al hecho de que la forma de las partículas en el sistema puede ser completamente arbitraria, y en el caso general tiene una geometría compleja. Por lo tanto, hablan de un tamaño promedio (condicional) de ellos.
Más adelante en el artículo daremos una breve descripción de los tipos de sistemas dispersos señalados.
Soluciones verdaderas
Como se mencionó anteriormente, el grado de dispersión de las partículas en soluciones reales es tan alto (su tamaño es muy pequeño, < 1 nm) que no existe interfaz entre ellas y el solvente (medio), es decir, no hay es un sistema monofásico homogéneo. Para completar la información, recordamos que el tamaño de un átomo es del orden de un angstrom (0,1 nm). El último número indica que las partículas en soluciones reales son de tamaño atómico.
Las principales propiedades de las soluciones verdaderas que las distinguen de los coloides y las suspensiones son las siguientes:
- El estado de la solución existe durante un tiempo arbitrariamente largo sin cambios, es decir, no se forma ningún precipitado de la fase dispersa.
- Disueltola sustancia no puede separarse del disolvente por filtración a través de papel normal.
- La sustancia tampoco se separa como resultado del proceso de paso a través de la membrana porosa, que en química se denomina diálisis.
- Es posible separar un soluto de un solvente solo cambiando el estado de agregación de este último, por ejemplo, por evaporación.
- Para soluciones ideales se puede realizar la electrólisis, es decir, se puede pasar una corriente eléctrica si se aplica una diferencia de potencial (dos electrodos) al sistema.
- No dispersan la luz.
Un ejemplo de soluciones verdaderas es la mezcla de varias sales con agua, por ejemplo, NaCl (sal de mesa), NaHCO3 (bicarbonato de sodio), KNO 3(nitrato de potasio) y otros.
Soluciones coloides
Son sistemas intermedios entre soluciones reales y suspensiones. Sin embargo, tienen una serie de características únicas. Vamos a enumerarlos:
- Son mecánicamente estables durante un tiempo arbitrariamente largo si las condiciones ambientales no cambian. Es suficiente calentar el sistema o cambiar su acidez (valor de pH), ya que el coloide coagula (precipita).
- No se separan con papel filtro, sin embargo, el proceso de diálisis conduce a la separación de la fase dispersa y el medio.
- Al igual que con las soluciones verdaderas, se pueden electrolizar.
- Para los sistemas coloidales transparentes, el llamado efecto Tyndall es característico: al pasar un haz de luz a través de este sistema, puedes verlo. esta conectado condispersión de ondas electromagnéticas en la parte visible del espectro en todas las direcciones.
- Capacidad de adsorber otras sustancias.
Los sistemas coloidales, debido a las propiedades enumeradas, son ampliamente utilizados por los seres humanos en diversos campos de actividad (industria alimentaria, química), y también se encuentran a menudo en la naturaleza. Un ejemplo de un coloide es la mantequilla, la mayonesa. En la naturaleza, estas son nieblas, nubes.
Antes de pasar a la descripción de la última (tercera) clase de sistemas dispersos, expliquemos con más detalle algunas de las propiedades nombradas de los coloides.
¿Qué son las soluciones coloidales?
Para este tipo de sistemas dispersos se puede dar la clasificación teniendo en cuenta los diferentes estados agregados del medio y la fase disuelta en él. A continuación se muestra la tabla correspondiente/
| Miércoles/Fase | Gasolina | Líquido | Cuerpo rígido |
| gasolina | todos los gases son infinitamente solubles entre sí, por lo que siempre forman soluciones verdaderas | aerosol (niebla, nubes) | aerosol (humo) |
| líquido | espuma (de afeitar, crema batida) | emulsión (leche, mayonesa, salsa) | sol (acuarelas) |
| cuerpo sólido | espuma (piedra pómez, chocolate aireado) | gel (gelatina, queso) | sol (cristal de rubí, granito) |
La tabla muestra que las sustancias coloidales están presentes en todas partes, tanto en la vida cotidiana como en la naturaleza. Tenga en cuenta que también se puede dar una tabla similar para las suspensiones, recordando que la diferencia concoloides en ellos es sólo en el tamaño de la fase dispersa. Sin embargo, las suspensiones son mecánicamente inestables y, por lo tanto, tienen menos interés práctico que los sistemas coloidales.
La razón de la estabilidad mecánica de los coloides
¿Por qué la mayonesa puede permanecer en el refrigerador durante mucho tiempo y las partículas suspendidas en ella no se precipitan? ¿Por qué las partículas de pintura disueltas en agua no "caen" finalmente al fondo del recipiente? La respuesta a estas preguntas será el movimiento browniano.
Este tipo de movimiento fue descubierto en la primera mitad del siglo XIX por el botánico inglés Robert Brown, quien observó bajo un microscopio cómo se mueven pequeñas partículas de polen en el agua. Desde un punto de vista físico, el movimiento browniano es una manifestación del movimiento caótico de las moléculas líquidas. Su intensidad aumenta si se eleva la temperatura del líquido. Es este tipo de movimiento el que hace que pequeñas partículas de soluciones coloidales estén en suspensión.
Propiedad de adsorción
La dispersión es el recíproco del tamaño medio de las partículas. Dado que este tamaño en los coloides se encuentra en el rango de 1 nm a 100 nm, tienen una superficie muy desarrollada, es decir, la relación S / m es un valor grande, aquí S es el área de interfaz total entre las dos fases (medio de dispersión y partículas), m - masa total de partículas en solución.
Los átomos que están en la superficie de las partículas de la fase dispersa tienen enlaces químicos insaturados. Esto significa que pueden formar compuestos con otrosmoléculas. Por regla general, estos compuestos surgen debido a las fuerzas de van der Waals o enlaces de hidrógeno. Son capaces de contener varias capas de moléculas en la superficie de las partículas coloidales.
Un ejemplo clásico de adsorbente es el carbón activado. Es un coloide, donde el medio de dispersión es un sólido y la fase es un gas. El área de superficie específica puede alcanzar los 2500 m2/g.
Grado de finura y superficie específica
Calcular S/m no es tarea fácil. El hecho es que las partículas en una solución coloidal tienen diferentes tamaños, formas y la superficie de cada partícula tiene un relieve único. Por lo tanto, los métodos teóricos para resolver este problema conducen a resultados cualitativos y no cuantitativos. Sin embargo, es útil dar la fórmula para el área superficial específica a partir del grado de dispersión.
Si asumimos que todas las partículas del sistema tienen forma esférica y el mismo tamaño, como resultado de cálculos sencillos, se obtiene la siguiente expresión: Sud=6/(dρ), donde Sud - área superficial (específica), d - diámetro de partícula, ρ - densidad de la sustancia que la compone. Se puede ver en la fórmula que las partículas más pequeñas y más pesadas contribuirán más a la cantidad bajo consideración.
La forma experimental de determinar Sud es calcular el volumen de gas que es adsorbido por la sustancia en estudio, así como medir el tamaño de poro (fase dispersa) en ella.
Liofilización yliófobo
Liofilicidad y liofobicidad: estas son las características que, de hecho, determinan la existencia de la clasificación de los sistemas dispersos en la forma en que se da anteriormente. Ambos conceptos caracterizan el enlace de fuerza entre las moléculas del solvente y el soluto. Si esta relación es grande, entonces hablan de liofilicidad. Entonces, todas las verdaderas soluciones de sales en agua son liófilas, ya que sus partículas (iones) están conectadas eléctricamente con moléculas polares H2O. Si consideramos sistemas como la mantequilla o la mayonesa, estos son representantes de los coloides hidrofóbicos típicos, ya que las moléculas de grasa (lípidos) en ellos repelen las moléculas polares H2O.
Es importante tener en cuenta que los sistemas liófobos (hidrófobos si el disolvente es agua) son termodinámicamente inestables, lo que los distingue de los liófilos.
Propiedades de las suspensiones
Ahora considere la última clase de sistemas dispersos: las suspensiones. Recuérdese que se caracterizan por el hecho de que la partícula más pequeña en ellos es mayor o del orden de 100 nm. ¿Qué propiedades tienen? La lista correspondiente se da a continuación:
- Son mecánicamente inestables, por lo que forman sedimentos en poco tiempo.
- Son turbios y opacos a la luz del sol.
- La fase se puede separar del medio con papel de filtro.
Ejemplos de suspensiones en la naturaleza incluyen agua fangosa en ríos o cenizas volcánicas. El uso humano de suspensiones se asocia comogeneralmente con medicamentos (soluciones de medicamentos).
Coagulación
¿Qué se puede decir de las mezclas de sustancias con diferentes grados de dispersión? En parte, este tema ya ha sido tratado en el artículo, ya que en cualquier sistema disperso las partículas tienen un tamaño que se encuentra dentro de ciertos límites. Aquí sólo consideramos un caso curioso. ¿Qué sucede si mezclas un coloide y una solución electrolítica verdadera? El sistema ponderado se romperá y se producirá su coagulación. Su razón radica en la influencia de los campos eléctricos de los iones de la solución verdadera sobre la carga superficial de las partículas coloidales.
