|
|
ОглавлениеЧасть I. Основы общей химии. Глава 1. Основные понятия и законы химии Глава 2. Строение атома. Периодичность химических свойств элементов Глава 3. Энергетика химических процессов Глава 4. Кинетика химических реакций Глава 6. Электрохимические системы Глава 7. Химия неорганических соединений Часть II. Основы биоорганической химии. Глава 8. Углерод - основа органических соединений Глава 12. Нуклеотиды и нуклеиновые кислоты Глоссарий основных терминов и понятий общей химии Для бесплатного чтения доступна только часть главы! Для чтения полной версии необходимо приобрести книгуГЛАВА 5. ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ5.1. Классификация дисперсных системСмеси, в которых мелко раздробленные частицы одного вещества более или менее равномерно распределены между частицами другого вещества, называются дисперсными системами (от лат. dispergo — рассеиваю). Количественно преобладающее вещество называется дисперсионной средой (Дср), распределенное в среде вещество — дисперсной фазой (Дф). К дисперсным системам относятся резко различающиеся по химическому и фазовому составу, физическим свойствам, областям существования и применения объекты: аэрозоли (туманы, дымы, космическая пыль), золи металлов и природных минералов, донные отложения рек, морей и океанов, грунты и почвы, сырая нефть, пигменты и высокодисперсные наполнители для лакокрасочных материалов, керамические массы, цементы и бетонные смеси на их основе, мучное тесто, водоугольные суспензии и зола от сжигания твердого топлива, многообразные виды пен, эмульсий и др. Особый вид дисперсных систем — водно-дисперсные системы. В организме человека они представлены биологическими жидкостями — цитоплазма клеток, кровь, лимфа, пищеварительные соки и т.п. По размеру частиц дисперсной фазы дисперсные системы бывают: • грубодисперсные системы или взвеси. Размер частиц дисперсной фазы от 10-3 до 10-5 см; частицы различимы невооруженным глазом, задерживаются обычными фильтрами. Взвеси подразделяются на суспензии (от лат. suspension — подвешивание) и эмульсии (от лат. emulsus — выдоенный). Суспензии состоят из жидкой дисперсной среды и твердой дисперсной фазы, в эмульсиях обе фазы — жидкости; • среднедисперсные системы или коллоиды (от греч. kolla — клей). Размер частиц дисперсной среды от 10-5 до 10-7 см; частицы различимы в световом микроскопе, задерживаются мембранными фильтрами. В свою очередь, коллоидные растворы подразделяются на гидрофильные (жидкие золи и студнеобразные гели) и гидрофобные (например, золи металлов). Гели (от лат. gelo — застываю) — дисперсная система с жидкой Дср, в которой частицы Дф образуют пространственную структуру (сетку). Обладают некоторыми признаками твердых тел: способностью сохранять форму, прочностью, пластичностью. Типичные гели образуются, например, при слипании частиц золей и имеют вид студенистых осадков. Высушиванием гелей получают хрупкие микропористые тела, называемые аэрогелями, например силикагель, алюмогель. Золи (коллоидные растворы), жидкие коллоидные системы с частицами дисперсной фазы (мицеллами), свободно и независимо друг от друга перемещающимися в процессе броуновского движения. Золи с водной Дср — гидрозоли, с органической — органозоли; • мелкодисперсные системы или растворы. Размер частиц Дф менее 10-7см; гомогенны, прозрачны, частицы различимы в электронном микроскопе, не задерживаются фильтрами и клеточными мембранами. Другими признаками для классификации служит агрегатное состояние дисперсионной среды и дисперсной фазы (табл. 5.1). Таблица 5.1 Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию
Дисперсные системы бывают гомогенными и гетерогенными. Гетерогенные системы, в которых дисперсная среда — газ, а дисперсная фаза — жидкость, называются аэрозолями; системы, в которых дисперсная среда и дисперсная фаза — жидкости, называются лиозолями. Системы, в которых дисперсная среда и дисперсная фаза — твердые, называются твердыми золями. Некоторые исследователи рекомендуют относить к дисперсным системам только гетерогенные, а гомогенные системы называть растворами. 5.2. Водно-дисперсные системы5.2.1. Строение и свойства водыВодно-дисперсными называются такие системы, в которых дисперсионная среда — вода. Водно-дисперсные системы представляют особый интерес в связи с тем, что они представляют собой большинство биологических сред. В них вода не только выполняет роль дисперсионной среды, но может служить и дисперсной фазой (например, в составе клеточных мембран или биополимеров). Никакое другое вещество не встречается на Земле в таком количестве, как вода (3/4 поверхности Земли занято водой), тело человека примерно на 70% состоит из воды. Вода — самое привычное для нас и распространенное вещество. По химической природе вода — это оксид водорода или гидрид кислорода — Н2О. Вода — светлая прозрачная жидкость, бесцветная в тонких слоях (голубовато-зеленого цвета — в толстых слоях). Ее физические свойства используют при определении многих физических констант и единиц измерения. Температура замерзания принята за 0 °С, а температура кипения при 1 атм принята за 100 °С. Единица объема в метрической системе выбрана так, что 1 см3 воды при температуре 3,98 °С (температура, при которой вода обладает наибольшей плотностью) весит 1 г. С научной точки зрения вода — это самая необычная, самая загадочная жидкость. Прежде всего, никакое другое вещество не находится одновременно в трех состояниях: жидком, твердом, газообразном. Трудно назвать какое-либо ее свойство, которое не было бы аномальным. Ее поведение при изменении температуры, давления и других факторов существенно отличается от состояния других жидкостей, свойства которых сходны и могут быть объяснены общими физическими принципами. Из удивительных свойств воды наименее известна, вероятно, ее способность образовывать чрезвычайно прочную поверхностную пленку за счет очень сильного взаимного притяжения молекул ее самых верхних слоев. Сила поверхностного натяжения воды достаточно велика для того, чтобы водные насекомые могли жить на ее поверхности, никогда не погружаясь в нее (как водомерки) или прикрепляться к водной пленке снизу (как улитки или личинки разных насекомых). Чем чище вода, тем труднее разорвать поверхностную пленку. Ученые подсчитали: чтобы разорвать столбик абсолютно чистой воды диаметром 2,5 см, нужна сила, равная 95 т. Простейшие свойства воды — температура замерзания и кипения с такими же показателями родственных с ней гидридов VI группы Периодической системы элементов Д.И. Менделеева представлены в табл. 5.2. Если бы общие закономерности в изменении свойств выполнялись и для воды, то она замерзала бы при температуре —100 °С и кипела бы при температуре —76 °С. Известна аномалия плотности воды. Она двоякая. При таянии льда плотность увеличивается, достигает максимума при температуре +4 °С, затем уменьшается с повышением температуры, тогда как в обычных жидкостях плотность всегда уменьшается с повышением температуры. Таким образом, плотность воды больше плотности льда (0,9 г/см3), благодаря этому лед плавает на поверхности воды, вода в реках не вымерзает до дна и т.д. Обычно при плавлении плотность жидкости меньше, чем у кристалла примерно на 2—3%, тогда как плотность воды превышает плотность льда на 10%, т.е. «скачок» плотности при плавлении льда аномален не только по знаку, но и по величине. Таблица 5.2 Температуры кипения и плавления гидридов элементов VI группы
Еще один пример аномалии воды: сжимаемость под давлением. Обычно сжимаемость жидкости растет с увеличением температуры (менее плотные жидкости легче сжать). Вода обнаруживает такое нормальное поведение только при высоких температурах. При низких температурах сжимаемость воды аномально увеличивается, таким образом, минимум сжимаемости приходится на температуру 45 °С. Самая «сильная» аномалия воды — изменение ее теплоемкости. Для большинства веществ теплоемкость жидкости после плавления кристалла увеличивается не более чем на 10%. При плавлении льда теплоемкость повышается в два раза (от 9 до 18 кал/(моль-град)). Недаром холод ощущается при таянии снега сильнее, чем при легком морозе. Такого огромного скачка теплоемкости при плавлении не наблюдается ни у одного из известных веществ. Еще больше возрастает теплоемкость при переохлаждении воды, т.е. при особом способе охлаждения, когда вода остается в жидком состоянии при температуре ниже 0 °С. Минимум теплоемкости воды наблюдается при температуре 35 °С, да и само значение теплоемкости (4,2 Дж/(г • кал)) намного больше, чем у обычных жидкостей. Это тоже важно для жизни, недаром температура нашего тела удерживается около минимума теплоемкости. Необычные свойства воды объясняются спецификой ее структуры и перестройки под воздействием изменяющихся условий. Дать точное описание структуры воды — сложная задача, нерешенная до сих пор. Еще в 1904 г. У. Сазерленд пришел к выводу, что жидкая вода построена из частиц (Н2О)2, (Н2О)3, (Н2О)4, которые он назвал дигидролем, тригидролем и т.д. В дальнейшем методы рентгеноструктурного анализа показали, что вода — довольно упорядоченная жидкость, молекулы которой связаны водородными связями. Эта точка зрения общепринята, разногласия между учеными касаются в основном устройства этой сетки. Сетка водородных связей, охватывающих молекулы воды, является основой структуры воды. Водородная связь слабее, чем одинарная ионная или ковалентная связь. В строении молекулы воды заложена причина или предпосылка для образования водородной связи. Молекула воды — диполь. Полярность объясняется тем, что каждый атом водорода и атом кислорода имеют по одному общему электрону. Поэтому у атомов водорода создается избыток положительных зарядов, а у атомов кислорода преобладает электроотрицательность. В целом молекула воды электроней-тральна. В газообразном состоянии молекула воды имеет строение равнобедренного треугольника с углом между валентными связями, равными 104,5°. Ученый Н. Бьеррум предложил модель воды, в которой четыре точечных заряда оказываются в вершинах тетраэдра; их величина и расстояния между ними соответствуют таковым в газовой фазе (рис. 5.1). Внимание! Авторские права на книгу "Основы общей и биоорганической химии. Учебное пособие" (Артёмова Э.К., Дмитриев Е.В.) охраняются законодательством! |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
