SISTEME DISPERSE - Solutii. Proprietati coligative ale solutiilor

Sisteme disperse

1. Generalitati

Amestecurile formate din doua sau mai multe substante, la care se deosebesc un mediu de dispersie si o faza dispersa, constituie sisteme disperse. De obicei, mediul de dispersie se afla in cantitate mult mai mare decat faza dispersa.

Dupa compozitia fizica sistemele disperse se impart in:

a) Sisteme disperse omogene - sunt cele la care particulele substantelor componente nu se pot distinge cu ochiul liber sau la microscop, deoarece acestea sunt divizate la nivel molecular sau ionic si uniform distribuite in masa mediului de dispersie.

b) Sisteme disperse eterogene - sunt acele sisteme in interiorul carora exista suprafete de separare intre componentii lor, adica exista doua sau mai multe faze. Faza dispersa sau faza discontinua se afla in stare de divizare fina, iar faza dispersanta sau faza continua reprezinta mediul ce inconjoara particulele fazei disperse. Starea fizica a sistemului eterogen dispers este determinata de starea de agregare a mediului de dispersie. Dupa starea de agregare mediului de dispersie si a fazei disperse, sistemele disperse eterogene pot fi:

2) Dupa marimea particulelor fazei disperse, deosebim:

a) Sisteme dispersate grosier (10^-3 - 10^-6 m); particulele fazei disperse sunt vizibile cu ochiul liber, cu lupa sau cu microscopul si pot fi separate prin filtrare obisnuita (sunt retinute de hartia de filtru). Sunt instabile si au tendinta de a se separa in fazele componente, tendinta cu atat mai accentuata cu cat marimea particulelor si greutatea specifica a lor este mai mare.

b) Sisteme dispersate coloidal sau coloizi (10^-6 - 10^-9 m); particulele de faza dispersa pot fi cristaline sau amorfe si pot fi observate doar la ultramicroscop, iar separarea acestora de mediul de dispersie se poate face prin ultracentrifugare, intrucat nu sunt retinute de hartia de filtru.

c) Sisteme dispersate molecular sau ionic numite si solutii adevarate sau simplu solutii (10^-9- 10^-10 m); faza dispersa este divizata pana la nivel molecular, fiind constituita deci, din molecule, ioni sau atomi.

2. Solutii. Proprietati coligative ale solutiilor

Sistemele disperse omogene alcatuite din doua sau mai multe substante, dispersate la nivel molecular sau ionic, se numesc solutii propriu-zise sau simplu solutii. La solutii mediul de dispersie este solventul, iar faza dispersa este solvatul. Raportul dintre cantitatile de solvat si solvent dintr-o solutie este dat de concentratia solutiei. Concentratia unei solutii se poate exprima in mai multe moduri; vezi lucrarea de laborator: concentratia solutiilor.

Proprietatile solutiilor lichide, ce nu depind de natura moleculelor prezente, ci numai de concentratie, se numesc proprietati coligative. Aceste proprietati sunt: presiunea de vapori, ebulioscopia, crioscopia si presiunea osmotica. Ele depind proportional de concentratie, in cazul substantelor covalente (neelectroliti). Pentru calculul acestor proprietati la solutii de electroliti se folosesc aceleasi relatii, dar prevazute cu factori de corectie, care tin seama de numarul ionilor existenti in solutie, in functie de concentratia acesteia.

a) Presiunea de vapori, p, a unei solutii de neelectrolit este mai mica decat cea a solventului pur p⁰, si independenta de natura dizolvatului pentru acelasi solvent, dar dependenta de concentratia substantei dizolvate. Scaderea presiunii de vapori Dp, a solutiei diluate este proportionala cu fractia molara (X), a substantei dizolvate.

Dp = p⁰ - p      = X p⁰      Legea lui Raoult.

b) Ebulioscopia reprezinta cresterea temperaturii de fierbere a unei solutii (T_f), in raport cu cea a solventului pur (T_f⁰). La presiune constanta cresterea temperaturii de fierbere a unei solutii fata de cea a solventului pur DT_e, este proportionala cu concentratia molala a solutiei.

unde: m = concentratia molala a solutiei (numarul de moli de solut la 1000 g solvent pur);

K_e = constanta ebulioscopica, care reprezinta cresterea temperaturii de fierbere la dizolvarea unui mol de substanta in 1000 g solvent.

m₁ = cantitatea in g de substanta dizolvata;

m₂ = cantitatea in g de solvent;

M₁ = masa moleculara a substantei dizolvate.

Constanta ebulioscopica este o caracteristica a solventului si nu depinde de natura substantei dizolvate. Constanta ebulioscopica a unor solventi este redata in tabelul de mai jos.

In baza acestei relatii se poate determina M₁, masa moleculara a substantei dizolvate, aceasta constituind o metoda importanta de determinare a maselor moleculare ale substantelor organice.

c) Crioscopia - reprezinta scaderea temperaturii de solidificare T_S, a solutiei fata de cea a solventului pur T_S⁰. Scaderea punctului de solidificare DT_c este proportionala cu concentratia molala a solutiei.

unde: marimile au aceeasi semnificatie ca anterior.

K_c = constanta crioscopica, care reprezinta scaderea punctului de congelare produsa prin dizolvarea unui mol de substanta in 1000 g solvent, fiind o caracteristica a solventului.

Valorile constantelor crioscopice ale unor solventi sunt redate mai jos.

d) Presiunea osmotica. Osmoza este fenomenul de difuziune ce se produce printr-o membrana semipermeabila (ex: celofan), care lasa sa treaca numai moleculele solventului, nu si ale substantei dizolvate, in tendinta de egalizare a concentratiilor de cele doua parti ale membranei. Trecerea moleculelor solventului are loc numai in directia solvent-solutie sau solutie diluata-solutie concentrata. Osmoza poate fi urmarita cu ajutorul unei celule osmotice (osmometru). In figura de mai jos este prezentat un osmometru simplu, ce consta dintr-un pahar cu solvent (1), in solvent se gaseste o epruveta perforata, captusita cu o membrana semipermeabila (2) in care se gaseste o solutie concentrata. La partea superioara epruveta este inchisa cu un dop (3) prin care trece o capilara (4). Initial cele doua lichide sunt la acelasi nivel.

Dupa un timp, lichidul urca in tubul capilar, datorita osmozei, ceea ce creeaza in tub o presiune crescanda, numita presiune osmotica, (care se opune tendintei solventului din pahar de a patrunde prin membrana semipermeabila in solutie), pana la o anumita valoare cand osmoza este oprita si presiunea din solutie nu mai creste.

Aceasta presiune limita se numeste presiune osmotica, p, si poate fi evaluata in baza inaltimii h a coloanei de lichid din tubul capilar.

p r g h

unde: r = densitatea solutiei;

g = acceleratia gravitationala;

h = inaltimea coloanei de lichid din tubul capilar.

Ca si celelalte proprietati coligative, presiunea osmotica, la temperatura constanta, este proportionala cu concentratia substantei dizolvate, si anume cu concentratia molara a solutiei.

p = C R T

unde: C = concentratia solutiei in moli/l;

T = temperatura in K;

R = o constanta ce are aceeasi valoare ca si in ecuatia generala a gazelor.

Diferite solutii ce au aceeasi concentratie molara, la aceeasi temperatura si au aceeasi presiune osmotica se numesc solutii izotonice.

3. Coloizi. Proprietati ale coloizilor

Sistemele coloidale sau coloizii sunt sisteme disperse in care particulele fazei disperse au dimensiuni cuprinse intre 2 10^-9m, adica se situeaza intre solutiile moleculare si suspensii. Sistemele coloidale la care mediul de dispersie este lichid si faza dispersa este solida se numesc soli.

O caracteristica importanta a particulelor coloidale, care determina stabilitatea sistemului si o serie de proprietati, o constituie incarcarea cu sarcini electrice a suprafetei acestora, fie pozitiva, fie negativa, in functie de natura sistemului, in urma adsorbtiei unor ioni din sistem.

Proprietati electrice: - electroforeza - consta in migrarea unilaterala a particulelor coloidale sub actiunea curentului electric, spre unul sau altul din electrozi, in functie de sarcina electrica a particulelor. Astfel, sistemele a caror particule coloidale prezinta o incarcare electrica negativa (hidrosoli de Au, Ag, Pt, soli de coloranti acizi, etc.), vor migra spre anod, fenomenul fiind denumit anaforeza. Particulele coloidale ce prezinta sarcini pozitive la suprafata (soli de hidroxizi metalici si de coloranti bazici, in prezenta curentului electric, vor migra spre catod, fenomen numit cataforeza. Fenomenul este asemanator electrolizei, dar nu sunt valabile legile lui Faraday. Electroforeza se aplica mult in practica la purificarea fumurilor si prafurilor industriale, in scopuri tehnologice si impotriva poluarii atmosferei.

2) Proprietati optice:

a)    Opalescenta - consta in aparitia unei tulbureli, observabila cu ochiul liber, fenomen datorat difuziei luminii de catre particulele coloidale.

b) Culoarea solilor - este datorata faptului ca particulele coloidale absorb unele radiatii ale spectrului vizibil, culoarea sistemului fiind cea complementara culorii radiatiei absorbite. Unii soli, in special metalici, apar in diferite culori in functie de marimea particulelor coloidale. De exemplu, solul de Au are o culoare rosie la o dispersie mare (particule foarte mici) si o culoare albastra la o dispersie mai mica (particule coloidale de dimensiuni mai mari).

c)    Efectul Tyndall, fenomen specific sistemelor coloidale, apare sub forma unui con luminat, cand acestea sunt strabatute de un fascicul de lumina. Fenomenul se explica prin difuzia luminii de catre particulele coloidale, care devin ele insele, mici centre luminoase (principiul ultramicroscopului).

3) Coagularea - consta in contopirea, unirea particulelor coloidale in agregate din ce in ce mai mari, ce depasesc domeniul dimensional al dispersiilor coloidale si conduc in final la separarea fazelor, deci disparitia, distrugerea sistemului coloidal. Coagularea se poate realiza pe cale termica sau prin adaugare de electroliti.

4) Peptizarea - este fenomenul invers coagularii si reprezinta readucerea in stare de sol a unui precipitat proaspat preparat si afanat.

5) Gelificarea - este o etapa in procesul de coagulare, fenomen ce apare la unii coloizi liofili, relativ concentrati, cand prin repaos si mai ales prin racire, tot sistemul trece intr-o faza numita gel, o masa omogena, semisolida, translucida, care nu mai curge si prezinta o serie de proprietati asemanatoare solidelor (plasticitate, elasticitate, etc.). Geluri se pot forma prin racirea unor solutii coloidale concentrate de proteine, gelatina, substante macromoleculare.

Unele geluri pot fi readuse in stare de sol prin agitare sau incalzire, urmand ca la racire sau repaos ulterior, sa reformeze structura de gel; fenomenul se numeste tixotropie.

6) Sinereza - este un proces de separare a moleculelor mediului de dispersie dintr-un gel. Prin sinereza volumul gelului scade, gelul devine tot mai compact.

Sisteme disperse folosite ca lichide active de racire si ungere

In timpul procesului de aschiere rezulta cantitati mari de caldura, care actioneaza defavorabil asupra sculei si asupra semifabricatului supus prelucrarii. Pentru diminuarea acestor actiuni se folosesc lichide active de racire si ungere. Rolul acestora este complex. Astfel ele produc racirea, ungerea, protejarea suprafetei prelucrate a piesei si a sculei contra coroziunii, spalarea suprafetelor metalice ale sistemului tehnologic masina-unealta-dispozitiv-piesa-scula, precum si o micsorare a efortului de aschiere datorita producerii curgerii plastice a metalului in zona stratului superficial in care a avut loc absorbtia substantelor tensioactive, acestea patrunzand ca o pana in microfisurile foarte fine, care se formeaza in zona de aschiere, sub presiunea sculei.

Principalele grupe de lichide de racire si ungere sunt prezentate in urmatorul tabel:

Lichidele de racire si ungere, cunoscute si sub denumirea de lichide de taiere, trebuie sa aiba urmatoarele caracteristici: caldura specifica cat mai mare; conductivitate termica si capacitate de ungere buna; sa nu atace stratul de vopsea al masinii unelte, sa nu contina substante daunatoare sanatatii muncitorului sau cu miros neplacut; sa se conserve in timp si sa nu fie inflamabile. Ele sunt sisteme disperse omogene sau eterogene.