Биологический гель хрящ воздух облака лимфа

>>> Перейти на мобильную версию сайта >>>

Учебник для 11 класса

Естествознание

1. Дайте характеристику таких атмосферных явлений, как радуга, облака, туман, пыльная буря.

Классификация дисперсных систем. Чистые вещества в природе встречаются очень редко. Смеси различных веществ в различных агрегатных состояниях могут образовывать гетерогенные и гомогенные системы — дисперсные системы и растворы.

То вещество, которое присутствует в дисперсной системе в меньшем количестве и распределено в объёме другого вещества, называют дисперсной фазой (может состоять из нескольких веществ). Вещество, присутствующее в большем количестве, в объёме которого распределена дисперсная фаза, называют дисперсионной средой. Между дисперсионной средой и частицами дисперсной фазы существует поверхность раздела, именно поэтому дисперсные системы называют гетерогенными, т. е. неоднородными.

И дисперсионную среду, и дисперсную фазу могут составлять вещества, находящиеся в различных агрегатных состояниях. В зависимости от сочетания дисперсионной среды и дисперсной фазы можно выделить восемь видов таких систем (табл. 7).

Таблица 7
Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию

По величине частиц вещества, составляющих дисперсную фазу, дисперсные системы делят на грубодисперсные (или взвеси) с размерами частиц более 100 нм и тонкодисперсные с размерами частиц от 100 до 1 нм.

Гомогенная система однородна, поверхности раздела между частицами и средой нет, а потому растворы к дисперсным системам не относятся.

Знакомство с дисперсными системами и растворами показывает, насколько они важны в хозяйственной деятельности человека, его повседневной жизни и, конечно, в природе.

Судите сами: без нильского ила не было бы великой цивилизации Древнего Египта; без воды, воздуха, горных пород, минералов вообще бы не существовала живая планета — наш общий дом — Земля; без клеток не было бы живых организмов.

Классификация дисперсных систем и растворов в зависимости от размеров частиц показана на схеме.

Грубодисперсные системы. Как можно судить по схеме, грубодисперсные системы (или взвеси) делятся на три группы: эмульсии, суспензии и аэрозоли.

Их также можно разделить на две группы:

1. прямые, с каплями неполярной жидкости в полярной среде (типа «масло в воде»);
2. обратные (типа «вода в масле»).

Однако изменение состава эмульсий или внешнее воздействие на неё могут привести к превращению прямой эмульсии в обратную и наоборот. Примерами наиболее известных природных эмульсий являются молоко (прямая эмульсия) и нефть (обратная эмульсия) (рис. 58). Типичная биологическая эмульсия — это капельки жира в лимфе.

Рис. 58. Природные эмульсии: а — молоко; б — нефть

Лабораторный опыт

Налейте в тарелку цельное молоко. Капните на поверхность несколько разноцветных капель пищевых красителей. Ватную палочку смочите моющим средством и коснитесь ею центра тарелки. Молоко начинает двигаться, а цвета перемешиваться. Объясните почему.

Из известных в практической деятельности человека эмульсий можно назвать смазочно-охлаждающие жидкости, битумные материалы, пестицидные препараты, лекарственные и косметические средства, пищевые продукты. Например, в медицинской практике широко применяют жировые эмульсии для энергетического обеспечения голодающего или ослабленного организма путём внутривенного вливания. Для получения таких эмульсий используют оливковое, хлопковое или соевое масло.

В химической технологии широко используют эмульсионную полимеризацию как основной метод получения каучуков, полистирола, по-ливинилацетата и др.

Обычно частицы дисперсной фазы в суспензии настолько велики, что оседают под действием силы тяжести. Этот процесс называется седиментация.

Наиболее распространённые строительные суспензии — это побелка («известковое молоко»), различные строительные взвеси, например цементный раствор, эмалевые краски (рис. 59). К суспензиям относятся также медицинские препараты, например жидкие мази — линименты.

Рис. 59. Использование суспензий: а — в строи тельстве; б — в медицине

Особую группу составляют грубодисперсные системы, в которых концентрация дисперсной фазы относительно высока по сравнению с её небольшой концентрацией в суспензиях. Такие дисперсные системы называют пастами. Пасты хорошо вам известны из повседневной жизни, например зубные, косметические, гигиенические и др. (рис. 60).

Рис. 60. Пасты, используемые в быту

В качестве примеров аэрозолей можно назвать облака, радугу, дезодоранты, лаки для волос в баллончиках, пылевые облака, смерчи (рис. 61).

Рис. 61. Аэрозоли

Коллоидные системы. Промежуточное положение между грубодисперсными системами и истинными растворами занимают коллоидные системы.

Коллоидные системы широко распространены в природе. Почва, глина, природные воды, многие минералы, в том числе и некоторые драгоценные камни (жемчуг, опал), — всё это коллоидные системы.

Большое значение имеют коллоидные системы для биологии и медицины. В состав любого живого организма входят твёрдые, жидкие и газообразные вещества, находящиеся в сложном взаимоотношении с окружающей средой. Цитоплазма клеток обладает свойствами, характерными как для жидких, так и для студнеобразных веществ. С химической точки зрения организм в целом — это сложнейшая совокупность многих коллоидных систем, включающих в себя и жидкие коллоиды, и студни — гели (рис. 62).

Рис. 62. Коллоидные системы в живых орга низ мах: а — хрящи, сухожилия; б — стекловидное тело глаза

Биологические жидкости (кровь, плазма, лимфа, спинномозговая жидкость) представляют собой коллоидные системы, в которых такие органические соединения, как белки, холестерин, гликоген и многие другие, находятся в коллоидном состоянии.

Почему же именно коллоидному состоянию природа отдаёт такое предпочтение? Эта особенность связана в первую очередь с тем, что вещество в коллоидном состоянии имеет большую поверхность раздела между фазами, что способствует лучшему протеканию обмена веществ.

Лабораторный опыт

В пластиковый стакан насыпьте столовую ложку крахмала. Постепенно добавьте тёплую воду и тщательно разотрите смесь ложкой. (Не лейте много воды — смесь должна быть густой.) Столовую ложку полученного коллоидного раствора налейте на ладонь и дотроньтесь до неё пальцем — смесь твердеет. Если вы уберёте палец, смесь снова станет жидкой.

Коллоиды под давлением могут менять своё состояние. В результате давления пальца частички крахмала соединяются друг с другом, и смесь становится твёрдой. Когда давление прекращается, смесь возвращается в первоначальное — жидкое — состояние.

Коллоидные системы делятся на золи (коллоидные растворы) и гели (студни).

Большинство биологических жидкостей клетки (уже упомянутые цитоплазма, ядерный сок — кариоплазма, содержимое вакуолей) и живого организма в целом (плазма крови, лимфа, тканевая жидкость, пищеварительные соки, гуморальные жидкости и т. д.) являются коллоидными растворами (золями).

Для золей характерно явление коагуляции, т. е. слипания коллоидных частиц и выпадение их в осадок. При этом коллоидный раствор превращается в суспензию или гель. Некоторые органические коллоиды коагулируют при нагревании (яичный белок, клей) или при изменении кислотно-основной среды (пищеварительные соки) (рис. 63).

Рис. 63. Коагуляция белка: а — при нагревании; б — при изменении среды раствора

Классификация гелей, которые часто встречаются в повседневной жизни, представлена на схеме.

Со временем структура гелей нарушается — из них выделяется жидкость. Происходит синерезис — самопроизвольное уменьшение объёма геля, сопровождающееся отделением жидкости. Синерезис определяет сроки годности пищевых, медицинских и косметических гелей.

Для теплокровных животных очень важен биологический синере-зис, который называется свёртыванием крови. Под действием специфических факторов растворимый белок крови фибриноген превращается в фибрин, сгусток которого и закупоривает ранку. Если этот процесс затруднён, то говорят о возможности заболевания человека гемофилией. Как вы знаете из курса биологии, носителями гена гемофилии являются женщины, а заболевают ею мужчины. Хорошо известен печальный пример из российской истории: наследник престола царевич Алексей, сын императора Николая II, страдал гемофилией, ген которой передался ему через мать, императрицу Александру Фёдоровну.

Рис. 64. Генрих фон Ангели. Портрет императрицы Александры Фёдоровны с диадемой, серьгами и бусами из жемчуга. 1896

По внешнему виду истинные и коллоидные растворы трудно отличить друг от друга. Для этого используют эффект Тиндаля, когда при пропускании через коллоидный раствор луча света образуется конус «светящейся дорожки» (рис. 65). Более крупные, чем в истинном растворе, частицы дисперсной фазы золя отражают своей поверхностью свет, а частицы истинного раствора — нет. Аналогичный эффект, но только для аэрозольного, а не жидкого коллоида, вы можете наблюдать в кинотеатре при прохождении луча света от киноаппарата через запылённый воздух зрительного зала.

Рис. 65. Эффект Тиндаля

В следующем параграфе разговор пойдёт о химических реакциях как процессах образования одних веществ из других, отличающихся по свойствам, о классификации химических реакций.

Теперь вы знаете

• классификацию дисперсных и коллоидных систем
• в чём заключается эффект Тиндаля

Теперь вы можете

• классифицировать дисперсные системы по агрегатному состоянию среды и фазы и по размерам частиц фазы
• дать характеристику эмульсий, суспензий, аэрозолей, паст и привести примеры
• объяснить, что с точки зрения химии наш организм — это сложнейшая совокупность многих коллоидных систем

Выполните задания

1. Сформулируйте, что такое дисперсная система, дисперсионная среда, дисперсная фаза.
2. Докажите, что природный газ и истинные растворы не являются дисперсными системами.
3. Приведите классификацию гелей по группам и объясните, чем определяется срок годности косметических, медицинских и пищевых гелей.
4. Объясните, что такое коагуляция, синерезис, эмульсионная полимеризация, седиментация.
5. Дайте свою трактовку того факта, что природа в качестве носителя эволюции избрала именно коллоидные системы.
6. Назовите дисперсные системы, о которых идёт речь в этих строках М. Цветаевой:

   Отнимите жемчуг — останутся слёзы,
   
   Отнимите злато — останутся листья
   
   Осеннего клёна, отнимите пурпур —
   
   Останется кровь.

Темы для рефератов

1. Латекс и изделия из него.
2. Эстетическая, биологическая и культурная роль коллоидных систем в жизни человека.
3. Коллоидные системы в медицине.
4. Суспензии и эмульсии.
5. Естественные и искусственные аэрозоли.

Изучив тему урока, вы узнаете:

• что такое дисперсные системы?
• какими бывают дисперсные системы?
• какими свойствами обладают дисперсные системы?
• значение дисперсных систем.

Приложение 1

Чистые вещества в природе встречаются очень
редко. Кристаллы чистых веществ – сахара или
поваренной соли, например, можно получить
разного размера – крупные и мелкие. Каков бы ни
был размер кристаллов, все они имеют одинаковую
для данного вещество внутреннюю структуру –
молекулярную или ионную кристаллическую
решетку.

В природе чаще всего встречаются смеси
различных веществ. Смеси разных веществ в
различных агрегатных состояниях могут
образовывать гетерогенные и гомогенные системы.
Такие системы мы будем называть дисперсными.

Дисперсной называется система, состоящая из
двух или более веществ, причем одно из них в виде
очень маленьких частиц равномерно распределено
в объеме другого.

Вещество распадается на ионы, молекулы, атомы,
значит “дробится” на мельчайшие частицы.
“Дробление” > диспергирование, т.е. вещества
диспергируют до разных размеров частиц видимых и
невидимых.

Вещество, которое присутствует в меньшем
количестве, диспергирует и распределено в объеме
другого, называют дисперсной фазой. Она
может состоять из нескольких веществ.

Вещество, присутствующее в большем количестве,
в объеме которого распределена дисперсная фаза,
называют дисперсной средой. Между ней
и частицами дисперсной фазы существует
поверхность раздела, поэтому дисперсные системы
называются гетерогенными (неоднородными).

И дисперсную среду, и дисперсную фазу могут
представлять вещества, находящиеся в различных
агрегатных состояниях – твердом, жидком и
газообразном.

В зависимости от сочетания агрегатного
состояния дисперсной среды и дисперсной фазы
можно выделить 9 видов таких систем.

Таблица
Примеры дисперсных систем

По величине частиц веществ, составляющих
дисперсную фазу, дисперсные системы делятся на грубодисперсные (взвеси) с
размерами частиц более 100 нм и тонкодисперсные
(коллоидные растворы или коллоидные системы)
с размерами частиц от 100 до 1 нм. Если же вещество
раздроблено до молекул или ионов размером менее 1
нм, образуется гомогенная система – раствор.
Она однородна, поверхности раздела между
частицами и средой нет.

Дисперсные системы и растворы очень важны в
повседневной жизни и в природе. Судите сами: без
нильского ила не состоялась бы великая
цивилизация Древнего Египта; без воды, воздуха,
горных пород и минералов вообще бы не
существовала живая планета – наш общий дом –
Земля; без клеток не было бы живых организмов и
т.д.

ВЗВЕСИ

Взвеси – это дисперсные системы, в которых
размер частицы фазы более 100 нм. Это непрозрачные
системы, отдельные частицы которых можно
заметить невооруженным глазом. Дисперсная фаза и
дисперсная среда легко разделяются
отстаиванием, фильтрованием. Такие системы
разделяются на:

1. Эмульсии (и среда, и фаза – нерастворимые
   друг в друге жидкости). Из воды и масла можно
   приготовить эмульсию длительным встряхиванием
   смеси. Это хорошо известные вам молоко, лимфа,
   водоэмульсионные краски и т.д.
2. Суспензии ( среда – жидкость, фаза –
   нерастворимое в ней твердое вещество).Чтобы
   приготовить суспензию , надо вещество измельчить
   до тонкого порошка, высыпать в жидкость и хорошо
   взболтать. Со временем частица выпадут на дно
   сосуда. Очевидно, чем меньше частицы, тем дольше
   будет сохраняться суспензия. Это строительные
   растворы, взвешенный в воде речной и морской ил,
   живая взвесь микроскопических живых организмов
   в морской воде – планктон, которым питаются
   гиганты – киты, и т.д.
3. Аэрозоли взвеси в газе (например, в воздухе)
   мелких частиц жидкостей или твердых веществ.
   Различаются пыли, дымы, туманы. Первые два вида
   аэрозолей представляют собой взвеси твердых
   частиц в газе (более крупные частицы в пылях),
   последний – взвесь капелек жидкости в газе.
   Например: туман, грозовые тучи – взвесь в воздухе
   капелек воды, дым – мелких твердых частиц. А смог,
   висящий над крупнейшими городами мира, также
   аэрозоль с твердой и жидкой дисперсной фазой.
   Жители населенных пунктов вблизи цементных
   заводов страдают от всегда висящей в воздухе
   тончайшей цементной пыли, образующейся при
   размоле цементного сырья и продукта его обжига –
   клинкера. Дым заводских труб, смоги, мельчайшие
   капельки слюны, вылетающих изо рта больного
   гриппом, также вредные аэролози. Аэрозоли играют
   важную роль в природе, быту и производственной
   деятельности человека. Скопление облаков,
   обработка полей химикатами, нанесение
   лакокрасочных покрытий при помощи
   пульверизатора, лечение дыхательных путей
   (ингаляция) – примеры тех явлений и процессов,
   где аэрозоли приносят пользу. Аэрозоли – туманы
   над морским прибоем, вблизи водопадов и фонтанов,
   возникающая в них радуга доставляет человеку
   радость, эстетическое удовольствие.

Для химии наибольшее значение имеют дисперсные
системы, в которых средой является вода и жидкие
растворы.

Природная вода всегда содержит растворенные
вещества. Природные водные растворы участвуют в
процессах почвообразования и снабжают растения
питательными веществами. Сложные процессы
жизнедеятельности, происходящие в организмах
человека и животных, также протекают в растворах.
Многие технологические процессы в химической и
других отраслях промышленности, например
получение кислот, металлов, бумаги, соды,
удобрений, протекают в растворах.

КОЛЛОИДНЫЕ СИСТЕМЫ

Коллоидные системы (в переводе с греческого
“колла” – клей, “еидос” вид клееподобные) –
это такие дисперсные системы, в которых размер
частиц фазы от 100 до 1 нм. Эти частицы не видны
невооруженным глазом, и дисперсная фаза и
дисперсная среда в таких системах отстаиванием
разделяются с трудом.

Из курса общей биологии вам известно, что
частицы такого размера можно обнаружить при
помощи ультрамикроскопа, в котором используется
принцип рассеивания света. Благодаря этому
коллоидная частица в нем кажется яркой точкой на
темном фоне.

Их подразделят на золи (коллоидные растворы) и
гели (студни).

1. Коллоидные растворы, или золи. Это
большинство жидкостей живой клетки (цитоплазма,
ядерный сок – кариоплазма, содержимое
органоидов и вакуолей). И живого организма в
целом (кровь, лимфа, тканевая жидкость,
пищеварительные соки и т.д.) Такие системы
образуют клеи, крахмал, белки, некоторые
полимеры.

Коллоидные растворы могут быть получены в
результате химических реакций; например, при
взаимодействии растворов силикатов калия или
натрия (“растворимого стекла”) с растворами
кислот образуется коллоидный раствор кремниевой
кислоты. Золь образуется и при гидролизе хлорида
железа (III) в горячей воде.

Характерное свойство коллоидных растворов –
их прозрачность. Коллоидные растворы внешне
похожи на истинные растворы. Их отличают от
последних по образующейся “светящейся дорожке”
– конусу при пропускании через них луча света.
Это явление называют эффектом Тиндаля. Более
крупные, чем в истинном растворе, частицы
дисперсной фазы золя отражают свет от своей
поверхности, и наблюдатель видит в сосуде с
коллоидным раствором светящийся конус. В
истинном растворе он не образуется. Аналогичный
эффект, но только для аэрозольного, а не жидкого
коллоида, вы можете наблюдать в лесу и в
кинотеатрах при прохождении луча света от
киноаппарата через воздух кинозала.

Пропускание луча света через растворы;

а – истинный раствор хлорида натрия;
б – коллоидный раствор гидроксида железа (III).

Частицы дисперсной фазы коллоидных растворов
нередко не оседают даже при длительном хранении
из-за непрерывных соударений с молекулами
растворителя за счет теплового движения. Они не
слипаются и при сближении друг с другом из-за
наличия на их поверхности одноименных
электрических зарядов. Это объясняется тем, что
вещества в коллоидном, т.е., в мелкораздробленном,
состоянии обладают большой поверхностью. На этой
поверхности адсорбируются либо положительно,
либо отрицательно заряженные ионы. Например,
кремниевая кислота адсорбирует отрицательные
ионы SiO32-, которых в растворе много
вследствие диссоциации силиката натрия:

Частицы же с одноименными зарядами взаимно
отталкиваются и поэтому не слипаются.

Но при определенных условиях может происходить
процесс коагуляции. При кипячении некоторых
коллоидных растворов происходит десорбция
заряженных ионов, т.е. коллоидные частицы теряют
заряд. Начинают укрупняться и оседают. Тоже самое
наблюдается при приливании какого-либо
электролита. В этом случае коллоидная частица
притягивает к себе противоположно заряженный
ион и ее заряд нейтрализуется.

Коагуляция – явление слипания коллоидных
частиц и выпадения их в осадок – наблюдается при
нейтрализации зарядов этих частиц, когда в
коллоидный раствор добавляют электролит. При
этом раствор превращается в суспензию или гель.
Некоторые органические коллоиды коагулируют при
нагревании (клей, яичный белок) или при изменении
кислотно-щелочной среды раствора.

2. Гели или студни представляют собой
студенистые осадки, образующиеся при коагуляции
золей. К ним относят большое количество
полимерных гелей, столь хорошо известные вам
кондитерские, косметические и медицинские гели
(желатин, холодец, мармелад, торт “Птичье
молоко”) и конечно же бесконечное множество
природных гелей: минералы (опал), тела медуз,
хрящи, сухожилия, волосы, мышечная и нервная
ткани и т.д. Историю развития на Земле можно
одновременно считать историей эволюции
коллоидного состояния вещества. Со временем
структура гелей нарушается (отслаивается) – из
них выделяется вода. Это явление называют синерезисом.

Выполните лабораторные опыты по теме
(групповая работа, в группе по 4 человека).

Вам выдан образец дисперсной системы. Ваша
задача: определить какая дисперсная система вам
выдана.

Выдано учащимся: раствор сахара, раствор
хлорода железа (III), смесь воды и речного песка,
желатин, раствор хлорида алюминия, раствор
поваренной соли, смесь воды и растительного
масла.

Инструкция по выполнению лабораторного опыта

1. Рассмотрите внимательно выданный вам образец
   (внешнее описание). Заполните графу № 1 таблицы.
2. Перемешайте дисперсную систему. Понаблюдайте
   за способностью осаждаться.

Осаждается или расслаивается в течении
несколько минут или с трудом в течении
продолжительного времени, или не осаждаются.
Заполните графу № 2 таблицы.

Если вы не наблюдаете осаждение частиц,
исследуйте его на процесс коагуляции. Отлейте
немного раствора в две пробирки и добавьте в одну
2–3 капли желтой кровяной соли и в другую 3–5
капель щелочи, что наблюдаете?

3. Пропустите дисперсную систему через фильтр.
   Что наблюдаете? Заполните графу № 3 таблицы.
   (Отфильтруйте немного в пробирку).
4. Пропустите через раствор луч света фонарика
   на фоне темной бумаги. Что наблюдаете? (можно
   наблюдать эффект Тиндаля)
5. Сделайте вывод: что это за дисперсная
   система? Что является дисперсной средой? Что
   является дисперсной фазой? Каковы размеры частиц
   в нем? (графа №5).

Синквейн ( “синквейн” –
от фр. слова, означающего “пять”) – это
стихотворение из 5 строк по определенной теме.
Для сочинения синквейна дается 5 минут, после
чего написанные стихотворения можно озвучить и
обсудить в парах, группах или на всю аудиторию.

Правила написания синквейна:

1. В первой строчке одним словом
   (обычно существительным) называется тема.
2. Вторая строчка – это описание этой
   темы двумя прилагательными.
3. Третья строчка – это три глагола
   (или глагольные формы), называющие самые
   характерные действия предмета.
4. Четвертая строчка – это фраза из
   четырех слов, показывающая личное отношение к
   теме.
5. Последняя строка – это синоним
   темы, подчеркивающий её суть.

Лето 2008 г. Вена. Шенбрунн.

Лето 2008 г.
Нижегородская область.

 Р.S.
Огромное спасибо Першиной О.Г., учителю химии МОУ
гимназия “Дмитров”, на уроке работали с
найденной презентацией, и она дополнялась нашими
примерами.