I. Предмет коллоидной химии. Общая характеристика поверхностных явлений и дисперсных систем, их классикации. Значение коллоидной химии.

Предмет коллоидной химии. Признаки объектов коллоидной химии

Коллоидная химия первоначально являлась разделом физической химии. Но, благодаря огромному значению коллоидной химии для различных областей человеческой деятельности, (техники, медицины, строительства, металлургии, геологии, различных технологических процессов, в том числе процессов химической технологии), она развивалась очень бурными темпами и к середине прошлого столетия выделилась в самостоятельную отрасль знания.

Что же изучает коллоидная химия?

Коллоидная химия – это наука о поверхностных явлениях и дисперсных системах. В основе коллоидной химии лежат физические и физико-химические законы, объясняющие природу поверхностных явлений и свойства дисперсных систем. Свое название коллоидная химия получила в середине девятнадцатого века, когда основным объектом исследования коллоидной химии стал особый класс растворов, названных английским химиком Томасом Грэмом коллоидами (от греческого «колла» - клей). От истинных растворов коллоидные растворы отличались целым рядом особых свойств, не присущих истинным растворам (опалесценция, медленная диффузия (Грэм), малое осмотическое давление, неустойчивость (Берцелиус), способность коагулировать, то есть разрушаться под действием малых количеств электролита, не взаимодействуя с ним химически, электрофорез (Рейсс), Диализ (Грэм).

Многочисленными исследованиями было установлено, что, в отличие от истинных растворов, в коллоидном растворе частицы растворенного вещества представляют собой агрегаты, состоящие из множества молекул. Размеры частиц в коллоидном растворе наиболее часто лежат в пределах 10^-4 – 10^-7 см, то есть от 1мкм до 1нм (молекулярные размеры составляют ~ 10^-8 см). Такой коллоидный раствор легко получить, если, например, к спиртовому раствору серы (истинный раствор) прилить немного воды. Сера растворима в спирте и практически не растворима в воде. Поэтому, прилив воду, мы понизим растворимость серы, образуется мутный коллоидный раствор с частицами более крупных размеров. Если же мы прильем воды еще больше, растворимость серы понизиться настолько, что она выпадет в осадок. Частицы серы будут настолько крупными, что коллоидный раствор потеряет агрегатную устойчивость. Поскольку мы говорим о частицах, имеющих определенные размеры, гораздо большие молекулярных, то, очевидно, вся совокупность коллоидных частиц в растворе должна обладать термодинамическими свойствами фазы. Она носит название дисперсной фазы. Та среда, в которой распределены коллоидные частицы, называется дисперсионной средой.

В приведенном примере частицы серы – дисперсная фаза, а водный раствор спирта - дисперсионная среда. Таким образом, всякий коллоидный раствор представляет собой гетерогенную систему, состоящую из двух или нескольких фаз, в отличие от истинных растворов, которые гомогенны. Гетерогенность есть первый отличительный признак коллоидной системы. Поверхность каждой частицы в коллоидном растворе представляет собой межфазную поверхность. Одной из важнейших характеристик коллоидной системы, ее вторым отличительным признаком, является высокая дисперсность, D═1/а, то есть степень раздробленности вещества. Чем размер частиц «а» меньше, тем больше дисперсность D. В коллоидной химии изучаются различные дисперсные системы. Любая многофазная система, в которой одна фаза (жидкая, твердая, газообразная) представляет собой непрерывную среду, а другая (которая тоже может быть в жидком твердом или газообразном состоянии) диспергирована, то есть распределена в ней в виде отдельных частиц, является коллоидной системой.

Теперь становиться понятно, что большинство окружающих нас тел, природных объектов, многие продукты производства – представляют собой коллоидные системы: это туман, облака, пыль, дым, металлы и сплавы, минералы, полимеры, бумага, почва, древесина и различные строительные материалы, продукты питания (молоко, сметана, соки, мясные и хлебо- булочные изделия и многие другие), кожа, кремы, ткани, и т.д.

Почему же изучение свойств всех этих систем привело к формированию коллоидной химии как отдельной, самостоятельной науки? В чем заключается своеобразие свойств коллоидных систем?

Оказывается, что обладая высокой степенью дисперсности, коллоидные системы имеют высоко развитую поверхность раздела фаз. Она характеризуется удельной поверхностью S₀=S/m, которая может достигать сотен и тысяч м²/г. Чем больше степень дисперсности вещества, тем большей поверхностью оно обладает. В таком состоянии значительная доля всех атомов или молекул вещества дисперсной фазы находится на поверхности. Поверхностные атомы или молекулы находятся в несимметричном силовом поле и по своему энергетическому состоянию значительно отличаются от атомов, находящихся в объеме фазы. При деспергировании, то есть образовании новых межфазных поверхностей, рвутся межатомные связи. Энергия, затрачиваемая на разрыв связей, накапливается на межфазной поверхности в виде избыточной потенциальной энергии. Поверхностная энергия возрастает с ростом дисперсности. Таким образом, важнейшей особенностью коллоидного состояния является то, что значительная доля всей массы системы и свободной энергии сосредоточены на внутренних поверхностях раздела фаз. Эта особенность вызывает возникновение целого ряда особых свойств коллоидных систем, связанных с возрастанием роли поверхностных явлений. Поэтому для понимания природы реальных объектов, представляющих собой дисперсные системы, необходимо изучать в неразрывном единстве поверхностные явления и свойства дисперсных систем. Изучение в единстве этих двух составных частей и составляет предмет коллоидной химии. Теоретические основы представлений о поверхностных явлениях заложены трудами Гиббса.

В конце прошлого века было обнаружено, что в различных условиях одно и то же вещество может образовать либо коллоидный раствор, либо истинный (например сера или канифоль в спирте - истинный, а в воде - коллоидный раствор). Поэтому правильно говорить не о коллоидном веществе, а о коллоидном состоянии вещества. Впервые эта мысль высказана в 1869г. Борщовым, позже – Грэмом.

Промежуточное положение между истинным и коллоидным раствором занимают растворы высокомолекулярных соединений (ВМС), или полимеры. К ним относятся белки, целлюлоза, каучук. Молекулы этих веществ обладают гигантскими размерами, иногда превышающими размеры коллоидных частиц некоторых дисперсных систем. Поэтому им присущи многие свойства коллоидных растворов (адсорбция, коагуляция, стабилизация и т. д.) Свойства растворов ВМС, присущие коллоидным растворам, тоже изучаются в курсе коллоидной химии. Но полностью отождествлять растворы ВМС с коллоидными растворами было бы не верно. Разбавленные растворы ВМС часто обладают свойствами истинных растворов. Таким образом, курс коллоидной химии можно условно разделить на три основных раздела: