Область коллоидного состояния.

Коллоидная химия является отраслью науки, посвященной изучению особых дисперсных систем – коллоидов. Однако понятие «коллоид» или «коллоидная система» требует уточнения, так как в разные времена и разными учеными в это понятие вкладывался неодинаковый физический смысл, а вместе с тем неодинаковые задачи и содержание приписывались и самой коллоидной химии.

В связи с этим и термин «коллоидная химия» в настоящее время является несколько устаревшим, так как она значительно меньше занимается химическим составом коллоидных систем и химическими реакциями в них, чем физической структурой, физическими (и даже механическими) свойствами и физико-химическими процессами, характерными для этих систем. Поэтому правильнее именовать ее физико-химией коллоидных систем. Поскольку, однако, в настоящее время круг изучаемых ею дисперсных систем весьма расширился, то точнее было бы именовать ее и еще более общим термином – физической химией дисперсных систем.

Область современной коллоидной химии дисперсных систем, помимо лиофобных золей, высокомолекулярных соединений и их растворов, суспензий, эмульсий, пен, аэрозолей и твердых золей, включает еще одну практически важную группу дисперсных систем, получившую наименование «полуколлоидов».

В эту группу входят вещества, способные с одним и тем же растворителем, в зависимости от концентрации и температуры, давать и молекулярные растворы и типичные золи; к ним относятся мыла, красители и дубильные вещества.

Приведем следующее наиболее современное определение коллоидной химии, принадлежащее И.И.Жукову:

Коллоидная химия ставит своей задачей изучение физико-химических свойств:

а) всех высокодисперсных гетерогенных систем, кладя в основу поверхностные явления на границе фаз;

б) высокомолекулярных и высокополимерных соединений – как в твердом состоянии, так и в состоянии раствора.

Значение коллоидной химии исключительно велико, так как в ней изучаются не только общие вопросы познания физической сущности окружающего нас материального мира, но и вопросы, тесно и непосредственно связанные с проблемами самой жизни, поскольку все живое состоит из сложнейших комплексов веществ в коллоидном состоянии.

Трудно назвать ту отрасль промышленности, в которой в наше время коллоидная химия не находила бы своего практического применения. Такие, например, отрасли промышленности и производства, как пищевая, текстильная, искусственного волокна, кожевенная, резиновая, синтетического каучука, пластмасс, лакокрасочная, мыловаренная, взрывчатых веществ, целлюлозно-бумажная, гидролизная, фармацевтическая, обогащения руд (флотация) – самым тесным образом связаны с коллоидно-химическими процессами. Даже в таких отраслях промышленности, очень далеких, казалось бы, от коллоидной химии, как металлургическая, горнодобывающая, нефтедобывающая и нефтеперерабатывающая, силикатная и строительных материалов, все шире внедряются методы коллоидной химии.

Огромное значение имеют коллоиды и коллоидные процессы, и их изучение в сельском хозяйстве, в первую очередь для почвоведения – в вопросах повышения плодородия почв.

Велико их значение и в медицине.

В практической деятельности мы редко встречаемся с чис­тыми веществами, состоящими из одного компонента. Природ­ные воды, большинство минералов, физиологические жидкости (клеточный сок растений, молоко, кровь и др.) содержат несколь­ко компонентов.

Системы, содержащие одно или несколько веществ в виде частиц (дисперсная фаза), распределенных в той или иной среде (дисперсионная среда), называются дисперсными (от латинского dispersus). Слово "дисперсность" означает измельчение, раздроб­ление.

Эти системы делятся на однофазные - гомогенные и мно­гофазные - гетерогенные. Все молекулярно-ионные растворы от­носятся к гомогенным однофазным системам и называются ис­тинными растворами.

В основу классификации гетерогенных дисперсных систем положены следующие признаки:

1. степень дисперсности, т.е. размер частиц дисперсной фазы;

2. агрегатное состояние фаз;

3. интенсивность взаимодействия частиц дисперсной фазы с
дисперсионной средой. ,

1. Различают три класса дисперсных гетерогенных (неод­нородных) систем, отличающихся размерами частиц (d) дисперс­ной фазы:

a) микрогетерогенные или грубодисперсные системы, d>10^-7м
(суспензии, эмульсии, порошки и др.);

b) коллоидные или улътрамикрогетерогенные системы, 10^-9 < d < 10^-7м;

c) истинные растворы, d < 10^-9м.

Дисперсные системы, размер частиц дисперсной фазы ко­торых лежит в пределах от 10^-9 до 10^-7м, относятся к колло­идно-дисперсным и являются основным объектом изучения кол­лоидной химии.

Таким образом, коллоидными системами называются полидисперсные гетерогенные системы с величиной частиц дисперсной фазы от 10^-7 до 10^-9 м.

Структурной и кинетической единицей коллоидных систем является не ион и не молекула в обычном смысле, а либо ком­плекс (агрегат), состоящий из большого числа обычных молекул, атомов или ионов, называемых мицеллой, либо макромолекула, т.е. молекула-полимер «гигантских» размеров, обладающая мо­лекулярным весом в десятки и сотни тысяч углеродных единиц.

2. По агрегатному состоянию различают дисперсные сис­темы с газообразной, жидкой и твердой дисперсионной средой. Дисперсные системы с газообразной дисперсионной средой на­зываются аэрозолями (дым, туман). Водные коллоидные раство­ры называются гидрозолями, спиртовые - алкозолями, эфирные -эфирозолями и т.д. Затвердевший золь, или отделившаяся от дис­персионной среды дисперсная фаза образует гель.

Каждая дисперсная фаза и дисперсионная среда могут быть в трех агрегатных состояниях: газообразном, жидком и твердом. Исходя из этого, можно было бы ожидать существования в при­роде девяти групп различных дисперсных систем, но система газ в газе не образует агрегатов, а представляет собой гомогенную смесь, не имеющую поверхности раздела между фазами (табл. 21).

Таблица 21

Дисперсные системы

3. По интенсивности взаимодействия между частицами дис­персной фазы и дисперсионной средой различают два класса коллоидных систем: лиофилъные (от греческих лио - растворяю и филио - люблю) системы и лиофобные (от греческих лио - рас­творяю и фобос - страх) системы.

Лиофильными коллоидными системами являются такие системы, в которых частицы дисперсной фазы прочно связывают большое количество молекул растворителя и также прочно удер­живают их, если коллоид выделяется из раствора.

Лиофильные системы (растворы высокомолекулярных со­единений) вследствие их «любви» к растворителю образуются самопроизвольно. Так, при помещении кусочка сухого желатина или крахмала (состояние геля) в воду через некоторое время в результате гидратации геля образуется коллоидный раствор (золь).

Лиофобными коллоидными системами являются такие системы, в которых частицы дисперсной фазы очень слабо взаи­модействуют с молекулами растворителя.

Для получения золя гидрофобного коллоида необходимо затратить работу (химическую - получение нерастворимого ве­щества в ходе реакции, или физическую - растирания и др.).

Коллоидные растворы обнаруживают ярко выраженные оптические свойства. Простое наблюдение показывает, что рас­творы лиофильных коллоидов всегда мутные (раствор желатина, альбумина и др.), а растворы лиофобных коллоидов почти всегда имеют окраску ( гидрозоль гидроокиси железа - красно-коричневую; гидрозоль берлинской лазури - синюю).

Было установлено, что при прохождении света через кол­лоидный раствор, коллоидные частицы рассеивают свет и тем больше, чем больше их число и сильнее интенсивность света. Этот эффект получил название конуса Тиндаля, а интенсивность свечения выражается законом Рэлея:

I = I₀ k

где I - интенсивность рассеянного света; I_о - интенсивность па­дающего света; k - константа, зависящая от разности показателей преломления дисперсной фазы и дисперсионной среды; n - число частиц в единице объема, т.е. концентрация частиц золя; V-объём частицы дисперсной фазы; λ - длина волны падающего света.

Конус Тиндаля в коллоидном растворе является выражени­ем эффекта светорассеяния. Светорассеяние достигается только тогда, когда величина частицы, рассеивающей свет, начинает приближаться к величине длины световой волны. Истинные растворы таким свойством не обладают. По этому свойству легко отличить истинные растворы от коллоидных.

Так как молекулы некоторых веществ по своим размерам могут быть близки к размерам коллоидных частиц, то с этой точ­ки зрения трудно провести резкую границу между истинными и коллоидными растворами. Все же между ними имеется сущест­венное различие: в то время как истинные растворы - термодинамически устойчивые системы, устойчивость коллоид­ных растворов с большей или меньшей скоростью меняется во времени.

Коллоидные растворы представляют собой гетерогенные системы, что и служит одной из причин их неустойчивости. Кол­лоидные растворы обладают большой свободной энергией поверхности и в соответствии со вторым началом термодинамики стремятся к равновесному состоянию, характеризующемуся разделением сис­темы на две фазы, имеющие минимальные межфазовые поверх­ности и, следовательно, минимальную свободную поверхност­ную энергию.

Устойчивость характеризуется длительностью нахождения системы в неизменном состоянии. Различают кинетическую и агрегативную устойчивость коллоидных систем.

Кинетическая устойчивость характеризуется временем со­хранения равномерного распределения частиц дисперсной фазы по всему объёму дисперсионной среды.

Агрегативная устойчивость характеризуется временем со­хранения неизменной степени дисперсности (раздробления час­тиц) дисперсной фазы коллоидной системы.

С помощью ультрамикроскопа было установлено, что кол­лоидные частицы находятся в интенсивном броуновском движе­нии. Чем мельче частицы, тем интенсивнее движение, и наоборот, чем крупнее, тем меньше скорость их движения. Одновременно с этим частицы находятся под влиянием силы земного притяжения.

Таким образом, коллоидные частицы находятся под воз­действием двух взаимно противоположных сил: броуновского движения, стремящегося равномерно распределить частицы по всему объему дисперсионной среды, и силы тяжести, стремящей­ся собрать эти частицы на дне сосуда. Чем крупнее частицы, тем сильнее проявляется действие земного тяготения, тем скорее они отделяются от дисперсионной среды и тем меньше их кинетиче­ская устойчивость.

В природе коллоидные системы образуются двумя путями: конденсационным и дисперсионным. Воспроизведение этих путей и лежит в основе методов получения коллоидов.

В первом случае коллоиды получаются за счет соединения (конденсации) ионов или молекул с образованием более крупных частиц. Причиной вызывающей образование таких частиц является пересыщенное состояние данного вещества в среде другого вещества, в котором первое находится в растворенном состоянии. Так, например, при понижении температуры воздуха, насыщенного водяными пара­ми, создается пересыщение, которое сопровождается образовани­ем тумана; при сливании спиртового раствора канифоли с водой, образуется золь мастики, так как канифоль трудно растворяется в воде и вследствие этого образуются частицы канифоли коллоид­ных размеров.

Во втором случае - коллоиды образуются за счет раздроб­ления (диспергирования) крупных частиц до частиц коллоидных размеров. Так, например, для раздробления глинистых минералов применяют шаровые мельницы, представляющие собой эксцен­трически вращающиеся барабаны из прочной стали, частично заполненные шарами из того же материала.

Так как почвы в большинстве случаев представляют собой мелкие комочки из слипшихся между собой отдельных частиц, в том числе и коллоидных, то для разделения их на отдельные бо­лее мелкие частицы применяют химический метод раздробления. В этом случае в качестве реагента обычно употребляют растворы различных солей натрия и щелочей. Такой метод раздробления получил название пептизации.

Полученные коллоидные растворы очищают от примесей электролитной природы посредством диализа. Диализ основан на способности полупроницаемых мембран пропускать частицы ис­тинных растворов и не пропускать коллоидные частицы, по­скольку размер пор полупроницаемой мембраны меньше чем d частицы. Диализ продолжают до отсутствия качественной реакции на определяемые ионы или молекулы. Другим методом очистки коллоидных растворов является ультрафильтрация.