Файл: Захарченко В.Н. Коллоидная химия учебник.pdf

В. Н. ЗАХАРЧЕНКО

КОЛЛОИДНАЯ

ХИМИЯ

Допущено Главным управлением учебных заведений

Министерства здравоохранения СССР

в качестве учебника для студентов медико-биологических факультетов медицинских институтов

МОСКВА «ВЫСШАЯ ШКОЛА» 1974

541

3-38 УДК 541.18(075.8)

Захарченко В. Н.- 338 Коллоидная химия. Учебник для медвузов. М., «Высш.

школа», 1974.

216 с. с ил.

В учебнике изложены основные сведения о классификации дисперсных систем; очистка дисперсных систем и растворов высокомолекулярных соеди­ нений; их молекулярно-механические свойства; поверхностные явления; адсорб­ ция; электрокннетнческне явления; устойчивость и коагуляция лнофобных золей; структурно-кинетические свойства дисперсных систем и растворов вы­ сокомолекулярных соединений; их оптические свойства; полуколлоиды; эмуль­

(6) Издательство «Высшая школа», 1974

Он установил, что по скорости диффузии все вещества мож­ но разделить на два класса: хорошо диффундирующие, на­ званные им кристаллоидами, и плохо диффундирующие, названные коллоидами. Грэм разработал также метод отделения коллоидов от кристаллоидов, названный им диа­ лизом. В этом методе используется способность пленок, изготовленных из некоторых природных и искусственных материалов, пропускать кристаллоиды и задерживать кол­ лоиды. Например, мембрана, полученная из обработанного особым образом мочевого пузыря быка, пропускает через себя ионы натрия и хлора в водном растворе хлористого натрия, но не пропускает частицы берлинской лазури, так­ же распределенные в воде. Таким образом, Грэму удалось установить критерий, характеризующий принадлежность веществ к коллоидам.

Грэм изучал диффузию и применял диализ, работая с система­ ми, содержащими органические вещества: желатин, пектин, ка­ зеин, гуммиарабик и др., — которые, как и золото, берлинская ла­ зурь в золях, отличаются малой скоростью диффузии и не прохо­ дят через мембраны при диализе. Из указанных органических веществ можно приготовить клей, поэтому их было предложено на­ звать коллоидами (от латинского слова colla — клей). Впоследст­ вии это название распространили на все вещества, не проходящие через мембрану при диализе и плохо диффундирующие.

Название «кристаллоид» было дано веществам, способным легко кристаллизоваться при насыщении растворов.

Принципиальное разделение веществ на два класса озна­ чало бы, что кристаллоиды не могут образовывать золи. В противоположность Грэму Г. И. Борщов в 1869 г. вы­ сказал предположение, что частицы в коллоидных системах могут иметь кристаллическое строение. Г. И. Борщов одним из первых предсказал большую роль, которую может сы­ грать изучение коллоидных систем в развитии биологии и медицины.

До начала XX в. предположения о строении коллоид­ ных систем делались на основании косвенных эксперимен­ тов. В то время не было методов прямого наблюдения за отдельными частицами в золях. Поэтому наряду с правиль­ ными взглядами на коллоиды как на системы, содержащие полимолекулярные частицы (мицеллы), возникали оши­ бочные представления. Например, некоторые исследова­ тели считали, что коллоидные системы —это молекулярные растворы. Вначале такую точку зрения разделял Р. Зигмон­ ди. Любопытно, что именно ему совместно с Г. Зидентопфом удалось в 1903 г. сконструировать прибор для прямого

4

наблюдения за частицами в золях и тем самым опро­ вергнуть свои ранние воззрения. В этом приборе, назван­ ном ультрамикроскопом, наблюдается свет, рассеиваемый отдельными частицами при интенсивном освещении золя. Применение ультрамикроскопа способствовало быстрому развитию коллоидной химии. С его помощью удалось вы­ числить размеры частиц в золях, проверить теорию бро­

казали, что на свойства коллоидных систем влияют раз­ меры частиц распределенного в них вещества. Величина частиц определяет интенсивность броуновского движения, их способность оседать под действием силы тяжести, опти­ ческие свойства коллоидных систем.

Русский ученый П. П. Веймарн и немецкий В. Ост­ вальд обратили внимание на то, что размер частиц являет­ ся существенной характеристикой коллоидных систем. Однако и тот и другой ошибочно полагали, что, изучая кол­ лоидные системы и описывая их свойства, надо исходить только из одного признака — размеров частиц. При та­ ком подходе нельзя выяснить роль явлений на границе между поверхностью частиц и средой, в которой они рас­ пределены, так как многие из этих явлений очень мало за­ висят от размеров частиц. Однако работы многих ученых по­ казали, что именно явления на границе частица— среда определяют многие свойства коллоидных систем, в том

как на системы, свойства которых являются функцией толь­ ко размеров частиц, недостаточен для полного описания коллоидных систем. Это может быть сделано лишь с учетом факторов, определяющих способность коллоидной системы сохранять неизменными размеры частиц. Изменение раз­ меров частиц вызывается их слипанием друг с другом — коагуляцией. Способность противостоять коагуляции была названа агрегативной устойчивостью. Изучение явлений, связанных с агрегативной устойчивостью, Песков считал важнейшим направлением коллоидной химии.

Идеи Пескова получили всеобщее признание. В настоя­ щее время проблема устойчивости коллоидных систем —од­ на из главных в науке о коллоидах. В ее решение огром-

э

Г л а в а I

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМАХ

Основные определения. В коллоидной химии широко используются многие понятия из курса физической химии, в том числе фаза, гомогенная и гетерогенная системы. На­ помним эти понятия.

Фаза — часть системы одного состава, одинаковых физических свойств, ограниченная от других частей поверх­ ностью раздела. Систему, состоящую из одной фазы, а сле­ довательно, имеющую одинаковые макроскопические свой­ ства во всех ее точках, называют гомогенной. Гетероген­ ной называют систему, состоящую из двух и более фаз. Гетерогенную систему, в которой одна из фаз представле­ на в виде частиц микроскопических размеров, называют микрогетерогенной. Гетерогенная система может содержать частицы значительно меньших размеров в сравнении с ви­ димыми в оптический микроскоп. Такие частицы наблюдают с помощью специального оптического прибора — ультра­ микроскопа. Систему, содержащую столь малые частицы (но все же их масса превосходит в десятки и сотни Тысяч раз массу отдельных обычных молекул и ионов), называют ультрамикрогетерогенной. По предложению Оствальда и Веймарна, фазу, входящую в микрогетерогенную или ульт­ рамикрогетерогенную систему в виде мелких частиц, на­ зывают дисперсной фазой.

Микрогетерогенные и ультрамикрогетерогенные систе­ мы — представители особого класса гетерогенных систем, называемых дисперсными системами. Это системы с чрез­ вычайно развитой поверхностью раздела фаз. Понятие «дисперсные системы» объединяет системы, содержащие час­ тицы, малые во всех измерениях, и системы с частицами, ■имеющими в некоторых направлениях значительные раз­ меры (вплоть до макроскопических). К первому роду си­

7

стем относятся дисперсии золота, серы, берлинской лазури и других веществ в воде, ко второму — активированный уголь, силикагель, синтетические пористые алюмосиликаты (цеолиты).

Дисперсность. Предположим, что получены две диспер­ сные системы с одинаковым составом дисперсных фаз и оди­ наковым составом дисперсионных сред. Различие заключает­ ся лишь в том, что одна система содержит дисперсную фазу в виде одинаковых частиц одного размера, а размер частиц дисперсной фазы другой системы тоже одинаковый, но иной. Это простейший пример, когда различие между системами устанавливается указанием размера частиц. Однако наи­ более часто встречаются системы, в которых частицы дис­ персной фазы имеют множество размеров. В качестве харак­ теристики, используемой для сравнения таких систем, В. Оствальд предложил применять степень дисперсности, ме­ рой которой служит удельная поверхность.

Удельной поверхностью называется величина площади раздела фаз, приходящаяся на единицу массы или объема дисперсной фазы. Если частицы дисперсной фазы имеют форму куба и одинаковы по размерам, то удельная поверх­ ность системы вычисляется по формуле

где S4 — поверхность частицы; Еч — ее объем; а — длина ребра кубической частицы.

Для системы, содержащей одинаковые частицы диспер­

где d — диаметр частицы.

В общем случае для систем, содержащих одинаковые частицы произвольной формы,

(1.3)

где k — коэффициент, зависящий от формы частиц; а — выбранный линейный размер частиц.

Удельная поверхность системы с частицами одной формы, но разных размеров определяется по формуле

°max

(1. 4)

8