Файл: Болдырев, А. И. Физическая и коллоидная химия учеб. пособие.pdf

Все дисперсные системы по величине частиц дисперсной фазы и по степени дисперсности можно разделить условно на три группы: грубодисперсные, коллоидно-дисперсные и молекулярно (ионно)- дисперспые (табл. 70).

Т а б л и ц а 70

Классификация дисперсных систем по степени дисперсности

Дисперсные системы третьей группы, известные под общим на­ званием истинных, или молекулярных растворов, всесторонне иссле­ дуются в физической химии. Эти системы являются наиболее изучен­ ными, так как сравнительно просты по составу и структуре (дискрет­ ными единицами в них являются либо простые молекулы, либо ионы), а поведение определяется простыми и четкими закономерностями. Молекулярно- и ионно-дисперсные системы могут образоваться са­ мопроизвольно, они являются системами равновесными и термоди­ намически устойчивыми, подчиняющимися правилу фаз.

Вторая группа дисперсных систем, получивших название коллоид­ но-дисперсных, является основным объектом изучения коллоидной химии. Системы этой группы и получили название коллоидов, или коллоидных систем. Структурной и кинетической единицей в них являются не ион и не молекула в общем смысле, а либо комплекс (агрегат), состоящий из обычных молекул, атомов или ионов, назы­ ваемых мицеллой, либо макромолекула, т. е. молекула-полимер «гигант­ ских» размеров ~ 10-5 ~ 10~7 см, обладающая молекулярным или частичным весом в десятки и сотни кислородных единиц. В качестве примера в табл. 71 приведены размеры молекул некоторых соедине­ ний, коллоидных частиц и некоторых клеток.

— 357 —

Т а б л и ц а 71

Размеры частиц и живых микроскопических объектов

С увеличением молекулярного веса в дисперсных системах второй группы можно ожидать новых качественных изменений, т. е. появле­ ния новых, более сложных свойств, которые не укладываются в за­ кономерности более простых систем третьей группы. По мере изменения размеров частиц от наиболее крупных (грубодисперсных) к мелким и обратно соответственно изменяют кинетические, оптические, ката­ литические и другие свойства. Такие коллоидно-дисперсные системы занимают как бы промежуточное положение между грубыми и молеку­ лярно-ионными системами. В табл. 72 приведены изменения некото­ рых свойств различных дисперсных систем.

в отличие от истинных растворов сами по себе агрегативно неустой­ чивы. Размеры их дисперсных частиц могут изменяться как само­ произвольно, так и под влиянием внешних факторов. Одной из при­ чин неустойчивости коллоидных растворов является их гетерогенность. Обладая громадной суммарной поверхностью, следовательно, боль-

— 358 —

шой свободной энергией, коллоидные системы в силу второго начала термодинамики стремятся к равновесному состоянию, характеризу­ ющемуся разделением системы на две фазы, имеющие минимальные

межфазовые поверхности и минимальную свободную поверхностную энергию.

Агрегативная устойчивость коллоидно-дисперсных систем повы­ шается, если на поверхности коллоидных частиц за счет свободной поверхностной энергии будут адсорбироваться молекулы (ионы) треть­ его компонента системы — стабилизатора. Так, если в пробирку с во­ дой ввести небольшое количество растительного масла, при встряхи­ вании образуется эмульсия, которая быстро расслаивается снова на два слоя — масло и воду. Неустойчивость эмульсии объясняется само­ произвольным уменьшением суммарной поверхности за счет слипания мелких капелек масла в более крупные. Однако если ввести в эту смесь небольшое количество 2%-ного раствора мыла и хорошо встряхнуть, образуется стойкая эмульсия белого цвета. Мыло в данном случае играет роль стабилизатора.

В отличие от коллоидно-дисперсных систем высокомолекулярные системы значительно более устойчивы: они дают при смешении с раст­ ворителями молекулярные растворы, подобные обычным растворам низкомолекулярных веществ, но с очень длинными цепными молеку­ лами. Такие растворы являются гомогенными системами, они обра­ зуются самопроизвольно, потому что сам процесс растворения идет с уменьшением свободной энергии и не требует наличия стабилиза­ тора. Растворы высокомолекулярных соединений являются термодина­ мически равновесными и потому обратимыми системами.

Гетерогенные коллоидно-дисперсные и гомогенные высокомоле­ кулярные системы обладают целым рядом общих свойств, что и делает их объектом изучения коллоидной химии.

Во многом близки к коллоидно-дисперсным системам и изучаются теми же методами суспензии, эмульсии и пены (D л; 10® -f- 105 см~1). Хотя эти системы и обладают рядом особых специфических свойств, однако их следует причислить именно к коллоидным системам.

Коллоиды очень широко распространены в природе и играют важ­ ную практическую роль, чем и определяется не только научное, но и народнохозяйственное значение коллоидной химии,

Драгоценные камни, а также другие минералы в недрах земли, пищевые продукты, одежда, обувь, дым, облака, мутная вода в при­ родных водоемах, почва, глина — все это не что иное, как коллоидные системы. Такие биологические жидкости, как кровь, плазма, лимфа, спинно-мозговая жидкость, белки, крахмал, слизи и камеди, являют­

ся коллоидами.

Существенную роль играют коллоиды в промышленности, главным образом в таких ее отраслях, как добыча и переработка нефти, метал­ лургическая промышленность, горнорудное дело, производство раз­ личных строительных материалов и пластмасс, синтетических волокон, синтетического каучука и резины, текстильная, лакокрасочная и пи­ щевая промышленность, мыловаренное производство и т .л . Такие важ­ ные для промышленности технологические процессы, как обогащение

— 359 —

полезных ископаемых путем флотации, механическая и термическая обработка металлов, технология фотографических и кинематографи­ ческих процессов имеют прямое отношение к коллоидно-дисперсным системам. В фармацевтической и парфюмерной промышленности многие лекарственные и бытовые препараты производятся в виде паст, кремов, мазей, тонких суспензий и эмульсий.

Исключительно важное значение имеет коллоидная химия в геоло­ гии. Представления о коллоидном состоянии вещества способствуют более углубленному пониманию процессов образования минералов, различных руд, горных пород и т. п.

В области почвоведения многие проблемы, например процессы ионного обмена, строение и свойства почвенного поглощающего ком­ плекса, биохимия гумуса и другие также тесно связаны с коллоидной химией. Закономерности, устанавливаемые ею, дают возможность агро­ ному не только глубже понимать процессы, протекающие в почве, но

ив известной мере сознательно их изменять в желаемом направлении. Велика роль коллоидной химии в вопросах химической защиты

растений от различных вредителей и сорняков. В целях более высокой эффективности различные ядохимикаты применяются в виде суспен­ зий, эмульсий, дымов и туманов (аэрозолей). Вот почему в системе аг­ рономического образования коллоидной химии уделяется большое внимание. Такие важные для подготовки агронома научные дисцип­ лины, как почвоведение, агрохимия, физиология растений и живот­ ных, метеорология, биохимия, микробиология и другие, широко поль­ зуются основными положениями и методами коллоидной химии.

В целях более глубокого понимания предмета и задач современной коллоид­ ной химии полезно рассмотреть ее положения в их историческом развитии.

Краткая история развития коллоидной химии. Как самостоятельная науч­ ная дисциплина коллоидная химия возникла в начале XX в., однако практиче­ ские сведения о коллоидах можно найти уже в работах Аристотеля и алхимико^. Многие коллоидные системы и их свойства были хорошо известны человеку в глу­ бокой древности и широко им использовались. Однако до середины XIX в., не­ смотря на успешное развитие естествознания, изучение и понимание коллоидов продвинулось очень мало. Объясняется это не только сложностью коллоидных систем, но и тем, что в XVIII и начале XIX вв. в естествознании господствовали идеалистические и вульгарно-механистические взгляды на сложные явления природы, вроде учения о «жизненной силе» и т. п.

Русские ученые внесли неоценимый вклад в будущую коллоидную химию. Так, в трудах М. В. Л о м о н о с о в а (1751) четко различались явления кри­ сталлизации и свертывания (коагуляции) растворов, описаны способы получе­ ния и свойства коллоидных растворов в воде и стекле (его знаменитые цветные стекла по существу являются твердыми растворами). Позднее, Т. Е. Л о в и ц (1789) впервые открыл одно из важнейших явлений, лежащее в основе коллоид­ ной химии, — адсорбцию из растворов на твердом адсорбенте (угле). Это свойст­ во угля Ловиц успешно использовал в практических целях для осветления са­ харного сиропа и растительных масел, а также для очистки селитры, которая применялась в производстве пороха.

В 1808 г. профессор Московского университета Ф. Ф. Р е й с с впервые уста­ новил факт движения частичек дисперсной фазы и дисперсионной среды под влиянием внешнего электрического поля. Эти работы легли в основу изучения електрокинетических свойств коллоидно-дисперсных систем.

Большое значение имели работы итальянского химика С е л ь м и, который еще в 1845 г., исследуя свойства различных растворов, заметил, что биологиче­ ские жидкости —сыворотка, молоко, кровь, лимфа и другие резко отличаются по

360 —