Коллоидная химия

История изучения коллоидных систем

Изначально коллоидная химия рассматривалась только как одна из глав физической химии. Сегодня она является самостоятельной дисциплиной, имеющей свой круг проблем. Разработан ряд специальных специфических коллоидно-химических методов исследования: ультромикроскопия, электронная микроскопия, ультрацентрифугирование, электрофорез и пр.

Обычно основателем коллоидной химии как науки называют английского ученого Томаса Грэма, которым в 50-60-х годах позапрошлого века были введены основные понятия коллоидной химии. Но нельзя забывать и о его предшественниках – Якове Берцелиусе и Франческо Сельми. В 30-х годах 19 века Берцелиусом был описан ряд осадков, которые проходят при промывании через фильтр. Осадки, проходящие через фильтр, были названы Берцелиусом растворами, но он же указал на их родство с эмульсиями и суспензиями, свойства которых он хорошо знал. В 50-х годах 19 века Францеско Сельми продолжил разработки в этом направлении, он занимался поиском физико-химических различий систем, образованных осадками, которые проходят через фильтр, и с обычных истинных растворов.

Английский ученый Майкл Фарадей в 1857 году синтезировал коллоидный раствор золота и разработал методы стабилизации взвешенных частиц.

Такие псевдорастворы способны рассеивать свет, растворенные в них вещества выпадают в осадок, если добавить в раствор небольшое количество солей, переход вещества в растворы и осаждение из него не сопровождается изменением температуры и объема системы, что обычно можно наблюдать при растворении кристаллических веществ.

Томас Грэм занимался развитием представлений о различии псевдорастворов и истинных растворов, а также ввел понятие коллоида. Грэм обнаружил, что вещества, способные образовывать студнеобразные аморфные осадки – гидроокись алюминия, альбумин, желатин, диффундируют в воде с малой скоростью по сравнению с кристаллическими веществами. Вместе с этим кристаллические вещества могут легко переходить в растворе через пергаментную оболочку, а студнеобразные вещества через такую оболочку пройти не могут. Рассматривая клей в качестве типичного представителя студнеобразных не диффундирующих и не диализирующих веществ, Грэм назвал такие вещества коллоидами, то есть клееобразными. Кристаллические вещества и вещества, которые хорошо диффундируют и диализируют, были названы им кристаллоидами.

Свойства коллоидных систем

К основным свойствам коллоидных систем можно отнести:

• рассеивание света - опалесценция – указывает на неоднородность и многофазность системы. Она становится особенно заметна, если сквозь коллоидный раствор пропускают пучок сходящихся лучей, поставив между источником света и кюветой с раствором линзу. При этом растворы, прозрачные в проходящем свете, в боковом освещении способны проявлять все свойства мутных сред. В коллоидной жидкости, наблюдаемой сбоку, отмечается образование яркого светящегося конуса – конуса Тиндаля;
• медленная диффузия;
• малое осмотическое давление;
• коллоидные растворы проявляют способность к диализу, то есть с помощью мембраны их можно отделить от примесей;
• проявляют способность к коагуляции, то есть разрушению системы, при добавлении примесей, изменении температуры, перемешивании и пр.;
• иногда обнаруживается явление электрофореза, которое открыл Рейсс в России в 1808 году, то есть частицы в системе могут иметь определенный заряд.

Предмет коллоидной химии

В истинных растворах вещество дробится до молекулярного состояния и между растворенным веществом и растворителем отсутствует граница раздела.

Причина поверхностных явлений – существование на границе раздела контактирующих фаз насыщенного поля межатомных, межмолекулярных сил, возникающее в связи с разным составом и строением соприкасающихся фаз и различием в связях их поверхностных молекул и атомов.

Поверхностные слои жидких и твердых тел, которые прилегают к поверхности раздела фаз, резко отличаются по ряду физико-химических показателей от свойств фаз в глубине их объема. Отличия зависят от определенной ориентации молекул в поверхностных слоях и иным энергетическим состоянием их по сравнению с молекулами в объеме. Помимо этого, в многокомпонентных системах состав поверхностного слоя не совпадает с составом объемной фазы.

Особенности поверхностных слоев зависят от наличия избытка поверхностной энергии. Свойства поверхности раздела тем сильнее воздействуют на поведение всей системы, чем больше площадь поверхности. Этим объясняют доминирующую роль поверхностных явлений в свойствах высокодисперсных систем, площадь поверхности которой достигает огромных величин.

Наличие избыточной энергии в поверхностном слое молекул зависит от неполной скомпенсированности межмолекулярных сил притяжения у молекул поверхностного слоя в связи с их слабым взаимодействием и граничащей фазой.

Коллоидная химия занимается изучением дисперсных систем – гетерогенных систем, состоящих из двух и более фаз, одна из которых – дисперсная – раздробленная, или прерывная, а вторая – дисперсионная – непрерывная часть системы.

Дисперсные частицы могут быть разной формы: цилиндрической, сферической, прямоугольной, неправильной. Например, дисперсными системами являются системы с частицами кубической, шарообразной формы – золи, эмульсии, пасты, взвеси.