Лекции по коллоидной химии (стр. 1 )

ЛЕКЦИИ ПО КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

Лекция 1 ПРЕДМЕТ КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

Коллоидная химия – это наука о дисперсном (высоко раздробленном) состоянии вещества. В широком смысле слова, раздробленность на молекулярном, атомном, ядерном и т. д. уровне присуща любому веществу и представляет собой зернистость материи. В коллоидной химии понятие дисперсность простирается в широкую область размеров: от больших, чем простые молекулы, до видимых невооруженным глазом, т. е. от 10-7 до 10-2см. Современная коллоидная химия изучает как грубодисперсные системы (суспензии, эмульсии, порошки с размерами частиц более 1 мкм), так и высокодисперсные - с размерами частиц 1-100 нм. Раньше коллоидную химию рассматривали как часть физической химии. Затем она выделилась в самостоятельную отрасль знаний. Такое выделение связано с отклонением от законов, описывающих макро - и микроскопические объекты. Так коллоидные частицы обладают более интенсивной окраской, большей прочностью и твердостью, чем крупные частицы того же вещества. Многие вещества, практически не растворимые, заметно растворяются в коллоидном состоянии. Дело в том, что законы физической химии были установлены для идеализированных систем (идеальных газов, бесконечно разбавленных растворов и других моделей) с перспективой их дальнейшего усложнения на пути к реальным условиям. Реальный окружающий мир, как и мы сами, состоит из дисперсных систем, поэтому применение законов химии к реальному миру несет отпечаток «коллоидно-химического» своеобразия. Изучение этих качественных особенностей реальных тел и составляет предмет коллоидной химии. Своеобразие свойств вещества в коллоидном состоянии объясняется, прежде всего, тем, что при этом значительная доля всех молекул или атомов составляющих вещество находится на поверхности раздела фаз (например, между жидкой и твердой). Эти молекулы отличаются от молекул того же состава, находящихся в объеме фазы, не только по положению в несимметричном силовом поле, но и по энергетическому состоянию, обладают избыточной свободной энергией. Например, для сферических частиц размером около 1 нм, отношение числа поверхностных молекул к внутренним молекулам составляет 1. Высокая дисперсность, а, следовательно, и связанная с нею высокоразвитая удельная поверхность S=K/(d), где К=6 для сфер и кубов, d и  - соответственно диаметр и плотность частиц, обусловливает избыточную (по сравнению с аналогичной по составу макрофазой) энергию Гельмгольца Fs =12S, где 12-поверхностное натяжение или удельная поверхностная энергия межфазной границы «дисперсная фаза – дисперсионная среда». Величина этого избытка Fs определяет интенсивность и направление процессов в дисперсных системах, которые весьма далеки от термодинамического равновесия. Поэтому коллоидную химию называют еще и физической химией дисперсных систем и поверхностных явлений.

КРАТКИЙ ИСТОРИЧЕСКИЙ ОБЗОР РАЗВИТИЯ С коллоидными системами человек имел дело с незапамятных времен. Изучение этих систем началось в 19 веке. Итал. ученый Франческо Сельми в 40 гг 19 века обратил внимание на аномальные свойства некоторых растворов, которые по современным представлениям являются типичными коллоидными системами. Эти растворы сильно рассеивают свет; растворенные в них вещества выпадают в осадок от прибавления к ним даже весьма небольших количеств солей, не взаимодействующих с растворенным веществом. Переход вещества в такой раствор и осаждение из него не сопровождается изменением температуры и объема системы, что обычно имеет место при растворении кристаллов. Сельми назвал эти растворы «псевдорастворами». Позднее их стали называть золями. Англ. уч. Томас Грэм назвал эти системы «коллоидами» (колла по греч. клей), т. к. думал, что клей является типичным их представителем. Рассмотрим особенности коллоидных растворов, которые были известны уже в 60 гг 19 в. 1.Все коллоидные растворы способны рассеивать свет, т. е. опалесцировать. Опалесценция становится особенно заметна, если через коллоидный раствор пропускать пучок сходящихся лучей, поставив между источником света и кюветой с коллоидным раствором линзу. Тогда при наблюдении сбоку виден ярко светящийся конус (конус Тиндаля), что указывает на неоднородность коллоидных растворов. 2.Диффузия частиц в к. р. протекает весьма медленно. 3.К. р. имеют весьма низкое осмотическое давление. Два последних свойства указывают на относительно крупные по сравнению с молекулами или ионами размеры коллоидных частиц. 4.К. р. способны к диализу. Т. е. с помощью полупроницаемой перегородки (мембраны) могут быть отделены от растворенных в них низкомолекулярных веществ, которые проходят через поры мембраны в отличие от крупных кол. частиц. 5.В отличие от истинных растворов к. р. неустойчивы. Коллоидно растворенное вещество способно выделяться (коагулировать) из раствора под влиянием незначительныхвнешних воздействий, образуя коагулят. Коагулят представляет собой агрегаты из слипшихся первичных частиц. Коагуляцию может вызвать нагревание, вымораживание, интенсивное перемешивание, введение в к. р. небольших количеств индифферентного электролита, ультразвуковые воздействия. Т. о. коагуляция - это физический, а не химический процесс. 6.К. р. обнаруживают явление электрофореза, т. е. перенос коллоидных частиц в электрическом поле к томуили иному электроду, что свидетельствует о наличии заряда у коллоидных частиц. Коллоидные системы могут быть твердыми, жидкими и газообразными. Грэм подразделял все вещества на два мира: мир коллоидов и мир кристаллоидов. Это оказалось неверным. Одно и то же вещество в зависимости от условий может образовывать и истинный, и коллоидный раствор. Например, канифоль в спирте образует истинный, а в воде коллоидный раствор. Хлорид натрия в воде образует истинный, а в бензоле – к. р. Таким образом, в 19 веке зародились казалось бы никак не связанные между собой разделы коллоидной химии: учение об устойчивости, адсорбция, электрические явления, кинетические свойства золей, поверхностные явления и др. К середине 20 века при слиянии этих разделов на основе ряда фундаментальных обобщений сформировалась единая отрасль знания – коллоидная химия. В этот процесс внесли значительный вклад русские и советские химики: Шведов, Шилов, Шишковский, Думанский, Цвет, Песков, Ребиндер, Фрумкин, Воюцкий, Жуков, Фукс.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

К. р. – это гетерогенная, многофазная (в простейшем случае двухфазная) система в отличие от истинного раствора, который является гомогенной однофазной системой. Условием образования к. р. является очень низкая растворимость вещества одной фазы в другой фазе, тогда между такими веществами могут существовать поверхности раздела. Одна из фаз, раздробленная до частиц коллоидных размеров, образует дисперсную фазу. Частицы дисперсной фазы являются не молекулами, а агрегатами из множества молекул. Им могут быть приписаны все термодинамические свойства фазы.

Среда, в которой раздроблено вещество дисперсной фазы, называется дисперсионной средой. Коллоидная химия – это наука о свойствах гетерогенных высокодисперсных систем и о протекающих в них процессах. Мерой раздробленности (а) всякой дисперсной системы служит поперечник частиц, диаметр или ребро куба. Чтобы охарактеризовать частицы сложной формы введем несколько условных параметров, имеющих размерность длины. Проективный радиус — радиус круга, имеющего ту же площадь, что и площадь проекцииастицы на плоскость. Эквивалентный радиус (эквивалентный массовый радиус) частицы — радиус сферы из того же вещества, имеющей ту же массу. Эквивалентным поверхностным радиусом частицы называют радиус сферы из того же вещества, имеющей ту же площадь поверхности.

Стоксовский радиус — радиус сферы из того же вещества, имеющей ту же скорость осаждения под действием силы тяжести. Эквивалентный оптический радиус — радиус сферы, имеющей то же сечение рассеяния света,

что и характеризуемая частица. Дисперсность – Д =1/a. Удельная поверхность – это поверхность единицы объема или единицы массы дисперсной фазы. Для монодисперсных к. систем cо сферическими частицами Sуд(v) = n4r2/[(4/3)r3n]= 3/r=6/d; Sуд(m)= 6/(d); где n – число частиц, d и r-диаметр и радиус.

Предполагается, что в монодисперсных коллоидных системах частицы дисперсной фазы имеют одинаковые размеры, а в полидисперсных - разные. Моно - и полидисперсность — чисто статистические понятия. Ни одна коагулирующая система не может быть монодисперсной, даже если первоначально она была таковой. В зависимости от своего происхождения система может состоять из частиц с узким или широким интервалом размеров. Кол. Системы можно рассматривать как микрогетерогенные системы с предельной дисперсностью и огромной поверхностью раздела между дисперсной фазой дисперсионной средой. Рассмотрим изменение площади поверхности измельчаемого материала. Пусть имеется куб с длиной ребра 1см, площадь поверхности равна 6см2. При дроблении этого куба на маленькие кубики с длиной ребра 10-4см, число кубиков равно (104)3, а суммарная площадь поверхности кубиков – 60000см2 (6м2). При дроблении этого куба на кубики с длиной ребра 10-8смповерхность раздела исчезает, образуется истинный раствор. Лекция 2 Дробление материала не только увеличивает количество частиц и удельную поверхность, но и изменяет свойства системы. При измельчении в ступке куска мела образуется грубодисперсная система (а>10-4см). Эти частицы не остаются во взвешенном состоянии в воде, а оседают под действием силы тяжести на дно сосуда, т. е. система кинетически не устойчива. Эти частицы не способны участвовать в броуновском движении, не диффундируют, не создают осмотического давления. Если измельчение мела проводить в шаровой мельнице в присутствии ПАВ, облегчающих дроблении и препятствующих слипанию частиц, можно получить частицы размером 10-5см. Такие частицы участвуют в хаотическом броуновском движении, могут диффундировать и создавать осмотическое давление. Подобные кол. системы кинетически устойчивы. При этом и те и другие не устойчивы термодинамически.

ЗНАЧЕНИЕ КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ Коллоидная химия играет огромную роль в развитии науки и производства. Коллоидные системы широко распространены в природе. Межзвездная материя состоит из газов и пыли, частицы которой имеют коллоидные размеры. По космогоническим представлениям Кейпера, Юри, Фесенкова солнечная система образовалась из газово-пылевого вещества. Коллоидные системы имеют определяющее значение для метеорологических явлений при образовании горных пород и минералов. Дождь, грозовые разряды, облака и туманы – это явления связанные с коллоидными процессами. Почва является сложнейшей коллоидной системой. Размер и форма частиц почвы, наряду с их природой, определяет водопроницаемость и поглотительную способность почвы, которые влияют на урожайность. В металлургической промышленности задачей является получение металлас оптимальной микро - и ультрамикроструктурой, что осуществляется путем введения определенных присадок. Керамическое и строительное производство связано с получением концентрированных суспензий из силикатов алюминия (глин). Глины используются также как катализаторы, осушители, осветлители разных жидкостей (например, вина). Технология получения бумаги, крашения волокон, производства резины и пластмасс, лекарств, косметики, нефтедобычи связаны с коллоидно-химическими процессами. Многие пищевые продукты, такие как, молоко, сметана, майонез масло, зефир, пастила, бульон, желе и т. д. представляют собой кол. системы. Человек – это ходячий коллоид. Мышечные волокна и нервные клетки, клеточные мембраны, волокна, гены, вирусы, кровь – это коллоидные образования. Особенно большое значение приобретает коллоидная химия для решения задач защиты окружающей среды.