Коллоидная химия как наука¶

Коллоидная химия — раздел физической химии, изучающий дисперсные системы и поверхностные явления: закономерности образования, строения, устойчивости и разрушения систем, в которых одно вещество распределено в другом в виде частиц промежуточного размера — от 1 до 100 нм. Такие системы называют коллоидными или дисперсными, а частицы дисперсной фазы, распределённые в дисперсионной среде, — коллоидными частицами. Коллоидная химия занимает промежуточное положение между химией, физикой и биологией, поскольку её объекты встречаются в живой природе, промышленности и быту.

¶История

Термин «коллоид» (от греч. kolla — клей) ввёл в 1861 году английский химик Томас Грэм, изучавший диффузию растворов. Он обнаружил, что одни вещества (например, соли) быстро проходят через полупроницаемую мембрану, а другие (крахмал, желатин, белки) задерживаются. Первые он назвал кристаллоидами, вторые — коллоидами. В 1902 году австрийский учёный Рихард Зигмонди разработал ультрамикроскоп, позволивший наблюдать отдельные коллоидные частицы, за что в 1925 году получил Нобелевскую премию. Значительный вклад внесли российские учёные: Николай Песков создал учение о лиофильных и лиофобных коллоидах, Пётр Ребиндер развил физико-химическую механику дисперсных систем, а Иван Жуков заложил основы теории коагуляции электролитами.

¶Классификация дисперсных систем

Дисперсные системы классифицируют по нескольким признакам.

По размеру частиц дисперсной фазы выделяют:

истинные растворы (менее 1 нм);
коллоидные растворы, или золи (1–100 нм);
грубодисперсные системы, или суспензии и эмульсии (более 100 нм).

По агрегатному состоянию фаз различают восемь типов систем: газ — жидкость (туман), газ — твёрдое (дым, аэрозоли), жидкость — газ (пены), жидкость — жидкость (эмульсии), жидкость — твёрдое (пасты), твёрдое — газ (пористые тела), твёрдое — жидкость (гели, студни), твёрдое — твёрдое (сплавы, минералы).

По характеру взаимодействия фаз системы делят на лиофобные (не взаимодействующие со средой, неустойчивые) и лиофильные (самопроизвольно образующиеся, устойчивые, например растворы белков).

¶Строение коллоидной частицы

Коллоидная частица (мицелла) имеет сложное строение. В её центре находится ядро из нерастворимого вещества, на поверхности которого адсорбируются ионы — потенциалопределяющие. Вокруг ядра формируется двойной электрический слой: внутренняя часть из противоионов плотно связана с ядром, внешняя образует диффузный слой. Такое строение объясняет электрический заряд частиц и их устойчивость. Мицеллы электронейтральны в целом, но обладают зарядом на границе скольжения, что фиксируется при электрофорезе.

¶Устойчивость и коагуляция

Устойчивость коллоидных систем бывает кинетической (седиментационной) и агрегативной. Кинетическая устойчивость связана с броуновским движением, препятствующим осаждению частиц. Агрегативная устойчивость определяется наличием электрического заряда и сольватных оболочек, мешающих частицам слипаться.

Нарушение устойчивости приводит к коагуляции — слипанию частиц с образованием агрегатов. Коагуляцию вызывают электролиты, нагревание, замораживание, механическое воздействие. Правило Шульце — Гарди устанавливает, что коагулирующая способность иона тем выше, чем больше его заряд. Порог коагуляции — минимальная концентрация электролита, вызывающая коагуляцию. Обратный процесс — пептизация, переход осадка в коллоидный раствор.

¶Методы получения и исследования

Коллоидные системы получают двумя путями: диспергированием (измельчением крупных частиц) и конденсацией (объединением молекул в агрегаты). К методам исследования относят ультрамикроскопию, электронную микроскопию, электрофорез, нефелометрию, метод рассеяния света. Явление рассеяния света коллоидными частицами (эффект Тиндаля) служит простым способом их обнаружения: луч света, проходя через золь, становится видимым.

¶Значение и применение

Коллоидная химия имеет фундаментальное значение для многих отраслей. В промышленности её методы используют при производстве красок, лаков, клеёв, синтетических волокон, керамики, строительных материалов. В нефтедобыче коллоидные растворы применяют для повышения отдачи пластов. В медицине и фармации коллоидные системы лежат в основе лекарственных препаратов, вакцин, кровезаменителей. В пищевой промышленности — при получении молока, майонеза, мороженого, желе.

В природе коллоидные системы широко распространены: почва, глины, природные воды, туманы, облака, дым. Биологические жидкости (кровь, лимфа, цитоплазма) также являются коллоидными системами. Изучение коллоидных процессов важно для понимания обмена веществ, работы ферментов, действия поверхностно-активных веществ.

¶Критика и ограничения

Классическое деление на коллоиды и кристаллоиды оказалось условным: одно и то же вещество в зависимости от условий может образовывать как истинный раствор, так и коллоидный. Границы размеров частиц также условны и зависят от метода исследования. Современная коллоидная химия рассматривает свои объекты как часть более общей науки о поверхностных явлениях и наноматериалах, что расширяет её предмет за рамки первоначальных представлений.

Источники: учебники по физической и коллоидной химии, работы Т. Грэма, Р. Зигмонди, Н. П. Пескова, П. А. Ребиндера, И. И. Жукова.