Коллоидные растворы¶

Коллоидные растворы — это гетерогенные дисперсные системы, в которых размер частиц дисперсной фазы находится в диапазоне от 1 нм до 1000 нм (0,001–1 мкм). Такие частицы достаточно велики, чтобы не проникать сквозь полупроницаемые мембраны, но достаточно малы, чтобы оставаться взвешенными в среде и не оседать под действием силы тяжести. Коллоидные растворы занимают промежуточное положение между истинными (молекулярными) растворами и грубыми дисперсными системами (суспензиями и эмульсиями).

¶Классификация

По агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсной среды коллоидные системы подразделяют на девять классов:

Также коллоидные системы классифицируют по степени дисперсности (макро-, мезо- и микроколлоиды), по характеру взаимодействия с дисперсной средой (олеофобные и олеофильные, гидрофильные и гидрофобные) и по устойчивости (лиофильные и лиофобные).

¶Свойства

¶Кинетические свойства

Коллоидные частицы постоянно совершают броуновское движение — беспорядочное движение, обусловленное неравномерным столкновением с молекулами среды. Благодаря этому частицы не оседают, а система сохраняет однородность. Скорость броуновского движения обратно пропорциональна размеру частиц и вязкости среды.

¶Оптические свойства

Коллоидные частицы рассеивают свет — это явление называется эффектом Тиндаля. Луч света, проходящий через коллоидный раствор, становится видимым сбоку. На этом основано различение истинных растворов и коллоидных систем: в первых эффект Тиндаля отсутствует. Частицы размером около 100–200 нм рассеивают свет сильнее всего, что придаёт ряду золей характерную окраску (например, золото в растворе имеет красный цвет).

¶Электрические свойства

Частицы коллоидных систем несут электрический заряд, как правило, одинаковый по знаку для всех частиц системы. Заряд возникает за счёт ионной адсорбции на поверхности частиц, ионизации поверхностных групп или несимметричного распределения ионов. Наличие заряда обеспечивает электростатическое отталкивание частиц и тем самым устойчивость системы. Явление перемещения заряженных коллоидных частиц под действием внешнего электрического поля называется электрофорезом, а перемещение дисперсной среды относительно неподвижной дисперсной фазы — электроосмосом.

¶Устойчивость и коагуляция

Коллоидные системы кинетически устойчивы, но термодинамически неустойчивы: переход в состояние истинного раствора или осаждение частиц для них более выгоден. Устойчивость поддерживают заряд частиц и сольватная (адсорбционная) оболочка — слой молекул среды, прочно удерживающихся на поверхности частиц.

При нарушении устойчивости происходит коагуляция — слипание и оседание частиц с образованием хлопьев. Коагуляцию вызывают:

• добавление электролитов (правило Шульца — Гарди: чем больше заряд ионов, тем сильнее коагулирующее действие);
• нагревание;
• механическое воздействие (встряхивание, перемешивание);
• действие ультрафиолетового и радиоактивного излучения;
• взаимодействие коллоидных систем с противоположно заряженными частицами (взаимная коагуляция).

Обратимая коагуляция возможна при слабом воздействии, необратимая — при сильном.

¶Получение коллоидных растворов

Методы получения делятся на два класса:

Дисперсионные — измельчение крупных частиц до коллоидных размеров. К ним относятся механическое измельчение (в шаровых мельницах), ультразвуковое дробление, эмульгирование (разбивание жидкости на капли в другой жидкости), конденсация газов в жидкости.

Конденсационные — наращивание частиц из молекул, атомов или ионов за счёт химических реакций или изменения физических условий (испарение растворителя, охлаждение, изменение pH). Пример — получение золей золота, серебра, серы, гидроксидов железа и алюминия.

Для стабилизации коллоидных систем вводят специальные добавки — стабилизаторы (поверхностно-активные вещества, полимеры, мыла).

¶Применение

Коллоидные системы широко распространены в природе и технике:

• Природа: почва, кровь, лимфа, молоко, глина, туман, дым, аэрозоли.
• Промышленность: производство каучука, красок, лаков, бумаги, цемента, керамики, стекла, фотоплёнки, моющих средств.
• Пищевая промышленность: молочные продукты (молоко — эмульсия жира в воде), маргарин, майонез, шоколад.
• Медицина и фармакология: препараты коллоидного золота, коллоидные растворы для внутривенного введения (кровезаменители), диагностика.
• Сельское хозяйство: обработка почв, удобрения.
• Химическая промышленность: катализ, адсорбция, разделение смесей.

¶Роль в природе

Почва по своей природе является коллоидной системой: глинистые минералы образуют коллоидные частицы, которые адсорбируют ионы, воду и органические вещества, обеспечивая плодородие. Многие биологические процессы — перенос кислорода гемоглобином, ферментативные реакции, работа иммунной системы — происходят с участием коллоидных частиц и молекул, находящихся в коллоидном состоянии.

¶История

Термин «коллоид» ввёл шотландский химик Томас Грэм в 1861 году (от греч. κόλλα — клей), поскольку такие вещества плохо кристаллизуются и образуют клейкие массы. Грэм разделил вещества на кристаллоиды и коллоиды и изучил их свойства, в частности диффузию и способность проходить через полупроницаемые мембраны. В дальнейшем коллоидную химию развивали русские учёные: А. В. Лукин, Д. П. Коновалов, А. И. Каблуков, а также А. Н. Фрумкин и Б. В. Дерягин, внёсшие вклад в теорию устойчивости коллоидных систем и межфазных явлений.

¶Источники

• Лукин А. М. Общая химия. — М.: Высшая школа.
• Классическая коллоидная химия: учебное пособие / под ред. А. В. Клещёва. — М.: Высшая школа.
• Фрумкин А. Н., Дерягин Б. В. Избранные труды. — М.: Наука.
• Глинка Н. Л. Общая химия. — М.: Высшая школа.