Тема 11. Химия коллоидных систем

Приведенная цитата – это название книги об основах коллоидной химии, опубликованной В. Оствальдом в 1914 году. Ученый хотел подчеркнуть, что, во-первых, коллоидальное состояние вещества является функцией величины частиц, а, во-вторых, тот факт, этой области химии и физики уделяют недостаточно внимания.

Коллоидная химия – химия дисперсных систем. Дисперсными называются системы, состоящие из измельченных частиц одной фазы, распределенных в другой. Та фаза, которая распределена в виде мелких частиц, называется дисперсной фазой, а другая, сплошная фаза – дисперсионной средой.

Название “коллоиды” (от греч.”колла”– клей) впервые ввел английский химик Томас Грэм в 1861 году. Подобные вещества изучали и раньше. Но долго коллоиды рассматривали либо в виде больших молекул, либо в виде множества сцепившихся друг с другом молекул, либо в виде тонких осадков.

Однако некоторые свойства подобных растворов не поддавались объяснению.

Коллоидная химия изучает физико-химические свойства гетерогенных дисперсных систем, образованных из двух или более фаз с сильно развитой поверхностью раздела.

11.1. Классификация дисперсных систем

Таблица 12.1.

Классификация дисперсных систем по величине частиц

Тип системы	Диаметр частиц, см	Число атомов в молекуле	Характеристика
Грубодисперсные	> 10^-2	>10^9	Видны невооруженным глазом
Микрогетерогенные	10^-2 – 10^-5		Видны в микроскоп
Коллоидные	10^-5 – 10^-7	10^3 - 10^9	Видны в ультрамикроскоп
Ионные и молекулярные	< 10^-7	1 - 10^3

Особые свойства характерны для коллоидной дисперсии (диаметр частиц 10^-5 – 10^-7 см), и именно это состояние является основным объектом изучения коллоидной химии.

Отметим, что система приобретает коллоидные свойства даже тогда, когда хотя бы одно из измерений находится в указанной области высокой дисперсности. К такому типу систем относятся пленки, тонкие пластины (толщиной 10^-6 см), поверхностные слои на границах фаз в порах катализаторов, пенах, эмульсиях и т.п.

Таблица 12.2.

Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию

№	Дисперсионная среда	Дисперсная фаза	Обозначение системы	Тип системы	Примеры
1.	Жидкость	Тв. в-во	Т/ж	Суспензии, золи	Взвесь в природных водах; золи металлов в воде; бактерии
2.	Жидкость	Жидкость	Ж/ж	Эмульсии	Молоко, смазки, сырая нефть, растворы ПАВ в воде
3.	Жидкость	Газ	Г/ж	Пены	Мыльная пена, взбитые белки,
4.	Тв. в-во	Тв. в-во	Т/т	Твердые коллоиды	Минералы, некоторые сплавы (сталь, чугун), самоцветы
5.	Тв. в-во	Жидкость	Ж/т	Гели, пористые тела, капиллярные системы	Адсорбенты, влажный грунт, некоторые минералы (жемчуг, опал)
6.	Тв. в-во	Газ	Г/т	Ксерогели, пористые и капиллярные системы	Порошки, осевшая пыль, активные гели, пемза, хлеб, пенопласт, древесина, ткани, кожа, бумага
7.	Газ	Тв. в-во	Т/г	Аэрозоли (пыль, дым)	Табачный дым, взвешенная пыль, космическая пыль
8.	Газ	Жидкость	Ж/г	Аэрозоли (туманы)	Туман, кучевые облака, тучи, распыленная вода
9.	Газ	Газ	Г/г	Системы с флуктуациями плотности	Атмосфера Земли

Основной признак дисперсионной среды – непрерывность. Так, для пены, содержащей менее 1 % (об.) воды (остальное – воздух) дисперсионной средой является вода, т.к. по водным пленкам можно пройти из одной точки в любую другую, а по газовой фазе непрерывного пути нет. А в капиллярно-пористых телах этому условию удовлетворяют обе фазы.

3. По структуреразличают свободнодисперсные (1, 2, 7, 8, 9) и связнодисперсные системы (4, 5, 6). Промежуточное положение занимают пены (3).

4. По межфазному взаимодействиюразличают лиофильные (лио – растворяю, филео – люблю, т.е. любящий растворение) и лиофобные (лио – растворяю, фобос – страх, т.е. боящийся растворения) дисперсные системы.

Для лиофильных характерно сильное межмолекулярное взаимодействие вещества дисперсной фазы со средой, а для лиофобных – слабое.

Так, мыла, многие глины самопроизвольно "распускаются в воде".

К коллоидным системам относятся и растворы высокомолекулярных соединений (ВМС), состоящие из гигантских молекул, по размеру соизмеримых с коллоидными частицами.

А каковы же размеры частиц дисперсной фазы?

Таблица 12.3.

Размеры частиц дисперсной фазы некоторых образцов

Дисперсная фаза	Размер частиц, (1 мк = 10^-6м = 10^-4 см) (1 нм = 10^-9м = 10^-7 см)
Грунты
Песчаные	> 50 мк = 510^-3 см
Пылеватые	1 – 50 мк
Эритроциты крови человека	7 мк
Кишечная палочка	3 мк
Вирус гриппа	0,1 мк = 10^-5 см
Муть в природных водах	10 – 100 нм
Дым (древесный уголь)	30 – 40 нм
Вирус ящура	10 нм
Тонкие поры угля	1-10 нм
Поверхность Венеры (пыль)	0,1 – 10 мк
Молекула гликогена	10 нм

Основная особенностьдисперсных систем состоит в том, при уменьшении размеров частиц, а особенно при коллоидной дисперсиирезко увеличивается площадь поверхностичастиц.

Рассмотрим такой пример.

У нас имеется образец твердого вещества, имеющий форму куба с ребром, равным 1 см. Его поверхность составляет S= 6 см².

Разделим этот кубик на 1000 одинаковых кубиков с ребром 0,1 см, тогда суммарная площадь поверхности составит S= 100060,1²= 60 см².

Если же разделить наш образец на одинаковые кубики с ребром 10⁻⁶см (т.е. размер частиц коллоидного размера), то таких кубиков окажется 10¹⁸, а площадь поверхностиS= 10¹⁸6(10⁻⁶)²= 610⁶см²= 600 м².

Приведенный пример показывает, что площадь поверхности вещества существенно зависит от размеров его частиц.

Коллоиды широко распространены в природе (почвы, глины, дым, пыль, воздух, облака, минералы). Большое значение имеют коллоидные системы для биологии и медицины. Такие биологические жидкости как кровь, плазма, лимфа, представляют собой коллоидные системы, в которых ряд веществ, например, белки, холестерин, гликоген находятся в коллоидном состоянии. Известно изречение русского ученого И.И. Жукова:“Человек – ходячий коллоид”.

Важнейшие пищевые продукты – хлеб, молоко, масло – коллоидные системы. От величины капелек жира зависит скорость их всасывания через стенки органов пищеварения. Именно поэтому тонко раздробленный жир сливочного масла усваивается организмом лучше, чем жир в сплошной массе, например, сало.

В медицине широко используются лекарственные вещества в виде коллоидных систем – суспензии, эмульсии, мази, кремы, пасты, аэрозоли.

Жировые эмульсии применяются для энергетического обеспечения голодающего или ослабленного организма. Их готовят на основе хлопкового, оливкового, соевого масла.

Существенную роль играют коллоиды в промышленности, при добыче и переработке нефти, в производстве строительных материалов, в текстильной, лакокрасочной и пищевой промышленности.