Получение, очистка и свойства коллоидных растворов

В природе очень распространены системы, в которых измельченные частицы равномерно распределены в массе другого вещества. В этом случае измельченное вещество называют дисперсной фазой, а среда, в которой она распределена, - дисперсионной средой. Процесс измельчения вещества называют диспергированием.

В зависимости от размеров частиц дисперсной фазы системы разделяют на гомогенные и гетерогенные. Гомогенная это такая, у которой нет поверхности деления между фазами. Размер молекул в ней почти такой, как и молекулы растворителя..

Система, в которой частицы составляют отдельную фазу относительно дисперсионной среды, является гетерогенной. Коллоидные растворы называют микрогетерогенными системами. Коллоидные частицы могут находиться долгое время в зависшем состоянии (не оседают), не задерживаются порами бумажного фильтра (проходят сквозь него), но не проходят сквозь пористые перегородки в биологических тканях.

Дисперсные системы широко распространены как в неживой, так и в живой природе. Почвы, глины, пористые вещества. Волоконные материалы, порошки, дымы, туманы – все это объекты коллоидной химии. Ближе всего к биологическим объектам находятся системы, которые включают жидкую дисперсионную среду (воду) и дисперсную фазу (белки, полисахариды, липиды и тому подобное). Отдельная клетка живого организма представляет собой гетерогенную коллоидную систему, образованную высокомолекулярными и низкомолекулярными соединениями. Кровь, протоплазма, мышечные и нервные клетки, биологические мембраны, волокна, гены, вирусы – это коллоидные образования.

К микрогетерогенным дисперсным системам принадлежат такие лекарственные формы, как порошки, суспензии, эмульсии, мази, кремы, которые широко применяются в фармацевтической практике и требуют диспергирования лекарственных средств в соответствующих средах. Такие медицинские препараты, как протаргол, колларгол, являются защищенными коллоидами и приготовление их растворов требует специальной технологии.

Знание свойств и особенностей коллоидно-дисперсных систем является необходимым условием понимания сложных процессов жизнедеятельности организмов. Особенное значение приобретает разработка моделей клеток, живых мембран, нервных волокон, транспортировки кислорода и тому подобное.

Очень актуальной является проблема охраны окружающей среды. Очистка и регенерация стоковых промышленных и производственных вод, улавливание загрязнителей атмосферы, разрушение дымов и смогов – все эти процессы основываются на законах физической и коллоидной химии.

Классификация и общие свойства дисперсных систем

Общим признаком любой дисперсной системы является степень измельчения частиц дисперсной фазы или степень дисперсности. Дисперсность (D) – это величина, обратная размеру частицы дисперсионного вещества ( d или l):

D = 1/ d, D = 1/ l

где d – диаметр частицы шаровидной формы; l – длина ребра частицы кубической формы. Следовательно, чем меньший размер частиц, тем большая дисперсность системы.

Классификацию дисперсных систем проводят на основе разных признаков, таких, как размер частиц, агрегатное состояние дисперсной фазы и дисперсионной среды, а также по характеру взаимодействия частиц дисперсной фазы и дисперсной среды.

В зависимости от величины размеров частиц дисперсные системы распределяются на типы: 1) грубодисперсные (взвеси, суспензии, эмульсии, порошки); 2) коллоидно-дисперсные (золи); 3) молекулярные и ионные (растворы).

Таким образом, коллоидные системы занимают промежуточное положение между грубодисперсными и молекулярными системами.

По агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды (газообразный – Г; жидкий – Р; твердый – Т) можно выделить 9 типов дисперсных систем.

Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию

Дисперсная фаза	Дисперсионное среда	Обозначение системы	Названия дисперсных систем	Примеры
Г	Г	Г/Г	–	Атмосфера Земли
Р	Г	Р/Г	Аэрозоль жидкий	Туманы, тучи
Т	Г	Т/Г	Аэрозоль твердый	Дым, пыль, порошки
Г	Р	Г/Р	Пены, газовые эмульсии	Мыльная пена, пена на пиве
Р	Р	Р/Р	Эмульсии	Молоко, майонез, кремы, нефть
Т	Р	Т/Р	Суспензии, коллоидные растворы (лиозоли), растворы ВМС	Суспензии в природных водах; золе металлов, гидроксидов металлов, солей, растворы белков
Г	Т	Г/Т	Твердые пены	Пенопласт, силикогель, активированный уголь
Р	Т	Р/Т	Твердые эмульсии	Вода в парафине, опал
Т	Т	Т/Т	Твердые золи (солидозоли)	Цветные стекла, драгоценные камни

По межфазовым взаимодействиям. В зависимости от интенсивности взаимодействий системы разделяют на лиофобные и лиофильные.

Лиофобными являются системы, в которых родство дисперсной фазы и дисперсионной среды мало, и поэтому силы межмолекулярного взаимодействия на границе деления фаз слабые. Такие системы термодинамически неустойчивые и требуют специальных методов стабилизации. К ним принадлежит большинство дисперсных систем – лиозоли, аэрозоли, эмульсии, пены. Лиофобные золи (в случае воды – гидрофобные) называют собственно коллоидными растворами. К ним принадлежат гидрозоли золота, серебра, гидроксида железа, хлорида серебра и тому подобное. Стойкость таких систем обусловлена, главным образом, одноименным зарядом частиц золя. Лиофобные системы называют мицеллярнымии или суспензоидами.

Лиофильними яляются системы, которые характеризуются интенсивным взаимодействием вещества фазы и среды с образованием сольватных (гидратных, в случае воды) оболочек из молекул дисперсионной среды вокруг частиц дисперсной фазы. Поэтому такие системы образуются самопроизвольно и являются термодинамически стойкими, гомогенными. К ним принадлежат растворы высокомолекулярных соединений. Примером таких систем являются растворы белков, нуклеиновых кислот, мылов, некоторых глин, танинов, алкалоидов в воде, каучука в бензоле, полиамидов в спирте и тому подобное.