Классификация по межфазному взаимодействию

Взаимодействие между веществами дисперсной фазы и дисперсионной среды за счет межмолекулярных сил на границе раздела фаз протекает всегда, но степень его проявления может быть различной.

В зависимости от этого дисперсные системы могут быть лиофильными или лиофобными. Для первых характерно сильное межмолекулярное взаимодействие вещества дисперсной фазы со средой, а для вторых — слабое. Это взаимодействие приводит к образованию сольватных (гидратных, если средой является вода) оболочек из молекул дисперсионной среды вокруг частиц дисперсной фазы и, как в обычных растворах, называется сольватацией (гидратацией).

Лиофильный [греч. λύω (lyõ) — растворяю и φλ (phileõ) — люблю] — любящий растворение; лиофобный [греч. λύω (lyõ) — растворяю и φόβοξ (phobos) — страх] — боящийся растворения.

Типично лиофильные системы термодинамически устойчивы и характеризуются самопроизвольным диспергированием.

Оно возможно при условии, что возрастание свободной энергии, связанное с увеличением поверхности при диспергировании, компенсируется уменьшением энтальпии в процессе сольватации и ростом энтропии системы за счет поступательного движения образующихся частиц.

Мыла, многие глины (например, бентонитовая) самопроизвольно «распускаются» в воде, а высокомолекулярные соединения растворяются в хорошо взаимодействующим с ними растворителе до отдельных макромолекул. Системы, в которых не происходит самопроизвольное диспергирование, могут быть названы лиофобными системами, но лиофилизированными в той или иной степени.

Суспензоиды и молекулярные коллоиды

Высокополимерные и высокомолекулярные соединения (ВМС) и их растворы занимают особое место в коллоидно-химической классификации. Растворы ВМС, являясь, по существу, истинными молекулярными растворами, обладают в то же время признаками коллоидного состояния.

При самопроизвольном растворении ВМС диспергируются до отдельных макромолекул, образуя гомогенные, однофазные, устойчивые и обратимые системы (например, растворы белка в воде, каучука в бензоле), принципиально не отличающиеся от обычных молекулярных растворов. Однако размеры этих макромолекул являются гигантскими по сравнению с размерами обычных молекул и соизмеримы с размерами коллоидных частиц. [Приведенные в табл. 2 данные показывают, что размеры макромолекул (гликоген) могут быть не меньшими, а иногда большими, чем размеры обычных коллоидных частиц (золь Au) и тонких пор.]

Поскольку дисперсность существенно влияет на свойства системы, очевидно, что растворы ВМС должны обладать рядом признаков, общих с высокодисперсными гетерогенными системами.

Действительно, по целому ряду свойств (диффузия, задержка на ультрафильтрах, структурообразование, оптические и электрические свойства) растворы ВМС стоят ближе к коллоидным системам, чем к молекулярным растворам. Поскольку растворы ВМС сочетают свойства молекулярных растворов и коллоидных систем, целесообразно называть их молекулярными коллоидам и, в отличие от другого класса, — типичных высокодисперсных систем — суспензоидов. Суспензоид (т. е. похожий на суспензию) следует отличать от суспензии, представляющей грубодисперсную систему Т/Ж.

Дисперсные системы могут быть разделены на два основных класса:

• суспензоиды — высокодисперсные гетерогенные системы (лиофильные или лиофобные), неустойчивые и необратимые, частицы которых представляют собой агрегаты атомов или молекул, отделенные границей раздела фаз от окружающей среды;

• молекулярные коллоиды — гомогенные однофазные системы, устойчивые и обратимые, образующиеся самопроизвольно, с отдельными сольватированными макромолекулами в качестве кинетических единиц.

Размеры макромолекул (хотя бы в одном измерении) относятся к коллоидной области дисперсности. По этой причине можно в этой классификации отнести растворы ВМС к дисперсным системам - коллоидным (молекулярные коллоиды), несмотря на то, что гомогенность этих систем не позволяет говорить ни о границе раздела фаз, ни о свободной поверхностной энергии в растворах ВМС.

В отличие от коллоидной частицы, макромолекула обладает способностью изменять свою форму в весьма широких пределах, что позволяет применять к растворам ВМС статистику гибких цепей.

Объединение макромолекул в надмолекулярные коллоидные образования идет настолько обратимо и легко, что реальные системы часто состоят из сосуществующих и находящихся в термодинамическом равновесии макромолекул и ассоциатов. Разделить их изучение столь же трудно, как и в теории растворов выделить дисциплины, изучающие в отдельности ионы, нейтральные молекулы и ассоциаты.

Следует отметить, что структуры, образующиеся при соединении суспензоидных частиц (гели) часто обладают свойствами, весьма сходными с макромолекулярными структурами (студнями). Наконец, понятие молекулы по отношению к твердой фазе является и в настоящее время столь неопределенным, что коллоидную частицу (например, алюмосиликата) можно с полным основанием считать макромолекулой. Действительно, в современных обзорах эти вещества выделяются в особый класс неорганических ВМС.

Наличие общности свойств растворов ВМС с молекулярными растворами, с одной стороны, и с суспензоидными системами.

Современная коллоидная химия изучает системы, структурные единицы которых состоят из многих тысяч атомов и образуют трех- и двумерные структуры и макромолекулярные системы. Коллоидная химия изучает свойства высокодисперсных гетерогенных систем на основе поверхностных явлений, а также физико-химические свойства высокомолекулярных соединений и их растворов.