- •Тема 11. Химия коллоидных систем
- •11.1. Классификация дисперсных систем
- •11.2. Способы получения коллоидов
- •Поверхностное натяжение жидкостей на границе с воздухом
- •11.4. Сорбционные процессы
- •11.5. Молекулярно-кинетические свойства коллоидных растворов
- •11.6. Оптические свойства коллоидных растворов
- •11.7. Строение коллоидных частиц
- •11.8. Электрокинетические свойства коллоидных растворов
- •11.9. Устойчивость коллоидных систем
- •11.10. Разрушение коллоидных систем
- •11.10.1. Методы разрушения аэрозолей
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 |
>109 |
Видны невооруженным глазом |
Микрогетерогенные |
10-2 – 10-5 |
Видны в микроскоп | |
Коллоидные |
10-5 – 10-7 |
103 - 109 |
Видны в ультрамикроскоп |
Ионные и молекулярные |
< 10-7 |
1 - 103 |
|
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 = 10-6 м = 10-4 см) (1 нм = 10-9 м = 10-7 см) |
Грунты |
|
Песчаные |
> 50 мк = 510-3 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= 100060,12= 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= 10186(10−6)2= 6106см2= 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.