Часть вторая.

9 Коллоидная химия

В коллоидной химии рассматриваются процессы образования и разрушения дисперсных систем, а также их характерные свойства, связанные в основном с поверхностными явлениями на границе раздела фаз в этих системах.

Особое значение коллоидной химии определяется тем, что многие природные тела – горные породы, организмы растений и животных, строительные и конструкционные материалы – являются дисперсными системами. Они встречаются во многих технологических процессах и процессах в природе, при которых происходит образование или разрушение дисперсных систем.

9.1 Классификация дисперсных систем

Дисперсной называется система, в которой одно вещество распределено в другом в виде частиц различных размеров. Среда, содержащая вещество в раздробленном состоянии, называется дисперсионной средой, а раздробленное и распределенное в ней вещество – дисперсной фазой.

По величине частиц все дисперсные системы условно делят на три группы: грубодисперсные, коллоидные и молекулярно (ионно) – дисперсные.

В молекулярно (ионно)-дисперсных системах ( диаметр частиц меньше 10^–8 м) дисперсная фаза раздроблена (диспергировано) до от-дельных иолекул и ионов. К таким системам относятся все водные растворы низкомолекулярных неэлектролитов и электролитов. Например, раствор глюкозы или NaCl в воде.

Коллоидные системы имеют частицы дисперсной фазы с диаметром от 10^–8 до 10^–6 м, которые представляют собой кристаллы или агрегаты молекул нерастворимых низкомолекулярных соединений, а также макромолекулы высокомолекулярных соединений (ВМС). Нерастворимые в воде кристаллы AgCl, имеющие размеры коллоидных частиц, в определенных условиях могут находиться во взвешенном состоянии, не соединяясь друг с другом. Свойствами коллоидных систем обладают водные растворы полисахаридов и белков.

Частицы грубодисперсных систем имеют диаметр более 10^–6 м. К таким системам относятся суспезии и эмульсии (например, молоко и суспезия почвы в воде).

Физико-химические свойства молекулярно (ионно)-дисперсных систем изучаются в курсе физической химии, а коллоидных и грубодисперсных систем – в курсе коллоидной химии.

9.2 Общая характеристика коллоидных систем

Сами коллоидные системы по характеру взаимодействия между дисперсионной средой и дисперсной фазой делятся на две группы: лиофобные коллоиды и лиофильные коллоиды.

Лиофобные коллоиды – это коллоидно-дисперсные системы, в которых частицы дисперсной фазы инертны по отношению к дисперсионной среде, то есть силы взаимодействия молекул дисперсионной среды с поверхностью частиц дисперсной фазы незначительны. Если в качестве дисперсионной среды использована вода, то такие системы называются гидрофобными коллоидами. Лиофобные коллоиды образуются как из органических, так и из нерганических веществ, нерастворимых в данной среде. Поверхность их частиц обладает значительной свободной энергией. Поэтому лиофобные золи являются термодинамически неустойчивыми системами, то есть стремятся соединиться друг с другом для того, чтобы освободиться от избыточной поверхностной энергии. Соединению частиц можно препятствовать, если создать условия для адсорбирования на их поверхности ионов. В результате подобной адсорбции частицы дисперсной фазы избавляются от некоторой части свободной поверхностной энергии и приобретают одноименные заряды, что создает условия для обеспечения устоичивости частиц к взаимному слипанию (агрегативная устойчивость). Частица лиофобного коллоида с адсорбированными ионами электролита-стабилизатора образует мицеллу.

Лиофильные коллоиды характеризуются интенсивным взаимо-действием молекул дисперсионной среды с макромолекулами дис-персной фазы. В гидрофильных коллоидах дисперсионной средой является вода. В результате такого взаимодействия выделяется значительное количество энергии в виде теплоты ( <0), что приводит к существенному уменьшению свободной поверхностной энергии и переходу системы в более стабильное состояние. Следовательно, в лиофильных коллоидах роль стабилизатора, обеспечивающего агрегативную устойчивость, играют молекулы дисперсионной среды. Поэтому лиофильные коллоиды образуются самопроизвольно и являются термодинамически устойчивыми системами.

Коллоидная система может существовать в жидком виде (золь) и потерять свою текучесть в результате образования межчастичных связей (гель). В последнем случае в объеме сохраняется равномерное распределение частиц дисперсной фазы.