1.2. Краткие исторические сведения

Среди химических наук коллоидная химия является сравнительно молодой, хотя коллоиды или коллоидные системы существуют извечно. Однако, изучение коллоидных систем началось только в XIX веке. Понятие о коллоидах возникло в 60-х годах XIX века, когда неорганическая, органическая и физическая химия были уже сформировавшимися науками. В частности, в 1861 году Бутлеровым была создана теория строения органических соединений.

В 1845 году итальянский химик Франческо Сельми, работавший в городе Болонья, получил растворы, обладающие особыми свойствами. В этих растворах медленно протекает диффузия, они не проходят сквозь тонкие пергаментные фильтры, сходящийся пучок света образует в них светящийся конус. Малейшие воздействия (перемешивание, добавление электролита) вызывают образование осадка, которое протекает без выделения заметных количеств тепла и без изменения объема системы. Это свидетельствует об отсутствии химической реакции. Сельми назвал эти растворы золями. Он получил золи серы, сернистого мышьяка, хлористого серебра. Фарадей разработал методы получения золей благородных металлов - золота и серебра. Полученные Фарадеем свыше 100 лет назад золи золота и серебра до сих пор хранятся в Лондонском музее.

Название «коллоиды» было предложено английским ученым Т. Грэмом в 1861 году и происходит от греческого слова «колла» () - клей. Грэм исследовал в основном золи органического происхождения, образующие при некоторой концентрации студневидные растворы с клеящими свойствами. К ним относятся желатин, крахмал, клей.

Становление коллоидной химии как области знания произошло тогда, когда физики и химики обратили внимание на особые свойства поверхности раздробленных, т.е. дисперсных тел. Поверхность, ранее считавшаяся лишь внешней частью предмета или тела, в науке о коллоидах предстала в виде площади, заселенной открытыми атомами.

1.3. Предмет коллоидной химии

Физическая химия интересуется преимущественно объемными свойствами фаз и изучает в основном индивидуальные вещества или истинные растворы, которые являются гомогенными системами. Двухфазные системы, изучаемые физической химией, состоят из фаз большой протяженности, в которых значение поверхности невелико. Коллоидная химия изучает поверхностные явления и гетерогенные высокодисперсные системы. Они занимают промежуточное положение между грубыми дисперсиями и истинными растворами. Если одно вещество диспергировано в другом в виде частиц, можно выделить три типа систем, размер которых убывает в ряду: грубодисперсные > микрогетерогенные > ультрадисперсные (коллоидные). Эти системы по меньшей мере двухфазны. Напомним, что фаза - совокупность частей системы, одинаковых по составу, физическим и химическим свойствам и отделенная от других частей системы поверхностью раздела. Если система содержит множество частиц одного сорта, распределенных в какой-либо среде, то такая система двухфазна.

Правильнее говорить не о геометрической поверхности, а о поверхностном слое, в котором осуществляется межфазное взаимодействие. Межфазный слой всегда снижает разность энергии фаз. Толщина этого слоя определяется радиусом действия межмолекулярных сил. Поверхностный и межфазный слой сосуществуют с объемными фазами, имеют свою фазовую диаграмму, фазовые переходы и термодинамические функции. Понятие о поверхностном или межфазном слое введено в науку Гиббсом.

Фаза, состоящая из отдельных частиц, называется дисперсной фазой. Она прерывиста, дискретна. Другая фаза, в которой распределены частицы, называется дисперсионной средой. Она является непрерывной, сплошной.

Коллоидная химия изучает особые, ультрадисперсные, т. е. сильно раздробленные вещества. Коллоидная химия имеет дело главным образом не с молекулами, а с их агрегатами.

Коллоидная химия - это наука о поверхностных явлениях и гетерогенных дисперсных системах. Две части этого определения, т. е. поверхностное явления и дисперсные системы, тесно связаны между собой. Рассмотрим причины этой взаимосвязи.

Объектами коллоидной химии могут быть тела любой величины, однако поверхностные явления проявляются сильнее всего в высокодисперсных системах: пленках, нитях, капиллярах, мелких частицах. В этих системах наиболее ярко проявляется все многообразие поверхностных явлений. Это происходит оттого, что с увеличением раздробленности вещества возрастает доля молекул, находящихся на поверхности. Зависимость доли молекул, находящихся на поверхности частицы кубической формы, от длины ребра куба, проходит через максимум, расположенный при (рис. 1.1). Для частицы с длиной ребра , на котором помещается молекул, доля молекул, находящихся на поверхности, составляет всего , а для частицы с (на ребре молекул), доля этих молекул составляет . Частицы таких размеров содержат около половины всех молекул на поверхности, следовательно, поверхность даже количественно становится полноправным партнером объемной фазы и значение поверхностных явлений для систем, содержащих такие частицы, очень велико.

Рис. 1.1. Зависимость доли молекул, находящихся на поверхности куба, от длины ребра.

Величина поверхности в реальных сильно раздробленных системах, к которым относятся все композиционные материалы, очень велика. Так, в небольшом объеме армированного волокном пластика, величиной , содержащего объемных % волокна , поверхность раздела между волокном и связующим равна .