Предмет колоїдної хімії

РОЗДІЛ 1. ВСТУП

 

 

Колоїдна хімія вивчає дисперсні системи та поверхневі явища, що виникають на границі розділу фаз. Засновником колоїдної хімії прийнято вважати Т. Грема, який виконав в 60-х роках ХІХ ст. перші систематичні дослідження колоїдних систем (золів). Надалі колоїдна хімія включила в себе результати, одержані в інших галузях фізики та хімії, і в кінці ХІХ – початку ХХ ст. сформувалась в самостійний розділ хімії.

На основі механічної теорії капілярності, розробленої на поч. ХІХ ст. Т. Юнгом і П. Лапласом, і термодинаміки поверхневих явищ, створеної Дж. Гіббсом в 1878 р., були сформульовані основні напрямки досліджень колоїдної хімії: вивчення процесів утворення нової фази в гомогенних системах, термодинамічної стійкості колоїдних систем, кількісний опис адсорбції на границі розділу фаз. Розвинуті в 1853 р. Г. Гельмгольцем уявлення про будову подвійного електричного шару дозволили дати пояснення електрокінетичним та електрокапілярним явищам. Створення Дж. Релєєм теорії розсіяння світла сприяло кількісному вивченню оптичних властивостей колоїдних систем. Дослідження Ж. Перреном, Т. Сведбергом та Р. Зигмонді броунівського руху колоїдних частинок на основі теорії, розробленої в 1905 р. А. Ейнштейном та М. Смолуховським, дозволило довести реальність існування молекул і справедливість молекулярно-кінетичних уявлень. На основі запропонованої в 1917 р. І. Ленгмюром кінетичної теорії адсорбції були розроблені методи дослідження стану молекул поверхнево-активних речовин в мономолекулярних шарах. В 1928 р. П.А. Ребіндер відкрив явище адсорбційного пониження міцності твердих тіл і в 40-50 рр. на основі розвитку цього напрямку і досліджень структуроутворення в дисперсних системах створив фізико-хімічну механіку. Фізична теорія стійкості колоїдних систем була розроблена в 1937 р. Б.В. Дерягіним разом з Л.Д. Ландау і незалежно від них Е. Фервеєм та Я. Овербеком (теорія ДЛФО). Б.В. Дерягіним також введено поняття про розклинювальний тиск в тонких шарах рідин.

Основні напрями сучасної колоїдної хімії: термодинаміка поверхневих явищ, дослідження адсорбції поверхнево-активних речовин, утворення і стійкості дисперсних систем, їх молекулярно-кінетичні, оптичні і електричні властивості; фізико-хімічна механіка дисперсних структур; розробка теорії механізмів процесів, що відбуваються в дисперсних системах під впливом поверхнево-активних речовин, електричних зарядів, механічної дії тощо.

У зв’язку з тим, що дисперсний стан речовини є універсальним і об’єкти вивчення колоїдної хімії надзвичайно розмаїті, колоїдна хімія тісно пов’язана з фізикою, біологією, геологією, ґрунтознавством, медициною тощо. Різні дисперсні системи (порошки, емульсії, пасти, піни, аерозолі) широко застосовуються в промисловості і сільському господарстві, тому колоїдна хімія є науковою основою багатьох виробництв і технологічних процесів. Серед засобів, які використовуються для керування цими процесами, найбільш дієвим і універсальним є використання поверхнево-активних речовин; останні також широко застосовуються для регулювання поверхневих взаємодій – змочування, миючої дії, мастильної дії, адгезії тощо.

Колоїдна хімія розглядає механізми ряду природничих явищ, таких як утворення і руйнування хмар, утворення осадкових порід, руйнування і вивітрювання гірських порід, іонного обміну в ґрунтах, вітрова та водна ерозія ґрунтів. Колоїдна хімія досліджує процеси, які відбуваються на межі розділу фаз в живих організмах рослинного та тваринного світу, у тому числі в біомембранах; виявляє роль поверхневої активності та її зв’язок з фізіологічною активністю білків, ліпідів тощо.

В останні роки широке розповсюдження здобули, так звані, нанотехнології, в основі яких покладено використання речовин, ступінь дисперсності яких хоча би в одному вимірі сягає 10^-9 м., тобто це типові об’єкти колоїдної хімії.

Колоїдна хімія - це наука про поверхневі явища і дисперсні системи.

Поверхневі явища - процеси, які відбуваються на поверхні розділу фаз в міжфазному поверхневому шарі, як результат взаємодії цих фаз.

Сукупність дисперсних (подрібнених) тіл та середовища, в якому вони знаходяться, називають дисперсною системою. Фаза, подрібнена і розподілена в дисперсійному середовищі, називається дисперсною фазою, а суцільна фаза, в якій знаходиться дисперсна фаза називається дисперсійним середовищем. (рис.1,а)

Основні ознаки об’єктів колоїдної хімії – це гетерогенність і дисперсність.

Гетерогенність – це наявність в системі як мінімум двох фаз, що забезпечує утворення міжфазної поверхні.

Дисперсність - це характеристика розмірів частинок дисперсної фази в дисперсній системі.

Всередині будь-якої гомогенної системи молекули утворюють між собою міжмолекулярні зв’язки (рис.1,б). Молекули, що знаходяться на поверхні мають частково некомпенсовані зв’язки, які певним чином впливають на їх властивості, що відрізняються від властивостей молекул, що знаходяться всередині системи.

Рис. 1. Структура дисперсної (а) та гомогенної (б) систем.

 

Ці некомпенсовані зв’язки зумовлюють наявність надлишкової вільної енергії на поверхні, яку називають вільною поверхневою енергією. Завдяки цій енергії відбуваються процеси, які називають поверхневими явищами.

Доведено, що під впливом поверхневої енергії знаходяться до шести шарів молекул вглиб від поверхні, а це приблизно 3000-10000 нм (3·10^-6 - 1·10^-5 м). Натомість найменша частинка, що може вважатися окремою фазою згідно молекулярно-кінетичної теорії складається з 20-30 молекул, крім високомолекулярних сполук (ВМС), розмір такої частинки 1-5 нм.

Отже колоїдні системи, це дисперсні системи з розмірами частинок дисперсної фази від 1 до 10000 нм (1·10^-9 до 1·10^-5 м).