Лекции (3) (PDF-лекции)

КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯРолдугин Вячеслав ИвановичКоллоидная химия как наука возникла в середине 19-го века, когда английскийхимик Томас Грэм ввел понятие «коллоиды» (от др. греч. κόλλα – клей) длярастворов некоторых веществ, скорость диффузионных процессов в которых былана несколько порядков меньше, чем у обычных молекулярных растворов.Он предположил, что эти системы формируют не молекулярные растворы, адисперсию вещества в жидкой фазе (от латинского слова dispersus – рассеянный,рассыпанный). Или, как говорят, вещество коллоидного раствора находится вдисперсном состоянии, то есть представлено мелкими частицами, взвешенными вжидкости.Коллоидные объекты встречались и использовались задолго до Грэма.Например, Парацельс (1493-1541 гг.) использовал для лечения aurum potabile«золотой напиток» - коллоидный раствор золота.Окончательное становление коллоидной химии как науки было осуществленопод влиянием работ таких выдающихся ученых как Фарадей, Перрен,Смолуховский, Сведберг (ультрацентрифуга), Зигмонди (ультрамикроскопия,синтез наночастиц), Эйнштейн (законы диффузии коллоидных частиц), Нильс Бор(капиллярные явления), Гиббс (термодинамика поверхностных явлений).Впоследствии к проблемам коллоидной химии не раз обращались Онзагер,Ленгмюр, Ландау, Пригожин.2В 20-м веке исследования коллоидных систем приобрели широкий размах:появилось большое число научных школ, среди которых наибольшую известностьприобрели связанные с именами российских (советских) ученых Дерягина,Думанского, Дубинина, Петрянова-Соколова, Ребиндера, Фрумкина, Фукса,Шведова, Шишковского, работы которых получили общемировое признание.3В настоящее время под коллоидной химией понимают науку, изучающуюсвойства веществ, находящихся в дисперсном состоянии, и процессов, протекающихна межфазных поверхностях.

В англоязычной литературе она носит название Colloidand Interface Science.Объекты коллоидной химии:- почва (глина, песок),- грунтовые воды,- горные породы (вулканические породы, солевые пласты, нефтеносные пласты),- облака (зарождение капель, их рост и испарение, воздействие на облака),- драгоценные камни,- аэрозоли (сигаретный и трубный дым, спреи, выбросы ядерных реакторов, пестициды и гербициды,распыленное топливо двигателей),- фильтры, мембраны,- вирусы,- лекарственные средства (таблетки, капсулы, пластыри),- моющие средства, косметика, мыла, пасты,- строительные материалы (краски, бетон, кирпич и др.),- продукты питания, вина, пиво,- биологические объекты и сам человек (клетки, мышечная ткань, кровь),- растения (клетки, мембраны, пористая древесина, смачивание листьев),- космическая пыль и т.д.4Из коллоидной химии выделились:электрохимия, наука об аэрозолях, физика облаков, гидродинамика гетерогенныхсред, мембранные технологии, динамика разреженных газов и многие другиенаучные направления.С коллоидной химией связано появление ряда современных научныхнаправлений и новых терминов:- нанохимия, нанотехнологии, фотонные кристаллы;- фракталы, аэрогели, супергидрофобные поверхности,- самоорганизация, самосборка,- микрофлюидика,- нанолитография, наноперья,Коллоидная химия взаимосвязана с- другими разделами химии (электрохимией, катализом, химией полимеров, химией растворов,химической кинетикой);- физикой (оптикой, термодинамикой, статистической физикой, термодинамикой необратимыхпроцессов, кинетической теорией газов, физикой макромолекул, гидродинамикой);- медициной (новые методы диагностики, доставка лекарств, новые методы лечения);- биологией (биологические мембраны, вирусы как коллоидные частицы);Общие методы исследования (ЯМР, ЭПР, УФ- и ИК-спектроскопия, комбинационное рассеяние(усиленное поверхностью комбинационное рассеяние – возникло при изучении коллоидных систем),рентгеновская дифракция, атомно-силовая микроскопия (родилась в недрах коллоидной химии),электронная микроскопия).5Основные разделы коллоидной химии:- термодинамика поверхностных явлений,- капиллярные явления,- адсорбция и адсорбция поверхностно-активных веществ,- электроповерхностные явления,- оптика коллоидных систем,- реология коллоидных систем,- устойчивость коллоидных систем и процессы структурообразования,- получение коллоидных систем.Классификация коллоидных систем1) по агрегатным состояниям фазКоллоидную систему рассматривают как совокупность дисперсной фазы идисперсионной среды.Дисперсная фаза – ансамбль частиц (в обобщенном смысле) достаточно малогоразмера;Дисперсионная среда – непрерывная среда, в которой распределены частицыдисперсной фазы.6Коллоидная дисперсияИмеются и бинепрерывные системы.7Классификация дисперсных систем по агрегатным состояниям фазДисперсионнаяЖидкостьГаз (аэрозоли)Твердое телоПлазмасредаДисперснаяфазаТвердаязоли (гидрозоли,органозоли),суспензии,пасты, гелиЖидкаяэмульсии,микроэмульсииГазообразнаяпеныдымы, пыли,порошкигорные породы, пылевая плазмасплавы,самоцветы,композиционные материалы.туманы,клетки,газовыежидкость вэмульсиипористых телах,(спреи), облакапочвыпемзы,активные угли,силикагели,аэрогели,обратные опалы82) по структуре дисперсной системы, ее концентрации и размерам частиц- свободнодисперсные (частицы свободно перемещаются друг относительно друга)- связнодисперсные (частицы образуют пространственную сетку, называемую дисперснойструктурой)- разбавленные коллоидные дисперсии (отношение объема дисперсной фазы ковсему объему < 0.1 или < 10%)- концентрированные коллоидные дисперсии (отношение объема дисперсной фазыко всему объему > 0.3 или > 30%)- грубодисперсные коллоидные системы (размер частиц больше несколькихмикрометров)- ультрадисперсные коллоидные системы (размер частиц от нескольких нанометровдо нескольких десятков нанометров; последнее время их чаще называютнанодисперсными)9Количественные характеристики дисперсностиДисперсность, DD  s12 /V1,(1)s12 - площадь поверхности, разделяющей фазы 1 и 2, V1 - объем дисперсной фазы.Физический смысл дисперсности.

Рассмотрим ансамбль N сферических частицрадиусом r. Тогда4 3s12  4r N , V1  r N ,32и(2)104 33D  s12 / V1  4r N /( r N )  ,3r2(3)То есть дисперсность равна утроенной величине обратного радиуса частиц.Удельная поверхность, ssss  s12 / M1,(4)где M1 – масса частиц дисперсной фазы. Если обозначить через  плотность частицдисперсной фазы, то имеем4 33ss  s12 / M1  4r N /( r N)  .3r2Удельнаяповерхность(5)измеряетсягрубодисперсных системss  102 м 2 /г .в метрах квадратных на грамм. Дляss  1 м 2 / г , для ультрадисперсных систем11Для анизометричных частиц дисперсной фазы дисперсность и удельнаяповерхность определяются их наименьшим размером: для цилиндрических частиц(волокон) – радиусом цилиндра, для пластинчатых частиц – их толщиной.Например, для стержнеобразных частиц радиусом r и длиной l2s12  2rlN , V1  r lN , D  .r2(6)Для пластинок размером LL и толщиной d2s12  2 L N , V1  dL N , D d22(7)12Термодинамически устойчивые и неустойчивые коллоидные системы(лиофильные и лиофобные коллоидные системы)Коллоидные системы обладают большой удельной межфазной поверхностью.

Смежфазной поверхностью связана избыточная энергия. Это, как правило,предопределяет термодинамическую неустойчивость коллоидных систем. Однакосуществуют коллоидные системы, обладающие термодинамической устойчивостью.Такие коллоидные системы называются лиофильными (от др. греч. λύω —растворяю, φιλέω — люблю). Термодинамически неустойчивые коллоидныесистемы называются лиофобными (от др.-греч.

λύω — растворяю, φόβος — страх).Лиофильные коллоидные системы образуются самопроизвольно, аформирование лиофобных коллоидных систем требует энергетических затрат(прямым или косвенным путем).Лиофобные коллоидные системы (если не предпринимаются специальные мерыстабилизации) стремятся распасться на две макроскопические фазы. Этот распадосуществляется следующими путями:- за счет коагуляции – сцепления двух частиц в один агрегат;- за счет коалесценции – слияния двух капель (или пузырьков);- за счет изотермической перегонки – диффузионного переноса вещества от мелкихкапель (частиц) к более крупным.1314.