Колоїдна хімія ...

1.1Специфічні особливості дисперсних систем

Колоїднахімія-цефізичнахіміядисперснихсистемі поверхневихявищ. Слово"дисперсний" (від лат. dispersus) означаєроздроблений, розсіяний. Такимчином, в колоїднійхіміївивчаютьсистеми, в яких речовиназнаходитьсяв роздробленомустані. Кількісною міроюроздробленостідисперсноїсистемислужитьаболінійнийрозмірчасток α (для сферичнихчасток -діаметрd), абозворотнайомувеличинаD=1/α, званадисперсністю, або, нарешті, питома поверхняs_пп, тобтоміжфазнаповерхня, яка припадає наодиницюоб'ємудисперсноїфази. Доколоїдних об'єктів належатьчастки, величина αякихлежитьвмежах10^-7-10^{-9 м}(100-1 нм). Доповерхневихявищвідносяться процеси, що відбуваються намежі розділуфаз, вміжфазовомуповерхневомушаріівиникають урезультатівзаємодіїсполученихфаз. Поверхневіявищанайсильнішепроявляютьсявтілахз високорозвиненоюповерхнею (роздроблених тілах), яканадаєїмновіважливівластивості.

На початку XX століття було встановлено, що будь-яка речовина може бути отримана у вигляді колоїдного розчину або колоїду (від грец. "колла" - клей) і, отже, правильніше говорити не про колоїдну речовину, а про колоїдний стан речовини, що визначається тільки розміром частинок речовини, ступенем його дисперсності. Так, хлористий натрій у воді дає істинний розчин, а в бензолі або ефірі - колоїдний. Цей особливий стан речовини існує лише до тих пір, поки в системі є межа розділу фаз. Межа розділу фаз може бути лише в гетерогенній системі, як мінімум - у двофазній. Таким чином, гетерогенність і дисперсність - дві основні ознаки колоїдного стану речовини. Подрібнене тіло утворює дисперсну фазу, а безперервне (суцільне) середовище, в якому розподілена дисперсна фаза, називається дисперсійним середовищем.

Більшість реальних систем існує в колоїдному стані. Багато мінералів являють собою дисперсії твердих, а іноді рідких та газоподібних частинок у твердому дисперсійному середовищі. Річкова вода містить мінеральні та органічні речовини у вигляді часток різної дисперсності. Грунт являє собою дисперсію різних мінералів і органічних речовин рослинного і тваринного походження. Хмари, які знаходяться в атмосфері, пил і дим також утворюють дисперсні системи, так само як і капіляри, і вузькі пори. До дисперсних систем належать нафта, лаки, фарби, миючі засоби, полімери, папір, тканини, молоко, масло і т. д. Нарешті, тіло людини містить гелі та розчини високомолекулярних сполук (ВМС), а кров є колоїдний розчин, що містить макромолекули і краплі емульсій . Згідно крилатим визначенням І.І. Жукова, людина - "ходячий колоїд".

Колоїдні розчини мають ряд характерних властивостей:

1) вони розсіюють світло, інакше кажучи, опалесцюють. Зокрема, спостерігається "ефект Тіндаля", який можна спостерігати в наступному досліді: яскраве світло від сильної лампи фокусують за допомогою конденсорної лінзи на кювету з розчином. При спостереженні збоку чиста рідина або молекулярні розчини представляються оптично "порожніми", тоді як у випадку колоїдного розчину яскраво світиться конус, що вказує на присутність дисперсних частинок, що розсіюють світло;

2) подібно істинним розчинам вони проходять без змін через звичайні фільтри, однак на ультрафільтр (мембранах з виборчою проникністю) колоїдно розчинена речовина затримується;

3) для них характерні досить низькі значення колігативних властивостей, що залежать від числа розчинених частинок в об'ємі розчину (зниження тиску пари розчинника над розчином, осмотичний тиск, зниження температури замерзання і підвищення температури кипіння розчину);

4) дифузія колоїдних частинок протікає повільніше, ніж в істинних розчинах;

5) при електролізі практично вся маса колоїдно розчиненої речовини накопичується навколо одного з електродів;

6) при тривалому стоянні колоїдні розчини звичайно стійкі, але можуть бути осаджені у відцентровому полі (в центрифузі) або під дією дуже малих кількостей електролітів.

1.2Класифікація дисперсних систем

Існують декілька методів класифікації дисперсних систем по різним ознакам, основні з них:

1) за агрегатним станом фаз;

2) за ступенем дисперсності;

3) за формою частинок;

4) за ступенем структурованості;

5) по енергії взаємодії фаз (для систем з рідким дисперсійним середовищем).

1.2.1. Класифікація заагрегатнимстаномфаз

Данакласифікаціядисперсноїсистеми проводитьсяпоагрегатномустанудисперсноїфазиі дисперсійногосередовища. Наприклад, якщотвердетілодиспергованов рідині, тотакусистемупозначають: Т/Ж.Ця класифікаціяпредставленавтаблиці1.1.

Емульсії(Ж/Ж) ділятьнапрямі, типуолія/вода(о/в), іобернені, типувода/масло(в/м). Уколоїдніїхімії"масло" позначаєбудь-якуорганічнурідину, яка практичноне змішується зводоюабомалорозчиняєтьсяу воді.

Термін"золь"походить відлатинськогоsolutio -"розчин", протевикористовуєтьсядляпозначення тількиколоїднихрозчинів. Розрізняютьгідрозолі(розчинник - вода) іорганозолі(розчинник - органічна сполука).

Таблиця1.1

Класифікація по агрегатному стану фаз

Дисперсна фаза	Дисперсне середовище	Позначення	Тип системи	Приклади
Тверда	Рідка	Т/Р	Суспензії, золі	Суспензії в природних водах, золі металів, пасти, мул, бактерії
Рідка	Рідка	Р/Р	Емульсії	Сира нафта, молоко, креми, латекси
Газоподібна	Рідка	Г/Р	Газові емульсії, піни	Мильна піна, протипожежні піни
Тверда	Газоподібна	Т/Г	Аерозолі	Пил, дим, порошки
Рідка	Газоподібна	Р/Г	Аерозолі	Туман, хмари
Газоподібна	Газоподібна	Г/Г	Системи з флуктуаціями густини	Атмосфера Землі
Тверда	Тверда	Т/Т	Тверді колоїдні системи	Мінерали, бетон, сталь, чавун, самоцвіти
Рідка	Тверда	Р/Т	Пористі тіла, капілярні системи, гелі	Адсорбенти, грунти, вологі грунти
Газоподібна	Тверда	Г/Т	Пористі та капілярні системи, ксерогелі	Пемза, силікагель, активоване вугілля

1.2.2. Класифікаціяза ступенемдисперсності

Узалежностівідрозміручастинокабо поррозрізняютьгрубодисперсніівисокодисперснісистеми. Вважається, щоприрозмірах частокдисперсноїфазивід10^-4до 10^-6мсистемиє грубодисперсними, при розмірахчастинок від10^-6до10^{-9 м}-високодисперсними, системи з розмірамичастинокменше10^-9мє молекулярнимиабоістинними розчинами.

Існуєі інша класифікаціядисперснихсистем:

- грубодисперсні: частинки розміромбільше10^-5м;

-мікрогетерогенні: частинки розміромвід10^-5до10^-7м;

-ультрамікрогетерогенні("істино колоїдні") від 10^-7до10^{-9 м.}

Крімтого, всідисперснісистемиможнарозділитина монодисперсні(частки дисперсноїфазимаютьоднаковийрозмір)іполідисперсні(частки маютьрізнірозміри).

В якостіприкладу втаблиці1.2данідеякідисперснісистемиззазначенням ступенядисперсності, D (м^-1), вираженоїв логарифмічній шкалі.

Таблица 1.2

Приклади систем з різним ступенем дисперсності

1.2.3. Класифікація за формою частинок

Для одних систем характерні кубічні частки дисперсної фази, для інших - сферичні. Такі частинки відносять до ізометричних. Існують навіть колоїдні частинки, що нагадують "морську зірку".

Форма частинок може змінюватися при старінні дисперсної системи і залежить від способу її отримання.

Одновимірно-і двумірнопротяжні системи, так звані фібрилярні (волокнисті) і плівкові (ламінарні), містять частки анізометричної форми. Такі об'єкти досить широко поширені в живій природі, наприклад мембрани клітин, нерви, м'язи.

1.2.4. Класифікація за ступенем структурованості

Всі дисперсні системи можна розділити на безструктурні і структуровані.
Безструктурні системи - це дисперсні системи, в яких частинки дисперсної фази не пов'язані одна з одною в одну суцільну сітку і здатні незалежно переміщатися під дією сили тяжіння і теплового руху в дисперсійному середовищі. Тому вони називаються також вільнодисперсними. Такими є, наприклад, золі, розбавлені емульсії і суспензії, аерозолі.

Структуровані системи - це дисперсні системи, в яких частинки дисперсної фази пов'язані один з одним за рахунок міжмолекулярних сил і здійснюють лише коливальні рухи. У результаті утворюється суцільна просторова сітка-матриця або своєрідний каркас. До структурованим дисперсним систем відносяться грунт, спресовані порошки, капілярні тіла. При досить міцній просторовій сітці структуровані дисперсні системи набувають ряд властивостей твердих тіл, незалежно від агрегатного стану дисперсійного середовища і дисперсної фази окремо. Так виникають гелі (від лат. gelo - застигаю) - дисперсні системи з рідким дисперсійним середовищем, в яких частинки дисперсної фази утворюють просторову структурну сітку. У висококонцентрованих дисперсних системах між частинками дисперсної фази виникає або безпосередній контакт, або через прошарок розчинника, тому до структурованих систем також відносяться висококонцентровані емульсії та суспензії (пасти).

1.2.5. Класифікація за енергії взаємодії фаз

Якщо дисперсійне середовище - рідка, то можливо розподіл дисперсних систем за характером взаємодії фаз на ліофільні і ліофобні. Якщо дисперсійним середовищем є вода, то говорять про гідрофільні і гідрофобні системи.

К ліофільним відносяться термодинамічно стійкі дисперсні системи, що знаходяться в стані термодинамічної рівноваги.

Отже, диспергування в даному рідкому середовищі є процес мимовільний, енергетично вигідний (∆G_{диспергування}<0). В такому випадку процес утворення дисперсної системи повинен бути зворотнім. До цих систем відносяться міцелярні розчини поверхнево-активних речовин, мікроемульсії. Іншу групу ліофільних систем складають розчини ВМС в добре сольватуючих їх розчинниках - так звані молекулярні колоїди. Прикладом можуть служити водні розчини природних ВМС: желатини та інших білків, ДНК і РНК.

Ліофобні дисперсні системи - термодинамічно нестійкі. У цих системах гідратація (у загальному випадку - сольватація) енергетично не настільки вигідна, щоб компенсувати витрати на виникнення поверхні розділу. Тому такі системи мимоволі не утворюються (∆G_{диспергування}<0). Зміни, що відбуваються в ліофобних системах, як правило, незворотні. До типових ліофобних систем відносяться гідрозолі металів, їх малорозчинних солей та інші (Pt, Сu, Au, Ag, Hg, AgI, ZnS, CdS, HgS, As₂S₃, Sb₂S₃, S, Se).