Коллоидная химия¶

Коллоидная химия — раздел физической химии, изучающий дисперсные системы, в которых размер частиц дисперсной фазы находится в диапазоне примерно от 1 нм до 1 мкм, а также процессы, происходящие на границе раздела фаз. Термин «коллоид» (от греч. κόλλα — клей) ввёл в 1861 году шотландский химик Томас Грэм, который исследовал диффузию растворов и выделил группу веществ, неспособных проходить через пергаментные мембраны.

¶Предмет изучения

Коллоидная химия исследует системы, промежуточные между истинными растворами и грунто-дисперсными системами. Ключевой характеристикой коллоидных частиц является их размер: от 1 нм (10⁻⁹ м) до 1 мкм (10⁻⁶ м). В этих пределах частицы обладают свойствами, обусловленными прежде всего большой удельной поверхностью и проявлением поверхностных явлений.

Основные объекты исследования:

• золи (дисперсии твёрдых частиц в жидкостях);
• аэрозоли (дисперсии в газах);
• эмульсии (жидкость в жидкости);
• пены (газ в жидкости);
• гели (жидкость в твёрдой матрице);
• аэрогели.

¶История

Начало коллоидной химии связано с работами Томаса Грэма, который в 1861—1864 годах ввёл понятия «кристаллоиды» и «колоиды» и предложил метод диализа для разделения веществ. В России значительный вклад в развитие дисперсных систем внёс А. В. Думанский, изучавший адсорбцию и структуру коллоидных растворов.

В 1903 году немецкие физики Рихард Цигмонди и Генрих Зигмонди создали ультрамикроскоп, позволивший визуализировать коллоидные частицы и подтвердить их дискретную природу. В 1908 году Жан Перрен математически обосновал броуновское движение, а в 1926—1928 годах Ян Смекаль и Теодор Сведберг разработали метод ультрацентрифугирования. Сведберг получил Нобелевскую премию по химии (1926) за работы по дисперсным системам.

В СССР коллоидная химия развивалась как одна из приоритетных областей физической химии. В 1929 году был создан Институт коллоидной и электрохимии (ныне Институт физической химии и электрохимии имени А. Н. Фрумкина РАН). Значительный вклад внесли работы П. А. Ребиндера по поверхностному натяжению и адсорбции поверхностно-активных веществ, а также А. И. Рабиновича по теории коагуляции.

¶Классификация дисперсных систем

Дисперсные системы классифицируются по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды:

По размеру частиц различают молекулярно-дисперсные системы (менее 1 нм), коллоидные (1 нм — 1 мкм) и грубодисперсные (более 1 мкм).

¶Основные понятия

¶Адсорбция

Адсорбция — накопление вещества на поверхности раздела фаз. Для коллоидных частиц удельная поверхность огромна, поэтому адсорбция играет определяющую роль в их поведении. Адсорбция может быть физической (за счёт ван-дер-ваальсовых сил) и химической (хемосорбция).

¶Электрокинетические явления

Коллоидные частицы, как правило, несут электрический заряд, возникающий вследствие ионизации поверхностных групп или адсорбции ионов. Заряд обеспечивает стабильность золей: одноимённо заряженные частицы отталкиваются и не слипаются. Электрокинетические явления включают электрофорез (движение частиц в электрическом поле), электроосмос (движение жидкости относительно неподвижной заряженной поверхности), седиментационный потенциал и потенциал осаждения.

Понятие электрокинетического (дзета-) потенциала ввёл в 1904 году немецкий химик Вальтер Нернст-Гольм.

¶Коагуляция и стабилизация

Коагуляция — слипание и оседание коллоидных частиц. Закон Шульце—Гарди устанавливает, что коагулирующая способность иона резко возрастает с увеличением его заряда. Стабилизация коллоидных систем достигается введением защитных коллоидов, поверхностно-активных веществ или электростатическим барьером.

¶Кинетические свойства

К бинетическим свойствам относят броуновское движение, седиментацию, вязкость и оптические эффекты (эффект Тиндаля — рассеяние света на коллоидных частицах).

¶Методы исследования

Коллоидная химия использует методы:

• электронную микроскопию (в том числе просвечивающую и сканирующую);
• динамическое и статическое рассеяние света;
• ультрацентрифугирование;
• электрофорез;
• измерение дзета-потенциала;
• криоскопию и осмометрию.

¶Применение

Коллоидная химия лежит в основе ряда отраслей промышленности и технологий:

• производство лаков, красок, клеёв, каучуков;
• фармацевтические эмульсии и суспензии;
• пищевая промышленность (молочные продукты, майонезы как эмульсии);
• водоочистка и коагуляция примесей;
• нефтепереработка (нефтяные эмульсии);
• сельское хозяйство (обработка почв, пестициды);
• нанотехнологии и создание наноматериалов.

В биологии и медицине коллоидные явления объясняют работу клеточных мембран, свёртывание крови, действие моющих средств и детергентов.

¶См. также

• Физическая химия
• Поверхностное натяжение
• Поверхностно-активные вещества
• Наночастицы

¶Источники

• Грем Г. Руководство по коллоидной химии. — М.: Госхимиздат, 1933.
• Фрумкин А. Н. Работы по электрохимии. — М.: Наука, 1988.
• Ребиндер П. А. Избранные труды: Поверхностные явления в дисперсных системах. — М.: Наука, 1978.
• Думанский А. В. Избранные труды. — М.: Изд-во АН СССР, 1947.
• Ландсберг Г. С. Общая физика. Т. 3. — М.: Наука, 1992.
• Сведберг Т. Образование и свойства коллоидов. — М.: Госхимиздат, 1936.