Przedmiot i zadania chemia koloidów. Pojęcie koloidalnego stanu skupienia. Etapy rozwoju chemii koloidalnej. Klasyfikacja układów rozproszonych.

Wcześniej chemię koloidów uważano za gałąź Chemia fizyczna i obecnie jest samodzielną dyscypliną.

Przedmiotem badań chemii koloidalnej są heterogeniczne mieszaniny substancji (układy rozproszone), ich właściwości i procesy zachodzące w tych układach.

Zadania chemii koloidalnej polegają na przewidywaniu kierunku i badaniu cech zachodzących procesów fizykochemicznych w układach dyspersyjnych.

Zastosowania chemii koloidalnej specjalne metody zbadać jak mikroskopia elektronowa, ultramikroskopia, ultrawirowanie, elektroforeza, nefelometria itp.

Aby lepiej zrozumieć rolę chemii koloidalnej, przyjrzyjmy się pokrótce historii rozwoju tej nauki.

Badania układów koloidalnych zaczęto badać w połowie XIX wieku. W 1845 roku włoski naukowiec Francesco Selmi odkrył, że niektóre substancje nierozpuszczalne w wodzie (na przykład AgCl, S, błękit pruski) rozpuszczają się w określonych warunkach i tworzą jednorodne roztwory, wytrącaniu nie towarzyszy zmiana temperatury, tj. . nieprawidłowe zachowanie substancji. Zadzwonił do nich pseudorozwiązania. Później, za namową K. Negeli, otrzymały nazwę „sol”. W 1857 r. odkrył M. Faradaya piętno pseudorozwiązania – rozpraszanie światła.

Za twórcę chemii koloidów uważany jest angielski naukowiec Thomas Graham. Przestudiował roztwory Selmiego i stwierdził (1861), że różnią się one od związków dobrze rozpuszczalnych w wodzie. Związki te w roztworze nie tworzą krystalicznych, lecz luźnych amorficznych osadów, dyfundują powoli i nie przechodzą przez półprzepuszczalne membrany z otworami o wielkości molekularnej. To wskazało duży rozmiar cząstki takich związków. Graham roztwory i substancje je tworzące nazwał koloidami (od gr. kolla – klej + wygląd eidos), ponieważ Prowadził eksperymenty z żelatyną, której roztwory stosowane są jako klej do drewna i uważał, że klej jest jednym z przedstawicieli tych związków. Główne charakterystyczne postanowienia „Chemii koloidalnej” T. Grahama są następujące:

1) właściwości układów koloidalnych w dużej mierze zależą od wielkości cząstek fazy rozproszonej;

2) wszystkie układy koloidalne są zdolne do intensywnego rozpraszania światła;

3) dyfuzja cząstek rozproszonych w układach koloidalnych jest minimalna;

4) układy koloidalne nadają się do dializy;

5) Układy koloidalne są niestabilne termodynamicznie.

Jednym z mankamentów koncepcji T. Grahama był podział wszelkich substancji na dwa światy. Graham uważał, że koloidy ze swej natury różnią się od zwykłych substancji i podzielił wszystkie substancje na dwie grupy - krystaloidy (zwykłe substancje, które krystalizują po nasyceniu roztworu) i koloidy (substancje klejopodobne).

Później rosyjski botanik I.G. Borschov (1869) ustalił zależność szybkości dyfuzji cząstek koloidalnych od ich wielkości i doszedł do wniosku, że koloidy mają strukturę krystaliczną.

Na początku XX wieku P.P. Weimarn (1907–1912) zbadał około 200 substancji i wykazał, że ta sama substancja może w pewnych warunkach mieć właściwości krystaloidu, a w innych koloidu. Zatem kalafonia w alkoholu tworzy roztwór prawdziwy, a w wodzie - roztwór koloidalny lub po rozpuszczeniu NaCl w wodzie powstaje roztwór prawdziwy, a w benzenie - koloidalny. W związku z tym ustalono, że bardziej poprawne jest mówienie nie o substancji koloidalnej, ale o stanie koloidalnym substancji.

W 1903 roku czeski naukowiec R. Zsigmondy i niemiecki naukowiec G. Siedentopf zaprojektowali ultramikroskop, za pomocą którego można dokonywać bezpośrednich obserwacji cząstek roztworu koloidalnego.

Później (1907) F.F. Rayleigh, M. Smoluchovsky, A. Einstein ustalili, że substancja roztworów koloidalnych nie występuje w postaci pojedynczych cząsteczek lub jonów, ale w postaci skupisk - agregatów cząsteczek zwanych micelami (od łacińskiego miceli okruchy, ziarno). A. Einstein i M. Smoluchowski opracowali molekularną teorię statystyczną Ruch Browna cząstki koloidalne i teoria fluktuacji. J.B.Perrin, T.Svedberg przetestowali tę teorię, wyznaczając liczbę Avogadra na niezależne sposoby. Na początku XX wieku W. Ostwald dość dokładnie zbadał wpływ stanu skupienia i dyspersji na właściwości obiektów koloidalnych.

W 1920 r. N.P. Pieskow wprowadził 2 koncepcje (rodzaje) stabilności układów rozproszonych: stabilność agregacyjną i sedymentacyjną. Teorię budowy podwójnej warstwy elektrycznej rozwinęli w pracach H. Helmholtza i J. Perrina (lata 80. XX w.), G. Gouya i D. Chapmana (1910 i 1913), O. Sterna (1924) a później w połowie XX wieku w pracach A.N. Frumkina.

P.P. Weymarn szczegółowo zbadał metody kondensacji w celu utworzenia liozoli. Teorię powstawania cząstek amorficznych i krystalicznych podczas syntezy układów koloidalnych badał V.A. Kargin. F.F. Rayleigh, a później L.I. Mandelstam, P. Debye opracowali podstawy teorii rozpraszania światła na skutek niejednorodności ośrodka i z powodzeniem zastosowali te koncepcje do analizy układów koloidalnych. W 1908 r. G. Freundlich sformułował główne zasady adsorpcyjnej teorii koagulacji. B.V. Deryagin, A.D. Landau, E. Verwey, T. Overbeck opracowali (1939-1943) i rozwinęli teoria fizyczna koagulacja. G. Kroyt zaproponował teorię krzepnięcia wkładki domacicznej.

Obecnie za koloidalne uważa się układy rozproszone, w których wielkość cząstek wynosi 1–100 nm (lub 1,10–7–1,10–9 m). Granice te są warunkowe, ponieważ Istnieją układy z mniej lub bardziej dużymi cząstkami, które mają właściwości roztworów koloidalnych i te, które mają tę samą wielkość, nie wykazują właściwości roztworów koloidalnych. Dlatego można zauważyć, że układ koloidalny jest dyspersją jednego ciała w drugim, a chemia koloidalna bada prawa fizyczne zjawiska powierzchniowe i wynikające z nich właściwości roztworów koloidalnych. Wynika z tego, że chemia koloidalna jest nauką o właściwościach heterogenicznych układów silnie rozproszonych i procesach w nich zachodzących.

Należy zauważyć, że istnieją substancje o bardzo dużych cząsteczkach - związki o dużej masie cząsteczkowej (białka, celuloza, guma i inne polimery). Cząsteczki takich związków mogą przekraczać wielkość cząstek koloidalnych; ich roztwory mogą mieć wiele właściwości roztworów koloidalnych, ale nie są skupiskami cząsteczek. Nie można ich zaliczyć do typowych układów koloidalnych. Dla rozróżnienia nazywa się je rozwiązaniami IUD. Roztwory IUD są również przedmiotem badań w chemii koloidalnej.

Układy koloidalne i roztwory wkładek domacicznych są szeroko rozpowszechnione w przyrodzie. Białka, krew, limfa, węglowodany, pektyny są w stanie koloidalnym. Wiele gałęzi przemysłu (spożywczy, tekstylny, gumowy, skórzany, farb i lakierów, ceramiczny, technologia włókien sztucznych, tworzywa sztuczne, smary) są związane z układami koloidalnymi. Produkcja materiały budowlane(cement, beton, zaprawy cementowe) opiera się na znajomości właściwości koloidów. Węgiel, torf, górnictwo i przemysł naftowy radzić sobie z materiałami rozproszonymi (pyłami, zawiesinami, pianami). Specjalne znaczenie chemia koloidalna nabywa się w procesach przeróbki minerałów, kruszenia, flotacji i mokrej koncentracji rud. Z wykorzystaniem układów z dyspersją koloidalną związane są także procesy fotograficzne i kinematograficzne.

Przedmiotem chemii koloidów są wszelkie formy życia roślinnego i zwierzęcego, w szczególności typowymi formacjami koloidalnymi są komórki mięśniowe i nerwowe, błony komórkowe, włókna, geny, wirusy, protoplazma, krew. Dlatego badacz koloidów I.I. Żukow stwierdził, że „człowiek jest w istocie chodzącym koloidem”. W świetle tego technologia leki(maści, emulsje, zawiesiny, aerozole, proszki), nie można sobie wyobrazić wpływu różnych leków na organizm bez znajomości chemii koloidów.

Układ rozproszony. Miara dyspersji.

Układy rozproszone nazywane są heterogenicznymi (heterogenicznymi) mieszaninami substancji, w których jedna drobno rozdrobniona substancja jest równomiernie rozmieszczona w jednorodnym ośrodku (masie) innej substancji.

Układy rozproszone składają się z fazy rozproszonej i ośrodka dyspersyjnego. Faza rozproszona (DP) to zbiór małych cząstek substancji rozproszonych (zdyspergowanych) w jednorodnym ośrodku innej substancji.

Ośrodek dyspersyjny to ośrodek jednorodny w postaci cząsteczek lub jonów, w którym równomiernie rozmieszczone są małe cząsteczki innej substancji.

Układ rozproszony, w przeciwieństwie do rozwiązań jednorodnych (prawdziwych), charakteryzuje się niejednorodnością i dyspersją.

Heterogeniczność to wielofazowy charakter układu, tj. obecność granic faz, co wynika z nierozpuszczalności substancji jednej fazy w drugiej. Ponieważ tylko między takimi substancjami mogą istnieć interfejsy fizyczne.

Dyspersyjność jest miarą fragmentacji jednej substancji w układzie rozproszonym. Według A.V. Dumansky’ego (1913) miarą fragmentacji układu rozproszonego może być poprzeczna wielkość cząstek (R) lub stopień rozproszenia (D): D = 1/R (m ─1). Jak mniejszy rozmiar cząstek, tym większy stopień dyspersji. Systemy z różne rozmiary cząstki nazywane są polidyspersyjnymi, a przy cząstkach tej samej wielkości - monodyspersyjnymi. Ponieważ rozmiary cząstek w rzeczywistych układach są różne, stopień dyspersji nie charakteryzuje dokładnie układu. Dlatego też w 1909 roku W. Ostwald zaproponował wykorzystanie powierzchni właściwej (S sp.) jako miary fragmentacji: , gdzie S d.f. i V d.f. – pole powierzchni i objętość fazy rozproszonej. Powierzchnię właściwą można obliczyć, jeśli znana jest wielkość i kształt cząstek: w przypadku cząstek sześciennych, a w przypadku cząstek kulistych: . Gdzie l– długość krawędzi sześcianu, r i d – promień i średnica kuli. Wszystkie wskaźniki są ze sobą powiązane równaniem S. rytm. = k. D = k/R. Jak widać z równania, powierzchnia właściwa jest powiązana z dyspersją. Wraz ze wzrostem dyspersji powierzchnia właściwa gwałtownie wzrasta, na przykład jeśli R = 0,1 cm, wówczas Ssp. = 30 cm - 1, a gdy R = 10 - 7 cm, wówczas S pokonać. wyniesie 30 cm +7 cm - 1, tj. 1 cm 3 tych cząstek ma powierzchnię międzyfazową równą 3000 m 2. Wzrost powierzchni właściwej determinuje specyficzne właściwości układów rozproszonych związane ze zjawiskami powierzchniowymi.

Klasyfikacja układów rozproszonych.

Układy rozproszone klasyfikuje się ze względu na wielkość cząstek, stan skupienia substancji i intensywność interakcji pomiędzy fazami układu. Różnią się także szybkością dyfuzji cząstek, ich zdolnością do przechodzenia przez membrany i filtry oraz rozpraszaniem światła.

Według wielkości cząstek rozróżnić rozproszone molekularnie (r< 1 . 10 –9 м), коллоидно-дисперсные (1 . 10 –7 –1 . 10 –9 м), микрогетерогенные (1 . 10 –4 –1 . 10 –7 м) и грубодисперсные системы (r >1. 10–4 m).

Molekularne systemy dyspersyjne lub prawdziwe rozwiązania. W tych układach cząsteczki lub jony nie mają powierzchni w zwykłym tego słowa znaczeniu i dlatego nie są uważane za układy rozproszone. Wyizolowano je jedynie w celu porównania właściwości roztworów koloidalnych i układów mikroheterogenicznych. Rozmiar cząstek jest mniejszy niż 1 nm lub 1. 10 –9 m. Substancja jest rozdrobniona do granic możliwości, dzięki czemu takie układy są całkowicie jednorodne. Układy te są stabilne termodynamicznie: ze względu na niewielkie rozmiary cząsteczki charakteryzują się dużą szybkością dyfuzji, przechodzą przez półprzepuszczalne membrany i filtry i nie są widoczne w mikroskopie optycznym. Prawdziwe rozwiązania są przezroczyste i nie rozpraszają światła. Przykładami prawdziwych roztworów są wodne roztwory dobrze rozpuszczalnych soli, związków organicznych, tłuszczów w rozpuszczalnikach organicznych, mieszanin gazów itp.

Koloidalne układy dyspersyjne. Wielkości cząstek fazy rozproszonej w takich układach wahają się od 1–100 nm (lub 1,10–7–1,10–9 m). Cząstki te, choć nie są zbyt duże, posiadają granicę międzyfazową, dlatego układy koloidalne nazywane są czasem ultramikroheterogenicznymi. Układy koloidalne są niestabilne termodynamicznie; cząstki koloidalne są zdolne do dyfuzji, przechodzą przez filtry papierowe, ale nie przechodzą przez membrany półprzepuszczalne, zatrzymują się na ultrafiltrach, nie są widoczne w mikroskopie optycznym, ale są obserwowane w ultramikroskopach, mają ładunek elektryczny(podwójna warstwa elektryczna), zapraszamy pole elektryczne. Roztwory koloidalne są przezroczyste, ale rozpraszają światło (wykazują efekt Faradaya-Tyndalla). Przykładami układów koloidalnych są dym, mgła i ciekłe roztwory koloidalne związków trudnorozpuszczalnych w wodzie.

Układy mikroheterogeniczne(zawiesiny, proszki, emulsje, pianki). Rozmiar cząstek 1. 10 –4 –1. Układy te są niestabilne termodynamicznie: ulegają dość szybkiemu zniszczeniu w wyniku osiadania cząstek. Cząsteczki nie są zdolne do dyfuzji, nie przechodzą nawet przez filtry papierowe i są widoczne pod mikroskopem optycznym. Roztwory są mętne w wyniku absorpcji światła, odbicia i załamania jego cząstek. Przykłady: zawiesiny gliny, mułu, piasku w wodzie, chmury pyłu, proszki itp.

Klasyfikacja ze względu na stan skupienia fazy rozproszonej i ośrodka dyspersyjnego (wg W. Ostwalda)

Biorąc pod uwagę, że substancja może występować w trzech stany skupienia możliwych jest 8 kombinacji ośrodka dyspersyjnego i DF:

Aby odróżnić roztwory koloidalne od innych układów rozproszonych, nazywa się je zolami (od łacińskiego rozwiązania solutio). Dlatego układy, w których ośrodkiem dyspersyjnym jest gaz, nazywane są aerozolami, w przypadku cieczy – liozolami, w przypadku stałego ośrodka dyspersyjnego – solidozolami. W zależności od charakteru ciekłego ośrodka dyspersyjnego liozole dzielą się na hydrozole, alkazole, benzozole i eterozole (organozole).

Klasyfikacja ze względu na oddziaływanie ośrodka dyspersyjnego i fazy rozproszonej (wg G. Freundlicha)

Klasyfikacja ta jest odpowiednia tylko dla systemów z ciekłym ośrodkiem dyspersyjnym.

Jeśli powierzchnia cząsteczki i cząsteczka rozpuszczalnika mają tę samą polarność (tj. powinowactwo), wówczas będą ze sobą oddziaływać. Dlatego wokół cząstek koloidalnych tworzą się grube wielowarstwowe powłoki solwatacyjne. Freundlich nazywał takie układy liofilowymi (od gr. lyo liquid + phileo love). Przykładami takich układów są roztwory białka, skrobi, agaru, gumy arabskiej, wysoko stężone emulsje, emulsole. W przypadku, gdy cząstki i cząsteczki rozpuszczalnika są przeciwnie polarne, wówczas nie ma oddziaływania pomiędzy cząstkami koloidalnymi a ośrodkiem dyspersyjnym, co oznacza, że ​​nie ma powłok solwatacyjnych lub powstają cienkie powłoki solwatacyjne. Układy takie nazywano liofobowymi roztworami koloidalnymi (od gr. płyn lio + strach przed fobosem). W przypadku, gdy ośrodkiem dyspersyjnym jest woda, układy te nazywane są odpowiednio hydrofilowymi i hydrofobowymi.

Do układów liofobowych zalicza się typowe układy koloidalne utworzone z substancji trudno rozpuszczalnych w ośrodku dyspersyjnym (słabe zasady, niektóre sole, metale, aerozole, pianki).

Układy liofilowe nie mają wszystkich typowych właściwości koligatywnych; rozpuszczają się samoistnie, są stabilne termodynamicznie i tworzą jednorodne roztwory. Dlatego obecnie wyróżnia się systemy liofilowe jako grupy specjalne układy rozproszone – roztwory substancji wielkocząsteczkowych (białka, polisacharydy, kwasy nukleinowe) i micelarne roztwory środków powierzchniowo czynnych.