Профессиональные интересы: Стратегический менеджмент. Инновационная деятельность. Практика развития малого инновационного бизнеса. год - Профессиональная переподготовка в области оценки бизнеса в Московском международном институте эконометрики, информатик
План:
Дисперсные системы.
Строение коллоидной мицеллы.
Методы получения лиофобных коллоидов (СР).
Предмет и значение коллоидной химии.
Коллоидная химия – это наука о дисперсных системах и поверхностных явлениях , возникающих на границах раздела фаз .
Коллоидная химия является химией реальных тел , поскольку реальные объекты живой и неживой природы, продукты и материалы, создаваемые и используемые человеком, практически всегда находятся в дисперсном состоянии , т. е. содержат в своем составе малые частицы, тонкие пленки, мембраны, волокна с четко выраженными поверхностями раздела. При этом поверхностные явления и дисперсные системы встречаются и далеко пределами Земли. Например, межзвездная материя – это газопылевые облака. Метеорологические явления – грозовые разряды, дождь, снег, град, туман и другие – являются коллоидными процессами.
Коллоидная химия составляет научную основу производства пластических масс , резины, синтетических волокон, клеев, лакокрасочных и строительных материалов, продуктов питания, лекарств и т.п. Практически нет ни одной области промышленности, которая в той или иной степени не имела бы дела с коллоидными системами.
Велика роль коллоидной химии и в решении комплекса задач охраны окружающей среды , включая очистку сточных вод, водоподготовку, улавливание аэрозолей , борьбу с эрозией почв и др.
Коллоидная химия открывает новые подходы к изучению истории земной коры, установлению связей между коллоидно-химическими свойствами почвы и ее плодородием, выяснению условий возникновения жизни, механизмов жизнедеятельности; она является одной из ведущих основ современной биологии , почвоведения, геологии, метеорологии. Вместе с биохимией и физикохимией полимеров она составляет основу учения о возникновении и развитии жизни на Земле . Тот факт, что все живые системы являются высокодисперсными, подчеркивает значение коллоидной химии для развития современной в целом.
Огромно значение коллоидных процессов в сельском хозяйстве (создание дымов и туманов для борьбы с вредителями сельского хозяйства , грануляция удобрений, улучшение структуры почв и т.д.). Кулинарные процессы: старение студней (черствление хлеба, отделение жидкости от киселей, желе и т.п.), адсорбции (осветление бульонов) относятся к коллоидным процессам, которые лежат в основе хлебопечения, виноделия, пивоварения и других пищевых производств.
2. Дисперсные системы.
Дисперсные системы – это такие системы, в которых одно вещество в виде частиц различной величины распределено в другом веществе.
В дисперсных системах различают дисперсную фазу (ДФ) – мелкораздробленное вещество и дисперсионную среду (ДС) – однородное вещество , в котором распределена дисперсная фаза (в мутной воде, содержащей глину, ДФ являются твердые частички глины, а ДС – вода).
Важной характеристикой дисперсных систем является степень дисперсности – средний размер частиц дисперсной фазы.
По степени дисперсности выделяют обычно следующие классы дисперсных систем:
Грубодисперсные системы – системы, размер частиц дисперсной фазы в которых превышает 10 -7 м (суспензии и эмульсии).
Коллоидные системы – системы, размер частиц дисперсной фазы в которых составляет 10 -7 – 10 -9 м. Это микрогетерогенные системы с хорошо развитой поверхностью раздела между фазами. Их частицы не оседают под действием силы тяжести, проходят через бумажные фильтры, но задерживаются растительными и животными мембранами. Например, растворы белков , почвенные коллоиды и т.д.
Иногда выделяют молекулярно(ионно)-дисперсные системы, которые, строго говоря, являются истинными растворами , т.е. гомогенными системами, поскольку в них нет поверхностей раздела фаз. Размер частиц дисперсной фазы менее 10 -9 м. Растворенное вещество находится в виде молекул или ионов. Например, растворы электролитов, сахара.
Коллоидные системы, в свою очередь , подразделяются на две группы, резко отличные по характеру взаимодействий между частицами дисперсной фазы и дисперсионной среды – лиофобные коллоидные растворы (золи) и растворы высокомолекулярных соединений (ВМС), которые ранее называли лиофильными коллоидами .
К лиофобным коллоидам относятся системы, в которых частицы дисперсной фазы слабо взаимодействуют с дисперсионной средой; эти системы могут быть получены только с затратой энергии и устойчивы лишь в присутствии стабилизаторов.
Растворы ВМС образуются самопроизвольно благодаря сильному взаимодействию частиц дисперсной фазы с дисперсионной средой и способны сохранять устойчивость без стабилизаторов.
Лиофобные коллоиды и растворы ВМС различаются , составляющих дисперсную фазу. Для лиофобных коллоидов единицей структуры является сложный многокомпонентный агрегат переменного состава – мицелла , для растворов ВМС – макромолекула .
Дисперсные системы разделяют на группы, различающиеся по природе и агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды:
Если дисперсионной средой является жидкость, а дисперсной фазой – твердые частицы, система называется взвесью или суспензией ;
Если дисперсная фаза представляет собой капельки жидкости , то систему называют эмульсией . Эмульсии, в свою очередь, подразделяют на два типа: прямые , или "масло в воде" (когда дисперсная фаза – неполярная жидкость, а дисперсионная среда – полярная жидкость) и обратные , или "вода в масле" (когда полярная жидкость диспергирована в неполярной).
Среди дисперсных систем выделяют также пены (газ диспергирован в жидкости) и пористые тела (твердая фаза, в которой диспергированы газ либо жидкость). Основные типы дисперсных систем приведены в таблице.
3.Строение коллоидной мицеллы.
Частицы ДФ в лиофобных коллоидах имеют сложную структуру, зависящую от состава ДФ , ДС и условий получения коллоидного раствора. Необходимым условием получения устойчивых золей является присутствие 3-го компонента, играющего роль стабилизатора.
Дисперсная частица – мицелла состоит из:
ядра , находящегося в кристаллическом или жидком состоянии;
мономолекулярного адсорбционного слоя потенциалопределяющих ионов ;
жидкостной оболочки, более уплотненной у поверхности частицы и постепенно переходящей в обыкновенную дисперсионную среду;
прочно связанного слоя противоионов , т.е. ионов несущих заряд противоположный знаку заряда потенциалопределяющих ионов ;
диффузионного слоя противоионов, свободно сдвигающихся при электрофорезе или электроосмосе.
Строение структурной единицы лиофобных коллоидов – мицеллы – может быть показано лишь схематически, поскольку мицелла не имеет определенного состава. Рассмотрим строение коллоидной мицеллы на примере гидрозоля иодида серебра , получаемого взаимодействием разбавленных растворов нитрата серебра и иодида калия:
AgNO 3 + KI ––> AgI + KNO 3
Коллоидная мицелла золя иодида серебра образована микрокристаллом AgI , который способен к избирательной адсорбции из окружающей среды катионов Ag + или I - . Для получения устойчивого золя необходимо, чтобы один из электролитов AgNO 3 или KI присутствовали в избытке в качестве стабилизатора.
Если реакция проводится в избытке иодида калия, то кристалл будет адсорбировать I - ; при избытке нитрата серебра микрокристалл адсорбирует ионы Ag + . В результате этого микрокристалл приобретает отрицательный либо положительный заряд.
1. Избыток KI
Нерастворимые молекулы AgI образуют ядро коллоидной частицы (мицеллы) m [ AgI ].
На поверхности ядра адсорбируются ионы I - (обычно адсорбируются те ионы, которые входят в состав ядра, т.е. в данном случае Ag + или I -), сообщающие ему отрицательный заряд. Они достраивают кристаллическую решетку ядра, прочно входя в его структуру , образуя адсорбционный слой m [ AgI ] · nI – . Ионы, адсорбирующиеся на поверхности ядра и придающие ему соответствующий заряд, называются потенциалопределяющими ионами.
Адсорбированные потенциалопределяющие ионы притягивают из раствора ионы противоположного знака противоионы (К +), причем часть их (n-x) адсорбируется на частице { m [ AgI ] · nI – · (n - x ) K + } x – . Ядро + адсорбционный слой = гранула .
Оставшаяся часть противоионов образует диффузный слой ионов.
Ядро с адсорбционным и диффузными слоями представляет мицеллу.
Схематически мицелла золя иодида серебра, полученного в избытке иодида калия (потенциалопределяющие ионы – анионы I – , противоионы – ионы К +) может быть изображена следующим образом:
{m · nI – · (n-x)K + } x– · xK +
2. При получении золя иодида серебра в избытке нитрата серебра коллоидные частицы будут иметь положительный заряд:
{m · nAg + · (n-x)NO 3 – } x+ · x NO 3 –
Коллоидная химия – это наука о физико-химических свойствах дисперсных систем и поверхностных явлениях.
Дисперсная система (ДС) – это система, в которой хотя бы одно вещество в более или менее раздробленном (диспергированном) состоянии равномерно распределено в массе другого вещества. ДС гетерогенна, она состоит как минимум из двух фаз. Раздробленную фазу называют дисперсной фазой. Сплошную среду, в которой раздроблена дисперсная фаза, называют дисперсионной средой. Характерным свойством ДС является наличие большой межфазной поверхности. В связи с этим определяющими являются свойства поверхности, а не частиц в целом. Для ДС характерны процессы, протекающие на поверхности, а не внутри фазы.
Поверхностные явления и адсорбция
Поверхностные явления ─ это явления, протекающие на поверхности раздела фаз дисперсных систем. К ним относятся: поверхностное натяжение, смачивание, адсорбция и др. На поверхностных явлениях основаны важнейшие технические процессы: очистка воздуха и сточных вод от вредных примесей, обогащение руд полезных ископаемых (флотация), сварка металлов, чистка, смазка, окрашивание различных поверхностей и многие другие.
Поверхностное натяжение
Любая поверхность раздела фаз имеет особые свойства, отличающиеся от свойств внутренних частей граничащих фаз. Это обусловлено тем, что поверхностные слои обладают избытком свободной энергии. Рассмотрим систему, состоящую из жидкости и газа (рис.1).
На молекулу А , находящуюся внутри жидкости, действуют силы взаимного притяжения со стороны всех окружающих ее соседних молекул. Равнодействующая этих сил равна нулю. Для молекулы В , находящейся на поверхности жидкости, будут скомпенсированы не все силы молекулярного притяжения. Это вызвано тем, что в газе молекулы удалены друг от друга на большие расстояния, силы притяжения между ними ничтожны. Следовательно, молекулы В испытывают притяжение только со стороны жидкости. Для них равнодействующая сил молекулярного притяжения не равна нулю и направлена вглубь жидкой фазы. Эту силу называют внутренним давлением. Такое давление стремится затянуть все молекулы с поверхности вглубь жидкости. Под действием этого давления жидкость сжимается и ведет себя так, как будто у нее есть «кожа». Чем сильнее различаются межмолекулярные взаимодействия в граничащих фазах, тем больше внутреннее давление.
Для того чтобы создать новую поверхность раздела фаз, например, растянуть жидкость в пленку, надо затратить работу против сил внутреннего давления. Чем больше внутреннее давление, тем большую энергию требуется затратить. Эта энергия сосредоточивается в молекулах, находящихся на поверхности, и называется свободной поверхностной энергией.
Работу, затраченную на образование 1см 2 поверхности раздела фаз, или эквивалентную ей свободную поверхностную энергию, называют поверхностным натяжением и обозначают , Дж/м 2 . Тогда запас свободной энергии, (F s) cконцентрированной на поверхности раздела фаз (S) равен: F s = S. Следовательно, чем меньше размер частиц, тем больше поверхность S, и тем большим запасом свободной поверхностной энергии обладает данная дисперсная система по сравнению с обычными массивными телами.
Из термодинамики известно, что условием устойчивого равновесия системы является минимум свободной энергии. В связи с этим, дисперсные системы термодинамически неустойчивы: в них самопроизвольно протекают процессы , связанные с уменьшением поверхности раздела фаз за счет укрупнения частиц. Очевидно, что состоянию равновесия отвечает расслоение системы (например, эмульсия разделяется на две жидкости, а суспензия ─ на жидкость и осадок). Кроме того, так как величина стремится к минимуму, жидкость в свободном состоянии принимает форму сферы, (капли жидкости). Это объясняется тем, что поверхность шара является минимальной для данного объема вещества.
Минимум величины F s , то есть состояние равновесия системы, может быть достигнуто также за счет стремления к минимуму величины . Таким образом, самопроизвольными в дисперсных системах являются также процессы, связанные с уменьшением величины поверхностного натяжения. Для твердых тел , которые не могут изменять свою форму также легко, как жидкости, свободная поверхностная энергия F s может уменьшаться только одним путем ─ за счет уменьшения величины поверхностного натяжения . Это происходит так: молекулы, лежащие в поверхностном слое, способны притягивать и иногда очень прочно удерживать другие молекулы из среды, окружающей твердое тело. Это явление носит название сорбции.
На величину поверхностного натяжения оказывают влияние:
1. Природа вещества . Величина определяется строением конденсированной фазы, то есть природой сил, действующих между частицами. Чем больше полярность химических связей в веществе, тем более высокие величины характерны для этого вещества. Среди жидкостей (на границе с воздухом) наибольшую величину имеет вода. Еще более высокие величины наблюдают в расплавах ионных кристаллов и в твердых металлах.
2.Температура. При повышении температуры величина уменьшается, так как тепловое движение частиц при нагревании ослабляет действие межчастичных сил в веществе.
3.Концентрации вводимых добавок. Величина зависит от концентрации веществ, растворенных в исследуемой жидкости. Различают два вида веществ. Поверхностно ─ инактивные вещества (ПИВ) , повышающие поверхностное натяжение раствора по сравнению с чистым растворителем. К ним относятся большинство сильных электролитов.
Поверхностно − активные вещества (ПАВ), сильно понижающие поверхностное натяжение образовавшегося раствора. С увеличением концентрации ПАВ в растворе величина резко уменьшается, так как вещество концентрируется (сорбируется) в поверхностном слое раствора, а не распределяется равномерно в объеме раствора. В водных растворах поверхностную активность проявляют полярные органические соединения ─ спирты, кислоты, соли и др. В молекулы таких соединений одновременно входят и полярные группы (О, ОН, СООН, NH 2) и неполярная углеводородная цепь. Схематично молекулу ПАВ условно обозначают так: «О────». Типичным примером ПАВ является натриевая соль стеариновой кислоты С 17 Н 35 СООNа (твердое мыло).
Современная коллоидная химия - это наука на стыке химии, физики, биологии. Особое междисциплинарное положение коллоидной химии подчёркивается тем, что в англоязычной литературе часто используют название «коллоидная наука» (англ. colloid science ).
История коллоидной химии
Коллоидная химия как наука имеет небольшую историю, однако свойства коллоидных систем и коллоидно-химические процессы человек использовал с давних времён. Это, например, такие ремёсла, как получение красок, керамики, глазури, прядение льна, хлопка, шерсти, выделывание кож.
Начиная с XVIII века появляются описания отдельных исследований, позже вошедшие в соответствующие разделы коллоидной химии. К ним относят работы М. В. Ломоносова по кристаллизации, получению цветных стёкол с применением дисперсии металлов (1745-1755 гг.). В г. К. Шееле и Ф. Фонтана независимо друг от друга обнаружили явление адсорбции газов углём. В г. Т. Е. Ловиц обнаружил явление адсорбции из растворов. П. Лаплас в г. получил первые количественные отношения для капиллярного давления. В 1808 г. Ф. Ф. Рейсс, проводя опыты с элементом Вольта, открыл явления электрофорез и электроосмос .
Одни из наиболее ранних исследований коллоидных систем выполнены итальянцем Ф. Сельми в 1845 году. Он изучал системы, представляющие собой хлорид серебра, серу , берлинскую лазурь , распределенную в объёме воды. Эти системы, полученные Сельми, очень похожи на истинные растворы , однако Сельми полагал, что ни изученные им, ни другие подобные вещества не могут находиться в воде в виде таких же мелких частиц, как и образующиеся в истинных растворах , то есть в виде отдельных молекул или ионов .
Взгляды, близкие к Сельми, высказывал К. Нэгели, считавший, что в таких системах частицы серы , хлорида серебра и других веществ - более крупные агрегаты, чем отдельные молекулы . Для полимолекулярных агрегатов он ввел понятие «мицелла ». Чтобы отличать системы, содержащие мицеллы , от растворов , где растворенное вещество находится в виде отдельных молекул , Нэгели назвал мицеллосодержащие системы «золями ». Термины «мицелла », «золь » стали общепринятыми.
Современное состояние
Основные направления современной коллоидной химии:
- Термодинамика поверхностных явлений.
- Изучение адсорбции ПАВ .
- Изучение образования и устойчивости дисперсных систем , их молекулярно-кинетических, оптических и электрических свойств.
- Физико-химическая механика дисперсных структур.
- Разработка теории и молекулярных механизмов процессов, происходящих в дисперсных системах под влиянием ПАВ , электрических зарядов, механического воздействия и т. п.
Поскольку дисперсное состояние материи универсально и объекты изучения коллоидной химии весьма разнообразны, коллоидная химия тесно связана с физикой, биологией, геологией, почвоведением, медициной и др.
Существует Институт коллоидной химии и химии воды им. А. В. Думанского НАНУ (Киев).
Выпускается научный «Коллоидный журнал».
Литература
- Handbook of Surface and Colloid Chemistry / Ed. K .S. Birdi. - 2nd ed. - N.Y.: CRC Press, 2003. - 765 p.
- Аблесимов Н. Е. Синопсис химии: Справочно-учебное пособие по общей химии - Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2005. - 84 с.
- Аблесимов Н. Е. Сколько химий на свете? ч. 1. // Химия и жизнь - XXI век. - 2009. - № 5. - С. 49-52.
- Сумм Б. Д. Основы коллоидной химии: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / Б. Д. Сумм. - 2-е изд., стер. - М. : Издательский центр «Академия», 2007. - 240 с.
- Химическая энциклопедия. - М.: «БРЭ», 1998.
- Фридрихсберг Д. А. Курс коллоидной химии. Л.: Химия, 1984. - 352 с.
- Захарченко В. Н. Коллоидная химия: Учеб. для для медико-биолог. спец. вузов.-2-е изд., перераб. и доп.-М.: Высш.шк., 1989.-238 с.: ил.
Wikimedia Foundation . 2010 .
Смотреть что такое "Коллоидная химия" в других словарях:
КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ, изучает дисперсные системы, обладающие высокой степенью раздробленности (размер частиц от 10 2 до 10 7 см) и огромной поверхностью (например, у активного угля удельная поверхность достигает тысяч м2/г), что и определяет их… … Современная энциклопедия
Большой Энциклопедический словарь
коллоидная химия - – раздел химии, имеющий своим предметом высокодисперсные системы и протекающие в них системы. Словарь по аналитической химии … Химические термины
КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ - наука, изучающая физ. хим. свойства дисперсных систем и некоторых высокомолекулярных продуктов, а также поверхностные явления физ. хим. процессы, протекающие на границе раздела (см.) … Большая политехническая энциклопедия
Традиционное название физической химии дисперсных систем (См. Дисперсные системы) и поверхностных явлений (См. Поверхностные явления). К. х. как самостоятельная наука возникла в 60 е годы 19 в. С тех пор её предмет и методы существенно… … Большая советская энциклопедия
Термин коллоидная химия Термин на английском colloid chemistry Синонимы colloid science Аббревиатуры Связанные термины адгезия, адсорбция, двойной электрический слой, дисперсность, золь, коллоидный раствор, критическая концентрация… … Энциклопедический словарь нанотехнологий
Область химии, изучающая дисперсные системы и поверхностные явления, возникающие на границе раздела фаз. Поскольку частицы дисперсной фазы и окружающая их дисперсионная среда имеют очень большую пов сть раздела фаз (в высокодисперсных системах… … Химическая энциклопедия
Традиционное название науки о дисперсных системах и поверхностных явлениях. Изучает такие процессы и явления, как адгезия, адсорбция, смачивание, коагуляция, электрофорез. Разрабатывает научные принципы технологии строительных материалов, бурения … Энциклопедический словарь
коллоидная химия - koloidų chemija statusas T sritis chemija apibrėžtis Dispersinių sistemų ir paviršinių reiškinių chemija. atitikmenys: angl. colloid chemistry rus. коллоидная химия … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas
Наука о поверхностных явлениях и дисперсных системах. Вся природа земная кора и недра, атмосфера и гидросфера, организмы животных и растении сложная совокупность разнообразных дисперсных систем. Универсальность дисперсного состояния определяет… … Большой энциклопедический политехнический словарь
Книги
- Коллоидная химия. Физическая химия дисперсных систем. Учебник для студентов учреждений высшего профессионального образования. Гриф МО РФ , Ершов Юрий Алексеевич. В учебнике изложены основы физической химии дисперсных систем (коллоидной химии) в соответствии с примерной программой по дисциплине "Физическая и коллоидная химия" для специальности 060301…