Mavzu va vazifalar kolloid kimyo. Moddaning kolloid holati haqida tushuncha. Kolloid kimyoning rivojlanish bosqichlari. Dispers sistemalarning tasnifi.

Ilgari kolloid kimyo bir soha hisoblanardi fizik kimyo, va endi mustaqil fan hisoblanadi.

Kolloid kimyoning o'rganish predmeti moddalarning geterogen aralashmalari (dispers tizimlar), ularning xossalari va shu tizimlarda sodir bo'ladigan jarayonlardir.

Kolloid kimyoning vazifalari dispers tizimlardagi fizik-kimyoviy jarayonlarning yo'nalishini bashorat qilish va xususiyatlarini o'rganishdir.

Kolloid kimyodan foydalanish maxsus usullar qanday qilib tadqiqot elektron mikroskop, ultramikroskopiya, ultratsentrifugalash, elektroforez, nefelometriya va boshqalar.

Kolloid kimyoning rolini yaxshiroq tushunish uchun ushbu fanning rivojlanish tarixiga qisqacha to'xtalib o'tamiz.

Kolloid tizimlar 19-asr oʻrtalarida oʻrganila boshlandi. 1845 yilda italyan olimi Franchesko Selmi ba'zi suvda erimaydigan moddalar (masalan, AgCl, S, Prussiya ko'k) ma'lum sharoitlarda eriydi, bir hil eritmalar hosil qiladi va yog'ingarchilik haroratning o'zgarishi bilan birga bo'lmaydi, ya'ni. moddaning g'ayritabiiy harakati. U ularni chaqirdi psevdosolyutsiyalar. Keyinchalik, K. Negelining taklifi bilan ular "sol" nomini oldilar. 1857 yilda M. Faraday kashf etdi belgi pseudosolutions - yorug'likning tarqalishi.

Ingliz olimi Tomas Grem kolloid kimyoning asoschisi hisoblanadi. Selmi eritmalarini oʻrganib, ular suvda yaxshi eriydigan birikmalardan farq qilishini aniqladi (1861). Eritmadagi bu birikmalar kristall emas, balki bo'shashgan amorf cho'kindilarni hosil qiladi, sekin tarqaladi va molekulyar o'lchamdagi teshiklari bo'lgan yarim o'tkazuvchan membranalardan o'tmaydi. Bu ko'rsatdi katta hajm bunday birikmalarning zarralari. Graham ularni hosil qiluvchi eritma va moddalarni kolloidlar deb atagan (gr. kolla - yelim + eidos ko'rinishi), chunki U jelatin bilan tajribalar o'tkazdi, uning eritmalari yog'och elim sifatida ishlatiladi va elim bu birikmalarning vakillaridan biri deb hisobladi. T. Gremning “Kolloid kimyosi” asarining asosiy farqlovchi qoidalari quyidagilardan iborat:

1) kolloid sistemalarning xossalari ko'p jihatdan dispers fazaning zarracha hajmiga bog'liq;

2) barcha kolloid tizimlar yorug'likning intensiv tarqalishiga qodir;

3) kolloid sistemalarda dispers zarrachalarning diffuziyasi minimal darajada ifodalanadi;

4) kolloid sistemalar dializga qodir;

5) kolloid sistemalar termodinamik jihatdan beqaror.

T. Grem tomonidan ifodalangan tushunchalarning kamchiliklaridan biri uning barcha substansiyalarni ikki olamga bo‘lishi edi. Grem kolloidlar tabiatiga ko'ra oddiy moddalardan farq qiladi deb hisoblagan va barcha moddalarni ikki guruhga ajratgan - kristalloidlar (eritma to'yinganida kristallanadigan oddiy moddalar) va kolloidlar (elimga o'xshash moddalar).

Keyinchalik rus botanigi I.G.Borsxov (1869) kolloid zarrachalarning diffuziya tezligining ularning kattaligiga bog'liqligini aniqladi va kolloidlar kristalli tuzilishga ega degan xulosaga keldi.

20-asr boshlarida P.P.Veymarn (1907–1912) 200 ga yaqin moddalarni oʻrganib, bir xil moddaning ayrim sharoitlarda kristalloid, boshqa sharoitlarda esa kolloid xossalariga ega boʻlishi mumkinligini koʻrsatdi. Shunday qilib, spirtdagi rozin haqiqiy eritma, suvda esa kolloid eritma yoki NaCl suvda eritilganda haqiqiy eritma, benzolda esa kolloid hosil bo'ladi. Shunday qilib, kolloid modda haqida emas, balki moddaning kolloid holati haqida gapirish to'g'riroq ekanligi aniqlandi.

1903 yilda chex olimi R. Zsigmondi va nemis olimi G. Siedentopflar ultramikroskopni loyihalashtirdilar, uning yordamida kolloid eritmaning zarrachalarini bevosita kuzatish mumkin.

Keyinchalik (1907) F.F.Reyli, M.Smoluchovskiy, A.Eynshteyn kolloid eritmalarning moddasi alohida molekulalar yoki ionlar shaklida emas, balki mitsellalar deb ataladigan molekulalar agregatlari (lotincha mitellalardan) shaklida ekanligini aniqladilar. maydalangan, don). A. Eynshteyn va M. Smoluxovski molekulyar statistika nazariyasini ishlab chiqdilar Braun harakati kolloid zarralar va fluktuatsiyalar nazariyasi. J.B.Perrin, T.Svedberglar bu nazariyani mustaqil usullarda Avogadro sonini aniqlash orqali sinab ko'rdilar. 20-asr boshlarida V.Ostvald agregatsiya va dispersiya holatining kolloid jismlarning xossalariga taʼsirini toʻliq oʻrganib chiqdi.

1920 yilda N.P.Peskov dispers tizimlarning barqarorligining 2 ta tushunchasini (turini) kiritdi: agregativ va sedimentatsiya barqarorligi. Ikki qavatli elektr qatlamining tuzilishi nazariyasi X. Helmgolts va J. Perrin (XX asrning 80-yillari), G. Guy va D. Chapman (1910 va 1913), O. Stern (1924) asarlarida ishlab chiqilgan. va keyinchalik 20-asrning o'rtalarida A.N.Frumkin asarlarida.

P.P.Veymarn liozollarni hosil qilish uchun kondensatsiya usullarini batafsil o'rgangan. Kolloid sistemalarning sintezi jarayonida amorf va kristall zarrachalarning hosil boʻlish nazariyasi V.A.Kargin tomonidan oʻrganilgan. F.F.Rayleigh, keyinroq L.I.Mandelstam, P.Debay muhitda bir jinsli boʻlmaganlar boʻyicha yorugʻlikning tarqalishi nazariyasi asoslarini ishlab chiqdilar va bu tushunchalarni kolloid sistemalar tahlilida muvaffaqiyatli qoʻlladilar. 1908 yilda G. Freundlix koagulyatsiyaning adsorbsion nazariyasining asosiy tamoyillarini shakllantirdi. B.V.Deryagin, A.D.Landau, E.Vervey, T.Overbek (1939-1943) ishlab chiqdi va rivojlandi. fizik nazariya koagulyatsiya. G.Kroyt IUDning koagulyatsiya nazariyasini taklif qildi.

Hozirgi vaqtda zarracha hajmi 1-100 nm (yoki 1,10-7-1,10-9 m) bo'lgan dispers tizimlar kolloid hisoblanadi. Bu chegaralar shartli, chunki Kolloid eritmalarning xossalariga ega bo'lgan va bir xil o'lchamlarga ega bo'lgan kolloid eritmalarning xossalarini ko'rsatmaydigan ko'proq yoki kamroq katta zarralari bo'lgan tizimlar mavjud. Shuning uchun shuni ta'kidlash mumkinki, kolloid sistema bir jismning boshqa jismda tarqalishi, kolloid kimyo esa fizik qonunlarni o'rganadi. sirt hodisalari va kolloid eritmalarning xossalari. Bundan kelib chiqadiki, kolloid kimyo geterogen yuqori dispers sistemalarning xossalari va ularda sodir bo`ladigan jarayonlar haqidagi fandir.

Shuni ta'kidlash kerakki, juda katta molekulalarga ega bo'lgan moddalar - yuqori molekulyar birikmalar (oqsillar, tsellyuloza, kauchuk va boshqa polimerlar). Bunday birikmalarning molekulalari kolloid zarrachalarning o'lchamidan oshib ketishi mumkin, ularning eritmalari kolloid eritmalarning ko'pgina xususiyatlariga ega bo'lishi mumkin, ammo molekulalarning klasterlari emas. Ularni tipik kolloid tizimlar deb tasniflash mumkin emas. Farqlash uchun ular IUD yechimlari deb ataladi. IUD eritmalari ham kolloid kimyoning o'rganish ob'ekti hisoblanadi.

Kolloid tizimlar va IUD eritmalari tabiatda keng tarqalgan. Proteinlar, qon, limfa, uglevodlar, pektinlar kolloid holatda bo'ladi. Koʻpgina sanoat tarmoqlari (oziq-ovqat, toʻqimachilik, kauchuk, charm, lak-boʻyoq, keramika, sunʼiy tola texnologiyasi, plastmassa, moylash materiallari) kolloid sistemalar bilan bog'liq. Ishlab chiqarish qurilish materiallari(tsement, beton, tsement ohaklari) kolloidlarning xossalarini bilishga asoslanadi. Ko'mir, torf, tog'-kon va neft sanoati dispers materiallar (chang, suspenziyalar, ko'piklar) bilan shug'ullanish. Maxsus ahamiyatga ega kolloid kimyo minerallarni qayta ishlash, maydalash, flotatsiya va rudalarni nam konsentratsiyalash jarayonlarida oladi. Fotosurat va kinematografiya jarayonlari ham kolloid dispers tizimlardan foydalanish bilan bog'liq.

Kolloid kimyo ob'ektlariga o'simlik va hayvonot dunyosining barcha xilma-xil shakllari kiradi, xususan, tipik kolloid shakllanishlar mushak va asab hujayralari, hujayra membranalari, tolalar, genlar, viruslar, protoplazma, qondir. Shuning uchun kolloid olim I.I.Jukov "inson aslida yuruvchi kolloiddir" deb ta'kidladi. Shu nuqtai nazardan, texnologiya dorilar(malhamlar, emulsiyalar, suspenziyalar, aerozollar, kukunlar), turli dori vositalarining organizmga ta'sirini kolloid kimyoni bilmasdan tasavvur qilib bo'lmaydi.

Tarqalgan tizim. Dispersiya o'lchovi.

Dispers tizimlar moddalarning geterogen (geterojen) aralashmalari deyiladi, ularda bitta mayda bo'lingan modda boshqa moddaning bir hil muhitida (massasida) teng taqsimlanadi.

Dispers tizimlar dispers faza va dispersion muhitdan iborat. Dispers faza (DP) - boshqa moddaning bir hil muhitida tarqalgan (tarqalgan) moddaning kichik zarralari to'plami.

Dispersion muhit boshqa moddaning kichik zarralari bir tekis taqsimlangan molekulalar yoki ionlar shaklidagi bir hil muhitdir.

Dispers sistema bir jinsli (haqiqiy) eritmalardan farqli ravishda heterojenlik va disperslik bilan tavsiflanadi.

Heterojenlik - tizimning ko'p fazali tabiati, ya'ni fazalar chegaralarining mavjudligi, bu bir faza moddasining boshqasida erimasligi bilan bog'liq. Chunki faqat bunday moddalar o'rtasida jismoniy interfeys mavjud bo'lishi mumkin.

Disperslik - dispers sistemada bir moddaning parchalanishining o'lchovidir. A.V.ning so'zlariga ko'ra. Dumanskiy (1913), dispers tizimning parchalanish o'lchovi ko'ndalang zarracha kattaligi (R) yoki tarqalish darajasi (D) bo'lishi mumkin: D = 1/R (m ─1). Qanaqasiga kichikroq o'lcham zarralar, dispersiya darajasi qanchalik katta bo'lsa. bilan tizimlar turli o'lchamlar zarralar polidispers, bir xil o'lchamdagi zarralar bilan esa monodispers deb ataladi. Haqiqiy tizimlarda zarrachalarning o'lchamlari har xil bo'lganligi sababli, dispersiya darajasi tizimni juda aniq tavsiflamaydi. Shuning uchun, 1909 yilda V. Ostvald parchalanish o'lchovi sifatida o'ziga xos sirt maydonini (S sp.) qo'llashni taklif qildi: , bu erda S d.f. va V d.f. – dispers fazaning sirt maydoni va hajmi. Agar zarrachalarning kattaligi va shakli ma'lum bo'lsa, xususiy sirt maydonini hisoblash mumkin: kub zarrachalarda va sferik zarrachalarda: . Qayerda l– kub chetining uzunligi, r va d – sharning radiusi va diametri. Barcha ko'rsatkichlar tenglama S urish bilan bir-biriga bog'langan. = k. D = k/R. Tenglamadan ko'rinib turibdiki, o'ziga xos sirt maydoni dispersiya bilan bog'liq. Dispersiyaning ortishi bilan o'ziga xos sirt maydoni keskin ortadi, masalan, agar R = 0,1 sm, keyin Ssp. = 30 sm - 1 va R = 10 - 7 sm bo'lganda, S uriladi. 30 sm +7 sm - 1 bo'ladi, ya'ni. Ushbu zarrachalarning 1 sm 3 qismi 3000 m 2 ga teng interfaza yuzasiga ega. Maxsus sirt maydonining oshishi sirt hodisalari bilan bog'liq dispers tizimlarning o'ziga xos xususiyatlarini belgilaydi.

Dispers sistemalarning tasnifi.

Dispers sistemalar zarrachalar kattaligiga, moddalarning agregatsiya holatiga va tizim fazalari orasidagi oʻzaro taʼsir intensivligiga koʻra tasniflanadi. Ular, shuningdek, zarrachalarning tarqalish tezligi, membrana va filtrlardan o'tish qobiliyati va yorug'likning tarqalishi bilan farqlanadi.

Zarrachalar hajmi bo'yicha molekulyar dispersni ajratib ko'rsatish (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).

Molekulyar dispers sistemalar yoki haqiqiy eritmalar. Bu tizimlarda molekulalar yoki ionlar odatiy ma'noda sirtga ega emas va shuning uchun dispers tizim hisoblanmaydi. Ular faqat kolloid eritmalar va mikrogeterogen tizimlarning xossalarini solishtirish uchun ajratiladi. Zarrachalar hajmi 1 nm yoki 1 dan kam. 10 -9 m. Moddaning chegarasi eziladi va shuning uchun bunday tizimlar butunlay bir hildir. Bu sistemalar termodinamik jihatdan barqaror: zarrachalar kichik oʻlchamlari tufayli yuqori diffuziya tezligiga ega, ular yarim oʻtkazuvchan membranalar va filtrlardan oʻtadi va optik mikroskopda koʻrinmaydi. Haqiqiy echimlar shaffof va yorug'likni tarqatmaydi. Haqiqiy eritmalarga yaxshi eriydigan tuzlarning suvdagi eritmalari, organik birikmalar, organik erituvchilardagi yog'lar, gazlar aralashmalari va boshqalar misol bo'ladi.

Kolloid dispers tizimlar. Bunday tizimlarda dispers fazaning zarracha o'lchamlari 1-100 nm (yoki 1,10-7-1,10-9 m) oralig'ida. Bu zarralar unchalik katta bo'lmasada, interfeysga ega, shuning uchun kolloid tizimlar ba'zan ultramikrogeterogen deb ataladi. Kolloid tizimlar termodinamik jihatdan beqaror; kolloid zarralar diffuziyaga qodir, qog'oz filtrlardan o'tadi, lekin yarim o'tkazuvchan membranalardan o'tmaydi, ultrafiltrlarda saqlanadi, optik mikroskopda ko'rinmaydi, lekin ultramikroskoplarda kuzatiladi, elektr zaryadi(elektrik ikki qatlam), ichkariga o'ting elektr maydoni. Kolloid eritmalar shaffof, lekin yorug'likni sochadi (Faraday-Tyndall effektini ko'rsatadi). Kolloid sistemalarga tutun, tuman va suvda qiyin eriydigan birikmalarning suyuq kolloid eritmalarini misol qilib keltirish mumkin.

Mikrogeterogen tizimlar(suspenziyalar, kukunlar, emulsiyalar, ko'piklar). Zarrachalar hajmi 1. 10 – 4 – 1. 10-7 m. Bu tizimlar termodinamik jihatdan beqaror: ular zarrachalarning cho'kishi tufayli juda tez yo'q qilinadi. Zarrachalar diffuziyaga qodir emas, hatto qog'oz filtrlaridan ham o'tmaydi va optik mikroskopda ko'rinadi. Yorug'likning yutilishi, uning zarralarini aks ettirish va sinishi tufayli eritmalar bulutli bo'ladi. Misollar: loy, loy, suvdagi qum, chang bulutlari, kukunlar va boshqalar suspenziyalari.

Dispers faza va dispersiya muhitining agregatsiya holatiga ko’ra tasnifi (V.Ostvald bo’yicha)

Bir moddani uchtadan topish mumkinligini hisobga olsak agregatsiya holatlari, Dispersion muhit va DFning 8 ta kombinatsiyasi mumkin:

T–G T–F T–T

Dispersion muhit va dispers fazaning o'zaro ta'siriga ko'ra tasnifi (G. Freundlix bo'yicha)

Ushbu tasnif faqat suyuq dispersion muhitga ega tizimlar uchun javob beradi.

Agar zarracha yuzasi va erituvchi molekulasi bir xil qutbga ega bo'lsa (ya'ni, yaqinlik), u holda ular bir-biri bilan o'zaro ta'sir qiladi. Shuning uchun kolloid zarralar atrofida qalin ko'p qatlamli solvatsiya qobiqlari hosil bo'ladi. Freundlix bunday tizimlarni liyofil (gr. lyo suyuqlik + fileo sevgisidan) deb atagan. Bunday tizimlarga oqsil, kraxmal, agar-agar, gum arab eritmalari, yuqori konsentrlangan emulsiyalar, emulsollar misol bo'la oladi. Erituvchining zarralari va molekulalari qarama-qarshi qutbli bo'lsa, u holda kolloid zarralar va dispersiya muhiti o'rtasida o'zaro ta'sir bo'lmaydi, ya'ni solvatatsiya qobiqlari yo'q yoki yupqa solvatatsiya qobiqlari hosil bo'ladi. Bunday tizimlar liofob kolloid eritmalar deb ataldi (gr. lyo suyuqlik + fobos qo'rquvidan). Dispersiya muhiti suv bo'lsa, bu tizimlar mos ravishda hidrofil va hidrofobik deb ataladi.

Liofob tizimlarga dispersion muhitda qiyin eriydigan moddalar (zaif asoslar, ayrim tuzlar, metallar, aerozollar, koʻpiklar) taʼsirida hosil boʻlgan tipik kolloid tizimlar kiradi.

Liyofil tizimlar barcha tipik kolligativ xususiyatlarga ega emas, ular o'z-o'zidan eriydi, termodinamik jihatdan barqaror va bir hil eritmalar hosil qiladi; Shuning uchun hozirgi vaqtda liyofil tizimlar sifatida ajralib turadi maxsus guruhlar dispers tizimlar - yuqori molekulyar moddalarning eritmalari (oqsillar, polisaxaridlar, nuklein kislotalar) va misellar sirt faol moddalar eritmalari.