Введение в физическую химию поверхностных явлений и дисперсных систем

Возникновение науки о поверхностных явлениях и дисперсных системах. Коллоидная химия. Коллоидные растворы

Современная физическая химия поверхностных явлений и дисперсных систем как самостоятельный раздел науки выросла из коллоидной химии, и эти названия часто используют как синонимы. Саму коллоидную химию определяют как науку о дисперсных системах и поверхностных явлениях. Причина некоторого несоответствия названия и содержания кроется в истории возникновения дисциплины.

Своим названием коллоидная химия обязана шотландскому химику Томасу Грэму, который в 1860-х гг. использовал термин «коллоид» (от греч. kolla — клей) при описании клееподобных «нсевдорастворов» крахмала, желатина, альбумина, на необычные свойства которых и ранее обращали внимание.

Исторический экскурс

Т. Грэм закономерно считается основоположником коллоидной химии, однако он известен и другими научными достижениями. Так, исследуя разные формы фосфорной кислоты, он ввел в химию представление о многоосновных кислотах. Также он обнаружил существование кристаллизационной воды во многих соединениях, установил, что скорость диффузии в газах обратно пропорциональна квадратному корню из его плотности (закон Грэма). Распространив методы исследования диффузии газов через пористые перегородки на жидкости, Грэм подробно описал явление осмоса.

В многочисленных опытах с самыми разными растворами внимание Грэма привлекли вещества особого типа, которые он назвал коллоидами, а обладающие особыми свойствами растворы этих веществ — коллоидными растворами.

Оказалось, что растворенные в воде коллоиды не проходят через тонкопористую мембрану из пергамента, в отличие от растворов, например, соли или сахара. Эта особенность была положена в основу диализа (от греч. dialysis — отделение) — способа очистки коллоидного раствора от примесей. Прибор для проведения диализа (диализатор) представляет собой разделенный мембраной сосуд, в одной части которого находится подвергаемый очистке коллоидный раствор, а в другой — растворитель. При последовательной смене растворителя можно практически полностью удалить из коллоидного раствора низкомолекулярные вещества.

Явление диализа лежит в основе гемодиализа — метода очистки крови в аппаратах «искусственная почка». В таких аппаратах через специальную мембрану кровь очищается от токсинов и продуктов распада — электролитов, мочевины, мочевой кислоты. Мембраны для гемодиализа изготавливают из полиамида, полиарилетерсульфона, поли- винилпирролидона, купрофана и других современных материалов.

Теперь нет сомнений, что способность проходить через поры мембраны определяется размером частиц, но Грэм полагал, что было более глубокое различие между обычными, как правило, кристаллизующимися при упаривании раствора веществами и коллоидами, которые не удавалось выделить в виде кристаллов. По способности диффундировать через мембрану и образовывать кристаллы все вещества были разделены им на два класса — коллоиды и кристаллоиды.

Вскоре, однако, было показано, что одно и то же вещество в зависимости от условий может обладать свойствами коллоида или кристаллоида. Например, при растворении NaCl в воде образуется истинный раствор (NaCl — «кристаллоид»), а при растворении NaCl в бензоле — коллоидный раствор (NaCl — «коллоид»); канифоль в спирте образует истинный раствор, а в воде — коллоидный.

Напомним, что под истинным раствором понимают гомогенную систему, состоящую из растворителя и растворенного вещества, причем растворенное вещество представлено в виде отдельных молекул, ионов или атомов. Подавляющее большинство растворов, с которыми вы встречаетесь при изучении химии, — истинные.

Кроме способности к диализу были отмечены еще некоторые особенности коллоидных растворов но сравнению с истинными растворами:

  • • низкая скорость диффузии;
  • • практически не определяемое осмотическое давление;
  • • рассеяние света (опалесценция);
  • • образование осадка при добавлении небольших количеств солей, не взаимодействующих с растворенным веществом (коагуляция);
  • • способность к передвижению коллоидных частиц в электрическом иоле (электрофорез).

Интерактивный компонент

Какую информацию о коллоидных частицах можно получить, проанализировав свойства коллоидных растворов?

Интерпретация свойств представлена в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Обсуждение свойств коллоидных частиц

Свойства

Интерпретация

Способность к диализу

Коллоидные частицы не проходят в поры мембраны, в отличие от обычных малых молекул

Коллоидные частицы крупнее обычных молекул

Низкая скорость диффузии

Коэффициент диффузии обратно пропорционален радиусу частицы

Свойства

Интерпретация

Практически не определяемое осмотическое давление

Осмотическое давление пропорционально молярной концентрации. Реальная концентрация коллоидных частиц значительно меньше формальной концентрации растворенного вещества

Коллоидные частицы представляют собой ассо- циаты из большого числа малых молекул

Рассеяние света

Рассеяние света происходит, если размер частиц в среде меньше длины световой волны или соизмерим с ней. Длина волны видимого света 400—750 нм

Размер частиц в коллоидных растворах меньше длины световой волны или соизмерим с ней

Коагуляция

Выпадение осадка при добавлении веществ, не взаимодействующих с растворенным веществом, вызвано нс химическими, а физическими изменениями

Частицы имеют тенденцию к укрупнению. Коллоидные системы термодинамически неустойчивы

Передвижение частиц в электрическом поле

В электрическом поле передвигаются заряженные частицы. Коллоидный раствор в целом электронейтрален

Коллоидная частица может приобрести заряд в результате взаимодействия с растворителем

Резюме

Частицы в дисперсных системах (коллоидных растворах) имеют размер 1—1000 нм, склонны к укрупнению, могут иметь электрический заряд.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >