Что изучает коллоидная химия

Коллоидная химия

Колло́идная хи́мия (др.-греч. κόλλα — клей) — наука о дисперсных системах и поверхностных явлениях и традиционное название физической химии дисперсных систем и поверхностных явлений, возникающих на границе раздела фаз. Изучает адгезию, адсорбцию, смачивание, коагуляцию, электрофорез. Разрабатывает технологии строительных материалов, бурения горных пород, зол-гель технологии. Играет фундаментальную роль в нанотехнологии.

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 1777 г. К. Шееле и Ф. Фонтана независимо друг от друга обнаружили явление адсорбции газов углём. В 1785 г. Т. Е. Ловиц обнаружил явление адсорбции из растворов. П. Лаплас в 1806 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.

М. Фарадей в 1857 году исследовал системы, содержащие золото, распределенное в объёме воды, известные ещё алхимикам, получившим их восстановлением солей золота и давшим их им название aurum potabile (питьевое золото). Изучая оптические свойства золей золота, М. Фарадей пришёл к выводу, что золото в них содержится в виде очень маленьких частиц.

Основоположником коллоидной химии принято считать Т. Грэма, выполнившего в 60-х годах XIX века первые систематические исследования коллоидных систем (золей). Ему же принадлежит и введение термина «коллоид». Впоследствии коллоидная химия включила в себя результаты, полученные в других областях физики и химии, и в конце XIX — начале XX веков сформировалась в самостоятельный раздел химии.

На основе механической теории капиллярности, разработанной в начале XIX века Т. Юнгом и П. Лапласом, и термодинамики поверхностных явлений, созданной Дж. У. Гиббсом в 1878, были сформулированы основные направления исследования коллоидной химии: изучение процессов образования новой фазы в гомогенных системах, термодинамическая устойчивость коллоидных систем, количественное описание адсорбции на границе раздела фаз. Развитые в 1853 Г. Гельмгольцем представления о строении двойного электрического слоя позволили дать объяснение электрокинетическим и электрокапиллярным явлениям. Создание Дж. Рэлеем теории рассеяния света способствовало количественному изучению оптических свойств коллоидных систем. Исследование Ж. Перреном, Т. Сведбергом и Р. Зигмонди броуновского движения коллоидных частиц на основе теории, разработанной в 1905 А. Эйнштейном и М. Смолуховским, позволило доказать реальность существования молекул и правильность молекулярно-кинетических представлений. На основе предложенной в 1917 И. Ленгмюром кинетической теории адсорбции были разработаны методы исследования состояния молекул поверхностно-активных веществ (ПАВ) в мономолекулярных слоях. В 1928 П. А. Ребиндер открыл адсорбционное понижение прочности (эффект Ребиндера) и в 40—50-х годах на основе развития этого направления и исследования структурообразования в дисперсных системах создал физико-химическую механику. Физическая теория устойчивости коллоидных систем была разработана в 1937 Б. В. Дерягиным совместно с Л. Д. Ландау и независимо от них Э. Фервеем и Я. Овербеком (теория ДЛФО). Дерягиным же введено представление о механизме действия тонких слоёв жидкости расклинивающее давление.

Современное состояние

Основные направления современной коллоидной химии:

• Термодинамика поверхностных явлений.
• Изучение адсорбцииПАВ.
• 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).

Коллоидная химия

Введение

В данном разделе представлены конспекты лекций по коллоидной химии, которые читаются на химическом факультете ИЕНиМ УрФУ.

Преподаватель: д.х.н, проф. Адамова Лидия Владимировна

Основные определения коллоидной химии

1861 г. Томас Грэм ввел термин коллоиды (κόλλα— клей).

Коллоидная химия — наука, изучающая вещества, находящиеся в дисперсном состоянии и поверхностные явления в дисперсных системах.

Диспергирование — тонкое измельчение твердого тела или жидкости, в результате которого образуются порошки, суспензии, эмульсии.

Дисперсная система — гетерогенная двух- или многофазная система, в которой одно вещество, находящееся в диспергированном состоянии (дисперсная фаза) распределено в среде другого (дисперсионная среда). Степень измельчения можно характеризовать следующими параметрами: линейным размером частиц r, дисперсностью D, либо удельной поверхностью S₁.

Дисперсность — физическая величина, показывающая какое число частиц можно уложить вплотную в одном кубическом метре. Чем меньше размер частиц, тем больше дисперсность. Определяют как отношение суммарной поверхности раздела фаз к объему этих частиц.

Удельная поверхность — это отношение суммарной поверхности к общей массе частиц.

Влияние диспергирования на свойства системы: высокая развитая поверхность.

Такая большая поверхность придает дисперсным системам особые свойства.

Классификация дисперсных систем

По размерам частиц дисперсной фазы:

Различия между истинным раствором, коллоидной системой и грубой дисперисей:

Классификация дисперсных систем по агрегатным состояниям дисперсной среды и дисперсной фазы:

По характеру межмолекулярных взаимодействий между ДС и ДФ:

Эта классификация пригодна только для систем с жидкой дисперсионной средой.

1. Лиофильные. Термодинамические устойчивые (н-р: мыло в воде);

2. Лиофобные. Не устойчивы, слабые межмолекулярные взаимодействия (н-р: нафталин в воде).

Первоначально Зигмонди предложил классифицировать коллоидные растворы по способности сухого остатка, полученного в результате осторожного выпаривания жидкости, растворяться в чистой дисперсионной среде.

Системы, сухой остаток которых был не способен самопроизвольно диспергироваться в дисперсионной среде, он назвал необратимыми (н-р: лиозоли металлов, гидрозоли иодида серебра и т.д). Обратимыми коллоидными системами он назвал системы, сухой остаток которых при соприкосновении со средой обычно сначала набухает, а затем самопроизвольно растворяется и снова образует коллоидную систему (н-р: раствор желатина в воде или каучука в бензоле)

Фрейндлих высказал мнение, что обратимость и необратимость коллоидной системы определяется взаимодействием дисперсной фазы с дисперсной средой. В случае обратимых коллоидов есть взаимодействие между дисперсионной средой и фазой. Такие растворы называются лиофильными коллоидными растворами (если ДС — вода, то гидрофильными). А в случае необратимых — взаимодействия нет, следовательно ДФ не способна растворяться в ней. Такие системы Фрейндлих назвал лиофобными (гидрофобными, если ДС — вода).

1 Что изучает коллоидная химия и каково ее значение

Коллоидная химия занимает важное место в системе подготовки специалистов для различных областей научной и производственной деятельности. Курс коллоидной химии завершает Ваше общехимическое образование, и мы надеемся, что он будет Вам интересен.

«В современном ее значении коллоидная химия является физикохимией дисперсных систем и поверхностных явлений»

Давайте начнем с того, что же изучает коллоидная химия и каково ее значение?

Коллоидная химия – это наука о дисперсных системах и поверхностных явлениях, возникающих на границах раздела фаз. Будучи наукой о поверхностных явлениях и физико-химических свойствах дисперсных систем, она 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 не только на Земле, но и далеко за ее пределами. Например, межзвездная материя – это газопылевые облака, из которых, согласно теории образования планет О.Ю. Шмидта, произошло самообразование планет вокруг Солнца.

Метеорологические явления – грозовые разряды, дождь, снег, град, туман и др. – 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 дисперсными 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 таких смежных наук, как современная биология, почвоведение, геология, метеорология. Вместе с биохимией и физикохимией полимеров она составляет основу учения о возникновении и развитии жизни на Земле. Конечно, жизненные процессы весьма сложны, и невозможно свести их к закономерностям коллоидной химии, но тот факт, что все живые системы являются высокодисперсными, подчеркивает значение коллоидной химии для развития современной науки в целом.

Источники:

http://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/14652

http://onlearning.ru/kolloidnaya-himiya

http://studizba.com/lectures/107-himija/1441-uprazhnenija-i-otvety-na-voprosy-po-kolloidnoj-himii/26660-1-chto-izuchaet-kolloidnaja-himija-i-kakovo-ee-znachenie.html