Властивості колоїдних розчинів

Сучасна колоїдна хімія – це велика, самостійна частина хімічної науки, що вивчає дисперсний стан речовини і поверхневі явища в дисперсних системах. Курс колоїдної хімії ставить метою дати чітке уявлення про теоретичні і експериментальні основи цієї науки, виділяючи її особливу роль як міждисциплінарної науки, що синтезує знання з суміжних розділів хімії, фізики, біології і інших природних наук.

Колоїдна хімія виходить з уявлень про дисперсність – мікрогетерогеності як універсальному стані речовини у всіх природних об'єктах і технологічних системах. Такі гірські породи і грунти, тканини живих організмів, такі всілякі матеріали, суспензії, емульсії, піни, аерозолі, побудовані з малих (дуже малих, до нанометрів) часток: зерен, кліток, волокон, плівок, які зберігають ще, однак, властивості даної фази і межі розділу з сусідніми фазами. Високе розвинення міжфазних поверхонь – носіїв енергетичних надлишків (тобто специфічного, активованого стану речовини) - служить спільною межею всіх цих об'єктів і систем і визначає різні їх властивості і протікаючі в них процеси. Особливе місце займає тут адсорбція – мимовільне концентрування певних, поверхово-активних компонентів на міжфазних кордонах, що міняє хімічну природу кордонів і що дозволяє керувати процесами в природних і технологічних дисперсних системах.

Розвиваючи ці уявлення, колоїдна хімія послідовно розглядає будову міжфазних кордонів в дисперсних системах, закономірності і механізми фізико-хімічних процесів на цих кордонах; умови утворення нових дисперсних фаз і їх властивості (специфічні – колоїдно-хімічні властивості і «неспецифічні – загальні і для колоїдно-дисперсних, і для молекулярно-дисперсних систем) ; загальні закономірності стійкості дисперсних систем, принципи і методи їх стабілізації і дестабілізації і їх додаток до конкретних дисперсних систем з різними твердими, рідкими і газооподібними фазами; взаємодія часток і структуроутворення в дисперсних системах – як вступ в новий розділ колоїдної хімії – фізико-хімічну механіку.

Широта концепцій, об'єктів, проблем, методів колоїдної хімії зумовлює її участь в розвитку інших хімічних наук, а також геології, метеорології, біології, медицині. Разом з тим, розкриваються роль і перспективи колоїдної хімії як загальної наукової основи інтенсифікації і оптимізації технологічних процесів з участю дисперсних фаз буквально у всіх галузях виробництва: хімічної, нафтодобувної і нафтопереробної, гірнорудної, металургійної, легкої, харчової, фармацевтичної промисловості; пояснюються механізми природних колоїдно-хімічних явищ і регулювання впливів на природні об'єкти (структуроутворення в ґрунтах, колоїдно-хімічні аспекти функціонування клітинних структур) ; розглядаються корінні проблеми захисту навколишнього середовища.

Колоїдна хімія виникла в середині ХIХ століття. У 1861 р. відомий англійський sхімік Т. Ґрем вивчав дифузію різних речовин у водних розчинах. Він виявив, що деякі речовини (желатин, агар-агар і т. п.) дифундують у воді у багато разів повільніше, ніж, наприклад, солі і кислоти. Крім того, ці речовини при пересиченні розчинів не кристализувались, а формували клейку масу. Древньогрецький клей називається «колла», і ці «особливі» речовини Ґрем назвав «колоїдами». Так з'явилася назва науки – колоїдна хімія. На основі своїх дослідів Ґрем висунув вельми сміливу гіпотезу про існування в природі двох діаметрально протилежних класів хімічних речовин – «кристалоїдів» і «колоїдів». Ця ідея викликала великий інтерес багатьох вчених, і у другій половині Х1Х віку колоїдна хімія стала розвиватися дуже швидко і плідно, причому основна увага приділялася саме хімічним аспектам. У ці роки були відкриті багато які речовини з типово колоїдними властивостями. Разом з тим були розроблені різні методи очищення і стабілізації колоїдів (неорганічних, органічних і білкових речовин), створені оригінальні і високочутливий методи дослідження колоїдів для вимірювання розмірів дисперсних часток, поверхневого натягнення чистих рідин і розчинів, швидкості електрофорезу і ряду інших параметрів колоїдних систем. Однак по мірі відкриття всі нових колоїдних систем гіпотеза Ґрема втрачала свою привабливість. На зміну їй прийшла концепція універсальності колоїдного (дисперсного) стану речовини. Вирішальну роль в її твердженні зіграли експериментальні роботи професора Санкт-Петербургського гірничого інституту П. П. Веймарна (1906 – 1910). На безлічі прикладів він показав, що навіть типові колоїди (наприклад, желатин) можна виділити в кристалічному вигляді і, навпаки, з «кристалоїдних» речовин можна приготувати колоїдний розчин (наприклад, куховарської солі в бензолі). На основі цих результатів Веймарн висунув наступне положення: «Колоїдний стан не є зумовленим якими-небудь особливостями складу речовини; навпаки, було доведено, що про колоїди можна говорити як про тверді, рідкі, газоподібні, розчинних і нерозчинні речовини. При певних умовах кожна речовина може спромогатися колоїдному «.

Концепція універсальності значно розширила область об'єктів колоїдної хімії і вплинула значний чином на її розвиток. На перший план було висунене поняття дисперсного стану речовини і як результат – усвідомлення найважливішої ролі поверхневих явищ. Веймарн вважав за необхідним взагалі відмовитися від терміну «колоїд» і замінити його на поняття «дисперсоїд», а колоїдну хімію перейменувати в дисперсоїдологію – «науку про властивості поверхонь і процеси, на них що здійснюються». Це визначення дуже близько до сучасного трактування колоїдної хімії як науки про дисперсний стан речовин з визначальним впливом поверхневих явищ. С затвердженням концепції універсальності сталося істотне зміщення пріоритетів колоїдної хімії. Головним напрямом стало вивчення дисперсного (колоїдного) стану речовин. Для цього необхідно було з'ясувати, які властивості досить повно і об'єктивно характеризують цей стан. На початку ХХ століття ця проблема представлялася дуже складною. Не випадкове В. Оствальд, один з перших коллоїдників, називав колоїдну хімію «світом непізнаних величин». Приблизно до 20 -м рр. стало ясно, що фундаментальні проблеми колоїдної хімії в новому розумінні її змісту можна умовно розділити на три групи:

Новизна і оригінальність проблем колоїдної хімії, відкриття цілком нових шляхів проникнення в світ молекулярних явищ на основі макроскопічних досліджень залучили до нової науки багатьох найбільших вчених. Цілком закономірно тому, що цей період колоїдної хімії виявився надзвичайно плідним. За роботи по колоїдній хімії стали лауреатами Нобелівської премії:

- Р. Зігмонді (1925 р.) «за встановлення гетерогеної природи колоїдних розчинів і за розроблені в зв'язку з цим методи, що мають фундаментальне значення в сучасній колоїдній хімії»;

- Ж. Перрен (1926 р.) – «за роботу за дискретній природою матерії і особливо за відкриття седиментационного рівноваги»;

- Т. Сведберг (1926 р.) – «за роботи в області дисперсних систем» (передусім за використання ультрацентрифуги для дисперсійоного аналізу) ;

- І. Ленгмюр (1932р.) – «за відкриття і дослідження в області хімії поверхневих явищ».

Ці успіхи колоїдної хімії призвели до того, що в багатьох університетах і технологічних інститутах Європи створюються кафедри колоїдної хімії.

У Росії колоїдної хімії велика увага приділялася ще у 2-ой половині ХІХ століття, багато в чому під впливом Д. І. Менделеєва. Дослідження температурної залежності поверхневого натягнення органічних рідин (1861 р.) призвели Менделеєва до відкриття фундаментального поняття критичної температури речовин.

Менделеєв висловив також ідею про глибокий зв'язок між поверхневим натягненням і іншими властивостями речовини. У зв'язку з цим він ще на початку своєї діяльності сформулював наступну програму робіт в цьому напрямі: «Головна мета зроблених мною досліджень над капілярністю і питомою вагою рідин складає збори матеріалів, необхідних для молекулярної механіки. Для успіхів цієї науки необхідно мати наступні точні дані:

- вага частинки;

- питома вага;

- зчеплення, що визначається волосяними (тобто капілярними) явищами, може служити до розуміння деяких фізичних і хімічних явищ».

На початку ХХ століття рівень колоїдної хімії в Росії відповідав самим високим стандартам. Вже згадувалося вище фундаментальне відкриття П. П. Веймарна про універсальність дисперсного стану речовини. Цей критерій швидко отримав світове визнання.

У 1913 р. була захищена перша в Росії магістерська дисертація по колоїдній хімії. Її автор А. В. Думанський став згодом одним з найбільших організаторів колоїдно-хімічних досліджень в СРСР. Таким чином, до початку 30-х років в СРСР були створені всі необхідні передумови для викладання колоїдної хімії у вищій школі.