А как возникла и развивалась сама коллоидная химия?
Белорусский государственный университет
Химический факультет
Пособие для самостоятельной работы над лекционным курсом «КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ» в вопросах, ответах и упражнениях
Составители:
Доцент, к.х.н. Савицкая Т.А.
Асс., к.х.н. Котиков Д.А.
Минск, 2006
Данное пособие предназначено для самостоятельной работы студентов химического факультета Белгосуниверситета над лекционным курсом «Коллоидная химия».
Приступать к работе с пособием рекомендуется после прослушивания лекций и знакомства с «Опорным конспектом лекций по коллоидной химии».
Представленный в пособии материал разбит в соответствии с лекциями и содержит вопросы, помогающие студенту структурировать и систематизировать материал. Ответы, следующие за вопросами, позволяют студентам, с одной стороны, контролировать свои знания, а с другой стороны, способствуют более эффективному их усвоению.
Вопросы для контроля знаний, размещенные в конце каждой лекции, способствуют закреплению материала и активизации самостоятельной работы студентов.
Уважаемые студенты!
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.
ЛЕКЦИЯ 1
«В современном ее значении коллоидная химия является физикохимией дисперсных систем и поверхностных явлений»
П.А. Ребиндер
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.
А как возникла и развивалась сама коллоидная химия?
Коллоидная химия возникла в середине XIX века. В 1861 г известный английский химик Томас Грэм (1805-1869 гг) изучал диффузию различных веществ в водных растворах. Он обнаружил, что некоторые вещества (желатин, агар-агар и др.) диффундируют в воду и проходят через полупроницаемые перегородки во много раз медленнее, чем, например, соли и кислоты. Кроме того, эти вещества при пересыщении растворов не кристаллизуются, а формируют студнеобразную клейкую массу. По-древнегречески клей называется «колла», и эти «особые» вещества Грэм назвал «коллоидами». Так появилось название науки «коллоидная химия». На основе своих опытов Грэм выдвинул весьма смелую гипотезу о существовании в природе двух диаметрально противоположных классов химических веществ – «кристаллоидов» и «коллоидов». Эта идея вызвала большой интерес многих ученых, и во второй половине XIX века коллоидная химия стала развиваться очень быстро и плодотворно, причем основное внимание уделялось именно химическим аспектам. В эти годы были открыты многие вещества с типично коллоидными свойствами. Вместе с тем были разработаны различные методы очистки и стабилизации коллоидов (неорганических, органических и белковых веществ), созданы оригинальные и высокочувствительные методы для измерения размеров частиц, поверхностного натяжения чистых жидкостей и растворов, скорости электрофореза и ряда других параметров коллоидных систем. Однако по мере открытия все новых коллоидных систем гипотеза Грэма утрачивала свою привлекательность.
На смену ей пришла концепция универсальности коллоидного (дисперсного) состояния вещества. Решающую роль в утверждении этой концепции сыграли экспериментальные работы профессора Санкт-Петербургского горного института П.П. Веймарна (1906-1990 гг). На множестве примеров он показал, что даже типичные коллоиды (например, желатин) можно выделить в кристаллическом виде и, напротив, из «кристаллоидных» веществ можно приготовить коллоидный раствор (например, поваренной соли в бензоле). На основании этих результатов Веймарн сформулировал следующее положение: «Коллоидное состояние не является обусловленным какими-либо особенностями состава вещества; наоборот, было доказано, что о коллоидах можно говорить как о твердых, жидких, газообразных, растворимых и нерастворимых веществах. При определенных условиях каждое вещество может быть в коллоидном состоянии».
Концепция универсальности значительно расширила область объектов коллоидной химии и оказала значительное влияние на ее развитие. На первый план было выдвинуто понятие дисперсного состояния вещества и как результат – осознание важнейшей роли поверхностных явлений. Веймарн считал необходимым вообще отказаться от термина «коллоид» и заменить его понятием «дисперсоид», а коллоидную химию переименовать в дисперсоидологию – «науку о свойствах поверхностей и процессах, на них совершающихся». Это определение очень близко к современной трактовке коллоидной химии как науки о дисперсном состоянии веществ с определяющим влиянием поверхностных явлений. С утверждением концепции универсальности произошло существенное смещение приоритетов коллоидной химии. Главным направлением стало изучение дисперсного (коллоидного) состояния веществ. Для этого необходимо было выяснить, какие свойства достаточно полно и объективно характеризуют это состояние. В начале ХХ века эта проблема представлялась очень сложной. Не случайно Вильгельм Вольфанг Оствальд (1853-1932 гг), один из первых исследователей и преподавателей коллоидной химии, называл ее миром обойденных величин. Он писал: «До недавнего времени мы не видели, что между материей в массе и материей в молекулах существует еще целый мир замечательных явлений. Мы как-то обошли это промежуточное царство с чрезвычайно многочисленными представителями, не зная, что степень дисперсности оказывает значительное влияние на свойства, что многие из свойств как раз в коллоидной степени дисперсности вещества достигают своего максимума или минимума. Только теперь мы знаем, что каждое тело приобретает особые свойства и демонстрирует своеобразные явления, когда его частички больше размеров молекул, но все же еще так малы, что их нельзя различить в оптический микроскоп. Только теперь выяснилось особое значение размеров, характерных для коллоидных систем».
Примерно к 20-м годам ХХ века стало ясно, что фундаментальные проблемы коллоидной химии в новом понимании ее содержания можно условно разделить на три группы:
1. Состав, строение и свойства коллоидных частиц.
2. Взаимодействие частиц с дисперсионной средой (главным образом, с жидкостями).
3. Контактные взаимодействия частиц друг с другом, приводящие к образованию коллоидных структур.
Здесь, отвлекаясь на исторический экскурс, уместно вспомнить, что в начале XX в в коллоидную химию вошли идеи и методы физики и физической химии. Так начался этап фундаментальных открытий: установлена гетерогенная природа коллоидных растворов; открыто седиментационно-диффузионное равновесие в суспензиях и эмульсиях; разработан метод определения размеров коллоидных частиц и макромолекул с помощью ультрацентрифуг; создана кинетическая теория адсорбции и строения адсорбционных слоев поверхностно-активных веществ. В сочетании с термодинамикой поверхностных явлений Гиббса эти работы составили теоретический фундамент коллоидной химии.
В последующий период (примерно с 1925 по 1975 гг) главные успехи коллоидной химии были достигнуты на перекрестках с другими науками: физикой твердого тела и жидкостей, электрохимией, гидродинамикой, биохимией и рядом технологических дисциплин. Приведем несколько ярких примеров: открытие эффекта адсорбционного понижения прочности твердых тел (П.А. Ребиндер) и расклинивающего давления в тонких пленках (Б.В. Дерягин), изучение строения сывороточных белков методами электрофоретического и адсорбционного анализа (А. Тизелиус). Крупнейшим успехом было построение в 1940-х годах теории устойчивости лиофобных коллоидов (Б.В. Дерягин, Л.Д. Ландау, Э. Фервей, Я. Овербек). Характерная черта этого этапа в развитии коллоидной химии – разработка научных основ прикладной коллоидной химии (П.А. Ребиндер, И.В. Петрянов-Соколов, Ф.Д Овчаренко, М.П. Воларович и др.). Полученные результаты эффективно реализованы в технологиях флотации, полиграфии, в производстве строительных и конструкционных материалов и т. д.