Предмет изучения коллоидной химии
История коллоидной химии
Коллоидная химия как наука имеет непродолжительную 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, распределенные 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 адсорбции ПАВ.
· 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).
Выпускается научный «Коллоидный журнал».
Коллоидная химия возникла в середине Х1Х века. В 1861 г.известный английский химик Т.Грэм изучал диффузию различных веществ в водных растворах. Он обнаружил, что некоторые вещества (желатин, агар-агар и т.п.) диффундируют в воде во много раз медленнее, чем, например, соли и кислоты. Кроме того, эти вещества при пересыщении растворов не кристаллизовались, а формировали 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 Х1Х 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 исследования коллоидов для измерения размеров дисперсных 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 ее утверждении сыграли экспериментальные работы профессора Санкт-Петербургского горного института П.П. Веймарна (1906 - 1910). 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 выдвинул 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 на понятие "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 В. Оствальд, один из первых коллоидников, называл коллоидную химию "миром неопознанных величин". Примерно к 20 -м гг. 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 дисперсной средой (главным образом, с жидкостями).
3. Контактные взаимодействия частиц друг с другом, приводящие к
образованию коллоидных структур.
Новизна и оригинальность проблем коллоидной химии, открытие совершенно новых путей проникновения в мир молекулярных явлений на основе макроскопических исследований привлекли к новой науке многих крупнейших ученых. Вполне закономерно поэтому, что этот период коллоидной химии оказался чрезвычайно плодотворным. За работы по коллоидной химии стали лауреатами Нобелевской премии
· Р. Зигмонди (1925 г.) " за установление гетерогенной природы коллоидных растворов и за разработанные в этой связи методы, имеющие фундаментальное значение в современной коллоидной химии";
· Ж. Перрен (1926 г.) - "за работу по дискретной природе материи и в особенности за открытие седиментационного равно-весия";
· Т. Сведберг (1926 г.) - "за работы в области дисперсных систем" (прежде всего за использование ультрацентрифуги для дисперсионного анализа);
· И. Ленгмюр (1932г.) - "за открытия и исследования в области химии поверхностных явлений".
Эти успехи коллоидной химии привели к тому, что во многих университетах и технологических институтах Европы создаются кафедры коллоидной химии.
В России коллоидной химии большое внимание уделялось еще во 2-ой половине Х1Х века, во многом ? под влиянием Д.И. Менделеева. Исследования температурной зависимости поверхностного натяжения органических жидкостей (1861 г.) привели Менделеева к открытию фундаментального понятия критической температуры веществ.
Менделеев высказал также идею о глубокой связи между поверхностным натяжением и другими свойствами вещества. В связи с этим он еще в начале своей деятельности сформулировал следующую программу работ в этом направлении: "Главная цель предпринятых мной исследований над капиллярностью и удельным весом жидкостей составляет собрание материалов, необходимых для молеку-лярной механики. Для успехов этой науки необходимо иметь следующие точные данные.
1) Вес частицы.
2)Удельный вес.
3)Сцепление, определяемое волосными (т.е. капиллярными ) явлениями, может служить к пониманию некоторых физических и химических явлений".
В начале ХХ века уровень коллоидной химии в России отвечал самым высоким стандартам. Уже упоминалось выше фундаментальное открытие П.П. Веймарна об универсальности дисперсного состояния вещества. Этот критерий быстро получил мировое признание.
В 1913 г. была защищена первая в России магистерская диссертация по коллоидной химии. Ее автор А.В. Думанский стал впоследствии одним из крупнейших организаторов коллоидно-химических исследований в СССР. Таким образом, к началу 30-х годов в СССР были созданы все необходимые предпосылки для преподавания коллоидной химии в высшей школе.
Коллоидная химия, традиционное название физической химии дисперсных систем и поверхностных явлений . К. х. как самостоятельная наука возникла в 60-е годы 19 в. С тех пор её предмет и методы существенно изменились. В период становления К. х. «коллоидами» называли клееподобные аморфные тела (в отличие от кристаллических тел, «кристаллоидов»); теперь термин «коллоиды» — синоним высокодисперсных (микрогетерогенных) систем, то есть дисперсных систем с наиболее развитой поверхностью раздела фаз. К. х. изучает своеобразные процессы и явления, обусловленные особенностями высокодисперсного состояния тел. К ним относятся, например, самопроизвольное укрупнение частиц твёрдой дисперсной фазы или капель жидкости (коагуляция и коалесценция) как проявление термодинамической (агрегативной) неустойчивости дисперсных систем; застудневание жидких дисперсных систем с образованием гелей и возникновение пространственных дисперсных структур ; взаимодействие соприкасающихся тел (трение, адгезия) и изменение этого взаимодействия под влиянием веществ, адсорбирующихся на поверхностях соприкосновения; явления в тонких жидких и твёрдых плёнках; самопроизвольное диспергирование жидкостей и твёрдых тел. Характерные особенности объектов изучения К. х. обусловили развитие специфических методов исследования, таких как ультрацентрифугирование , ультрафильтрация , диализ и электродиализ, электроосмос и электрофорез (см. Электрокинетические явления), различные методы фракционирования и дисперсионного анализа , ультрамикроскопия, электронная микроскопия, нефелометрия и т.д.
Современная К. х. включает следующие основные разделы. 1) Молекулярно-кинетические явления (броуновское движение , диффузия) в дисперсных системах; гидродинамика дисперсных систем; дисперсионный анализ. 2) Поверхностные явления: адсорбция (термодинамика и кинетика), смачивание , адгезия, поверхностно-химические процессы в дисперсных системах; строение и свойства поверхностных (адсорбционных) слоев. 3) Теория возникновения новой (дисперсной) фазы в метастабильной (пересыщенной) среде; конденсационные методы образования дисперсных систем. 4) Теория устойчивости, коагуляция и стабилизация коллоидно-дисперсных систем; строение частиц дисперсной фазы (мицелл). 5) Физико-химическая механика дисперсных систем, включающая теорию механического диспергирования, явления адсорбционного понижения прочности твёрдых тел, реологию дисперсных систем; образование и механические свойства пространственных структур в дисперсных системах. 6) Электрические и электрокинетические явления в дисперсных системах. 7) Оптические явления в дисперсных системах (коллоидная оптика) — светорассеяние, светопоглощение; К. х. фотографических процессов.
Вся природа — организмы животных и растений, гидросфера и атмосфера, земная кора и недра — представляет собой сложную совокупность множества разнообразных и разнотипных грубодисперсных и коллоидно-дисперсных систем. Дисперсное состояние вполне универсально и при соответствующих условиях в него может перейти любое тело. Этим определяется особое положение К. х., развитие которой осуществляется в непосредственном контакте и взаимодействии со многими, часто не связанными между собой областями науки, промышленности и сельского хозяйства. Развитие К. х. связано с актуальными проблемами различных областей естествознания и техники.
К. х. разрабатывает научные основы технологических процессов с участием дисперсных систем. К ним относятся технология строительных материалов, силикатов (особенно керамики), технология пластмасс, резины, лакокрасочных материалов с использованием высокодисперсных пигментов и наполнителей; технология бурения горных пород, механической обработки твёрдых материалов, в том числе металлов; процессы гетерогенного катализа и адсорбционные процессы. Учение о дисперсных структурах лежит в основе науки о материалах будущего, без которой невозможен технический прогресс. К. х. указывает рациональные пути разрушения нефтяных эмульсий (деэмульгирование сырых нефтей — основной способ их обезвоживания и обессоливания); создания дисперсных — наиболее эффективных — форм пестицидных препаратов, широко применяемых в сельском хозяйстве; использования поверхностно-активных веществ в составе моющих и очищающих средств, эмульгаторов, флоторсагентов (см. Флотация), присадок к смазочным маслам и т.д. Важнейшие проблемы геологии и геохимии (возникновение и превращения минералов и горных пород, выветривание), почвоведения, грунтоведения теснейшим образом связаны с законами поведения многокомпонентных и микрогетерогенных систем. Метеорология в изучении атмосферных осадков опирается на учение об аэродисперсных системах (см. Аэрозоли). Совместно с биохимией и физикохимией полимеров К. х. составляет основу учения о биологических структурах, о возникновении и развитии жизни.
Предмет изучения коллоидной химии
коллоидная химия (англ. colloid chemistry или colloidal chemistry) — раздел химии, изучающий дисперсные системы (коллоидные растворы) и поверхностные явления, возникающие на границе раздела фаз.
Описание
Поскольку частицы дисперсной фазы и окружающая их дисперсионная среда имеют очень большую поверхность раздела, с ростом дисперсности поверхностные явления оказывают все большее влияние на свойства дисперсной системы. Цель исследований в коллоидной химии — развитие научных основ управления образованием, свойствами и разрушением дисперсных систем.
Объектами исследований в коллоидной химии являются разнообразные дисперсные системы и поверхности раздела между дисперсной фазой и дисперсионной средой, а также границы раздела между макроскопическими фазами: адсорбционные слои; тонкие пленки; нити (фибриллярные системы); аэрозоли; пены и газовые эмульсии; эмульсии; суспензии, взвеси и пасты; золи и гели; системы с твердой дисперсионной средой (металлы и сплавы, горные породы). Вся природа — организмы животных и растений, гидросфера и атмосфера, земная кора и недра — представляет собой сложную совокупность множества разнообразных и разнотипных грубодисперсных и коллоидно-дисперсных систем. Дисперсное состояние вполне универсально, и при соответствующих условиях в него может перейти любое тело.
Коллоидная химия решает следующие основные задачи:
· изучение поверхностных сил, адсорбции и смачивания, свойств адсорбционных слоев, закономерностей и механизмов действия ПАВ на межфазных поверхностях;
· исследование поверхности твердых тел;
· определение размеров и формы частиц дисперсной фазы;
· исследование механизмов образования дисперсных систем и разработка новых методов их получения;
· изучение влияния двойного электрического слоя на скорость электрофореза и электроосмоса, мембранные эффекты, явления обратного осмоса в мембранах;
· изучение областей существования и строения термодинамически равновесных дисперсий в многокомпонентных системах, содержащих мицеллообразующие ПАВ;
· исследование термодинамических и кинетических закономерностей образования тонких пленок;
· исследование устойчивости дисперсных систем и факторов, влияющих на нее;
· изучение влияния внешней среды на закономерности деформирования и разрушения твердых тел, управление механическими свойствами материалов.
Коллоидная химия составляет одну из основ нанотехнологии.
Дата добавления: 2019-09-13; просмотров: 222; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!