Предмет и значение коллоидной химии. Основные признаки коллоидного состояния

1. Предмет и значение  коллоидной химии. Основные признаки  коллоидного состояния.

Значение коллоидной химии

Огромное  значение имеет коллоидная химия  в земледелии. Почва является сложнейшей коллоидной системой. Размер и форма  частиц почвы, наряду с их природой, определяют водопроницаемость и поглотительную способность почвы, которые в свою очередь влияют на урожайность. Пески, обладающие невысокой дисперсностью, легко пропускают воду, высокодисперсные же глины, наоборот, хорошо удерживают влагу. Присутствие щелочей повышает дисперсность и гидрофильность почв. В противоположность этому соли кальция коагулируют почву и понижают ее гидрофильность. На этом основано известкование почвы, применяемое Для того, чтобы понизить способность почвы удерживать влагу. В последнее время широко применяются так называемые структурирующие агенты на основе некоторых полимеров, внесение которых в почву устраняет эрозию и придает почве желательные свойства.

В народном хозяйстве нет ни одной  отрасли промышленности, которая  в той или иной степени не имела бы дела с коллоидными системами и коллоидными процессами. Например, задачей металлурга является получение металла с оптимальной микро- и ультрамикроструктурой, что осуществляется введением в сплав определенных присадок. В металлообрабатывающей промышленности такие процессы, как закалка, отжиг и прокатка, также имеют целью изменение в нужном направлении микроструктуры металла.

Керамическое  производство теснейшим образом  связано с коллоидной химией, поскольку  основное сырье этого производства -- глиняное тесто является концентрированной суспензией гидратированных силикатов алюминия. Существенно, что качество глины определяется более физическими свойствами ее частиц (размер, форма, состояние поверхности), нежели химическими свойствами.

Другое использование глин уже в качестве компонентов растворов, используемых при бурении, катализаторов, носителей катализаторов, осушителей и осветлителей различных жидкостей, начиная от вина и кончая продуктами нефтеперерабатывающей промышленности, разрабатывается на Украине Ф.Д. Овчаренко с сотрудниками. Весьма важны закономерности коллоидной химии при создании на базе минерального сырья новых строительных материалов. Фундаментальные исследования П.А. Ребиндера и его школы в области вяжущих средств привели к созданию конструкционных материалов, обладающих повышенной прочностью и рядом других ценных свойств.

С коллоидной химией связаны и производства, перерабатывающие органическое сырье. Например, технология получения бумаги включает процессы измельчения растительного волокна до высокой степени дисперсности, приготовление дисперсий различных проклеивающих агентов (канифоли, искусственных смол, каучука) и отложение на поверхности измельченного волокна в результате коагулирующего действия электролитов частиц этих дисперсий, что придает бумаге ряд ценных свойств.

Крашение  волокна и дубление кожи является также примером технологий, где основную роль играют коллоидные процессы. Крашение и дубление заключается в диффузии коллоидных частиц красителя или  дубителя в ткань или голье, в коагуляции этих частиц при соприкосновении с элементарными волоконцами и в фиксации скоагулированных частиц на элементарных волоконцах.

В производстве синтетического каучука, резины и пластмасс коллоидные процессы играют немаловажную роль. Так, эмульсионная полимеризация, в результате которой получают дисперсии синтетических каучуков (синтетические латексы), это процесс, протекающий в коллоидной системе. Резина и различные пластмассы обычно содержат мельчайшие частицы минеральных наполнителей, придающие им нужные свойства, и поэтому должны рассматриваться как коллоидные системы.

Основной  операцией производства лаков и  красок является измельчение пигментов  в соответствующих средах до возможно более высокой степени дисперсности. Цвет и кроющая способность лаков или красок в большой степени зависят от размера частиц пигмента.

Многие  основные операции в фармацевтической промышленности являются по существу коллоидными процессами Например, изготовление эмульсий, кремов, мазей сводится к  диспергированию нужных веществ в подходящих средах. Некоторые лекарства применяются в коллоидной форме. Так, колларгол представляет собою тончайшую дисперсию препарата серебра. Введение в организм лекарства в коллоидной форме, во-первых, локализует его действие, а, во-вторых, увеличивает срок его действия на больной орган, так как такое вещество выводится из тканей организма гораздо медленнее, чем если бы оно было введено в виде обычного раствора. Вспомогательные операции в ряде производств очень часто представляют собою коллоидные процессы. Например, выделение воды из нефти на нефтеперерабатывающих заводах, разрушение эмульсий, образующихся в химических производствах при промывке того или иного жидкого продукта водой, приготовление различных эмульсий в текстильном, кожевенном и ряде других производств. Типичными коллоидными процессами являются водо-и газоочистка. Водоочистка сводится к коагуляции взвешенных в воде мельчайших частиц электролитами или к извлечению из воды примесей путем адсорбции. Один из современных способов газоочистки заключается в придании содержащимся в газе или дыме твердым или жидким частицам достаточно большого электрического заряда и затем в отложении заряженных частиц на противоположно заряженном электроде.

2. Классификация  коллоидных систем

Коллоидными системами называют двух-или многофазные системы, в которых одна фаза находится в виде отдельных мелких частиц, распределенных в другой фазе. Такие ультрамикрогетерогенные системы с определенной (коллоидной) дисперсностью проявляют способность к интенсивному броуновскому движению и обладают высокой кинетической устойчивостью.

По степени раздробленности (дисперсности) системы делятся на следующие классы: грубодисперсные, размер частиц в которых более 10^-5 м; тонкодисперсные (микрогетерогенные) с размером частиц от 10^-5 до 10^-7 м; коллоидно-дисперсные (ультрамикро-гетерогенные) с частицами размером от 10^-7 до 10^-9м. Если фиксировать внимание на двух основных компонентах дисперсных систем, то одному из них следует приписать роль дисперсионной среды, а другому - роль дисперсной фазы. В этом случае все дисперсные системы можно классифицировать по агрегатным состояниям фаз.

Эта классификация была предложена Оствальдом и широко используется до настоящего времени. Недостатком классификации следует считать невозможность отнесения дисперсных систем, приготовленных с твердой или жидкой дисперсной фазой, к какому-либо классу, если размер частиц составляет несколько нанометров. Пример такой классификации приведен в табл.1 Академик П.А. Ребиндер предложил более совершенную классификацию дисперсных систем по агрегатным состояниям фаз. Он разделил все дисперсные системы на два класса: свободнодисперсные системы и сплошные (или связнодисперсные) системы (табл. 2 и 3). В свободнодисперсных системах дисперсная фаза не образует сплошных жестких структур (сеток, ферм или каркасов). Эти системы называют золями. В сплошных (связнодисперсных) системах частицы дисперсной фазы образуют жесткие пространственные структуры (сетки, каркасы, фермы). Такие системы оказывают сопротивление деформации сдвига. Их называют гелями.

Дисперсная система по классификации Ребиндера обозначается дробью, в которой дисперсная фаза ставится в числителе, а дисперсионная среда – в знаменателе. Например: Т₁/Ж₂. Индекс 1 обозначает дисперсную фазу, а индекс 2 – дисперсионную среду.

Коллоидная химия изучает свойства как тонко-, так и грубодисперсных систем; как свободно-, так и связнодисперсных систем.

Включение в одну науку столь  большого количества разнообразных  систем, различных как по природе  фаз, так и по размерам частиц и агрегатному состоянию фаз, основано на том, что все они обладают общими свойствами - гетерогенностью и принципиальной термодинамической неустойчивостью. Центральное место в коллоидной химии занимают ультрамикрогетерогенные системы со свободными частицами. Это - так называемые, коллоидные системы.

Таблица 1

Классификация дисперсных систем по агрегатным состояниям фаз.

Коллоидные системы необычайно лабильны, т.е. неустойчивы. Для многих из них достаточно прибавления ничтожного количества электролита, чтобы вызвать выпадение осадка. Причина столь легкого изменения состояния коллоидных систем связана с непостоянством степени их дисперсности. Различают два вида устойчивости любой раздробленной системы - кинетическую и агрегативную.