коллоидная химия

КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ

область химии, изучающая дисперсные системы и поверхностные явления, возникающие на границе раздела фаз. Поскольку частицы дисперсной фазы и окружающая их дисперсионная среда имеют очень большую поверхность раздела фаз (в высокодисперсных системах размер частиц дисперсной фазы составляет от долей мкм до 1 нм), с ростом дисперсности поверхностные явления оказывают все более определяющее влияние на свойства дисперсной системы. Цель исследований в К. х. — развитие научных основ управления образованием, свойствами и разрушением дисперсных систем (ДС) и граничных слоев путем регулирования межмолекулярных взаимод. на границах раздела фаз, прежде всего с помощью поверхностно-активных веществ (ПАВ), способных самопроизвольно концентрироваться (адсорбироваться) на поверхности частиц дисперсной фазы. Объектами исследований в К. х. являются разнообразные ДС и поверхности раздела между дисперсной фазой и дисперсионной средой, а также границы раздела между макроскопич. фазами: адсорбц. слои (моно- и полимолекулярные) и смачивающие пленки; тонкие пленки — как. плоские, так и замкнутые (ламеллярные системы, в т. ч. липосомы); нити (фибриллярные системы); аэрозоли (дымы, туманы, смог, облака), а также порошки; пены и газовые эмульсии; эмульсии и латексы (см. латекс натуральный, латексы синтетические, а также смазочно-охлаждающие жидкости, эмульсионная полимеризация); суспензии, взвеси и пасты; золи и гели; системы с твердой дисперсионной средой (металлы и сплавы, горные породы, газовые и жидкостные включения в твердых телах).

Задачи коллоидно-хим. исследований и наиб. важные методы исследований разнообразны и отвечают рассматриваемым ниже осн. разделам К. х.

1. Поверхностные и капиллярные явления, включая иэучение поверхностных сил, термодинамич. и кинетич. закономерностей адсорбции и смачивания, свойств адсорбц. слоев, закономерностей и механизмов действия ПАВ на разл. межфазных поверхностях. Молекулярно-статистич. рассмотрение поверхностных явлений (включая использование методов молекулярной динамики) ведется в контакте с соответствующими разделами мол. физики. Эксперим. исследование поверхностных явлений на легкоподвижных поверхностях жидкость — пар и жидкость — жидкость проводится преим. тензометрич. методами (изучение концентрац. зависимости поверхностного натяжения растворов) или с помощью весов Ленгмюра в сочетании с оптич., электрич. и реологич. методами (см. мономолекулярный слой).

2. Химия поверхности твердых тел (см. подробнее химия твёрдого тела) — изучение особенностей кристаллич. и электронной структуры приповсрхностных слоев твердых тел и закономерностей адсорбции на ней веществ как из газовой фазы, так и из объема тела. Развитие этой области связано с применением многочисл. новых методов исследования (см., напр., рентгеновская спектроскопия, фотоэлектронная спектроскопия, электронно-зондовые методы, дифракционные методы, эллипсометрия), которые дают сведения о разл. по толщине и площади при поверхностных слоях.

3. Электрокинетические явления, электрокапиллярные явления и ионный обмен — изучение влияния двойного электрического слоя и его изменения при введении электролитов на скорость электрофореза и электроосмоса, значения токов и потенциалов течения дисперсионной среды и седиментации дисперсной фазы, мембранные эффекты, в т. ч. явления обратного осмоса в мембранах.

4. Молекулярно-кинстич. и транспортные явления в ДС и их приложения к задачам дисперсионного анализа, т. е. к определению функций распределения частиц по размерам в свободнодисперсных системах. Сюда относятся исследования закономерностей броуновского движения, осмоса, возникновения и релаксации флуктуации концентрации, хроматографич. явлений при течении растворов и золей через пористые среды. Методы гель-хроматографии, седиментации и центрифугирования широко используются в научных исследованиях и хим. технологии; ультрацентрифугирование один из наиболее распространенных методов определения молскулярно-массового распределения в растворах полимеров.

5. Характерные оптич. свойства ДС — прежде всего рассеяние света в них; основанные на изучении этих свойств методы нефелометрии и турбидиметрии также позволяют определять размеры, а в некоторых случаях и форму частиц дисперсной фазы. Большие возможности для исследования ДС открывают методы электрооптики, а также изучение двойного лучепреломления, возникающего при течении ДС (эффект Максвелла), воздействии электрич. (эффект Керра) или магнитного (эффект Коттона-Мутона) полей.

6. Термодинамика образования лиофильных и лиофобных ДС (см. лиофильность и лиофобность) и теория образования лиофобных систем при зарождении новой фазы, являющиеся научной основой конденсац. методов получения ДС. Важное прикладное значение имеют методы очистки ДС (диализ, электродиализ, ультрафильтрация).

7. Лиофильные коллоидные системы: изучение областей существования (температурных и концентрационных) и строения термодинамически равновесных дисперсий в двух-, трех- и многокомпонентных системах, содержащих мицеллообразующие ПАВ (см. микроэмульсии).

8. Термодинамика и физико-химическая гидродинамика образования тонких пленок — рассмотрение составляющих расклинивающего давления, возможности существования мстастабильно-равновссных состояний (напр., черных пленок), а также кинетич. закономерностей утоньшения пленок.

9. Теория устойчивости лиофобных ДС, т. е. изучение роли факторов устойчивости, определяющих замедление изменения во времени структуры ДС в результате коагуляции (флокуляции) частиц дисперсной фазы, их коалесценции, переноса вещества от малых частиц к более крупным, седиментации частиц.

10. Физико-химическая механика твердых тел и ДС, изучающая влияние внеш. сред на закономерности деформирования и разрушения твердых тел, образование дисперсных структур и их мех. свойства, механохим. эффекты и на этой основе разрабатывающая пути управления мех. свойствами материалов, облегчения их обработки, управления контактными явлениями при трении и износе. Облегчение деформирования, разрушения и измельчения твердых тел и материалов в присутствии среды связано с проявлением эффекта Ребиндера — адсорбц. влияния среды на мех. свойства вещества. В основе изучения структурообразования в дисперсных системах лежат реологич. исследования, в частности вискозиметрия, и непосредств. определения сил взаимод. между частицами при образовании коагуляционных и конденсационно-кристаллизац. структур.

Вследствие столь большого разнообразия объектов, охватываемых К.х., и ее задач проявляется тенденция к обособлению некоторых ее разделов в самостоят, научные дисциплины, а также использование ее методов и идей в смежных областях науки. Так, из К.х. выделилась физ. химия растворов полимеров; в значит. мере самостоятельно развиваются наука о аэрозолях, химия поверхности; некоторые коллоидно-хим. проблемы, связанные с изучением функционирования биол. мембран и липосом, изучаются физ.-хим. биологией, биофизикой и электрохимией мембран.

К.х. как самостоят. наука возникла в 60-е гг. 19 в. после появления работ Т. Грэма, который ввел термин "коллоид" (от греч. kolla — клей) для обозначения веществ, не кристаллизующихся и слабо диффундирующих. Однако еще М. В. Ломоносов отличал свертывание (коагуляцию) от кристаллизации, а Й. Берцелиус, А. Бодримой, Ф. Сельми в нач. 19 в. рассматривали характерные свойства золей ("псевдорастворов"). В 1777 Ф. Фонтана и К. Шееле открыли адсорбцию газов, в 1785 Т. Е. Ловиц — адсорбцию из растворов, в 1809 Ф. Рейсе — электроосмос и электрофорез. Т. Юнг и П. Лаплас (нач. 19 в.) разработали мех. теорию капиллярности. Термодинамич. теория поверхностных явлений, капиллярности и зарождения новых фаз развита в 1878 Дж. Гиббсом. И. Ленгмюром (1909–17) были установлены осн. закономерности адсорбц. явлений и изучены свойства мономол. слоев ПАВ. Создание Дж. Рэлеем теории рассеяния света способствовало количеств, изучению оптич. 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-кинетич. представлений.

В СССР создан ряд ведущих школ, имеющих мировое значение: А. В. Думанского (лиофильные коллоиды), Н.П. Пескова (устойчивость дисперсных систем), П. А. Ребиндера (ПАВ, физ.-хим. механика), Б. В. Дерягина (поверхностные силы), И.И. Жукова (электроповсрхностные явления).

К.х. разрабатывает научные основы многочисл. технол. процессов, включающих ДС: технологии разнообразных дисперсных материалов, в т. ч. совр. композиционных и строит. материалов, силикатов (особенно керамики и стекол), дисперсных пористых структур (катализаторов и сорбентов), пластмасс, резины, прир. и синтетич. волокон, клеев, лакокрасочных материалов; технологии мех. обработки твердых тел (в т. ч. бурения горных пород), извлечения нефти из пласта с послед. ее деэмульгированием, флотации руд, мембранных процессов разделения (см. также мембраны разделительные), процессов водоподготовки. Среди многочисл. примеров практич. приложений достижений К. х. — разработка и применение ПАВ: флотореагентов, смачивателей, стабилизаторов пен и эмульсий, пеногасителей и деэмульгаторов, пластификаторов высококонцентрир. ДС, компонентов смазок и смазочно-охлаждающих жидкостей, мембран, моющих средств (см. также моющее действие).

Коллоидно-хим. свойства почв в значит. степени определяют их плодородие; методы К. х. используются для создания оптим. структуры почв, борьбы с их засолением и эрозией при внесении удобрений и применении пестицидов.

С развитием К.х. связаны новые направления во мн. областях естествознания и техники, создание новых материалов, совр. методов их переработки и практич. использования.

^{Лит.: Воюцкий С. С, Курс коллоидной химии, 2 изд., М., 1975; Ребиндер П. А., Избранные труды, т. 1–2, М., 1978–79; Адамсон А., Физическая химия поверхностей, пер. с англ., М., 1979; Моррисон С., Химическая физика поверхности твердого тела, пер. с англ., М., 1980; Щукин Е. Д., Перцов А. В., Амелина Е.А., Коллоидная химия, М., 1982; Фридрихсберг Д. А.. Курс коллоидной химии, 2 изд., Л., 1984; Дерягин Б. В., Чураев Н. В., Муллер В. М., Поверхностные силы, М., 1985; Зимой А. Д., Мир частиц. Коллоидная химия для всех, М., 1988; Петрянов-Соколов И. В., Коллоидная химия и научно-технич. прогресс, М., 1988; Фролов Ю. Г., Курс коллоидной химии, 2 изд., М., 1989; Surface and colloid science, ed. by E. Matijevic, v. 1–14, N.Y., 1969–87.}

_{А. В. Перцов, Д. А. Фридрихсберг}