Коллоидтық химияның дамуына қысқаша тарихи шолу

Коллоидтық химия алғ ашқ ы кезде физикалық химияның бір тарауы ғ ана болатын. Ол физикалық химия сияқ ты физика мен химияның аралық облысын зерттейді. ХХ-ғ асырдың бастапқ ы кезіне дейін коллоидтық химия негізінен алғ анда тек жоғ арғ ы дисперстік жү йелер қ асиеттері мен коллоидтық ерітінділерді даярлау тә сілдерін зерттеді. Бертін келе коллоидтық жү йелер мен коллоидты – химиялық ү дерістердің зор мә ніне байланысты, оның ү стіне теория мен практикалық мә ліметтердің кө беюіне байланысты коллоидтық химия жеке ғ ылыми пә н болып қ алыптасты. Қ азіргі кезде коллоидтық химияның ө зіне тә н зерттеу ә дістерінің тек химия ү шін емес басқ а да биология, геология, медицина, топырақ зерттеу т.б. ғ ылымдар ү шін маң ызы зор. Атап айтқ анда олар: ультрамикроскоптық, электрондық микроскоптық, ультрацентрифугалық, электрофорездік, нефелометрлік, вискозиметрлік, осмометрлік жә не т.б. ә дістер.

Қ азіргі кезде коллоидтық жү йелер мен коллоидты-химиялық ү дерістердің жә не олардың зерттеу тә сілдерінің қ олданбайтын халық шаруашылығ ының салаларын атап айту қ иынғ а соғ ады. Міне, осы айтқ анның бә рі коллоидтық химияның жеке ғ ылым болуына ә серін тигізді.

Коллоидтық химия нені зерттейтінін ақ иқ ат білу ү шін алдымен оның дамуына қ ысқ аша шолу жасап, сосын «Коллоид» дегеніміз не? «Колоидтық жү йе» дегеніміз не? деген сұ рақ тарғ а жауап беруге тура келеді.

Адам баласы коллоидтық жү йелермен ө те ерте кезден-ақ таныс болып, олардың ө з керегіне қ олдана бастағ ан. Ертеде Қ ытай, Ү нді, Мысыр, Грек, Рим халық тары тамақ даярлау, тері илеу, мата бояу, т.б. ү шін коллоидтық қ ұ былыстарды қ олданғ ан болатын. 1852 жылы М.В. Ломоносов коллоидтық ерітінділерді зерттей отырып, сол кездің ө зінде-ақ жаң а ө ндірістің негізін салды. Ол-тү сті шыны ө ндірісі еді. Бұ л ү шін М.В. Ломоносов алтынның коллоидтық ерітіндісін (алтынның зольін) қ олданғ ан болатын.

Ең бірінші ерітінділердің қ атты дененің бетіндегі – адсорбенттердегі адсорбциясын 1792 жылы орыс химигі Ловиц зерттеген болатын. Ол қ атты адсорбент – кө мір арқ ылы ерітінділерді тазартты.

1808 жылы Мә скеу университетінің профессоры Рейсс коллоидтық ерітінділердің электрлік қ асиеттерін байқ ап, электрофорез, электросмос қ ұ былыстарын ашты. Ол бұ л қ ұ былыстарды топырақ жү згіндерін (суспензияларын) тексеру арқ ылы ашты.

1845 жылдан бастап италян ғ алымы Франциско Сельми коллоидтық жү йелерді зерттей бастады. Ол хлорды кү міс, кү кірт, берлиндік лазурьдің судағ ы ерітінділерінен тұ ратын жү йелерді зерттеді. Бұ л заттардың суда ерімейтіні белгілі бола тұ рса да, Сельми алғ ан жү йелер сырт жағ ынан қ арағ анда мө лдір кә дімгі (шын) ерітінділерге ұ қ сас болды. Сельми осы заттардың судағ ы NaCl, CuSO₄ cияқ ты тұ здардың ерігендегі мө лшеріндей ұ сақ бө лшектер сияқ ты емес екенін атап кө рсетті. Бұ ндай ерітінділерді кә дімгі ерітінділерден айыру ү шін Сельми оларды псевдо (жалғ ан) ерітінділер деп атады.

Швед ғ алымы И.Я. Берцелиус 1824-1934 жылдардағ ы ең бектерінде жуу кезінде сү згіден ө тіп кететін біраз тұ нбалардың қ асиеттерін жазғ ан болатын. Мысалы, кремний жә не ванадий қ ышқ ылдарының тұ нбалары, кү кіртті темір, хлорлы кү міс, берлиндік лазурь жә не т.б. оларды сумен жуғ анда қ айтадан ерітіндіге айналатынын жә не олардың қ асиеттері кә дімгі ерітіндіден ө згеше болатынын кө рсетті. Бұ л ерітінділердің қ асиеттері жү згіндер (суспензиялар) мен майғ ындар (эмульсиялардың) қ асиеттеріне жақ ын екенін кө рсетеді.

Аналитикалық химиядағ ы сү згіден ө ткен тұ нбаларды таза сумен емес, оларғ а сә йкес электролиттің ерітіндісімен жуу туралы ережені Берцелиус айтқ ан болатын. Осы қ арастырып отырғ ан ерітінділер – қ азіргі тү сінік бойынша коллоидтық жү йелер. Псевдоерітінділердің ө зіне тә н мынандай қ асиеттері болды. Олар сә улені ө те кү шті шашыратады, осы заттарғ а ә сер етпейтін тұ здарды ерітіндігі ө те аз мө лшерде қ оссақ та олар тұ нбағ а тү седі.

Ф.Сельмидің тү сінігіндей тү сінік К. Нэгелиде де болды. Ол хлорлы кү міс, кү кірт бө лшектері т.б. заттардың жоғ арғ ыда айтқ андай жү йелерде олардың кә дімгі молекулаларғ а қ арағ анда ү лкенірек агрегат кү йінде болатынын айтты. Осы сияқ ты кө п молекулалы агрегаттарғ а К. Нэгели «мицелла» деген ат берді. Ал кірне мицелла болатын жү йені «золь» (кірне) деп атады. Осы атаулар коллоидтық химияда қ азіргі кезде де қ олданылады.

1857 жылы М.Фарадей қ ұ рамында алтыны бар су кө лемінде бө лінген жү йелердің (ондай жү йелер бұ рынырақ алхимиктерге белгілі болатын) оптикалық қ асиеттерін тексеріп, алтын осы жү йелерде ө те кішкентай бө лшек кү йінде болады деген қ орытындығ а келді.

1861 жылы ағ ылшын ғ алымы Т. Грэм жасағ ан зерттеулер коллоидтық химияның дамуында ү лкен роль атқ арды. Ол барлық заттарды диффузия жылдамдығ ы бойынша екі класқ а бө лді: жақ сы диффузияаланатын заттар (кристаллоидтар) жә не нашар диффузияланатын заттар (коллоидтар). 1 – ші топқ а ә ртү рлі электролиттер жатса, II – ші топқ а Грэм крахмал, белок, агар-агар т.б. физикалық жағ ынан желімге ұ қ сас затарды жатқ ызды.

«Колла»- латынша желім деген сө з. Мысалы ол электролиттер мен аталғ ан заттаарды салыстыра отырып, мынаны байқ айды. Тұ з қ ышқ ылы жұ мыртқ а (тұ қ ым) белогіне қ арағ анда 50 рет, крахмалғ а қ арағ анда 100 рет артық диффузияланады. Грэм коллоидтарды кристалдардан бө летін «диализ» деген тә сіл жасады. Ол ү шін Грэм табиғ и, иә жасанды материалдар алынғ ан кристалдарды ө з бойынан ө ткізіп жіберетін, ал коллоидтарды ұ стап қ алатын қ асиеттері бар пленкалар (қ абыршық тар) қ олданды.

Заттарды екі топқ а бө ле отырып, Грэм кристалды заттар золь тү збейді деген ұ ғ ымда болды. Бұ ғ ан қ арама-қ арсы, Грэмнің замандасы Киевтің профессоры И.Б. Борщев 1869 жылы коллоидтық жү йелердің кристалдық қ ұ рылысы болуы да мү мкін деген жорамал айтты. Оның «Ө сімдік пен жануарлардың организмдерінің тү зілуіне қ атысатын коллоидтардың қ асиеттері мен қ ұ рылысы» деген классикалық ең бегін атап кө рсеткен жө н. Бұ л ең бегінде И.Б.Борщев коллоид туралы тү сінігін тұ жырымдады. Коллоидтық жү йені ол кө п фазалық (гетерогендік) жү йе деп атап кө рсетеді (бір фазалық шынайы негайы негзгі ерітіндіден айырмашылығ ы). ХХ – ғ асырдың бастапқ ы кезінде Борщевтің айтқ анын орыс ғ алымы Веймарн эксперимент бойынша дә лелдеді. Ол 200 – ден астам жә й жағ дайда кристалдық кү йде болатын заттарды коллоидтық кү йінде де алды. Сө йтіп, бір заттың жағ дайғ а байланысты кристалдық та жә не коллоидтық та қ асиет кө рсететіні дә лелденді. Мысалы, ас тұ зы суда шын ерітінді, бензолда-коллоидтық ерітінді тү зсе, шайыр спиртте ерігенде шын ерітінді, ол суда коллоидтық ерітінді тү зеді. Міне осы айтылғ ан жұ мыстар жалпығ а бірдей қ абылданып, Грэмнің тү сініктерінің дұ рыс емес екені ақ иқ атталды. Сонымен коллоидтық зат емес, заттың коллоидтық кү йі деп айтуымыз дұ рыс болады.

1871 жылы ө зінің «Основы химии» («Химия негіздері») деген ең бегінде Д.В. Менделеев Грэмнің жұ мыстарына ү лкен мә н берді.

Заттың коллоидтық кү йі (коллоидтық жү йе) – заттың бө лшектері жеке молекула емес, молекулалардың біріккен тү рі – агрегаттардан тұ ратындығ ын, кө птеген ізденістердің нә тижесінде дә лелденді. Осыны біле отырып, заттың коллоидтық кү йінің (коллоидтық жү йенің) жә й ерітінділерден ерекшелігін тү сіндіруге болады.

Коллоидтық бө лшек бірнеше молекулалардан тұ ратын болғ андық тан оларғ а фазалардың термодинамикалық қ асиеттерін қ олдануғ а болады, ал осы коллоидтық бө лшектерді диспергілеп (ұ нтақ тап, ұ сақ тап) тұ рғ ан орта басқ а фаза тү зеді. Осыдан кез келген коллоидтық ерітінді – гетерогендік жү йе, яғ ни кө п фазалық, ең қ арпайым кү йінде – қ ос фазалық жү йе. Бұ л-олардың бір фазалы болып келетін шын ерітінділерден айырмашылығ ының бірі. Коллоидтық ерітінді гетерогендік жү йе болғ андық тан оның тү зілуі ү шін бір фазадағ ы заттың екінші фазадағ ы затта ерімеуі керек, иә ө те нашар еруі керек. Тек осы жағ дайда ғ ана заттар арасында шектелген бө лінген бет пайда болады. Осығ ан байланысты коллоидтық ерітінді ең кемі екі, иә кө п қ ұ рамдасты жү йе болады. Осы жоғ арғ ы айтылғ андардан коллоидтық жү йе деп бір дененің (дисперстік фаза) басқ а бір денеде (дисперсиялық дисперстеуші ортада) диспергіленген (ұ нтақ талғ ан, ұ сақ талғ ан, майдаланғ ан, шашырағ ан) кү йін айтамыз.

Осығ ан байланысты коллоидтық химияны гетерогендік жоғ арғ ы дисперстік жү йелердің қ асиеттері мен онда жү ретін ү дерістерді зерттейтін ғ ылым деп айтуғ а болады. Біз ө ткен ғ асырдағ ы жиналғ ан фактілерге сү йене отырып, коллоидтық химияғ а осындай анық тама беріп отырмыз. Алайда ХХ – ғ асырдың басынан бастап коллоидтық химия теориялық жағ ынан одан ә рі дамыды. Мысалы, Смолуховский (1906 ж) жә не Эйнштейн (1908 ж) броундық қ озғ алыс пен коллоидтық жү йедегі диффузияның теориясын жасады, Перрен, Сведберг, Ильин, айталғ ан теорияны эксперимент арқ ылы растап берді.

ХІХ – ғ асырдың аяғ ы мен ХХ – ғ асырдың басында химиктерді ойландырғ ан мә селелердің бірі – ерітінділердің табиғ аты еді. Ә рине мұ нда коллоидтық ерітінділер туралы да сө з болып отыр. Ол кезде коллоидтық ерітінділердің табиғ аты туралы, оның кә дімгі ерітінділерден принциптік айырмашылығ ы бола ма деген мә селелер маң ында ұ зақ пікірталастар болды. Бұ ғ ан жауап ретінде негізгі екі бағ ыт пайда болды. Бірі – суспензиялық (жү згіндік) оны Барус, Шнайдер т.б. қ олдаса, екіншісі – ерітінділік теория (Линдер, Пиксон жә не т.б.). Екінші бағ ытты қ олдағ ан Зигмонди ө зінің кө зқ арасын ө зі кейінірек теріске шығ арды.

1903 ж Ф. Зигмонди, Г. Зидентопфпен бірігіп ультрамикроскоп деген қ ұ рал жасады, ол коллоидтық химияның жылдам дамуына ә серін тигізді.

Коллоидтық химияның дамуында ү лкен кө п роль атқ аратын физика мен физикалық химияның ХІХ – ғ асырдың аяғ ы мен ХХ – басында орындалғ ан кө птеген фундаменталдық (іргелі) зерттеулерді айта кеткен жө н. Олар: П. Лапластың (1805 ж.) капиллярлық теориясы (В. Гиббстің 1887 ж. фазалар ережесі, беттік қ ұ былыстың теориясы), Ж. Рэлейдің 1871 ж., Шульце (1882 ж) мен Гардидің 1900 ж. коллоидтардың коагуляциясы, И. Лэнгмюрдің (1917 ж. адсорбция теориясы мен мономолекулалық беттік қ абаттың қ ұ рылысы), А.В. Думанскийдің (1903 ж. коллоидтық ерітінділердің электрө ткізгіштігі, 1918 ж. центруфуганы коллоидтық бө лшектердің шамасын, мө лшерін анық тау ү шін қ олдануы), М.С. Цветтің (1903 ж. хромотография ашуы, Л.Г. Гурвичтің (1912-1917 ж. беттік қ ұ былыстарды тексеруі), Антонов (1907 ж. ерітінділердің беттік керілуі) пен Шишковскийдің (1908 ж.) жә не т.б. ғ алымдардың ең бектері. Бұ л зертеулермен коллоидтық химияның толық курсын оқ у арқ ылы таныса жатамыз. Бұ рын Одақ кө лемінде коллоидтық химия Ұ лы Қ азан революциясынан кейін одан ә рі кең ө ріс алып дами бастады. Бір қ атар ғ ылыми-зерттеу институттардың ашылуы кең ес ғ алымдарының творчестволық ең бектерінің жемісті болуына мү мкіншілік берді.

Н.П. Песков (1917 ж.) коллоидтық жү йенің агрегативтік жә не седиментациялық тұ рақ тылығ ы жө ніндегі ілімнің негізін салды.

Коллоидтық жү йелердің тұ рақ тылығ ы мен коагуляциясын зерттеуде Фрейндлих, Кройт, Рабинович, Дерягин т.б. ғ алымдардың ең бектерінің ү лкен маң ызы бар. Ребиндер жә не оның шә керттерінің адсорбциялық қ абаттың коллоидтық жү йелердің қ асиетіне ә серін жә не олардың қ ұ рылымдық -механикалық қ асиеттерін зерттеулері коллоидтық химияның дамуында ү лкен орын алды. Осы зерттеулердің нә тижесінде коллоидтық жү йелердің қ асиеттерін мең геретін ә діс ашылды. Олар Кең ес Одағ ының ө неркә сібінің кө птеген салаларында қ олдана бастады.

Қ ызық ты бір жә йт-коллоидтық химияның дамуында коллоидтық емес жү йелерді зерттеу де ү лкен орын алды.

Жоғ арғ ы молекулалық қ осылыстарды басқ аша, айтқ анда полимерлер деп аталатын класты біз білеміз. Оларғ а белок, каучук, целлюлоза т.б. жасанды заттар жатады. Осы заттардың ерітінділерін зерттеудің арқ асында олардың шын ерітінді екені дә лелденді. Сонысына қ арамастан олар коллоидтық жү йелердің қ асиеттеріндей қ асиет кө рсетіні байқ алды.

Сондық тан жоғ арғ ы молекулалы қ осылыстардың ерітінділері гомогендік жү йе бола тұ ра коллоидтық химия курсында қ арастырылады. Осығ ан байланысты коллоидтық химияғ а мынандай анық тама беруге болады.

Беттік қ ұ былыстарғ а сү йене отырып жоғ ары дисперстік гетерогендік жү йелер мен жоғ ары молекулалық қ осылыстардың жә не олардың ерітінділердің физикалық -химиялық қ асиеттерін зерттейтін химиялық пә нді колоидтық химия дейміз.

Коллоидтық жү йелер мен жоғ арғ ы молекулалы ерітінділердің қ асиеттерін зерттеуде Н.П. Песков, И.И. Жуков, А.В. Думанский, В.А. Каргин, Б.В. Дерягин, Б.А. Догадкин, С.С. Воюцкий, А.И. Рабинович т.б. ғ алымдардың ең бектерінің маң ызы зор. Коллоидтық химияның жалпы курсын оқ у арқ ылы, келесі тарауларда жоғ арғ ы да айтылғ ан зерттеулермен толығ ырақ танысамыз.