ИСТОРИЯ. Предмет коллоидной химии

КУРС ЛЕКЦИЙ ПО КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

Лекция 1

Предмет коллоидной химии. Дисперсные системы.

Классификация дисперсных систем.

Поверхностная энергия, поверхноcтное натяжение. Правило Ребиндера.

Поверхностная активность. ПАВ и ПИВ.

" Вопросы коллоидной химии

должно считать передовыми и могущими иметь

значение во всей физике и химии."

Д.И.Менделеев.

" Основы химии". 1871 г.

ИСТОРИЯ

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 концепцииуниверсальности 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 равновесия";

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.

Профессор Б.Д. Сумм

* 1. Коллоидная химия возникла более 100 лет назад как наука об особых, аномальных с точки зрения физической химии коллоидных растворах. В начале 60 -х г. прошлого века, английский ученый Грэм, работая с растворами, заметил, что некоторые вещества в растворах диффундируют очень медленно. К ним он отнес гидраты окисей алюминия, железа, цинка и других металлов, некоторые органические вещества - крахмал, белки, гуммиарабик. Сравнивая эти вещества с электролитами, он отметил, что соляная кислота, например, диффундирует в 50 раз быстрее яичного белка и в 100 раз быстрее крахмала. Растворы медленно диффундирующих веществ таких, как крахмал, гуммиарабик, декстрины, по своему характеру напоминали клей, поэтому Грэм дал им название " коллоид", от греческого colla - клей, остальные вещества, образующие ионные и молекулярные растворы, он назвал кристаллоидами. Однако Грэм дал неправильное объяснение коллоидного состояния, ошибочно считая, что только некоторые вещества образуют коллоидные растворы.

* В 1869 году профессор Киевского университета Борщов четко сформулировал понятие " коллоид". Он определил его как систему многофазную, т.е. гетерогенную, в отличие от истинных растворов как систем однофазных - гомогенных. Борщов считал, что вещества могут существовать как в кристаллическом, так и в коллоидном состоянии, и переходить из одного состояния в другое. Позже это экспериментально доказал русский ученый Веймари. Он четко показал, что одни и те же вещества могут образовывать коллоидные и обычные растворы, приготовив 200 коллоидных растворов из веществ, которые в обычных условиях являются кристаллическими. Так, например, он показал, что такие типичные, по Грэму, кристаллоиды, как поваренная соль и хлористый кальций, могут быть получены в коллоидном состоянии в органических растворителях.

В настоящее время название " коллоиды" сохранилось скорее по традиции, и современная коллоидная химия под этим термином подразумевает такое состояние вещества, когда мельчайшие его частицы равномерно распределены или диспергированы в другой фазе, т.е. находятся в дисперсном состоянии, в целом же диспергированное вещество и среда, в котором оно существует, представляют собой дисперсную систему.

Итак,