Коллоидные системы. 
Общая химия

Коллоидные системы широко распространены в природе и с момента появления человека играют важную роль в его жизни.

Изучая свойства смесей вода — хлорид серебра, вода — сера, вода — берлинская лазурь и др., итальянский ученый Ф. Сельми (1845) установил, что при определенных условиях они образуют гомогенные по внешнему виду системы, похожие на растворы. Однако эти системы, в отличие от водных растворов хлорида натрия, сульфата меди и других хорошо растворимых в воде веществ, самопроизвольно не образуются. Подобные системы Ф. Сельми предложил называть псевдорастворами.

Т. Грэм (1861), изучая подобные системы, установил, что одни вещества (гидроксид калия, сульфат калия, сульфат магния, сахароза и др.) обладают большой скоростью диффузии и способностью проходить через растительные и животные мембраны, тогда как другие (белки, декстрин, желатин, карамель и др.) характеризуются малой скоростью диффузии и отсутствием способности проходить через мембраны.

Первая группа веществ достаточно легко кристаллизуется, в то время как вторая после удаления растворителя образует клееподобные массы. Первую Т. Грэм назвал кристаллоидами, а вторую — коллоидами (от греч. «???» — клей, «???» — вид). Кристаллоиды образуют истинные растворы, тогда как коллоиды — золи (коллоидные растворы).

В 1899 г. русский ученый И. Г. Борщов высказал предположение, что многие вещества, способные образовывать коллоидные растворы, имеют кристаллическое строение, и поэтому следует говорить не об особых веществах-коллоидах, а о коллоидном состоянии.

В начале прошлого века профессор Санкт-Петербургского горного института ?. П. Веймарн экспериментально доказал, что подразделение на коллоиды и кристаллоиды весьма условно. Типичные кристаллоиды ЫаС1, ?? и др. могут образовывать коллоидные растворы в подходящих растворителях, например, коллоидный раствор ЫаС1 в бензоле.

Наконец, было доказано, что одно и то же вещество в одном и том же растворителе в зависимости от ряда условий может проявлять себя и как коллоид, и как кристаллоид. Такие вещества было предложено называть полуколлоидами. Коллоидные растворы (коллоидные системы) являются частным случаем дисперсных систем.

Дисперсной системой называют систему, состоящую из дисперсной фазы — совокупности раздробленных частиц и непрерывной дисперсионной среды, в которой во взвешенном состоянии находятся эти частицы.

Для характеристики раздробленности дисперсной фазы используют степень дисперсности 8, которая измеряется величиной, обратной среднему диаметру частиц с1

Растворы, рассмотренные выше, представляют собой системы, в которых растворенное вещество распадается на отдельные молекулы и ионы. Граница (поверхность раздела) между растворенным веществом и растворителем отсутствует, и раствор представляет собой однофазную систему, так как понятие поверхности неприменимо к отдельным атомам, молекулам и ионам. В жидкой среде могут находиться агрегаты веществ, состоящие из большого числа молекул и ионов. Частицы, имеющие диаметр порядка 1 мкм (10^-6 м), проявляют обычные свойства данного вещества. В случае твердого вещества эти частицы представляют собой кристаллы, а в случае жидкости — мелкие капли. Частицы такого размера содержат миллионы структурных единиц. При образовании в растворе в результате химических реакций они довольно быстро оседают на дно сосуда.

Особые свойства приобретают вещества в случае, если частицы имеют размер 10^-9—10^-7 м (1 — 100 нм). Системы, состоящие из частиц такого раз;

мера, называют коллоидно-дисперсными. Суммарная поверхность системы, состоящей из частиц такого размера, достигает необычайно большой величины. Например, 1 г вещества при размере частиц К)^-8 м будет иметь поверхность порядка нескольких сотен квадратных метров.

По степени дисперсности различают две группы систем: грубодисперсные и коллоидно-дисперсные.

Системы с размером частиц меньше чем 10^-9 м иногда неправильно называют ионно-молекулярными дисперсными системами. У этих систем отсутствует основной характерный признак дисперсных систем — гетерогенность. Поэтому такие системы являются гомогенными и называются истинными растворами.

В зависимости от агрегатного состояния дисперсной фазы и дисперсионной среды различают восемь видов коллоидных систем (табл. 23.2).

Необходимо отметить, что коллоидных систем, образованных газами, в обычных условиях не существует по той причине, что газы неограниченно смешиваются между собой.

Таблица 23.2

Классификация коллоидных систем по агрегатному состоянию фаз.

Способы получения и очистки коллоидных систем. Для получения коллоидных растворов необходимо: 1) достичь коллоидной степени дисперсности; 2) подобрать дисперсионную среду, в которой нерастворимо вещество дисперсной фазы; 3) подобрать третий компонент — стабилизатор, сообщающий коллоидной системе устойчивость.

Образовывать коллоидные растворы в воде могут металлы, малорастворимые в ней оксиды, гидроксиды, кислоты, соли. В качестве стабилизаторов используют вещества, препятствующие агрегации (объединению) коллоидных частиц в более крупные и выпадению их в осадок.

По способу достижения коллоидной степени дисперсности различают методы (рис. 23.22):

• — диспергационные (от лат. «сПэре^ге» — измельчать) — получение частиц дисперсной фазы путем дробления более крупных частиц;
• — конденсационные (от лат. — укрупнять) — получение частиц дисперсной фазы путем объединения атомов, молекул, ионов.

Рис. 23.22. Способы достижения коллоидной степени дисперсности.

Коллоидные растворы, полученные одним из рассмотренных методов, содержат примеси растворенных низкомолекулярных веществ и грубодисперсных частиц, наличие которых может отрицательно сказываться на свойствах золей, снижая их устойчивость. Для очистки коллоидных растворов от примесей используют фильтрацию, диализ, электродиализ и ультрафильтрацию.

Фильтрация основана на способности коллоидных частиц проходить через поры обычных фильтров. При этом более крупные частицы задерживаются. Фильтрацию используют для очистки коллоидных растворов от примесей грубодисперсных частиц.

Диализ — удаление с помощью мембран истинно растворенных низкомолекулярных соединений из коллоидных растворов. При этом используют свойство мембран пропускать молекулы и ионы обычных размеров. Все диализаторы построены по общему принципу: диализируемая жидкость находится во внутреннем сосуде, в котором она отделена от растворителя мембраной (рис. 23.23). Скорость диализа возрастает с увеличением поверхности мембраны, ее пористости и размера пор, с повышением температуры, интенсивности перемешивания, скорости смены внешней жидкости и с уменьшением толщины мембраны.

Для увеличения скорости диализа низкомолекулярных электролитов в диализаторе создают постоянное электрическое поле. Скорость диализа можно увеличить, если диализируемый раствор продавливать через мембрану (ультрафильтр). Такой способ очистки систем, содержащих частицы коллоидных размеров, от растворов низкомолекулярных веществ называют ультрафильтрацией.

Рис. 23.23. Диализатор:

• 1 — диализируемая жидкость: 2 — растворитель; 3 — диализная мембрана;
• 4 — мешалка