Краткий исторический очерк
В истории развития коллоидной химии можно выделить три периода.
Первый период. Зарождение коллоидной химии (с древнейших времен до середины XIX в.).
Многие коллоидные системы были известны в глубокой древности – в Египте, Греции и Риме. У Аристотеля имеются указания на явления свертывания молока и крови, дубления кож и крашения тканей. Алхимикам (II-IV вв.) были известны коллоидные растворы золота и серебра. В древнерусской рецептурной литературе встречаются многочисленные указания на применение коллоидов – белков, желчи, различных клеев и красок. Самые первые ремесла имели прямое отношение к объектам коллоидной химии: получение керамики, глазури, выделывание кож.
В XVI–XVII вв. коллоидные растворы применялись как лечебные препараты.
М. В. Ломоносов широко использовал для окрашивания стекол коллоидные пигменты и основал новую отрасль русской промышленности – производство цветных стекол для мозаики. Он же впервые предложил характеризовать твердые материалы по их сопротивлению механическому диспергированию при шлифовании.
Первые исследования адсорбции были выполнены русским химиком Ловицем (1792), который применил для очистки растворов от примесей твердый адсорбент – древесный уголь. В 1777 г. Ф. Фонтана и К. Шееле открыли адсорбцию газов. Первые практические сведения о суспензиях содержатся в трудах Й. Я. Берцелиуса (1824–1834).
Итальянский ученый Ф. Сельми (1817–1881) обратил внимание на то, что некоторые растворы проявляют аномальные свойства: сильно рассеивают свет, не проявляют заметной диффузии, растворенное вещество в них не проходит через пористые мембраны и легко выпадает в осадок при добавлении небольших количеств индифферентных солей. Сельми назвал такие растворы псевдорастворами. В 1851 г. он описал золи берлинской лазури и серы. М.Фарадей (1857) исследовал коллоидные растворы золота и других металлов и разработал методы их получения.
Профессор Московского университета Рейсе (1809) открыл явления электрофореза и электроосмоса в суспензиях и глинах. Дж. Тиндаль (1868) изучал оптические свойства коллоидных растворов и открыл явление опалесценции.
Итак, к середине XIX в. был накоплен экспериментальный материал, послуживший основой для возникновения коллоидной химии как самостоятельной науки.
Второй период. Становление коллоидной химии как самостоятельной науки (1860–е гг. – конец XIX в.).
Основоположником коллоидной химии считают шотландского химика Т. Грэма. Он впервые (1861) ввел термины «коллоид», «золь», «гель», получил коллоидные растворы сульфида мышьяка, кремневой и вольфрамовой кислот, гидроксидов алюминия, железа, хрома. Грэм сконструировал диализатор для очистки коллоидных растворов. Обнаружив неспособность частиц коллоидных растворов, в отличие от обычных молекулярных растворов, проникать через пористые мембраны, он пришел к выводу о том, что все вещества делятся на коллоиды (не проходят через мембрану) и кристаллоиды.
Современник Грэма профессор Киевского университета И. Г. Борщов (1868), исследуя скорость диффузии в коллоидных растворах, установил ее зависимость от размеров коллоидных частиц и независимость от химической природы растворенного вещества. В отличие от представлений Грэма о коллоидах как об особом классе химических веществ, он пришел к выводу о микрокристаллическом состоянии коллоидных частиц.
Великий русский химик Д. И. Менделеев много внимания уделял коллоидным растворам и в «Основах химии» подробно описал свойства некоторых из них. Еще в 90–х г. прошлого столетия он показал, что все тела в природе могут находиться в коллоидном состоянии. Именно Д. И. Менделееву мы обязаны современным представлениям об универсальности коллоидного состояния вещества.
Впоследствии профессор Санкт–Петербургского горного института П.Веймарн (1904) показал, что одно и то же вещество может в одних условиях обладать свойствами кристаллоида, а в других – образовывать коллоидный раствор. Так, например, водный раствор поваренной соли является истинным раствором (NaCl – кристаллоид), а раствор NaCl в бензоле – коллоидный.
Подчеркивая важность коллоидных систем для развития науки, Д.И.Менделеев писал, что «вопросы коллоидной химии должно считать передовыми и могущими иметь большое значение во всей физике и химии».
На основе фундаментальных исследований, выполненных в конце XIX в., было установлено, что в коллоидных растворах частицы находятся в высокой степени раздробления. Появились понятия «дисперсная фаза», «дисперсионная среда», «степень дисперсности». Веймарн, Оствальд и другие ученые высказывали мысль, что свойства дисперсных систем определяются степенью дисперсности частиц. Третий период. Развитие современной коллоидной химии (XX в.).
Начало XX в. ознаменовалось развитием теоретических исследований объектов коллоидной химии.
М. С. Цвет (1903) в Варшаве открыл хроматографический метод анализа, основанный на адсорбционном разделении веществ в пористых адсорбентах. В дальнейшем учение об адсорбции развивалось в работах таких ученых, как Б. А. Шишковский (1908), И. Ленгмюр (1917), Г. Фрейндлих (1926), Н. А. Шилов (1915–1930). Н. Д. Зелинский во время Первой мировой войны создал угольный противогаз.
Работы П. А. Ребиндера (с 1923 г.) были посвящены проблемам влияния адсорбционных слоев на свойства коллоидных и грубодисперсных систем.
Теория двойного электрического слоя возникла благодаря работам Г. Гуи, Д. Чепмена, О. Штерна (1910–1924). Н. П. Песков положил начало учению о лиофильности и лиофобности золей и выяснил значение этих свойств в проблеме устойчивости. Н. П. Пескову принадлежит заслуга в формировании представлений о коллоидной химии как науке о поверхностных явлениях и дисперсных системах (1932).
А. Эйнштейн (1908) и М. Смолуховский (1906) разработали теорию броуновского движения и диффузии в коллоидных системах. Ж. Перрен (1909) и Т. Сведберг (1907) экспериментально подтвердили правильность этой теории, которая имела существенное значение для развития молекулярно–кинетических представлений.
Перечисленные теоретические вопросы будут нами рассмотрены при изложении различных разделов курса.
ЗНАЧЕНИЕ КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ
Коллоидная химия является научной основой многочисленных технологических процессов, включающих использование или образование дисперсных систем. Назовем некоторые из них.
1. Технологии производства современных композиционных и строительных материалов, силикатов (керамики, стекол и т. д.)
2. Получение дисперсных, пористых структур – катализаторов и сорбентов.
3. Производство пластмасс, резины, природных и синтетических волокон, клеев, лакокрасочных материалов.
4. Технологии производства продуктов питания.
5. Извлечение нефти из пласта с последующим деэмуль-
гированием.
6. Технологии флотации руд.
7. Мембранные процессы разделения и водоподготовки.
8. Разработка и применение поверхностно-активных веществ: флотореагентов, смачивателей, стабилизаторов пен и эмульсий, пеногасителей и деэмульгаторов, компонентов смазок и охлаждающих жидкостей, моющих средств.
Без преувеличения можно сказать, что коллоидная химия – химия реальных тел. Примерами материи в коллоидном состоянии являются типографская краска и бумага, большая часть одежды и обуви, продукты питания, почва, атмосфера Земли, строительные материалы и т. д. Более того, наше тело – пример материи в коллоидном состоянии. По словам И. И. Жукова, крупного российского химика, человек – это ходячий коллоид.
Вследствие большого разнообразия объектов, изучаемых коллоидной химией и решаемых ею задач, происходит обособление некоторых разделов в самостоятельные научные дисциплины, а также использование ее методов в смежных областях науки. Так из коллоидной химии выделилась физическая химия растворов полимеров, в значительной степени самостоятельно развиваются наука об аэрозолях, химия поверхности. С коллоидно–химическими проблемами связаны изучение биологических мембран, биохимия, биофизика и т. д
Закончив изучение главы 1, вы должны знать:
1. количественные характеристики дисперсных систем, формулы для их расчета;
2. классификацию дисперсных систем по дисперсности, агрегатному состоянию фаз, по взаимодействию дисперсной фазы и дисперсионной среды, по характеру межчастичного взаимодействия.
ГЛАВА 2
ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ