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 пов-сть 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 св-ва дисперсной системы. Цель исследований в К. х.- развитие научных основ управления образованием, св-вами 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 пов-сти частиц дисперсной фазы. Объектами исследований в К. х. являются разнообразные ДС и пов-сти 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 Сказочно-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
, св-в адсорбц. слоев, закономерностей и механизмов действия ПАВ на разл. межфазных пов-стях. Молекулярно-статистич. рассмотрение поверхностных явлений (включая использование методов молекулярной динамики
) ведется в контакте с соответствующими разделами мол. физики. Эксперим. исследование поверхностных явлений на легкоподвижных пов-стях жидкость - пар и жидкость - жидкость проводится преим. тензометрич. методами (изучение концентрац. зависимости поверхностного натяжения р-ров) или с помощью весов Лeнгмюра в сочетании с оптич., электрич. и реологич. методами (см. Мономолекулярный слои
).
2. Химия пов-сти твердых тел (см. подробнее Химия твердого тела
) - изучение особенностей кристаллич. и электронной структуры приповсрхностных слоев твердых тел и закономерностей адсорбции на ней в-в 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
), к-рые 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 ф-ций распределения частиц по размерам в свободнодисперсных системах. Сюда относятся исследования закономерностей броуновского движения, осмоса
, возникновения и релаксации флуктуации концентрации, хроматографич. явлений при течении р-ров и золей через пористые среды.
Методы гель-хроматографии, седиментации и центрифугирования
широко используются в научных исследованиях и хим. технологии; ультрацентрифугирование
один из наиб. распространенных методов определения молскулярно-массового распределения в р-рах полимеров.
5. Характерные оптич. св-ва ДС - прежде всего рассеяние света в них; основанные на изучении этих св-в методы нефелометрии и турбидиметрии
также позволяют определять размеры, а в нек-рых 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 в-ва 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. св-ва, механохим. эффекты и на этой основе разрабатывающая пути управления мех. св-вами материалов, облегчения их обработки, управления контактными явлениями при трении и износе. Облегчение деформирования, разрушения и измельчения твердых тел и материалов в присут. среды связано с проявлением эффекта Ребиндера - адсорбц. влияния среды на мех. св-ва в-ва. В основе изучения структурообразования
в дисперсных системах лежат реологич. исследования, в частности визкозиметрия, 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 нек-рых ее разделов в самостоят, научные дисциплины, а также использование ее методов и идей в смежных областях науки. Так, из К.х. выделилась физ. химия р-ров полимеров; в значит. мере самостоятельно развиваются наука о аэрозолях, химия пов-сти; нек-рые 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, к-рый ввел термин "коллоид" (от греч. kolla-клей) для обозначения в-в, 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 св-ва золей ("псевдорастворов"). В 1777 Ф. Фонтана и К. Шееле открыли адсорбцию газов, в 1785 Т. Е. Ловиц - адсорбцию из р-ров, 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 св-ва мономол. слоев ПАВ. Создание Дж. Рэлеем теории рассеяния света способствовало количеств, изучению оптич. св-в 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 водопад готовки. 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. св-ва 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. A.B. Перцов, Д. А. Фридрихсберг.
|
