Коллоидная химия

КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ, изучает строение и характерные свойства дисперсных систем, протекающие в таких системах физико-химические процессы, а также закономерности поверхностных явлений. В дисперсных системах хотя бы одна из фаз находится в виде частиц малого размера (дисперсная фаза), распределённых в непрерывной (дисперсионной) среде, и площадь поверхности раздела между дисперсной фазой и дисперсионной средой, приходящаяся на единицу массы дисперсной фазы, очень велика. С наличием сильно развитой поверхности раздела связана определяющая роль поверхностных явлений и действующих вблизи границ раздела фаз поверхностных сил в формировании структуры и особых свойств дисперсных систем. Кроме дисперсных систем, объектами изучения коллоидной химии служат тонкие плёнки, реже нити. Исторически сложившееся название «коллоидная химия», равнозначное современному термину «физикохимия дисперсных систем и поверхностных явлений», произошло от словосочетания «коллоидные системы» (или «коллоиды», от греческого κόλλα - гумми, камедь, клей), которое в современной терминологии является синонимом понятия «тонкодисперсные системы» (т. е. системы с размерами частиц от 1 нм до 1000 нм). Универсальность дисперсного состояния и чрезвычайное многообразие дисперсных систем обусловливают междисциплинарное положение коллоидной химии и её тесную связь с химией, физикой, биологией, медициной, метеорологией, почвоведением, геологией, другими областями естествознания.

Наиболее важной задачей коллоидной химии является разработка теоретических основ управления процессами образования, разрушения, устойчивости дисперсных систем, получения дисперсных систем с заданными структурой и свойствами. Управление коллоидно-химическими процессами для дисперсных систем различной природы - золей, гелей, суспензий, пен, эмульсий, аэрозолей и др. - осуществляется регулированием межмолекулярных взаимодействий на границах раздела фаз главным образом путём использования низко и высокомолекулярных поверхностно активных веществ (ПАВ) и электролитов.

Историческая справка. Термин «коллоиды» введён в 1861 Т. Грэмом, назвавшим так клееподобные вещества, не кристаллизующиеся и медленно диффундирующие через мембрану; им же сформулированы основные положения коллоидной химии. Однако ещё на начальных этапах развития химических знаний в работах алхимиков и фармацевтов описаны характерные для коллоидных систем процессы - коагуляция, студнеобразование, денатурация белка и пр. Среди ранних (конец 18 – середина 19 веков) исследований в области коллоидной химии можно выделить работы Й. Берцелиуса по получению псевдорастворов (золей), итальянского химика Ф. Сельми, установившего неустойчивость таких псевдорастворов (коагуляцию при добавлении электролитов), итальянского естествоиспытателя Ф. Фонтаны, К. Шееле и Т. Е. Ловица по адсорбции, открытие российским химиком Ф. Ф. Рейссом электрокинетических явлений - электроосмоса и электрофореза, исследования М. Фарадея, разработавшего методы стабилизации коллоидных растворов золота. На основе накопленных к началу 20 века экспериментальных данных по изучению полученных к этому периоду многочисленных коллоидных систем российский химик П. П. Веймарн выдвинул (1904-16) принцип универсальности коллоидного (дисперсного) состояния вещества.

Основы теории поверхностных явлений были заложены работами Т. Юнга (закон постоянства угла смачивания, 1804), П. Лапласа (закон капиллярного давления, 1806), Дж. Гиббса (термодинамическая теория явлений адсорбции и образования новой фазы, 1878), Г. Липмана (зависимость поверхностного натяжения от электрического потенциала, 1875), бельгийского физика Ж. Плато (принцип минимума площади поверхности, 1843).

В начале 20 века важные достижения в области коллоидной химии связаны с разработкой А. Эйнштейном и М. Смолуховским молекулярно-кинетической теории (1905-06). Основы этой теории были подтверждены экспериментально работами Р. Зигмонди (Нобелевская премия, 1925), Т. Сведберга (Нобелевская премия, 1926) и Ж. Перрена (Нобелевская премия, 1926) по исследованию броуновского движения частиц, И. Ленгмюра (Нобелевская премия, 1932) по описанию закономерностей адсорбции и свойств мономолекулярных слоёв ПАВ. В 1920-50-х годах активно развивается учение о роли ПАВ в образовании и устойчивости дисперсных систем (П. А. Ребиндер), создаются теория устойчивости дисперсных систем (Б. В. Дерягин совместно с Л. Д. Ландау, независимо от них Э. Фервей и Я. Т. Овербек), теория электрокинетических явлений (И. И. Жуков).

Во 2-й половине 20 века наибольший успех достигнут в изучении и разработке научных основ таких разделов коллоидной химии, как теория поверхностных явлений и поверхностных сил, самоорганизующиеся системы - адсорбционные слои, плёнки с высокой степенью упорядоченности (смотри Ленгмюра - Блоджетт плёнки), процессы переноса в дисперсных системах (электрокинетические явления, термо и диффузиофорез и др.), устойчивость и физико-химическая гидродинамика пен, эмульсий и тонких плёнок, методы математического моделирования в приложении к анализу коллоидно-химических систем и процессов.

В существенной степени развитие коллоидной химии обусловлено разработкой специфических методов исследования. Ещё до выделения коллоидной химии в самостоятельную область знания совершенствовались методы синтеза коллоидных систем, а также изучение электрокинетических явлений в этих системах. В 20 веке развитие получили оптический, ультрамикроскопический и другие методы дисперсионного анализа, исследования поверхностного натяжения на границах раздела фаз различной природы, свойств адсорбционных слоёв (в том числе с помощью весов Ленгмюра), процессов смачивания и растекания, рентгено-, электроно и нейтронографические методы изучения структуры дисперсных частиц и тонких плёнок, методы изучения поверхностных сил и др. Применение различных видов электронной микроскопии и в особенности атомно-силовой и туннельной микроскопии позволило перейти от исследования дисперсных систем как целого к изучению отдельных частиц дисперсной фазы и способствовало выделению смежной с коллоидной химией дисциплины - нанохимии.

Структура науки. В современной коллоидной химии можно выделить ряд основных разделов.

1. Поверхностные явления (в том числе капиллярные явления) на границах раздела фаз различной природы, включая изучение поверхностных сил, термодинамики и кинетических закономерностей адсорбции, адгезии и смачивания, строения и свойств мономолекулярных слоёв ПАВ, механизмов действия ПАВ. Этот раздел коллоидной химии наиболее тесно связан с такими смежными дисциплинами, как молекулярная и теоретическая физика, электрохимия (изучение электрокапиллярных явлений), физическая химия.

2. Химия поверхности твёрдых тел, ионный обмен и хроматография (совместно с химией поверхности - изучение особенностей микроструктуры, кристаллической и электронной структуры приповерхностных слоёв твёрдого тела, совместно с электрохимией - строения двойного электрического слоя и его изменения при варьировании состава дисперсионной среды, энергетических характеристик при адсорбции компонентов среды).

3. Процессы переноса в дисперсных системах, включая электрокинетические явления (электрофорез, электроосмос, токи и потенциалы течения и седиментации), мембранные явления (осмос, обратный осмос, возникновение мембранного потенциала), процессы стационарной и нестационарной фильтрации, диффузионного переноса частиц дисперсной фазы, их оседание в поле силы тяжести (седиментация). Методической основой рассмотрения процессов переноса в дисперсных системах является термодинамика неравновесных процессов.

4. Лиофильные коллоидные системы (самоорганизующиеся термодинамически равновесные супрамолекулярные системы), в том числе изучение условий возникновения и строения мицеллярных систем и микроэмульсий, особенностей протекания в них химических процессов (совместно с супрамолекулярной химией).

5. Термодинамика и кинетика образования и разрушения дисперсных систем, разработка методов получения систем с заданными размерами и формой частиц дисперсной фазы, включая нанодисперсные коллоидные системы. Развитие теории устойчивости лиофобных дисперсных систем связано с изучением роли факторов устойчивости с целью разработки способов управления процессами коагуляции, коалесценции и оствальдова созревания (диффузионного переноса вещества от малых частиц к более крупным).

6. Термодинамика и физико-химическая гидродинамика образования и разрушения тонких плёнок (изучение сил, действующих в подобных нанообъектах, - составляющих расклинивающего давления, кинетики утончения плёнок, возможности образования метастабильных состояний - обычных и ньютоновских чёрных плёнок).

7. Изучение особых оптических, электронных и магнитных свойств частиц малых размеров (наночастиц) и низкоразмерных поверхностных структур и создание на этой основе новых устройств и материалов (нанотехнология).

8. Физико-химическая механика твёрдых тел и дисперсных систем, в том числе разработка физико-химических основ оптимальных методов получения твёрдых тел и материалов с заданной структурой и механическими свойствами, методов формирования и механической обработки, оптимизации условий эксплуатации с учётом влияния среды на прочность и долговечность (смотри Ребиндера эффект). Исследования процессов структурообразования в дисперсных системах, реологии дисперсных систем, золь-гель переходов, тиксотропии, влияния внутренних напряжений на эксплуатационные характеристики изделий неразрывно связаны с задачами таких смежных научных дисциплин, как физика твёрдого тела, материаловедение, механика.

Перспективы развития коллоидной химии в значительной мере связаны с решением проблем, возникающих на стыке коллоидной химии с биологией, материаловедением, науками о Земле и других небесных телах и объектах, с другими областями естествознания. Задачами коллоидно-химических исследований в этих направлениях являются, с одной стороны, разработка теоретических основ для анализа условий и закономерностей протекания процессов, происходящих в рассматриваемых смежными научными дисциплинами системах, а с другой - воспроизведение этих процессов для оптимизации различных технологий.

Важное практическое значение коллоидной химии определяется её вкладом в совершенствование различных прикладных наук и технологий: золь-гель процессов (например, синтеза адсорбентов и катализаторов), процессов флотации, природоохранных технологий (в том числе связанных с очисткой воды и воздуха), в создание фармацевтических и косметических препаратов, моющих и чистящих средств, смазочных материалов, и многих др.

Лит.: Lyklema J. Fundamentals of interface and colloid science. Amst., 1991-2005. Vol. 1-5; Русанов А. И. Мицеллообразование в растворах поверхностно-активных веществ. СПб., 1992; Фридрихсберг Д. А. Курс коллоидной химии. 3-е изд. СПб., 1995; Фролов Ю. Г. Курс коллоидной химии. 3-е изд. М., 2004; Encyclopedia of surface and colloid science / Ed. by Р. Somasundaran. N. Y.; L., 2006. Vol. 1-8; Сумм Б. Д. Основы коллоидной химии. 2-е изд. М., 2007; Щукин Е. Д., Перцов А. В., Амелина Е. А. Коллоидная химия. 5-е изд. М., 2007; Поверхностно-активные вещества и полимеры в водных растворах. М., 2007.