Коллоидные связи. Коллоидные растворы - новое слово в медицине

Частицы коллоидных размеров могут иметь различную внутреннюю струк-туру, что существенно сказывается как на методах получения коллоидных рас-творов, так и на их свойствах. Существуют следующие три типа внутренней структуры первичных частиц коллоидных размеров.

I тип - суспензоиды (или необратимые коллоиды, лиофобные коллоиды). Так называют коллоидные растворы металлов, их оксидов, гидроксидов, сульфидов и других солей. Первичные частицы дисперсной фазы коллоидных растворов этих веществ по своей внутренней структуре не отличаются от структуры соот-ветствующего компактного вещества и имеют молекулярную или ионную кри-сталлическую решетку. Суспензоиды - типичные гетерогенные высокодисперс-ные системы, свойства которых определяются очень сильно развитой межфаз-ной поверхностью. От суспензий они отличаются более высокой дисперсностью. Суспензоидами их назвали потому, что, как и суспензии, они не могут длитель-но существовать в отсутствие стабилизатора дисперсности. Необратимыми их называют потому, что осадки, остающиеся при выпаривании таких коллоидных растворов, не образуют вновь золя при контакте с дисперсионной средой. Лио-фобными (греч. «лиос» - жидкость, «фобио» - ненавижу) их назвали, пред-полагая, что особые свойства коллоидных растворов этого типа обусловлены очень слабым взаимодействием дисперсной фазы и дисперсионной среды. Кон-центрация лиофобных золей невелика, обычно меньше 0,1%. Вязкость таких золей незначительно отличается от вязкости дисперсионной среды.

II тип - ассоциативные, или мицеллярные, коллоиды. Их называют также полуколлоидами. Коллоиднодисперсные частицы этого типа возникают при достаточной концентрации дифильных молекул низкомолекулярных веществ путем их ассоциации в агрегаты молекул - мицеллы - сферической или пла-стинчатой формы (рис. 10.4)

Молекулярный, истинный раствор - Мицеллярный коллоидный раствор (золъ).

Мицеллы представляют собой скопления правильно расположенных молекул, удерживаемых преимущественно дисперсионными силами.

Образование мицелл характерно для водных растворов моющих веществ (на-пример, мыл - щелочных солей высших жирных кислот) и некоторых органиче-ских красителей с болыпими молекулами. B других средах, например в этиловом спирте, эти вещества растворяются с образованием молекулярных растворов.

III тип - молекулярные коллоиды. Их называют также обратимыми или лио-фильными (от греч. «филио» - люблю) коллоидами. K ним относятся природ-ные и синтетические высокомолекулярные вещества с молекулярной массой от десяти тысяч до нескольких миллионов. Молекулы этих веществ имеют размеры коллоидных частиц, поэтому такие молекулы называют макромолекулами.

Разбавленные растворы высокомолекулярных соединений - это истинные, гомогенные растворы, которые при предельном разведении подчиняются общим законам разбавленных растворов. Растворы высокомолекулярных соединений могут быть приготовлены также с высоким содержанием по массе - до деся-ти и более процентов. Однако молярная концентрация таких растворов мала из-за болыпой молекулярной массы растворенного вещества. Так, 10%-ный рас-твор вещества с молекулярной массой 100000 представляет собой лишь примерно 0,0011 M раствор

Растворение макромолекулярных коллоидов проходит через стадию набуха-ния, являющуюся характерной качественной особенностью веществ этого типа. При набухании молекулы растворителя проникают в твердый полимер и раз-двигают макромолекулы. Последние из-за своего болыпого размера медленно диффундируют в раствор, что внешне проявляется в увеличении объема поли-мера. Набухание может быть неограниченным, когда конечным его результатом является переход полимера в раствор, и ограниченным, если набухание не дохо-дит до растворения полимера. Ограниченно набухают обычно полимеры с осо-бой, «трехмерной» структурой, отличающейся тем, что атомы всего вещества соединены валентными связями. Химическая модификация полимеров путем «сшивания» их макромолекул с целью уменынения набухания полимера явля-ется важной стадией в производстве многих материалов (дубление сыромятной кожи, вулканизация каучука при превращении его в резину).

Термин «коллоиды», что означает «клееподобные» (от греч. «колла» - клей, «еидос» - вид), возник в 1861 Γ..; когда T. Грэм для разделения веществ применил диализ (рис. 10.5).

Метод диализа основан на неодинаковой спо-собности компонентов растворов κ диффузии че-рез тонкие пленки - мембраны (из целлофана, пергамента, нитроцеллюлозы, ацетилцеллюлозы). Этот метод широко применяют для очистки кол-лоидных растворов и растворов высокомолекулярных соединений. Вещества, не проникающие через мембраны при диализе, были названы кол-лоидами. Любое вещество при подходящих усло-виях может быть получено в коллоидном состоя-нии (П. П. Веймарн, 1906 г.).

B 30-40-х годах XX века была выяснена химиче-ская природа первичных частиц обратимых (лиофиль-ных) коллоидов, оказавшихся макромолекулами. B связи с зтим от коллоидной химии отделилась новая химическая дисциплина - физическая химия высо-комолекулярных соединений. Однако в силу истори-ческих причин, общности молекулярно-кинетических свойств лиофильных и лиофобных коллоидов, частого образования гетерогенных структур в молекулярных коллоидах, а также существования многочисленных ком-позиций из высокомолекулярных соединений и высокодисперсных систем.

Получение

Лиофобные золи, как вообще дисперсные системы, в соответствии с их про-межуточным положением между миром молекул и крупных тел, могут быть получены двумя путями: методами диспергирования, т. е. измельчения крупных тел, и методами конденсации молекулярно- или ионнорастворенных веществ. Измельчение путем дробления, помола, истирания дает сравнительно крупно-дисперсные порошки (< 60 мкм). Более тонкого измельчения достигают с помо-щью специальных аппаратов, получивших название коллоидных мельниц, или применяя ультразвук.

Метод конденсации состоит в получении нерастворимых соединений путем реакций обмена, гидролиза, восстановления, окисления. Проводя эти реакции в сильно разбавленных растворах и в присутствии небольшого избытка одного из компонентов, получают не осадки, а коллоидные растворы. K конденсационным методам относится также получение лиозолей путем замены растворителя. Ha-пример, коллоидный раствор канифоли можно получить, выливая ее спиртовой раствор в воду, в которой канифоль нерастворима.

Как было выяснено ранее, чем выше дисперсность, тем болыле поверхност-ное натяжение, тем больше склонность κ самопроизвольному уменьшению дис-персности. Поэтому для получения устойчивых, т. е. длительно сохраняющихся, суспензий; эмульсий, коллоидных растворов необходимо не только достигнуть заданной дисперсности, но и создать условия для ее стабилизации. Ввиду это-го устойчивые дисперсные системы состоят не менее чем из трех компонентов: дисперсионной среды, дисперсной фазы и третьего компонента - стабилизатора

дисперсной системы.

Стабилизатор может иметь как ионную, так и молекулярную, ча-сто высокомолекулярную, приро-ду. Ионная стабилизация золей лиофобных коллоидов связана с присутствием малых концентра-ций электролитов, создающих ион-ные пограничные слои между дис-персной фазой и дисперсионной средой.

Высокомолекулярные соедине-ния (белки, поливиниловый спирт и другие), добавляемые для стабилизации дисперсных систем, называют защитными коллоидами. Адсорбируясь на грани-це раздела фаз, они образуют в поверхностном слое сетчатые и гелеобразные структуры, создающие структурно-механический барьер, который препятствует объединению частиц дисперсной фазы. Структурно-механическая стабилизация имеет решающее значение для стабилизации взвесей, паст, пен, концентрирован-ных эмульсий.

Для получения растворов молекулярных коллоидов достаточно привести су-хое вещество в контакт с подходящим растворителем. Неполярные макромоле-кулы растворяются в углеводородах (например, каучуки - в бензоле), а поляр-ные макромолекулы - в полярных растворителях (например, некоторые белки - в воде и водных растворах солей). Вещества этого типа назвали обратимыми коллоидами потому, что после выпаривания их растворов и добавления новой порции растворителя сухой остаток вновь переходит в раствор. Название лио-фильные коллоиды возникло из предположения (как ч оказалось - ошибочного), что сильное взаимодействие со средой обусловливает их отличие от лиофобных коллоидов.

Растворы высокомолекулярных соединений имеют значительную вязкость, которая быстро возрастает с увеличением концентрации растворов. Повышение концентрации макромолекулярных растворов, добавки веществ, понижающих растворимость полимера, и часто понижение температуры приводят κ застудне-ванию, т. е. превращению сильно вязкого, но текучего раствора в сохраняющий форму твердообразный студень. Растворы полимеров с сильно вытянутыми ма-кромолекулами застудневают при небольшой концентрации раствора. Так, же-латин и агар-агар образуют студни и гели в 0,2-0,1% растворах. Высушенные студни способны вновь набухать (существенное отличие от гелей).

Застудневание является важной стадией получения волокнистых материалов из растворов полимеров. Свойства растворов высокомолекулярных соединений с повыше-нием их концентрации все больше и больше отличаются от свойств растворов низкомо-лекулярных соединений. Это происходит в результате взаимодействия друг с другом отдельных макромолекул, приводящего κ образованию надмолекулярных структур, оказывающих большое влияние на качества изделий (волокон, шіастмасс) из поли-меров.

Высокомолекулярные соединения, как и любые другие вещества, при подходящих условиях могут быть получены в высокодисперсном - коллоидном состоянии. Такие дисперсии полимеров в нерастворяющих их жидкостях, болыней частью в воде, назы-вают латексами. Частицы дисперсной фазы латексов имеют близкую κ сферической

форму и размеры порядка 10-100 нм.

КОАГУЛЯЦИЯ

Потенциальная энергия взаимодействия (Е мв) между коллоидными частица-ми представляет собой алгебраическую сумму потенциальной энергии электро-статического отталкивания (Еот) и потенциальной энергии дисперсионного при-тяжения (Е пр) между ними:

Е мв = Е пр + Е от

Если Е от > Е пр (по абсолютной величине), то отталкивание преобладает над притяжением и дисперсная система устойчива. Если Е от < Е пр, то происхо-дит слипание сталкивающихся при броуновском движении коллоидных частиц в более крупные агрегаты и седиментация последних. Коллоидный раствор ко-агулируетп, т. е. разделяется на коагулят (осадок) и дисперсионную среду.

B этом состоит сущность теории электрической стабилизации и коагуляции дисперсных систем Дерягина, Ландау, Фервея и Овербека (теории ДЛФО).

Рис.1. Потенциальная энергия взаимодей-ствия между двумя одинаково заряженными частицами: 1 - электрическое отталкивание (Е от); 2 - дисперсионное притяжение (Е П р); 3 - результи-рующая энергия взаимодействия (Е мв); 4 - то же, но при более крутом падении кривой 1; г - рассто-яние между частицами; Е макс - потенциальный ба-рьер взаимодействия дисперсных частиц.

Ha рис. 1 приведены зависимости величин Е от и Е пр от расстояния между коллоидными частицами. Как видно, результирующая энергия взаимодействия (кривая 3 на рис. 10.17) приводит κ притяжению (Е мв < 0) на очень малых и отталкиванию (Е мв > 0) на больших расстояниях между частицами. Решающее значение для устойчивости дисперсных систем имеет величина потенциального барьера отталкивания (Е макс), которая, в свою очередь, зависит от хода кривых Е от и Е пр. При больших значениях этого барьера коллоидная система устойчива. Слипание коллоидных частиц возможно лишь при достаточном их сближении. Это требует преодоления потенциального барьера отталкивания. При некоторых неболыпих положительных значениях Е макс (кривая 3) преодолеть его могут лишь немногие коллоидные частицы с достаточно большой кинетической энер-гией. Это соответствует стадии медленной коагуляции, когда только небольшая часть соударений коллоидных частиц приводит κ их слипанию. При" медленной коагуляции со временем происходит некоторое уменьшение общего числа кол-лоидных частиц в результате образования агрегатов из 2-3 первичных частиц, но коагулят не выпадает. Подобную коагуляцию, не сопровождающуюся види-мым изменением коллоидного раствора, называют скрытой коагуляцией. При дальнейшем уменьшении потенциального барьера скорость коагуляции, харак-теризуемая изменением числа частиц в единицу времени, возрастает. Наконец, если потенциальный барьер переходит из области отталкивания в область при-тяжения (кривая 4 на рис. 1), наступает быстрая коагуляция соударение коллоидных частиц приводит κ их слипанию; в коллоидном растворе образуется осадок - коагулят, происходит явная коагуляция.

Потенциальный барьер отталкивания (Емакс) возникает в результате сумми-рования сил отталкивания и притяжения, действующих между коллоидными частицами. Поэтому все факторы, влияющие на ход кривых 1 и 2 (рис. 1), приводят κ изменению как величины Е макс; там и положения максимума (т. е. расстояния, соответствующего Е макс).

Значительное уменьшение Е макс происходит в результате изменения потен-циальной энергии электростатического отталкивания (т. е. хода кривой 1), вы-званного добавлением электролитов κ коллоидному раствору. C увеличением концентрации любого электролита происходит перестройка двойного электри-ческого слоя, окружающего коллоидные частицы: все большая часть противоио-нов вытесняется из диффузной в адсорбционную часть двойного электрического слоя. Толщина диффузной части двойного электрического слоя (слой 4 на рис. 10.14), а вместе с ней и всего двойного электрического слоя (слой 2 на рис. 10.14) уменынается. Поэтому кривая потенциальной энергии электростатического от-талкивания снижается более круто, чем показанная на рис. 10.17 кривая 1. B результате этого потенциальный барьер отталкивания (Е макс) уменьшается и смещается в сторону меньшего расстояния между коллоидными частицами. Ko-гда двойной электрический слой сжимается до толщины адсорбционного слоя (слой 3 на рис. 10.14), то вся кривая взаимодействия дисперсных частиц ока-зывается в области притяжения (кривая 4 на рис. 10.17), наступает быстрая коагуляция. Такое измерение устойчивости коллоидного раствора происходит при добавления любого электролита.

Коагулирующее действие электролитов характеризуют порогом коагуляции, т. е. наименьшей концентрацией электролита, вызывающей коагуляцию. B за-висимости от природы электролита и коллоидного раствора порог коагуляции изменяется в пределах от 10- 5 до 0,1 моль в литре золя. Наиболее существенное влияние на порог коагуляции оказывает заряд коагулирующего иона электро-лита, т. е. иона, заряд которого противоположен по знаку заряду коллоидной частицы.

Гели

Дисперсные системы могут быть свободнодисперсными (рис. 10.2) и связно-дисперсными (рис. 10.3, a -е) в зависимости от отсутствия или наличия взаимо-действия между частицами дисперсной фазы. K свободнодисперсным системам относятся аэрозоли, лиозоли, разбавленные суспензии и эмульсии. Они текучи. B этих системах частицы дисперсной фазы не имеют контактов, участвуют в беспорядочном тепловом движении, свободно перемещаются под действием си-лы тяжести. Связнодисперсные системы - твердообразны; они возникают при контакте частиц дисперсной фазы, приводящем κ образованию структуры в виде каркаса или сетки. Такая структура ограничивает текучесть дисперсной систе-мы и придает ей способность сохранять форму. Подобные структурированные коллоидные системы называют гелями. Переход золя в гель, происходящий в ре-зультате понижения устойчивости золя, называют гелеобразованием (или жела-тинированием). Сильно вытянутая и пленочно-листочковая форма дисперсных частиц повышает вероятность контактов между ними и благоприятствует обра-зованию гелей при малой концентрации дисперсной фазы. Порошки, концентри-рованные эмульсии и суспензии (пасты), пены - примеры связнодисперсных систем. Почва, образовавшаяся в результате контакта и уплотнения дисперс-ных частиц почвенных минералов и гумусовых (органических) веществ, также представляет собой связнодисперсную систему.

КОЛЛОИДЫ (греч. kolla клей + eidos вид; син. коллоидные системы ) - дисперсные системы с относительно крупными по сравнению с молекулами газов и обычных жидкостей частицами с радиусом 10 -9 - 10 -7 М, или 0,001 - 0,1 мкм. К. могут представлять собой коллоидные р-ры, называемые золями (см.), или студнеобразные (структурированные) системы - гели (см.) и студни. Р-ры белков, полисахаридов, нуклеиновых к-т и других биологически активных веществ представляют собой К., объединенные под общим названием биоколлоидов. Коллоидные системы составляют ту основу, без к-рой нельзя себе представить существование всего живого.

К. широко распространены в природе - из них состоят организмы растений, животных и человека, они находятся в атмосфере, в океанах, в почвах и некоторых минералах. Получение ряда лекарственных средств, добыча и переработка многих полезных ископаемых, производство пищи, одежды и обуви, строительных и других материалов связаны с созданием и изменением коллоидных систем. Знание свойств К. важно для понимания многих биохим, и биофиз, процессов, в т. ч. происходящих и в организме человека. Многие методы, разработанные для исследования К., находят широкое применение в решении задач, стоящих перед медициной.

Так наз. дисперсоиды, или мицеллярные К., частицы которых нерастворимы в окружающей их среде, называемой дисперсионной средой, образуют дисперсную фазу. Мицеллярные К. называют также лиофобными, подчеркивая тем самым отсутствие непосредственного взаимодействия между веществом частиц и окружающей их дисперсионной средой. Примерами мицеллярных К. могут служить золи серебра, используемые в мед. практике как антисептические средства под названиями «колларгол» и «протаргол», в которых мельчайшие частицы серебра - мицеллы, состоящие из нескольких сотен атомов каждая, взвешены в водной среде.

Так наз. молекулярные (макромолекулярные) коллоиды представляют собой р-ры (или студни) высокомолекулярных соединений, мол. вес (масса) которых больше 10 000. Это белки, нуклеиновые к-ты, полисахариды, а также многочисленные синтетические полимеры. Разбавленные р-ры молекулярных К. содержат частицы, представляющие собой отдельные большие (иногда свернутые в клубки - глобулы) молекулы - макромолекулы; р-ры более высокой концентрации содержат так наз. рои, или ассоциаты, состоящие из сравнительно небольшого количества макромолекул. Молекулярные К. являются, как правило, однофазными (гомогенными) системами, и, следовательно, названия «дисперсная фаза» и «дисперсионная среда» к ним можно применять лишь условно. Ранее молекулярные К. называли лиофильными, предполагая, что степень их сольватации (см.) очень велика (т. е. сольватные оболочки представляют собой полимолекулярные слои растворителя), однако измерения степени сольватации показали, что высокомолекулярные соединения сольватированы в той же мере, что и низкомолекулярные соединения. Т. о., термины «лиофобный» и «лиофильный», подчеркивающие наличие сольватации молекулярных К. и отсутствие ее у мицеллярных К., могут быть признаны неудачными, т. к. взаимодействие с молекулами дисперсионной среды на поверхности частиц мицеллярных К. происходит иногда даже в большей степени, чем у молекулярных К.

Кроме описанных двух типов К., имеются системы, называемые полуколлоидами или семиколлоидами,в которых можно наблюдать равновесные переходы: истинный р-р ⇄ золь ⇄ гель, т. е. представляющие собой в одних условиях истинные р-ры, а в других золи, структурированные жидкости, гели. Эти переходы могут происходить обратимо при изменении температуры, концентрации, величины pH, ионной силы р-ра (т. е. при добавлении электролитов). Примерами полуколлоидов могут служить р-ры мыл и других поверхностно-активных веществ, таннидов (дубильных веществ растительного происхождения), некоторых органических красителей (бензопурпурина, геранина и др.). Наиболее изучены коллоидные поверхностно-активные вещества (КПАВ). Они применяются как эмульгаторы малорастворимых в воде жидкостей, напр, в производстве косметических и фарм, препаратов, как средства, облегчающие образование дисперсий некоторых твердых веществ, напр, при флотационном обогащении руд, для обработки тканей в текстильной промышленности, как пенообразователи в условиях огнетушения и как флоккулянты при очистке воды (см. Флоккуляция).

Различают следующие виды КПАВ: ионогенные (анионоактивные, катионоактивные, амфолитные), неионогенные.

Анионоактивными КПАВ являются желчные кислоты (см.) и их соли - холаты, выступающие в роли эмульгаторов при всасывании жиров в кишечнике, соли (преимущественно натриевые) высших жирных к-т - стеариновой, пальмитиновой и др., издавна используемые как мыла (см.), натриевые соли органических сульфокислот - алкил- и алкиларилсульфонаты, а также соли кислых эфиров серной к-ты и высших жирных спиртов, которые относятся к числу экономичных и эффективных моющих средств (см.).

Из катионоактивных КПАВ наиболее часто применяются органические соли четвертичного аммония, N-алкил-замещенные пиридина и другие его производные, обладающие бактерицидными свойствами; они используются в медицине, а также в технике как ингибиторы кислотной коррозии металлов.

Амфолитными КПАВ являются полипептиды и в известной степени белки (см.).

Многие неионогенные нетоксичные КПАВ применяют в пищевой промышленности (напр., в хлебопечении, кондитерском производстве, производстве мороженого, маргарина) в качестве флоккулянтов, пенообразователей или эмульгаторов.

Важнейшей характеристикой р-ров полуколлоидов является критическая концентрация мицеллообразования, т. е. минимальная концентрация растворенного вещества {моль/л, %), при к-рой можно экспериментально обнаружить коллоидную фазу. Обрааование мицелл в р-рах полуколлоидов можно наблюдать по увеличению интенсивности рассеянного света; величину критической концентрации определяют, измеряя изменение поверхностного натяжения, электроводности и других параметров, связанных с изменением концентрации полуколлоида.

Большие размеры мицелл КПАВ и особое их строение объясняют явление солюбилизации (см.), гидрофобного связывания или коллоидного растворения (обычно в воде при наличии в ней КПАВ) веществ, которые без них практически нерастворимы в воде.

Приготовление р-ров молекулярных К. из высокомолекулярных соединений обычно не представляет трудностей, поэтому все рассматриваемые методы приготовления относятся лишь к мицеллярным К.

Дисперсные системы, в т. ч. и К., получают двумя противоположными путями: 1) раздроблением, или диспергированием, грубых, сравнительно крупных частиц на более мелкие; это методы диспергирования (см.), или дисперсии; 2) путем агрегации молекул в более крупные частицы (см. Агрегация); это методы конденсации, названные так по аналогии с процессами конденсации, происходящими, напр., при образовании капелек тумана из пара.

Методами дисперсии пользуются обычно для получения грубодисперсных систем - дисперсий, т. е. суспензий, эмульсий и порошков. Практически это методы механического и ультразвукового измельчения исходных веществ, а для аэрозолей - их разбрызгивание. Получение золей электрическим распылением в вольтовой дуге металлических электродов, помещенных в дисперсионную среду, лишь условно можно рассматривать как диспергирование, т. к. при высокой температуре дуги металл электродов сначала испаряется, а затем конденсируется с образованием коллоидных частиц, одновременно может происходить и отрыв частиц непосредственно от электродов и попадание их в дисперсионную среду. Пептизацию (см.), т. е. образование золей из гелей или рыхлых осадков при действии некоторых веществ - пептизаторов, которые, адсорбируясь на поверхности коллоидных частиц, сообщают им сродство к дисперсионной среде, также нельзя относить только к методам диспергирования, т. к. при пептизации происходит не изменение степени дисперсности частиц, образующих гель (или осадок), а только разъединение уже имеющихся частиц.

Выбор типа измельчения твердых материалов зависит от их свойств: хрупкие измельчают ударом, вязкие - истиранием. В шаровых мельницах - гомогенизаторах (см. Гомогенаты) определенного типа - можно получить частицы порядка 2-3 мкм в диаметре, особенно если использовать вибрацию. Более тонкое измельчение достигается в так наз. коллоидных мельницах, которые обеспечивают возможность получения суспензий со средними размерами частиц 1 мкм (т. е. получения К. с их помощью еще не достигается).

Ультразвуковое диспергирование происходит за счет кавитационных ультразвуковых волн, разрушающих материал. Степень дисперсности возрастает с увеличением частоты ультразвуковых колебаний. Аэрозоли могут быть получены с помощью ультразвука разбрызгиванием жидкостей или жидких р-ров. Метод, позволяющий получать К. с высокой концентрацией дисперсной фазы, используется в мед. практике для получения аэрозолей водных р-ров антибиотиков.

Разбрызгивание р-ра сжатым воздухом с помощью пульверизатора издавна используется для получения аэрозолей, в т. ч. и в медицине. Если же пульверизатор соединить с полюсом электрического напряжения, то в электрическом поле получаются более устойчивые аэрозоли. Промышленностью выпускаются аппараты для получения лекарственных веществ в виде таких аэрозолей.

Образование р-ров молекулярных К. также иногда рассматривают как диспергирование. Однако при этом может происходить неограниченное набухание, заканчивающееся растворением, новая (дисперсная) фаза не возникает либо образуются набухшие студни, находящиеся в равновесии с р-ром, содержащим более низкомолекулярные фракции высокомолекулярных соединений. Существуют р-ры К., в которых большие молекулы высокомолекулярных соединений, будучи в «плохом растворителе», свернуты в плотный клубок - глобулу, имеющий четкую поверхность раздела с окружающей его средой; такие глобулы имеются в р-рах белков. На такие системы похожи млечный сок многих растений (напр., каучуконосов), а также синтетические латексы, в которых свернутые частицы (обычно более крупные, чем коллоидные) находятся в водной среде, а их устойчивость определяется особым веществом - стабилизатором.

Получение дисперсных систем путем конденсации можно осуществлять собственно конденсацией, испаряя вещество и создавая затем подходящие условия для образования мелких частиц; изменением среды или других условий получения конденсируемого вещества таким образом, чтобы вещество из растворимого становилось нерастворимым, напр, изменяя состав растворителя, вводя в него жидкость, неспособную растворять данное вещество; проведением хим. реакции, сопровождающейся образованием труднорастворимых веществ.

В природных условиях туманы и облака, т. е. аэрозоли, образуются при конденсации паров воды в атмосфере. По методу собственно конденсации для получения лиофильных золей (лиозолей), разработанному в СССР С. 3. Рогинским и А. И. Шальниковым, вещества, образующие дисперсную фазу, испаряют в вакууме и пары конденсируют на поверхности, охлаждаемой жидким воздухом.

Метод замены растворителя удобен для получения многих лиозолей. Для получения золя вещество растворяют в подходящем растворителе и р-р выливают в большой объем другой, не растворяющей данное вещество жидкости, с к-рой первый растворитель неограниченно смешивается. Наибольшее распространение получили методы, где трудно-растворимое вещество образуется в результате хим. реакции, происходящей в той самой жидкости, к-рая служит в дальнейшем дисперсионной средой. Именно так готовят лиозоли таких металлов, как серебро и золото.

Коллоидные р-ры металлов в твердой дисперсионной среде, напр, в стекле, называют пирозолями. Они могут иметь ту же окраску, что и лиозоли. Впервые правильное объяснение природы рубиновых стекол, представляющих собой коллоидные р-ры золота в стекле, дал М. В. Ломоносов.

Для того чтобы в системе могла происходить конденсация данного вещества, она должна быть пересыщенной по отношению к этому веществу, в ней должны быть созданы условия для возникновения зародышей новой фазы, напр, зародышей кристаллизации; вещество, образующее дисперсную фазу, должно быть мало-растворимо в окружающей жидкости и, наконец, должны быть созданы условия, препятствующие агрегации коллоидных частиц друг с другом. Т. к. обычно образование зародышей и их рост происходят одновременно, то получаются полидисперсные золи, т. е. золи, содержащие частицы разных размеров. Монодисперсные золи, содержащие частицы практически одинаковой величины, получают с помощью специальных методов. Напр., для получения монодисперсного золя серебра (или золота) сначала готовят так наз. зародышевый, т. е. очень высокодисперсный золь, а затем вводят определенное количество такого золя в р-р соли данного металла и производят его восстановление. Величина частиц получаемого при этом монодисперсного золя будет тем больше, чем меньше зародышей было введено в р-р перед его восстановлением.

Для очистки золей от низкомолекулярных примесей, концентрирования их, для фракционирования коллоидных частиц по размерам и, наконец, для отделения дисперсной фазы от дисперсионной среды часто используются методы ультрафильтрации (см.) и диализа (см.). Некоторые золи, устойчивые при повышенной температуре, можно концентрировать выпариванием, другие - частичным удалением дисперсионной среды ультрафильтрацией.

Многие К. ярко окрашены и, подобно всем окрашенным системам, могут поглощать свет. Кроме того, К. рассеивают падающий на них свет, и благодаря этому пучок света, проходящий через коллоидную систему перпендикулярно оси зрения наблюдателя, образует светящийся конус, называемый конусом Фарадея - Тиндаля.

Как показал Рэлей (J. Rayleigh), для сферических частиц, не проводящих электрического тока, интенсивность рассеянного света зависит от величины частиц дисперсной фазы, их концентрации, разности показателей преломления дисперсной фазы и дисперсионной среды и особенно сильно - от длины волны падающего света, причем наиболее интенсивно рассеиваются короткие волны. Так, золи неокрашенных веществ кажутся голубоватыми в отраженном и желтоватыми - в проходящем свете, потому что синие лучи, обладающие более короткой длиной волны, сильнее рассеиваются частицами. Такое различие окраски при рассмотрении К. в проходящем и отраженном свете, обусловленное светорассеянием, получило название опалесценции (см.). Молекулярные К. в значительно меньшей степени рассеивают проходящий через них свет, по этой причине макромолекулы не могут наблюдаться в виде отдельных частиц в ультрамикроскопе. Светорассеяние в таких р-рах происходит по той же причине, что в газах, жидкостях и обычных р-рах, где молекулы вследствие хаотического движения образуют микро- и ультрамикрообласти (флюктуации) с повышенной концентрацией молекул. Эти флюктуации существуют лишь очень короткие промежутки времени, непрерывно возникая и рассеиваясь. Так, рассеянием солнечного света в атмосфере за счет флюктуаций молекул газов объясняется голубой цвет неба; светорассеянием в морской воде обусловлен цвет моря. Измерения интенсивности рассеянного света или обратной ему величины - коэффициента (t) - проводятся с помощью нефелометров (см. Нефелометрия) или фотометров (см. Фотометрия) и используются для определения молекулярного веса (массы) К. и концентрации их в золях.

Многие К. обладают высокой кинетической и малой агрегативной устойчивостью. При наблюдении в ультрамикроскоп коллоидных р-ров можно видеть, что коллоидные частицы находятся в состоянии интенсивного и беспорядочного движения, к-рое получило название броуновского движения по имени англ. ботаника Броуна (R. Brown), впервые наблюдавшего такого рода движение микроскопических частиц цветочной пыльцы в 1827 г. Причиной броуновского движения является движение молекул дисперсионной среды, окружающих коллоидные частицы.

Двойной электрический слой широко распространен в различных биохим, системах, в частности, он имеется на поверхности любых биол, мембран.

Состояние коллоидного р-ра, при к-ром ξ-потенциал коллоидных частиц равен нулю, называется изоэлектрическим. В таком состоянии коллоидные р-ры менее устойчивы и, как правило, подвергаются коагуляции.

К. обычно со временем изменяют свои свойства, происходящие при этом процессы объединяются под общим названием старения К. Так, у золей благородных металлов старение выражается в укрупнении частиц путем их агрегации или перекристаллизации, что может приводить к изменению ряда свойств коллоидных р-ров: цвета, ξ-потенциала и др. У молекулярных К. и полуколлоидов изменения вязкости коллоидных р-ров (η) с течением времени становятся наиболее характерными; при старении чаще всего возрастает величина η что может привести к образованию геля или студня. Этот процесс называется желатинированием или застудневанием и объясняется образованием более или менее прочных связей между коллоидными частицами. Увеличение значения η в процессе старения происходит гл. обр. за счет так наз. структурной вязкости (см. Вязкость). Напр., такая вязкость появляется у р-ров крахмала и желатины, плазмы крови, протоплазмы, синовиальных жидкостей, у золей кремниевых к-т. Структурная вязкость возникает в результате взаимодействия коллоидных частиц друг с другом, что особенно заметно у систем с относительно высокой концентрацией, содержащих анизодиаметрические частицы (жесткие или гибкие палочки, нити, пластинки); отдельные участки поверхности таких частиц могут быть в различной степени защищены от слипания. Так образуются агрегаты частиц, между к-рыми может быть заключена неподвижная (иммобилизованная) жидкость. При малых скоростях течения и слабом сцеплении частиц агрегаты их успевают восстанавливаться и вязкость, обусловленная слипанием частиц, сохраняется. При большой скорости течения связи между образующими структуру частицами разрываются, а объем иммобилизованной жидкости между ними и вязкость снижаются. Если число связей между частицами велико, то течение уже невозможно, и такая структурированная система ведет себя как твердое тело - гель или студень. Старение может продолжаться и далее, причем гель, постепенно уплотняясь, уменьшается в объеме, сохраняя обычно свою первоначальную форму и выделяя часть жидкости (дисперсионной среды). Описанное явление носит название синерезиса. Подобную картину старения можно наблюдать и у гидрозолей многих нерастворимых в воде гидроксидов металлов - железа, алюминия, хрома и др., а также у золей кремниевых к-т и у некоторых полуколлоидов, напр, у р-ров и студней красителя геранина. Старение может быть необратимым, если процесс сопровождается хим. превращениями, обратимым или, наконец, частично обратимым. Явления, сопровождающие образование и старение К., были изучены с помощью электронной микроскопии В. А. Каргиным и 3. Я. Берестневой, которые установили, что на первой стадии образования коллоидные частицы мицеллярных К. являются аморфными агрегатами и лишь спустя нек-рое время в процессе старения переходят в кристаллическое состояние.

Некоторые гели или студни под влиянием механического воздействия (встряхивания, перемешивания и т. п.) разжижаются, но через нек-рое время (в спокойном состоянии) полученные из них жидкости самопроизвольно застудневают. Это явление называется тиксотропией (см.).

Старение необратимо, если связи между частицами образуются за счет их хим. взаимодействия или сращивания кристаллов. Напр., необратимыми являются структуры, образующиеся при свертывании крови или при твердении цементов, когда происходит перекристаллизация.

Старение часто является обратимым процессом для тел (напр., образованных высокомолекулярных соединений), которые способны к набуханию (см.), т. е. к поглощению жидкости, пара или газа, сопровождающемуся иногда значительным увеличением объема К.

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. "κολλά" - клей, "λεδεσ" - 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 Π. П. Веймарн экспериментально доказал, что подразделение на коллоиды и кристаллоиды весьма условно. Типичные кристаллоиды ЫаС1, ΚΙ 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

Агрегатное состояние	Тип системы	Агрегатное состояние дисперсной фазы	Условное обозначение	Название
	Аэрозоль
		Жидкость
		Твердое тело
Жидкость
		Жидкость		Эмульсоид
		Твердое тело		Суспензоид
Твердое тело	Солидозоль			Твердая пена
		Жидкость
				эмульсоид
		Твердое тело		Без названия

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.

Коллоидные растворы, полученные одним из рассмотренных методов, содержат примеси растворенных низкомолекулярных веществ и грубо- дисперсных 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.

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

КОЛЛОИДЫ , КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ. Коллоиды (от греч. ко 11а-клей, желатина), название, данное Грэмом (Graham) группе веществ, типичными представителями которых - являются желатина или гум-ми-арабик.-Коллоидная химия является наиболее молодой хим. дисциплиной. Ее началом можно считать 1861 г., когда были опубликованы исследования Грэма. К. и кристаллоиды. Основанием для разделения всех веществ на К. и кристаллоиды послужило их неодинаковое поведение в растворенном состоянии. Кристаллоиды (напр. Nad) образуют стойкие растворы и обладают определенной растворимостью, т. е. в присутствии избытка кристаллоида раствор при данной t° имеет постоянную, независимую от способа приготовления концентрацию. Из более концентрированного, «пересыщенного» раствора избыток вещества выпадает в виде кристаллов,"имеющих строго определенную, характерную для них форму и структуру. Растворы же К. отличаются непостоянством и метастабильностью. В зависимости от незначительных различий в способе приготовления они содержат то бблыпую то меньшую концентрацию растворенного вещества, причем эта концентрация может подвергаться очень резким изменениям под влиянием иногда совершенно ничтожных количеств посторонних примесей. Из раствора они осаждаются в виде бесструктурных, аморфных тел, часто в виде связывающего большие количества воды желати-нообразного студня. Отправной точкой для деления на коллоиды и кристаллоиды послужили для Грэма тщательные измерения скорости диффузии растворенных веществ. Она оказалась для различных веществ весьма неодинаковой. Однако в то время как одни вещества диффундировали с б. или м. значительной скоростью, скорость диффузии других оказалась ничтожно малой, практически равной нулю. К первой группе принадлежали многие простые минеральные соединения, а также другие вещества, осаждающиеся из раствора в кристаллическом состоянии и получившие поэтому название кристаллоидов. Типичным представителем второй группы является клей (коПа), давший начало наименованию всех К. Еще более важным признаком для разделения коллоидов и кристаллоидов, чем свободная диффузия, явился осмос через коллоидные мембраны, естественные или искусственные. Основной опыт Грэма заключался в том, что он отделял пергаментной мембраной исследуемые растворы от чистой воды. Кристаллоиды свободно диффундировали через пергаментную мембрану, между тем как для коллоидов она была совершенно непроницаемой. Это явление было использовано в качестве общего метода для отделения коллоидов от кристаллоидов (см. Диализ). Указанные различия представлялись настолько существенными, грань между коллоидами и кристаллоидами-настолько резкой, что Грэм рассматривал их I как «два различные мира материи». Даль-I нейшие исследования в значительной мере сгладили эту грань. Важную роль сыграли в этом отношении исследования Крафта и Пааля (Krafft, Paal), показавшие, что в зависимости от характера растворителя одно и то же вещество может обнаруживать то коллоидальные то кристаллоидные свойства. Крафт нашел, что стеариновокислый натрий, образующий в воде коллоидный раствор, при растворении в спирте имеет свойства кристаллоида. Напротив, такой типичный кристаллоид, как NaCl, в бензольном растворе обнаруживает согласно Паалю все свойства коллоида. Т. о. нет коллоидных веществ, есть лишь коллоидальное состояние вещества. Название коллоида должно включать не только коллоидально растворенное вещество, но и его растворитель; совместно они образуют коллоидальную систему. Такие коллоидальные системы находят себе естественное место в ря-ДУ других дисперсных систем (см.). С одной стороны они граничат с более грубо дисперсными системами-суспенсиями и эмульсиями, частицы к-рых имеют микроскоп, размеры, с другой-они связаны постепенными переходами с истинными растворами кристаллоидов, к-рые при всех современных методах исследования кажутся вполне гомогенными. Последующие исследования в еще большей мере сгладили ту резкую грань, которая отделяла К. вместе с другими гетерогенными системами от кристаллоидов. Так, сделались известны различные «полуколлоиды» (напр. продукты распада настоящих К., как декстрины и пептоны), представляющие последовательные переходы от типичных К. к истинным растворам. Многие К. были также получены в кристаллич. состоянии. Так, хорошо известны кристаллы НЬ, яичного альбумина, растительного альбумина семян. С другой стороны в настоящее время выработаны методы, позволяющие приготовлять коллоидальные растворы типичных кристаллоидов. Сам Грэм, говоривший о К. и кристаллоидах как о «двух различных мирах материи», в других случаях признавал, что одно и то же вещество может существовать как в кристаллоидном, так и в коллоидальном состоянии и что коллоидная частица может быть «построена соединением множества более мелких молекул кристаллоида». Классификация К.-Коллоиды могут находиться как в жидком, так и в твердом состоянии. В первом случае они образуют коллоидальные растворы, или золи, во втором-студни, или гели. Однако в то время как у кристаллоидов между твердым и жидким аггрегатным состоянием (см.) проходит резкая грань, у К. они могут быть связаны постепенными и нечувствительными переходами (напр. при постепенном застывании желатинового студня). В обоих случаях К. образуют дисперсные системы, в к-рых дисперсионной средой является какая-нибудь жидкость. В зависимости от состава последней они получают различные обозначения. Говорят о гидрозолях и гидрогелях, если такой жидкостью является вода; названия алкозоль, этерозоль и т. п. указывают, что дисперсионной средой является спирт, эфир и т. п. Коллоиды, дисперсионная среда которых представляет какое-нибудь расплав- ленное тело, называются пирозолями, коллоиды, существующие только при низких температурах,-криозолями. Весьма существенным признаком К. являются размеры коллоидальных частиц. Для них характерна субмикроскопическая величина частиц- приблизительно от 1 до 100 т/л. Т. о. по размеру своих частиц К. занимают промежуточное положение между истинными растворами (молекулярно-или ионно-дисперсными системами) с одной стороны и суспенсиями и эмульсиями-с другой. Пользуясь аналогией с суспенсиями и эмульсиями, Оствальд и Гебер (Wo. Ostwald, Hober) на основании агрегатного состояния дисперсной фазы разделили золи на суспенсионные и эмульсионные. Соответственно этому Веймарн (Wei-marn) включил их в общую систему диспер-соидов как суспенсоиды и эмульсоиды. Значительно более существенным признаком, влияющим на многие свойства коллоидных растворов, является величина сродства между коллоидными частицами и окружающей их жидкостью. По степени сродства между дисперсной фазой гидрозоля и водой Перен (Perrin) ввел деление на гидрофобные и гидрофильные К. Первые слабо связаны с растворителем и, легко отделяясь от него под влиянием иногда весьма незначительных воздействий, образуют бедный водой осадок. Напротив, вторые отличаются значительно большей стойкостью и, переходя в твердое состояние, образуют студни, продолжающие удерживать большое количество воды. Фрейндлих (Freundlich) распространил эту классификацию на коллоидные системы, имеющие вместо воды другую дисперсионную среду. Все К. на основании отсутствия или наличия сродства между ними и их растворителем он разделяет на лиофобные и лиофильные. Между ними существуют различные переходы, соответствующие различной степени лиофильности. Выпавшие в осадок лиофобные К. обычно не могут быть возвращены в раствор посредством простого удаления коагулирующего агента или же добавления растворителя. Это по терминологии Жигмонди (Zsigmondy)-необратимые К. Они распадаются в свою очередь на две подгруппы. К одной относятся напр. чистые золи металлов. Коллоидальное вещество не может достигнуть в них сколько-нибудь значительной концентрации и, раз отделившись от раствора (в виде порошкообразного осадка), нуждается для возвращения в раствор в применении обычных методов диспергирования. Примером второй подгруппы могут служить коллоидные растворы различных окислов, дающие достаточно концентрированные золи: кремневая или оловянная к-ты, гидроокись железа и др. В течение короткого времени их свежевыделенные студнеобразные осадки могут быть вновь возвращены в раствор. Однако продолжительное высушивание вскоре делает осадок столь же необратимым, как и в предыдущем случае: ни отмывание коагулятора ни прибавление растворителя не способны после этого восстановить первоначальный золь. Совершенно иначе ведут себя обратимые К. Даже будучи полностью высушены, они при соприкосновении с растворителем связыва- ют его, разбухают и наконец подобно растворимым кристаллоидам самопроизвольно переходят в раствор. И здесь следует различать такие К., как агар-агар, желатина, крахмал и др., имеющие ограниченное набухание. Связывание растворителя ограничивается у них при обычной t° определенными пределами и лишь при нагревании продолжается до превращения в золь. Напротив, типичные обратимые К., как альбумин, НЬ, гумми-арабик и др., по своей способности самопроизвольно переходить в растворенное состояние еще более приближаются к истинным растворам кристаллоидов, отличаясь однако от них отсутствием постоянной растворимости. Классификация К. по этим различным признакам во многих случаях дает совпадающие результаты.Гидрофобные, или лиофобные К. являются вместе с тем необратимыми; гидрофильные, или лиофильные чаще принадлежат к обратимым. Вследствие связывания большого количества воды гидрофильные частицы приобретают в то же время эмульсионный характер, между тем как гидрофобные могут сохранять свойства твердого тела и давать суспенсионный золь. Однако не всегда К. обладает всей совокупностью признаков, характерных для типичных представителей той или другой группы. В частности деление К. по агрегатному состоянию дисперсной фазы может не совпадать с классификацией по более существенному для них признаку-сродству к растворителю. Так, известны эмульсоиды, не обладающие свойствами лиофильных К. Наиболее удачным нужно признать разделение К. на лиофильные и лиофобные (или гидрофильные и гидрофобные), базирующееся на важнейшем различии обеих групп коллоидов. Методы приготовления коллоидных растворов. Самые различные вещества, как органич., так и неорга-нич., при помощи специальных приемов могут быть получены в коллоидальном состоянии. Важнейшей задачей при приготовлении коллоидных растворов является достижение необходимой степени дисперсности, создание частиц надлежащей величины. Соответственно своему промежуточному положению между истинными растворами и грубо-гетерогенными системами частицы коллоидальных размеров могут быть получены как из первых путем конденсирования их ионов и молекул в более крупные агрегаты, так и путем диспергирования вторых. Соответственно этому Сведберг (Svedberg), к-рый особенно подробно разработал и систематизировал методы приготовления золей, разделил их на конденсационные и дисперсионные. В присутствии избытка своего растворителя кристаллоиды распадаются на отдельные молекулы. Они должны быть нерастворимы в дисперсионной среде, чтобы образовывать более крупные агрегаты. Поэтому в основе конденсационных методов лежат хим. реакции, превращающие растворимые соединения в нерастворимые. Чаще всего это реакции восстановления. Их применяют например для получения гидрозолей благородных металлов. Многие восстановители (как гидразин, гидрохинон, пирогаллол) действуют на холоду, другие (этило- вый спирт, формальдегид, танин и др.)-при нагревании. Для приготовления золотого золя обрабатывают восстановителем крайне разбавленный раствор какой-нибудь золотой соли, напр. АиС1 3 или НАиС1 4 (в концентрации 0,1 г или еще меньше на 1 л воды). Сходным образом готовят из AgN0 3 гидрозоли серебра, из соответствующих солей-золи других металлов. Коллоидальное металлическое серебро удалось также получить, пользуясь в качестве восстановителя пропускав-. мым через раствор газообразным водородом. Различные другие хим. реакции (окисление, двойное обменное разложение) могут приводить к тому же результату-получению нерастворимых вешеств в коллоидальном распределении. Так, коллоидальная сера получается путем разложения серноватистокис-лого натрия (Na 2 S 2 0 3) концентрированной серной к-той. Такой золь серы был очень детально изучен Оденом (Sven Oden). Объектом многочисленных исследований служил также коллоидальный трехсернистый мышьяк (As 2 S 3), который получается при действии сероводорода на мышьяковистую кислоту (избыток сероводорода вытесняют затем, пропуская через раствор ток водорода): As 2 0 3 +3H 2 S =As 2 S 3 + 3H 2 0. Часто пользуются также реакцией гидролиза, при которой одним из веществ, вступающих в обменное разложение, является вода. Этим способом получается гидроокись железа (FeCl 3 + +3H 2 0 = Fe(OH) 3 +3HCl) и многие другие золи. Как ни различны применяемые хим.реакции, все они сводятся к образованию нерастворимых в данной дисперсионной среде веществ. Согласно Веймарну механизм конденсации представляет частный случай кристаллизации из пересыщенного раствора. Только эта кристаллизация должна начаться одновременно в очень большом числе мест, а рост частиц должен быть прекращен до достижения ими микроскопич. размеров. Т. к. при слишком высокой концентрации коллоидальных веществ они быстро полностью выпадают, то для приготовления золей обычно пользуются очень слабыми концентрациями реагирующих веществ. Наконец не следует упускать из виду, что во всех рассмотренных процессах образования золей в качестве исходных веществ или же продуктов реакции принимают участие электролиты. Как будет выяснено ниже, их нельзя рассматривать как посторонние, случайные примеси. Напротив, электролиты принимают самое активное участие в построении коллоидных частиц, в определении их хим. и электрических свойств, в поддержании стойкости К. Полное удаление всех электролитов обычно приводит к разрушению золя, к переходу его в более грубо-дисперсное состояние. Электролиты играют роль диспер-гаторов, поддерживающих необходимую степень дисперсности коллоидальных частиц. Другую группу составляют дисперсионные методы. Задачу механического раздробления веществ - правда не до очень высоких степеней дисперсности-недавно (1920) удалось успешно разрешить путем устройства так наз. «коллоидальной мельницы». Она представляет быстро вращающийся внутри жидкости вал с лопастями, к-рые при вращении проходят близ неподвижно укрепленных выступов (не соприкасаясь с ними). Взмученное в жидкости тело ударами лопастей о воду дробится до коллоидальных размеров. Чаще применяется электрический метод. Впервые его применил Бредиг (Bredig) для приготовления золей благородных металлов. Погружая электроды из распыляемого металла в воду, он пропускал между ними вольтову дугу. С катода поднимаются при этом облака распыленных частиц как коллоидальных, так и более крупных размеров. В виду сильного нагревания раствора его необходимо при этом охлаждать. Повидимому, как считал и сам Бредиг, главную роль играют здесь термические процессы: испарение металла в вольтовой дуге с последующей конденсацией его паров в воде. Т. о. по своему механизму этот метод в действительности приближается к конденсационным. Сведберг чрезвычайно усовершенствовал метод электрического искрового распыления, гл. обр. путем применения колебательного разряда. Ему удалось приготовить при помощи него большое число различных золей, в частности органо-золи (напр. этерозоли) щелочных металлов, получение которых представляло большие трудности. К дисперсионным методам принадлежит также метод пептизации(см. ниже). Биоколлоиды. Описанные методы позволяют приготовлять различные искусственные, или синтетические К. Совершенно иначе ведет себя обширная и весьма важная группа естественных К. К ней принадлежат различные биоколлоиды-органические вещества настолько сложного состава, что даже их одиночные молекулы или ионы имеют характерные для коллоидных частиц размеры и вследствие этого - коллоидальные свойства. Золи биоколлоидов приготовляют поэтому точно таким же образом, как обычные растворы кристаллоидов,-путем обработки их подходящим растворителем. Чаще всего таким растворителем служит вода. Камеди, крахмал, гумми-арабик, агар, танин, желатина, альбумин растворяются в холодной или же и горячей воде, образуя гидрозоли. В других случаях приходится пользоваться специальными растворителями: аммиачным раствором окиси меди («реактив Швейцера») для целлюлёзы, ацетоном, уксусной к-той или смесью спирта с эфиром для нитро-целлюлёзы, бензолом или сероуглеродом для каучука и т. д. Методы очистки К. В большинстве случаев к К. неприменимы обычные методы очистки химич. веществ. Только немногие К. (именно нек-рые биоколлоиды) могут быть отделены друг от друга и изолированы, благодаря их неодинаковой растворимости в тех или иных растворителях, путем дробного осаждения или кристаллизации. Значительно чаще приходится применять специальные коллоидальные методы. Они основаны на неспособности коллоидных частиц проникать через коллоидные мембраны, проницаемые для кристаллоидов. Если такая мембрана, внутри к-рой находится очищаемый раствор, омывается снаружи чистой дестилированной водой, то в последнюю будут диффундировать через мембрану содержащиеся в коллоидном растворе кристаллоиды. Многократно сменяя воду, можно посредством диализа (см.) постепенно извлечь из коллоидного раствора практически все способные к диффузии примеси. Другим методом очистки К. является ультрафильтрация. Раствор фильтруют под б. или м. высоким давлением через коллоидную мембрану, применяемую в качестве фильтра. Отделение дисперсионной среды с растворенными в ней примесями от коллоидных частиц можно и в этом случае значительно ускорить, пользуясь для проталкивания жидкости через ультрафильтр вместо меха-нич. давления электроосмосом; этот метод получил название электроультрафильтрации. Оптические свойства. В проходящем свете коллоидные растворы нередко представляются вполне прозрачными и гомогенными, подобно истинным растворам. Однако их неоднородность ясно обнаруживается в отраженном свете: при рассматривании со стороны падающего на них света коллоидные растворы кажутся мутными, опалесци-рующими. Еще яснее выступает оптическая гетерогенность коллоидных растворов, если направить на них яркий пучок света (солнечный луч или луч дуговой электрической лампы, сконцентрированный собирательной линзой) и наблюдать жидкость сбоку: весь путь луча в коллоидальном растворе светится ровным опалесцирующим светом. Фа-радей (Faraday) впервые применил этот прием для обнаружения мельчайших частичек в мутных средах. По имени Тиндаля (Туп-dall), подробно изучившего описываемое явление, этот светящийся конус называют обычно конусом Тиндаля (см. Тиндаля феномен). Все коллоидные растворы дают такую опа-лесценцию, являющуюся одним из важнейших их отличий, признаком их оптической гетерогенности. Окраска коллоидных растворов также во многих случаях зависит от рассеяния света их частицами. Существует закономерная зависимость, изученная гл. обр. Релеем (Rayleigh), между величиной дисперсных частиц и окраской рассеиваемого ими света. Эта окраска может накладываться на собственную окраску К., зависящую от поглощения им определенной части спектра. Примером такого явления могут служить коллоидные растворы мастики, желтые или коричневые в проходящем свете, голубоватые-в отраженном. Подобного рода окраска, заметная в нек-рых случаях у непроводников, наиболее ярко проявляется и достигает особенной интенсивности у коллоидных металлов. Она зависит от оптических свойств металла, от величины его частиц и гл. обр. от их сочетания в более крупные агрегаты. Особенно сильное влияние оказывает степень дисперсности, с изменением которой окраска правильно изменяется. Коллоидные растворы золота, напр. по мере изменения величины его частиц, проходят целую гамму разнообразных цветов. Особенно полную серию его растворов с равномерно меняющейся в огромных пределах степенью дисперсности удалось приготовить Жигмонди. Грубо-дисперсное золото придает раствору синюю или фиолетовую окраску, высоко-дисперсное сообщает ему чистый и яркий красный цвет (таково же происхождение окраски золото- го «рубинового стекла»). При дальнейшем уменьшении размеров частиц и приближении к молекулярной дисперсности достигается бурая или желтая окраска, характерная для истинных растворов золотых солей. Не менее разнообразные окраски имеют различные коллоидные растворы серебра (красные, бурые, фиолетовые, зеленые, черные). Чтобы дать представление об их интенсивности, достаточно указать, что бурая окраска коллоидального серебра ясно видна в слое толщиной в 1 см при содержании 1 части серебра на 5 млн. частей воды. Величина коллоидных частиц. На рассеянии света мельчайшими частицами основан ультрамикроскоп, в к-ром сильный сконцентрированный пучок света освещает сбоку исследуемый раствор и проходит через него, не попадая в объектив микроскопа. В поле зрения микроскопа наблюдается т. о. конус Тиндаля. В фокусе, где сходятся лучи, максимальная интенсивность освещения делает видимыми наиболее мелкие субмикроны. В иммерсионном ультрамикроскопе этим способом оказалось возможным наблюдать мельчайшие субмикроскоп, частицы, величиной всего в несколько тц. Субмикроны представляются в ультрамикроскопе в виде светящихся точек, не дающих представления ни об их форме ни об их истинных размерах. Для определения последних подсчитывают число отдельных частиц, находящихся в определенном, крайне малом объеме жидкости. Зная общее количество диспергированного вещества и его удельный вес, легко найти массу одной частицы и ее диаметр (допуская для упрощения, что она имеет приблизительно шарообразную форму). Кроме этого оптического метода существуют механические приемы, позволяющие определять величину коллоидных частиц. Для этого служит упомянутый уже выше метод ультрафильтрации. Ультрафильтры далеко не всегда непроницаемы для всех коллоидных веществ. Бехгольд (Bechhold) впервые показал, что, применяя серию ультрафильтров с различной, последовательно изменяющейся величиной пор, можно производить дробную ультрафильтрацию: отделять одни К. от других. Ультрафильтр, задерживающий данный К., не пропускает и все те, к-рые имеют более крупные частицы. Прокалибровав серию ультрафильтров (напр. при помощи коллоидных растворов с известной величиной частиц), можно определять величину частиц в исследуемом коллоидном растворе на основании способности последнего проходить через те или другие ультрафильтры. Далее о величине частиц можно судить по скорости их падения. Согласно формуле Стокса (Stokes) скорость падения шарообразного тела (достаточно малых размеров) в жидкости пропорциональна квадрату его диаметра. Поэтому величину частицы можно определить по скорости ее падения (при условии, если известны кроме того удельный вес падающего тела и жидкости, а также вязкость последней). К частицам коллоидных размеров этот способ непосредственно не применим, т. к. скорость их оседания слишком ничтожна. Однако применяя вместо силы тя- | жести очень значительную центробелшую. силу, можно ускорить седиментацию К. и сделать ее доступной измерению. Этот метод получил название «ультрацентрифугирования». Перечисленные приемы непосредственного подсчета числа коллоидных частиц, их механического отделения фильтрацией или центрифугированием не отличаются по существу от аналогичных приемов, применяемых к более грубым микроскопич. взвесям. Однако наряду с этим к измерению величины коллоидных частиц применяются и те методы, к-рыми пользуются для измерения молекулярного веса в растворах кристаллоидов. Ультрамикроскоп сделал видимыми частицы коллоидных растворов («субмикроны») и тем как будто углубил различие между ними и оптически не разрешимыми растворами кристаллоидов. Однако он в то же время позволил распространить молекуляр-но-кинетические представления на коллоидные растворы и даже на более грубые взвеси и выявил полную аналогию между поведением различных дисперсных частиц и молекул. Это важнейшее обобщение явилось результатом изучения Броуновского движения (см.). Как показали исследования Эйнштейна, Смолуховского, Перена и др. (Einstein, Smoluchowski, Perrin), оно представляет настоящее молекулярное движение, тем более быстрое, чем больше диаметр частиц приближается к молекулярным размерам. Исследование Броуновского движения коллоидных частиц показало, что их кинетическая энергия не зависит от их величины и равняется кинетической энергии молекул в истинных растворах (при той же t°). Поэтому осмотическое давление К. пропорционально концентрации коллоидных частиц. Зная общий вес растворенного К. и его плотность, можно по численности частиц определить их величину. Впрочем измерение осмотического давления К. представляет значительные трудности и не всегда может быть произведено с достаточной точностью. В противоположность кинетической энергии скорость диффузии уменьшается при увеличении размеров коллоидных частиц и представляет дальнейший путь к определению последней. Форма и структура коллоидных частиц. При вычислении диаметра коллоидной частицы ей обычно приписывали шарообразную форму. Принимали, что в противоположность кристаллическим телам частицы К. аморфны и под влиянием поверхностных сил принимают сферическую форму, соответствующую минимуму свободной поверхности. Впервые Негели (Nageli) высказал тот взгляд, что коллоидная частица, или мицела представляет мельчайший ультра-микроскопич. кристаллик. Кристаллические свойства, в частности двойное лучепреломление, обнаруживаемые многими органическими веществами и жизненными структурами, Негели объяснял тем, что эти вещества построены из мельчайших, невидимых в микроскоп частиц (по современной терминологии «субмикронов»), кристаллических ми-цел. Эти мицелы играют такую же роль в коллоидных системах, какую молекулы в истинных растворах. В отличие от молекулярных растворов коллоидальные системы представляют по выражению Негели «мице- лярные растворы». Соединяясь друг с другом, мицелы могут сохранять строгую, правильную ориентировку и вырастать в настоящие кристаллы или же в органические волокна, имеющие иек-рые кристаллические свойства. При быстром соединении они чаще срастаются в хаотические, неправильные, нередко древовидно разветвленные комплексы, составляющие напр. основу гелей. Несмотря на первичную кристаллическую структуру они оказываются в этом случае внешне аморфными. Взгляды Негели, не получившие сперва признания, были затем воскрешены Веймарном, Амброном, Шеррером и др. (Weimarn, Ambronn, Scherrer). Самыми различными методами была доказана кристаллическая природа очень многих, хотя все же далеко не всех, коллоидных субмикронов. Аморфность не считается более характерным признаком коллоидального состояния, а мицела представляет основное понятие в современном понимании структуры коллоидов.-Не останавливаясь здесь подробнее на кристаллической структуре ми-цел, следует указать, что в очень многих случаях она действительно может быть обнаружена. Наиболее надежным методом исследования структуры кристаллов является в настоящее время рентгенографический. Кристаллы характеризуются правильным расположением атомов или ионов, неподвижно фиксированных на одинаковых расстояниях друг от друга. Правильная геометрическая форма кристаллов является внешним выражением этой пространственной кристаллической решотки атомов. Она вызывает диф-фракцию падающих на кристалл рентген. лучей, подобно тому как при помощи более грубых искусственных диффракционных ре-шоток получают диффракционный спектр видимого света. Вопреки старому представлению об аморфности К. при помощи этого метода (разработанного гл. обр. Шеррером) с несомненностью установлена кристаллическая структура частиц очень многих К. (например коллоидного золота, серебра и многих др.). Наряду с этим некоторые К. действительно состоят из аморфных частиц. Кристаллической решотке должна сопутствовать внешняя кристаллическая форма. Ее удается ясно обнаружить в тех случаях, когда она резко отклоняется от сферической: именно, когда одна из осей кристалла сильно развита или, напротив, очень укорочена по сравнению с двумя другими. В первом случае коллоидная частица имеет палочковидную, во втором-пластинчатую форму. Если под влиянием какой-либо внешней силы они располагаются своими продольными осями параллельно друг другу, то их форма может быть определена по явлениям поляризации света, даваемым таким раствором. Подобная параллельная ориентировка кристаллических частиц получается напр. в текущей жидкости благодаря возникающему при движении трению.--Часто наступающие в коллоидных растворах изменения степени дисперсности приводят к другой характер-нон особенности строения коллоидных частиц. При росте кристалла форма его остается неизменной; точно так же при слиянии капелек эмульсии они снова образуют та- кие же сферические капли. Напротив, при уменьшении степени дисперсности коллоидного раствора, происходящем путем соединения его частиц, последние соприкасаются только немногими своими точками, дают рыхлое, хлопьевидное соединение. Поэтому от первичныхколлои д.н ы х частиц, форма и структура к-рых была рассмотрена выше, следует отличать в т о р и ч -н ы е частицы, образуемые хлопьевидным соединением двух или большего числа первичных. Для вторичных коллоидных частиц Жигмонди предложил название п о -л и о н ы, для первичных-м о н о н ы, или протоны (последнее название не может быть сохранено, т.к. оно служит для обозначения единицы положительного электричества-атомного ядра Н; см. Водородные ионы). Соединение первичных частиц во вторичные часто сопровождается резким изменением окраски. Известный пример такой перемены окраски дает гидрозоль золота. Коллоидные процессы. Если в учении о структуре устанавливалась все более полная аналогия между коллоидными системами и растворами кристаллоидов, то глубокое различие сохранялось в характере действующих в них сил и происходящих в них процессов. Между тесно сближенными молекулами возникают, как известно, значительные силы притяжения, быстро убывающие с расстоянием. Взаимно уравновешиваясь в середине молекулярных агрегатов, они проявляются на их поверхности в виде поверхностного натяжения. Вместо осмотического давления, представляющего основной вид механической энергии в истинных растворах, при коллоидном распределении вещества особенно большое значение приобретает эта поверхностная энергия, непосредственно зависящая от величины пограничных поверхностей, а следовательно от степени дисперсности коллоида, от величины его частиц. Не меньшее значение получает также пограничная разность потенциалов, электрический заряд на поверхности коллоидных частиц. Энергия коллоидной системы (энергия по преимуществу поверхностная) оказывается поэтому функцией степени дисперсности коллоида. Вследствие этого различные энергетические изменения коллоидных систем (в особенности изменения электрического заряда) имеют своим непосредственным результатом быстрые изменения их дисперсности, соединение мелких коллоидных частиц в более крупные агрегаты или же напротив-распад последних (пептизацию). В этих характерных коллоидных процессах, в легкости изменения степени дисперсности заключается главное их отличие от стойкого молекулярного распределения т. н. истинных растворов. Представление о преобладающем влиянии поверхностных, капилярных (и электрокапилярных) сил в наиболее крайней форме развил Фрейндлих (Freundlich), трактующий всю коллоидную химию как «капилярную химию». На чисто химические процессы, протекающие в коллоидных системах, было распространено представление об их зависимости от капилярных сил, о неприменимости к ним обше-химических законов. Вместо соединения ре- агирующих веществ в простых эквивалентных отношениях для коллоидов считались характерными адсорпционные соединения, количественно выражающиеся адсорпцион-ной изотермой Фрейндлиха. Особенно большое влияние на свойства коллоидов оказывают при этом воздействия, изменяющие их гидрофильность, сродство между коллоидом и растворителем. Изучение особенностей коллоидально-химического действия электролитов связано главным образом с именем Гофмейстера (Hofmeister) (см. Гофмейстера ряды). -Совершенно противоположную позицию заняла другая группа исследователей, среди к-рых следует прежде всего назвать Паули (Pauli). Согласно этим исследователям при устранении многочисленных источников ошибок, во многих случаях затемняющих картину, к коллоидным системам, в частности к практически наиболее важным из них-белковым растворам, вполне применимы общехим. законы. В отношении химизма между ними и кристаллоидами нет принципиальной противоположности, как нет ее и в отношении других свойств. Особенно последовательно провел эту точку зрения Леб (Loeb). Теоретической основой для совершенно новой трактовки коллоидных процессов послужил Лебу принцип Доннана (Donnan), устанавливающий особую форму равновесия ионов по обе стороны мембраны, непроницаемой для одного из них (см. Доннана равновесие). Целый ряд коллоидных свойств и коллоидных процессов (осмотическое давление, набухание, вязкость, их зависимость от электролитов и др.) может быть непосредственно выведен из неспособности коллоидных ионов проникать через кэллоидные мембраны и гели. Коллоидальные свойства обнаруживаются при наличии преграды, задерживающей данный (коллоидный) ион, но проницаемой для остальных присутствующих ионов. Только при таких условиях раствор ведет себя как коллоид. В этом смысле Леб говорит даже не о «коллоидальном состоянии», а о «коллоидальном поведении» белковых растворов. Электрический заряд. Приложение электрических сил к коллоидным растворам показывает, что коллоидные частицы несут положительные или отрицательные заряды и передвигаются поэтому в электрическом поле (см. Катафорез). Электрокинетические явления позволяют изучить свойства этого заряда и установить его величину. Причина возникновения заряда не может считаться окончательно выясненной; пови-димому она не во всех случаях одинакова. Часто заряд зависит от хим. природы коллоидной частицы. Вещества, отличающиеся кислотным характером, напр. танин, мастика, кремневая к-та, приобретают в чистой воде отрицательный заряд; основные вещества, как гидроокиси металлов (железа, алюминия и др.),-положительный. Очевидно, несмотря на повидимому полную нерастворимость этих веществ, небольшое количество ионов водорода или гидроксила переходит в раствор, оставляя на коллоидной частице заряд противоположного знака. В большинстве случаев наибольшее значение имеет адсорпция (см.) находящихся в растворе электролитов на поверхности коллоидной частицы: сильнее адсорбируемый ион сообщает ей свой знак заряда. Наибольшую активность проявляют в этом отношении с одной стороны многовалентные катионы тяжелых металлов, с другой-нек-рые многовалентные анионы. Следует наконец упомянуть о правиле Кена (Coehn), согласно которому если коллоидная система состоит из двух непроводников, то положительный заряд приобретает вещество, имеющее большую диэлектрическую постоянную (см. Диэлектрики). Т. к. вода имеет очень высокую диэлектрическую постоянную, большую, чем большинство К., то последние (при отсутствии первых двух причин возникновения заряда) приобретают в чистой воде отрицательный заряд. Вследствие электронейтральности раствора в целом, заряд коллоидной частицы уравновешивается разноименным зарядом прилегающего к ней слоя жидкости, причем оба противоположные заряда образуют электрический двойной слой (см.). Химический состав коллоидной частицы. Электрический заряд, определяющий очень многие свойства К., зависит в свою очередь от хим. состава как самой коллоидной мицелы, так и окружающей ее («ин-термицелярной») жидкости. Однако обычное обозначение К. не дает -еще достаточного представления об его хим. составе. Напр. когда говорят о золе сернистого мышьяка или гидроокиси железа, то указанные вещества действительно составляют главную, количественно преобладающую часть мицелы. Однако последняя содержит наряду с ними небольшую примесь электролитов, состав и концентрация к-рых зависят от способа приготовления (или дальнейшей обработки) К. Эти электролиты, адсорбированные часто в ничтожном количестве на поверхности коллоидной частицы, представляют активную ее часть, обусловливающую целый ряд важнейших ее свойств. Жигмонди предложил при обозначении К. обводить квадратной рамкой формулу основной массы коллоидного вещества (устанавливаемую обычным химич. анализом его осадка), помещая вне этой рамки активную, ионогенную часть мицелы. Так, при описанных выше методах приготовления золя сернистого мышьяка активной частью является в нем примесь сероводорода, частичная диссоциация к-рого (на HS" и Н") сообщает К. отрицательный заряд. Не фиксируя количественного соотношения между As 2 S 3 и H 2 S (которое может варьировать в очень широких пределах), для соответствующего К. получают формулу: |As 2 S:i | HS" + Н". Подобным же образом мицела гидроокиси железа имеет состав jFe(OH) 3 l Fe"""+ЗСГ. Как показывают приведенные формулы, под мицелой понимают не только основную массу коллоидной частицы вместе с адсорбированными ею ионами, но и ионы противоположного знака, образующие внешнюю обкладку двойного слоя. Для одной только заряженной коллоидной частицы без прилегающих к ней противоположно заряженных ионов франц. авторы применяют название «гранула». Гранула представляет как 0ц гищнт- ский коллоидный ион. Находящиеся в растворе разноименные кристаллоидные ионы Паули предложил называть «противоиона-ми» (Gegenionen). Кристаллоидные примеси, связанные коллоидными частицами, должны находиться в адсорпционном равновесии с концентрацией тех же веществ в окружающей жидкости. Поэтому, как ни мала эта концентрация в тщательно диализированных золях, она все же не может равняться нулю. Т. о. интермицелярная жидкость содержит хотя бы в очень низкой концентрации те же электролиты, которые составляют активную часть мицелы; она никогда не является чистой ВОДОЙ. Факторы стабильности К. Микроскоп. взвеси, напр. взвесь эритроцитов в крови, оседают с значительной скоростью. Но по мере уменьшения величины частиц скорость их падения быстро уменьшается. Для частиц коллоидальных размеров она ничтожно мала, и раствор может в течение долгого времени сохранять б. или м. равномерное распределение. Этому способствует также Броуновское движение, перемешивающее субмикроскопические частицы наподобие того, как молекулярное движение перемешивает молекулы истинного раствора. Однако целый ряд воздействий способен вызвать крайне быстрое, почти мгновенное выпадение К. из раствора. Действие их сводится к тому, что они вызывают аглютина-цию коллоидных частиц, соединение их в более крупные агрегаты. Неизбежным результатом такого укрупнения взвешенных частиц является их быстрое оседание. Поэтому все факторы, препятствующие соединению коллоидных частиц, поддерживают стойкость коллоидного раствора. Таким стабилизирующим фактором является прежде всего электрический заряд. Силы электростатического отталкивания препятствуют соединению одноименно заряженных частиц. Ряд исследований показал, что пограничный потенциал коллоидных частиц должен упасть ниже известного предела-т. н. критического потенциала, чтобы сделать возможной коагуляцию К. При уменьшении заряда ниже этого критического значения находящиеся в Броуновском движении частицы при столкновении могут соединяться друг с другом. Впрочем сперва повидимому только небольшой процент столкновений (наиболее сильные или центральные удары) приводят к соединению. При дальнейшем уменьшении пограничного потенциала этот процент (а вместе с ним и скорость коагуляции) быстро возрастает, приближаясь к постоянному пределу. Последний достигается тогда, когда каждое столкновение коллоидных частиц завершается их соединением. Вследствие такого стабилизирующего влияния электрического заряда изменения его-знака или величины оказывают решающее влияние на многие коллоидальные процессы. Как было указано выше, адсорбированный коллоидной частицей электролит представляет активную часть мицелы, сообщающую ей электрическ. заряд и обусловливающую ее стойкость. Если путем продолжительного диализа освободить К. от стабилизирующего электролита, он делается крайне нестойким и нередко самопроизвольно коагулирует. Еще легче вызвать коагуляцию путем прибавления электролита, из к-рого К. адсорбирует противоположно заряженный ион, нейтрализующий его собственный электрич. заряд. Выпавший осадок можно снова перевести в раствор, если подействовать на него электролитом, один из ионов к-рого сильно адсорбируется и снова заряжает коллоидные частицы. Подобное действие нередко может производить даже тот самый электролит, к-рый вызвал выпадение осадка. Первые порции его нейтрализуют заряд коллоидной частицы и действуют поэтому коагулирующе; последующие вызывают появление нового заряда (противоположного знака) и вследствие этого растворяют. Такое растворение коллоидального осадка путем обработки его стабилизирующим электролитом получило название «пептизации». Пептизация является одним из важнейших дисперсионных методов приготовления коллоидных растворов.-В то время как для стабилизации гидрофобных (или лиофобных) К. электрический заряд имеет решающее значение,у К.гидрофильных к влиянию заряда присоединяется другой, не менее важный фактор. Этим фактором является самая гидрофильность К., сродство между К. и растворителем, т. е. тот же фактор, к-рый определяет стойкость истинных растворов. Для осаждения гидрофильных К., к к-рым принадлежит большинство биоколлоидов, необходимо устранить оба фактора стабильности-гидрофильность и заряд. Гидрофильность белковых растворов может быть устранена как путем обратимого отнятия воды (напр. действием спирта), так и в результате необратимого хим. изменения (см. Денатурирование). В обоих случаях осаждение электролитами производится после этого таким же образом, как и в случае гидрофобных К. Влияние ионов на гидрофильность К. особенно сильно проявляется в т. н. Гофмейстера рядах (см.). О стабилизирующем влиянии нек-рых коллоидов на растворы других коллоидов-см. Защитное действие. Биологическое значе ни еК.Нужно сказать, что в то время как основные принципы учения о структуре коллоидных систем являются в наст, время прочно установленными, механизм важнейших коллоидальных процессов остается еще весьма спорным. Взаимоотношения коллоидной химии и химии общей, роль адсорпции и химизма, значение капилярных сил и принципа Донна-на-все эти вопросы продолжают служить предметом не только экспериментальных исследований, но и ожесточенных теоретических споров. Быстрое развитие коллоидной химии, в течение короткого времени превратившейся в самостоятельную обширную научную дисциплину, объясняется гл. образ. тем интересом, к-рый она представляет для биол. наук. Живой организм состоит из коллоидных веществ, и изучение коллоидального субстрата жизни составляет необходимую основу для понимания жизненных явлений. Исследование физиол. действия ионов (см.), так же как и большинства других физиол. агентов, показывает, что оно вполне совпадает с влиянием тех же воздействий на биоколлоиды. Этим определяется тот огромный интерес, к-рый приобретает химия К. для понимания процессов, происходящих в живом организме. Многочисленные сложнейшие биол. проблемы могут быть изучены на простых коллоидальных моделях, и неудивительно, что целый ряд биологов не только пользовался в своей работе результатами, добытыми коллоидной химией, но принимал активное участие в разработке этой науки. Лит.: Александер Д., Коллоидная химия, Л., 1926; Андреев II., Введение в коллоидную химию, Москва, 1924; Б э й л и с В., Коллоидальное состояние в медицине и физиологии, М.-Л., 1925; Handovsky H., Основные понятия коллоидной химии, Берлин, 1925; Г а т ч е к Э., Введение в физику и химию коллоидов, М.-Л., 1927; Дюкло Ж., Коллоиды, М., 1924; Жоэль Э.(.Тоё1Е.), Клиническая коллоидная химия, Берлин, 1923; Курбатов В., Химия коллоидов и студней, Л., 1925; Мих ае-л и с Л., Практикум по физической химии, Л., 1925; Наумов В., Химия кОллоидов, Л., 1926; Оствальд В., Краткое практическое руководство по коллоидной химии, Л., 1925; Паули В., Белки и коллоиды, М.-Л., 1928; Песков Н., Коллоиды, Иваново-Вознесенск, 1925; П ё ш л ь В., Введение в коллоидную химию, Одесса, 1912; Пржеборов-с к и й Я., Введение в физическую и коллоидную химию, М.-Л., 1928; Сведберг Т., Образование коллоидов, Ленинград, 1927; Ш а д е Г., Физическая химия во внутренней медицине, Ленинград, 193 0 (нем. изд.-Dresden-Lpz., 1923); Alexander J., Colloid chemistry, v. I-Theory a. methods, v. II-Biology a. medicine, N. Y., 1926-28; Bechhold H., Die Kol-loide in Biologie und Medizin, Dresden-Lpz., 1929; Freundlich H., Kapillarchemie, Dresden, 1923; он же, Kolloidchemie u. Biologie, Dresden-Lpz., 1924 (рус. изд.-Л., 1925); о н ж е, Grundzuge der Kolloidlehre, Lpz., 1924; он же, Fortschritte der Kolloidchemie, Dresden-Lpz., 1927; H e i 1 b r u n n L., The colloid chemistry of protoplasm, Berlin, 1928; Kolloidforschungen in Einzeldarstellungen, hrsg. v. R. Zsigmondy, Lpz., с 1926; Lepeschkin W., Kolloidchemie des Protoplasmas, В., 1924; L i e s e-gang R., Biologische Kolloidchemie, Dresden-Lpz., 1928; Loeb J., Protein and the theory of colloidal behavior, N. Y., 1922; Ostwald Wo., Grundriss der Kolloidchemie, Dresden-Lpz., 1909; Pauli W. u. V a 1 k 6 E., Elektrochemie der Kolloide, В., 1929; Svedberg Th., Methoden zurHerstellungkolloider LOsungen, Dresden, 1909; Zsigmondy R., Kolloidchemie, T. 1-2, Lpz., 1925-27 (лит.). Периодическое издание.-Kolloid-Zeitschrift, Dresden-Lpz., с 1906 (до 1913-под назв. Zeitschrift f. Chemie u. Industrie der Kolloide; с 1910 дает приложение- Kolloidchemische Beihefte).Д. Рубинштейн.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Государственное бюджетное образовательное учреждение города

Гимназия №1518

Свойства и применение коллоидных систем

Выполнила: Назарова Д.В.

ученица 9-1 класса

Научный руководитель:

учитель Белоусова М.Н.

Москва - 2014

Введение

1. Виды коллоидных растворов

1.1 Способы получения

1.2 Основные свойства коллоидов

1.3 Способы очистки: а) диализ б) ультрафильтрация

1.4 Применение

2. Практическая часть

Заключение

Литература

Приложения

Введение

Чистые вещества в природе встречаются очень редко. Коллоидные системы занимают промежуточное положение между грубодисперсными системами и истинными растворами. Они широко распространены в природе.

Глобальная роль коллоидов в естествознании заключается в том, что они являются основными компонентами таких биологических образований как живые организмы. Весь наш организм состоит из коллоидных систем. Существует целая наука - коллоидная химия. Передо мной сразу встал вопрос, почему природа отдает предпочтение именно коллоидному состоянию?

В связи с этим вытекают следующие цель и задачи:

Цель работы: выяснить, что такое коллоидные системы, какими свойствами они обладают.

Задачи: 1. Провести экспериментальные опыты по изучению свойств коллоидных растворов.

2. Ответить на вопрос: почему природа отдает предпочтение именно коллоидному состоянию.

1. Виды коллоидных растворов

Термин «коллоид» был введен в 1861 году английским химиком Томасом Грэмом. В его экспериментах он заметил, что растворы желатина, крахмала и других клееподобных веществ очень отличаются по ряду свойств от растворов неорганических солей и кислот. Название произошло от греческой приставки «коло» - клей. Правильно говорить не о коллоидных веществах, а о коллоидных системах. Этот термин ввел русский ученый П.П. Веймарн в 1908 году. Разнообразие коллоидных систем можно увидеть на картинках.

Частицы коллоидных размеров могут иметь различную внутреннюю структуру. Выделяют несколько основных видов коллоидных систем:

1) дым -- устойчивая дисперсная система, состоящая из мелких твёрдых частиц, находящихся во взвешенном состоянии в газах. Дым -- аэрозоль с размерами твёрдых частиц от 10?7 до 10?5 м. В отличие от пыли -- более грубодисперсной системы, частицы дыма практически не оседают под действием силы тяжести

2) аэрозоль -- дисперсная система, состоящая из взвешенных в газовой среде, обычно в воздухе, мелких частиц. Аэрозоли, дисперсная фаза которых состоит из капелек жидкости, называются туманами, а в случае твёрдых частиц, если они не выпадают в осадок, говорят о дымах (свободнодисперсных аэрозолях), либо о пыли (грубодисперсной аэрозоли).

3) эмульсия -- дисперсная система, состоящая из микроскопических капель жидкости (дисперсной фазы), распределенных в другой жидкости. Самым распространенным представителем этого вида коллоидной системы является молоко.

4) пена -- дисперсные системы с газовой дисперсной фазой и жидкой или твердой дисперсионной средой.

5) гель -- системы, состоящие из высокомолекулярных и низкомолекулярных веществ. Из-за наличия трёхмерного полимерного каркаса (сетки) гели обладают некоторыми механические свойства твёрдых тел (отсутствие текучести, способность сохранять форму, прочность и способность к деформации (пластичность и упругость).

6) суспензия -- это грубодисперсная система с твёрдой дисперсной фазой и жидкой дисперсионной средой.

Вот некоторые примеры коллоидных систем (рис.1-8).

1. 1 Получение коллоидов

Коллоидные системы по степени дисперсности занимают промежуточное положение между молекулярными и грубодисперсными системами. Это определяет два возможных пути их получения:

1) Дисперсионные методы

2) Конденсационные методы.

Дисперсионные методы:

Дисперсионные методы основаны на раздроблении твердых тел до частиц коллоидного размера и образовании таким образом коллоидных растворов. Процесс диспергирования осуществляется различными методами: механическим размалыванием вещества в т.н. коллоидных мельницах, электродуговым распылением металлов, дроблением вещества при помощи ультразвука.

Методы конденсации:

Вещество, находящееся в молекулярно-дисперсном состоянии, можно перевести в коллоидное состояние при замене одного растворителя другим - т.н. методом замены растворителя. В качестве примера можно привести получение золя канифоли, которая не растворяется в воде, но хорошо растворима в этаноле. При постепенном добавлении спиртового раствора канифоли к воде происходит резкое понижение растворимости канифоли, в результате чего образуется коллоидный раствор канифоли в воде. Аналогичным образом может быть получен гидрозоль серы.

1. 2 Основные свойства к оллоидов

Главная особенность коллоидных частиц - их малый размер от 1 до 100 нм.

Коллоидные частицы не препятствуют прохождению света.

Частицы коллоидных систем не выпадают в осадок за счет Броуновского движения.

В прозрачных коллоидах наблюдается рассеивание светового луча (эффект Тиндаля).

Дисперсные частицы не выпадают в осадок

1. 3 Способы очистки коллоидов

Существуют три основных способа очистки коллоидов.

1) Диализ. Простейшим прибором для диализа - диализатором - является мешочек с полунепроницаемой мембраной (коллодий), в который помещается диализируемая жидкость. Мешочек опускается в сосуд с растворителем (водой). Меняя растворитель, можно добиться практически полной очистки от нежелательных примесей. Скорость диализа обычно крайне низка. Ускоряют процесс диализа, увеличивая площадь мембраны и температуру, непрерывно меняя растворитель. Материал, прошедший через мембрану называется диализат.

2) Ультрафильтрация - фильтрование коллоидных растворов через полупроницаемую мембрану, пропускающую дисперсионную среду с примесями и задерживающую частицы дисперсной фазы или макромолекулы. Для ускорения процесса ультрафильтрации ее проводят при перепаде давления по обе стороны мембраны: под вакуумом или повышенным давлением.

Ультрафильтрация есть не что иное, как диализ, проводимый под давлением.

1. 4 Применение

Коллоидные системы широко распространены в природе: почва, глина, природные воды, многие минералы, драгоценные камни. Биологические жидкости: кровь, плазма, лимфа, спинномозговая жидкость, ядерный сок, цитоплазма. С химической точки зрения организм в целом - это совокупность многих коллоидных систем. В состав любого живого организма входят твердые, жидкие и газообразные вещества, находящиеся в сложном взаимоотношении с окружающей средой. Цитоплазма клеток обладает свойствами, характерными, как для жидких, так и студнеобразных веществ.

Большое значение имеют коллоидные системы не только для биологии, но и для медицины, косметологии, пищевой промышленности.

Свойства коллоидов необходимо учитывать при их использовании, например явление синерезиса (самопроизвольного уменьшения объема геля, сопровождающееся отделением жидкости) определяет сроки годности пищевых, медицинских и косметических веществ: гелей, мазей, мармелада, холодца, киселя. Для теплокровных животных очень важен биологический синерезис, который сопровождает свертывание крови. Под действием факторов растворимый белок крови фибриноген превращается в нерастворимый фибрин, сгусток которого и закупоривает рану. Если этот процесс затруднен, то говорят о возможности заболевания человека гемофилией.

Используются человеком и способы очистки коллоидов, так например, принцип компенсационного диализа (принцип метода в том, что в диализаторе вместо чистого растворителя используют растворы определяемых низкомолекулярных веществ различной концентрации.) был использован при создании аппарата, названного «искусственной почкой». С помощью него можно очищать кровь больного от различных продуктов обмена, замещая временно функцию больной почки при таких показаниях, как острая почечная недостаточность, например в результате отравлений.

Коллоидная химия играет большую роль в разработке эффективных методов охраны окружающей среды. Одна из главных проблем в этой области - очистка воды от различных загрязнений. Характерный пример - загрязнение водоёмов и рек белковыми веществами, содержащимися в сточных водах предприятий пищевой промышленности.

Особенно эффективная очистка достигается с помощью пен, обладающих определёнными коллоидно-химическими характеристиками. Другой пример - загрязнение поверхности воды нефтью при авариях танкеров. Нефтяное пятно может распространяться на очень большие расстояния от места аварии. Законы коллоидной химии и поверхностных явлений позволяют рекомендовать возможные приёмы блокирования растекания нефти и её сбора.

коллоидный биологический медицина косметология

2. Практическая часть

В ходе работы мною были проведены следующие опыты:

1. Получение коллоидных систем.

А) KMnO2+Na2S2O3=

Б) AgNO3 + KI = AgI + KNO3

2. Описание работы

3. Эффект Тиндаля

В наших опытах использовались прозрачные емкости - стеклянные цилиндры, химические стаканы, и лампа, дающая направленный пучок света (карманный фонарик).

Заключение

В результате изучения литературы и проведения практических опытов я могу предположить, природа отдает предпочтение именно коллоидному состоянию потому, что:

Вещество в коллоидном состоянии имеет большую поверхность раздела между фазами. А это способствует лучшему протеканию обмена веществ.

Биологический синерезис (самопроизвольное уменьшение объема геля, сопровождающееся отделением жидкости) играет важную роль в процессе свертывания крови.

Явление коагуляции (слипания коллоидных частиц) при изменении кислотно-щелочной среды лежит в основе пищеварения.

Вся природа - организмы животных и растений, гидросфера и атмосфера, земная кора и недра - представляет собой сложную совокупность множества разнообразных и разнотипных грубодисперсных и коллоидно-дисперсных систем. Дисперсное состояние вполне универсально и при соответствующих условиях в него может перейти любое тело.

В практической части проделали опыты, позволяющие познакомиться с эффектом Тиндаля

Из коллоидов, богатых белками соединительной ткани (аминокислоты пролин и глицин), состоят кожа, мышцы, ногти, волосы, кровеносные сосуды, легкие, весь желудочно-кишечный тракт и многое другое, без чего немыслима сама жизнь.

Применение коллоидов находит все большее применение в медицинской практике.

От использования простых коллоидных золей для местной заживляющей терапии и применения солей алюминия и магния для понижения кислотности желудка, до использования гидроокиси алюминия в качестве стабилизатора и носителя лекарственных веществ.

Знания коллоидной химии необходимы и востребованы в наше время, что находит подтверждение в моих словах.

Литература

1. Шаде Г., Физическая химия во внутренней медицине, Л.,1930

2. Пасынский А.Г., Коллоидная химия, 3 изд., М., 1968

3. Г.Е. Рудзитис. Химия 11 класс. М., Просвещение, 2009 г.

4. Л.М. Пустовалова, И.Е. Никанорова. Химия, Кнорус.

5. Физколлоидная химия. Учебник для высшей школы. М., Просвещение, 1988 г.

6. Сайт с формулами коллоидов

Приложение

Примеры коллоидных систем

Рис. 1. Продукты питания

Рис. 2. Нефть

Рис. 3. Коллоидное серебро

Рис. 4. Гели для бритья

Рис. 5. Туман

Рис. 6. Обработанный алмаз

Рис. 7. Кровь

Кровь является типичными примером ткани организма, где одни коллоиды находятся внутри других. В.А. Исаев дает определение крови как дисперсной системе, в которой форменные элементы - эритроциты, тромбоциты, лейкоциты являются фазой, а плазма - дисперсной средой.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

Коллоидная химия как наука, изучающая физико-химические свойства гетерогенных, высоко-дисперсных систем и высоко-молекулярных соединений. Производство и методы очищения коллоидных растворов. Применение гелей в пищевой промышленности, косметике и медицине.

презентация , добавлен 26.01.2015


Классификация дисперсных систем. Основные факторы устойчивости коллоидных растворов. Методы их получения (диспергирование, конденсация) и очистки (диализ, ультрафильтрация). Мицеллярная теория строения коллоидных частиц. Коагуляция смесями электролитов.

презентация , добавлен 28.11.2013


Сущность и определяющие признаки коллоидных систем. Основные свойства и строение растворов такого типа. Характеристика эффекта Тиндаля. Различия гидрозолей и органозолей. Способы образования коллоидных систем, специфические свойства, сфера применения.

презентация , добавлен 22.05.2014


Способы получения коллоидных систем; факторы, влияющие на скорость отдельных стадий процесса, правила коагуляциии. Астабилизирующее действие низкомолекулярных примесей в коллоидных растворах, методы их удаления: диализ, электродиализ и ультрафильтрация.

презентация , добавлен 17.09.2013


Понятие коллоидной системы. Коллоидная химия. Развитие представлений о коллоидных системах, их типы и свойства. Лиофобные золи. Лиофильные коллоиды и области приминения коллоидов. Коллоидно-химическая физиология человека, клеток и тканей организма.

реферат , добавлен 28.06.2008


Хитозан: строение, физико-химические свойства, измельчение, хранение и получение. Применение в медицине, аналитической химии, бумажной и пищевой промышленности, в косметологии. Характеристика химического состава панциря, органолептические показатели.

практическая работа , добавлен 17.02.2009


Первые практические сведения о коллоидах. Свойства гетерогенных смесей. Соотношение между поверхностью коллоидной частицы и объемом коллоидной частицы. Своеобразие дисперсных систем. Особенности коллоидных растворов. Классификация дисперсных систем.

презентация , добавлен 17.08.2015


Особенности получения коллоидных систем. Теоретический анализ процессов формирования кварцевых стекол золь-гель методом. Получение золь-коллоидных систем по "гибридному" методу. Характеристика свойств квантовых стекол, активированных ионами европия.

курсовая работа , добавлен 14.02.2010


Понятие и химический состав агар-агара, способы и методы его получения, их сравнительная характеристика, главные этапы, оценка преимуществ и недостатков. Особенности и направления использования агар-агара и агарозы в сферах промышленности и медицине.

реферат , добавлен 06.10.2014


Бензойная кислота C6H5СООН - простейшая одноосновная карбоновая кислота ароматического ряда: история; физические свойства и способы получения; лабораторный синтез; применение в калориметрии, в пищевой промышленности, медицине; воздействие на здоровье.