Колоїдна хімія

КОЛО́ЇДНА ХІ́МІЯ — наука, що ви­вчає процеси утво­ре­н­ня і руйнува­н­ня дис­персних систем, властивості речовин у дис­персному стані та поверх­не­ві явища у цих системах. Дис­персні системи складаються із роз­дробленої дис­перс. фази та макро­скопічно неперерв. дис­перс. середовища. Їх роз­різняють за агрегат. станом дис­перс. фази та середовища (твердий, рідкий і газоподіб.): суспензії та золі, емульсії, піни, аерозолі, пористі тіла з рідиною і газом у порах, тверді гетероген­ні системи (сплави, композиц. матеріали тощо). Сучасна К. х. досліджує ультрамікрогетероген­ні (роз­мір частинок 10^-7–10^-5 см), мікрогетероген­ні (10^-5–10^-3 см) та грубодис­перс. (понад 10^-3 см) сис­теми, що мають велике практ. значе­н­ня. За характером взаємодії дис­перс. фази з дис­перс. середовищем усі колоїдні системи поділяються на ліофільні та ліофобні системи. Для ліофільних систем характерна висока спорідненість дис­перс. середо­вища з дис­перс. фазою, що при­зводить до нейтралізації ненасичених звʼязків на поверх­ні ко­лоїд. частинок і низької між­фаз. енергії, яка компенсується ентропійною складовою систе­ми. У результаті ліофільні системи проявляють термодинаміч­ну агре­гативну стійкість, рівноважність, здатність до спонтан. диспергува­н­ня. У ліофобних сис­темах дис­персна фаза має мен­шу спорідненість до дис­перс. середовища, що проявляється у не­зрівноваженості поверхн. сил на між­фаз. межі. Такі системи термодинамічно не­стійкі і потребують спец. стабілізації. Серед роз­ділів К. х. — молеку­лярно-кінет. явища (броунів. рух, дифузія у дис­перс. системах); теорія утворе­н­ня нової дис­перс. фази, виникне­н­ня і росту зародків у мета­стабіл. середовищі; оптика колоїдів тощо. Вони сформувалися у 1-й пол. 20 ст., а нині їх роз­глядають як самост. галузі фізико-хім. науки. У 1950–60-і рр. у самост. галузь ви­окремилася фізико-хім. механіка, яка ви­вчає вплив поверхн. сил на мех. властивості дис­перс. твердих тіл.

Нині роз­виваються пере­важно роз­діли К. х., що ви­вчають поверхн. явища у дис­перс. системах: фундам. основи вче­н­ня про природу поверхн. сил у дис­перс. системах; структура і властивості сольватаційних ша­рів по­близу дис­перс. частинок; електроповерхн. явища у дис­перс. системах; контактне та імерсійне змочува­н­ня дис­перс. твердих частинок рідинами; кон­тактна взаємодія між частинками твердих тіл у різних середо­вищах. Так, у звʼязку з потребами промисловості почали інтенсивно роз­виватися дослідж. для одер­жа­н­ня дис­перс. систем, зокрема тонких (до 1 нм) плівок твердих тіл, мікро- (з радіусом пор r < 2 нм) та мезопористих (r = 3–6 нм) молекулярних сит. Завдання, які стоять перед біологією та медициною, знову від­родили інтерес дослідників до К. х. біополімерів, включно з ви­вченням їхньої взаємодії з твер­дими тілами. Підвищення вимог до якості питної води і збільшен­ня глибини очищення стіч. вод змусило фахівців у галузі К. х. звернутися до її традицій. розділу — вивчення взаємодії водорозчин. полімерів із дисперс. частинками неорган. та орган. природи (забруднювачами при­род. і стіч. вод). Таким чином, наука про колоїди також вивчає проблеми промисловості, екології та суміж. природн. наук. дисциплін.

Виникне­н­ня К. х. як самост. науки повʼязують із дослідже­н­нями англ. вченого Т. Ґрема, який 1861 за­пропонував поділяти роз­­чинені речовини на колоїди та кри­сталоїди, гол. чином — за оз­­накою здатності (кри­сталоїди) або не­здатності (колоїди) проникати через тварин­ні та рослин­ні мем­брани і увів термін «колоїд» (від грец.  — клей). Проф. Університету св. Володимира у Києві І. Борщов у ст. «Про властивості та часткову будову колоїдів, які беруть участь у побудові тіла тварин­них і рослин­них організмів» («Журн. Рос. хім. товариства», 1869, № 1), показав, на противагу по­глядам Т. Ґрема, можливість існува­н­ня однієї речовини у ви­гляді як кри­сталоїду, так і колоїду, та пере­хід речовини з одного стану в інший залежно від умов. Він вперше чітко вказав на універсальність колоїд. стану як високодис­перс. стану даного тіла (фази) у довкіл­лі; впер­ше від­значив наявність звʼяза­ної води, що оточує частинки колоїдів, причому у місцях контакту частинок одна з одною товщина водних оболонок менша, ніж у тих місцях, де такі контакти від­сутні; зробив висновок щодо дифузії колоїд. частинок про обернено пропорційну залежність між роз­міром колоїд. частинок і швидкістю їхньої дифузії, чим перед­бачив у якіс. формі рівня­н­ня Айнштайна–Смо­луховського, що повʼязує квадрат зміще­н­ня колоїд. частинок з їхнім радіусом та із вʼязкістю дис­перс. середовища. Остаточ­но термін «К. х.» уведено в обіг після опублікува­н­ня моно­графії нім. фізико-хіміка, лауреата Но­белів. премії В. Оствальда «Grun­d­riss der Kolloidchemie» («Основи колоїдної хімії», Дрезден, 1909). Проф. Новорос. університету (Оде­са) Ф. Шведов 1890 опублікував роботу, в якій дослідив роз­виток деформації зсуву у структуров. колоїд. системах, що привело до виникне­н­ня реології.

На­прикінці 19 ст. широко роз­горнулися дослідже­н­ня, присвяч. пояснен­ню закономірнос­тей коагуляції колоїд. роз­чинів електролітами, внаслідок чого сформульовано емпіричне пра­­вило Шульце–Ґарді, згідно з яким коагулюючі концентрації одно-, двох- і трьохзаряд. іонів можна при­близно викласти спів­від­ноше­н­ням 1:0,016:0,0015; від­повід­­но, обернені величини, що одер­жали назву коагулюючої здатності, утворюють низку чисел 1:60:700, які при­близно пропорційні до шостого ступеня валентності коагулюючого іона. 1906 А. Айнштайн та М. Смолуховський створили молекулярно-кінет. теорію броунів. руху та ди­фузії колоїд. частинок. Працюючи у Львів. університеті (1898–1913) М. Смолуховський, окрім молеку­лярно-кінет. теорії, роз­винув тео­рію електроосмосу, швидкої коа­гуляції, електровʼязкіс. ефекту у колоїд. системах. Франц. вчений Ж.-Б. Пер­рен 1909 на осно­ві детал. мікро­скопіч. досліджень змішува­н­ня частинок у суспензіях гумігуту екс­периментально під­твердив правильність теорії Айнштайна–Смолуховського. Вина­йде­н­ня щілин­ного ультрамікро­скопа (1903, Р. Зіґмонді, Ґ. Зідентопф) та ультрацентрифуги (1923; Т. Сведберґ) започаткувало екс­перим. ви­вче­н­ня дис­персності колоїд. систем. Амер. фізико-хімік І. Ленґмюр 1916 створив першу кількісну теорію мономолекуляр. адсорб­ції, яка виконала важливу роль при ви­вчен­ні сорбцій. явищ у колоїд. системах. 1910–24 Ґ. Ґуї, Д. Чепмен та О. Штерн закла­ли основи сучас. теорії по­двій. електр. шару на поверх­ні колоїд. частинок. Вче­н­ня про поверхн. явища по­ступово стало теор. фундаментом К. х. У 1930-і рр. рос. вчений М. Пєсков уточнив ознаки обʼєктів К. х. — гетероген­ність і дис­персність, увів поня­т­тя кінет. (седиментацій.) та агрегатив. стійкості колоїд. сис­тем. Одним із найважливіших до­сягнень теор. К. х. є створе­н­ня 1940 Б. Дерягіним та Л. Ландау, а пізніше нідерланд. дослідниками Е. Фервеєм і Дж. Овербеком, теорії стійкості гідрофобних колоїдів (ДЛФО). Кількісні критерії стійкості гідрозолів, що випливають із цієї теорії, дозво­лили пояснити правило Шульце–Ґарді. Теорія ДЛФО описує властивості колоїд. систем, стій­кість яких забезпечується електро­статич. фактором. Проте у реал. дис­перс. системах, поряд із електро­статич. від­штовхуван­ням колоїд. частинок, можуть мати знач. вплив адсорбцій­но-сольват., структурно-мех. та ентро­пійний фактори стійкості. Уявле­н­ня про структурно-мех. і ентропійний фактори стійкості дис­перс. систем роз­винуті у пра­цях рос. вченого П. Ребіндера та учнів його наук. школи (1960-і рр.).

Основоположником К. х. в Украї­ні був А. Думанський, який першим у світ. практиці за­стосував від­центрову силу для осадже­н­ня високодис­перс. частинок і за­­пропонував ідею щодо можливості ви­значе­н­ня таким чином їхніх роз­мірів. Його справу продовжили учні Ф. Овчаренко та О. Куриленко, які у своїх працях роз­винули вче­н­ня про ліофільність дис­перс. систем, ви­вчили властивості звʼязаної води, показали велику роль водневого звʼязку при взаємодії води з гідрофільною поверх­нею. 1903 М. Цвєт від­крив явище хромато­графії. Цей метод нині є одним із осн. для аналізу, концентрува­н­ня і роз­діле­н­ня речовин. 1908 Б. Шишковський в Університеті св. Володимира у Києві виконав прецизійні вимірюва­н­ня поверхн. натягу роз­чинів карбонових кис­лот і за­пропонував рівня­н­ня, яке уві­йшло до всіх під­ручників і моно­графій з К. х. та адсорбції і донині активно використовується дослідниками. 1915 у Петро­граді М. Зелінський роз­робив протигаз, за­пропонував ви­користовувати як по­глинач от­­руюючих речовин деревне вугі­л­ля і опрацював метод його активації для під­вище­н­ня ад­сорб­цій. властивості. У 1930–40-і рр. у Москві, ці роботи були продовжені М. Дубиніним, який чимало зробив для роз­витку адсорбцій. науки в Україні. Особ­ливо швидкими темпами К. х. в Україні роз­вивалася у 1960–70-і рр. Е. Натансон роз­робив оригін. електрохім. метод одер­жа­н­ня органозолів металів і ме­­талополімерів, який широко впро­ваджений у виробництво. У пра­цях І. Не­ймарка закладено ко­лоїдно-хім. основи одержа­н­ня сорбентів та каталізаторів із регульованою пори­стою структурою.

Практ. за­стосува­н­ня фіз.-хім. механіки реалізоване у прик­лад. роз­робках Ф. Овчаренка, М. Круглицького та С. Ничипоренка. Наук.-практ. основи модифікува­н­ня дис­перс. матеріалів різними орган. сполуками роз­винуті у працях Ф. Овчаренка, О. Пащенка та їхніх учнів і послідовників. О. Юрченко заклав основи методу емульсій. полімеризації, який одержав широке практ. ви­зна­н­ня. Знач. внесок у роз­виток К. х. зробили М. Ізмайлов (електрохімія орган. полі­електролітів), Д. Стражеско (вугіл. сорбенти та іонооб­мін­ники, також роз­винув методи одержа­н­ня і за­стосуван­ня окислених вуглів, разом з В. Стрєл­ко започаткував роботи з вугіл. гемосорбентом, що нині широко за­стосовується у медицині), Р. Кучер (фіз.-хім. властивості природ. вуглів), Г. Кар­пенко (фіз.-хім. механіка кон­струкцій. матеріалів), В. Єре­менко (високотемпературна тен­зіометрія), М. Товбін (механізм утворе­н­ня льоду в атмо­сфері під дією дис­перс. матеріалів із різним гідрофільно-гідрофоб. балансом), Ю. Ліпатов, Є. Лебедєв та Ю. Керча (полімери), О. Чуйко (хімія поверх­ні кремнезему), В. Стрєлко (синтез дис­перс. ву­­гіл. та оксид. матеріалів), М. Кар­тель (хімія поверх­ні вуглецевих та вуглецево-мінеральних матеріалів). На базі К. х. на поч. 21 ст. виникла й інтенсивно роз­­вивається нова галузь знань — нанохімія. Дослідж. у галузі К. х. за­ймаються в Ін­ституті колоїд. хімії та хімії води, Ін­ституті хімії високомолекуляр. сполук, Ін­ституті біо­­колоїдної хімії НАНУ та ін. академ. установах; фахівців готують на спеціалізов. кафедрах Київ., Львів., Харків. університетів.

Завантажити статтю