Колоїдна хімія - Енциклопедія Сучасної України
Beta-версія
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 зв’язків 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 зв’язку з потребами пром-сті 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 пром-сті, екології та суміж. природн. наук. дисциплін.

Виникнення К. х. як самост. науки пов’язують 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. Ун-ту 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. т-ва», 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 зв’яза­ної 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 пов’язує квадрат зміщення колоїд. частинок з їхнім радіусом та із в’язкістю 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. ун-ту (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. ун-ті (1898–1913) М. Смолуховський, окрім молеку­лярно-кінет. теорії, розвинув тео­рію електроосмосу, швидкої коа­гуляції, електров’язкіс. 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 об’єктів 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 зв’язаної води, показали велику роль водневого зв’язку 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 Ун-ті 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 вироб-во. 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 Ін-ті колоїд. хімії та хімії води, Ін-ті хімії високомолекуляр. сполук, Ін-ті біо­колоїдної хімії НАНУ та ін. академ. установах; фахівців готують на спеціалізов. кафедрах Київ., Львів., Харків. ун-тів.

Літ.: Думанский А. В. Лиофильность дисперсных систем. К., 1960; Овча­ренко Ф. Д. Мир опознанных величин. Москва, 1979; Липатов Ю. С. Колло­идная химия полимеров. К., 1984; Фро­лов Ю. Г. Курс коллоидной химии. По­­верхностные явления и дисперсные системы. Москва, 1989; Шпак А. П., Ульберг З. Р. и др. Коллоидно-хими­ческие основы нанонауки. К., 2005; Та­­расевич Ю. И. Становление и перспек­тивы развития коллоидной химии в Украине // УХЖ. 2005. Т. 71, № 3; Щу­-кин Е. Д., Перцов А. В., Амелина Е. А. Коллоидная химия. Москва, 2006; Ци­­вадзе А. Ю. Адсорбция, адсорбенты и адсорбционные процессы в нанопорис­тых материалах. Москва, 2011; Тарасе­вич Ю. И. Поверхностные явления на дисперсных материалах. К., 2011; Мчед­лов-Петросян М. О., Лебідь В. І., Глаз­кова О. М., Лебідь О. В. Колоїдна хімія. Х., 2012.

Ю. І. Тарасевич

Стаття оновлена: 2014