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 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 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. 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 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. 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, 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 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.

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

Рекомендована література

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

Читати у файлі PDF