Введение в дисциплину: коллоидная химия

1. Введение в дисциплину

Лекция 1
Введение в дисциплину
ДОЦЕНТ КАФЕДРЫ НАНОРАЗМЕРНЫХ СИСТЕМ И ПОВЕРХНОСТНЫХ
ЯВЛЕНИЙ ИМЕНИ С.С.ВОЮЦКОГО, К. Х. Н. О.А. ДУЛИНА
1

2. Что такое коллоидная химия?

Коллоидная химия – это наука о поверхностных явлениях и гетерогенных
дисперсных системах.

3. Что такое коллоидная химия?

Итальянский ученый Франческо Сельми в 40-х годах XIX
века обратил внимание на аномальные свойства
некоторых растворов, являющихся, согласно
современным представлениям, типичными коллоидными
системами. Эти растворы сильно рассевают свет.
Растворенные в них вещества выпадают в осадок от
прибавления к ним даже небольших количеств солей, не
взаимодействующих с растворенным веществом. Переход
вещества в такой раствор и осаждение из него не
сопровождаются изменениями температуры или объема
системы. Сельми назвал такие растворы
«псевдорастворами». Сейчас их называют золями. К ним
отноcятся золи S, As2S3, AgCl и др.
Франческо Сельми
1817 – 1881

4. Что такое коллоидная химия?

Английский химик Томас Грэм во второй половине
XIX века подробно исследовал свойства этих
растворов и назвал их, а также вещества, которые их
образуют, коллоидами, так как думал, что клей,
называемый по-гречески κωλλα (колла), является
типичным их представителем.
Томас Грэм
1805 – 1869

5. Особенности коллоидных растворов

1.
Все коллоидные растворы способны рассеивать свет, или как говорят
опалесцировать. Опалесценция становится особенно заметной, если, как
это делал Джон Тиндаль, через коллоидный раствор пропускать пучок
сходящихся лучей. Если смотреть на этот пучок с боку, виден ярко
светящийся конус (конус Тиндаля).

6. Особенности коллоидных растворов

2. Диффузия частиц в коллоидных растворах протекает весьма медленно (по
сравнению с истинными) из-за относительно крупной массы частиц, по
сравнению с молекулами.
3. Коллоидные растворы имеют очень малое осмотическое давление, что так же
указывает на больший размер частиц по сравнению с молекулами.
4. Коллоидные растворы способны к диализу, то
есть, с помощью полупроницаемой мембраны
могут быть отделены от растворенных в них
примесей низкомолекулярных веществ. При
диализе молекулы растворенного
низкомолекулярного вещества проходят через
мембрану, а коллоидные частицы не способны
проникать через нее.

7. Особенности коллоидных растворов

5.
Коллоидные растворы агрегативно неустойчивы,
то есть коллоидно-растворенное вещество
способно сравнительно легко выделяться из
раствора (коагулировать) под влиянием
незначительных внешних воздействий.
6.
Коллоидные растворы обычно обнаруживают
явление электрофореза (перемещение коллоидных
частиц в электрическом поле).

8. Предмет коллоидной химии

Коллоидное состояние вещества – это высокодисперсное состояние, в котором
отдельные частицы являются не молекулами, а агрегатами, состоящими из
множества молекул, которым могут быть приписаны все свойства фазы.
Фаза – это совокупность частей системы, одинаковых по составу, физическим и
химическим свойствам, и отделенная от других частей системы поверхностью
раздела.
Равным образом молекулы среды, в которой диспергированы коллоидные частицы,
образуют вторую фазу.
Фаза, состоящая из отдельных частиц, называется
дисперсной фазой. Она прерывная или дискретная.
Фаза, в которой распределены частицы, называются
дисперсионной средой. Она непрерывная или сплошная.

9. Предмет коллоидной химии

Следовательно, всякий коллоидный раствор является
гетерогенной многофазной системой, в отличие от
истинных растворов, которые являются гомогенными
системами.
Отсюда следует вывод, что условием для образования
коллоидной системы является нерастворимость или
очень малая растворимость вещества одной фазы в
веществе другой фазы, ибо только между такими
веществами может существовать поверхность раздела
фаз.

10. Предмет коллоидной химии

Частицы дисперсной фазы коллоидной системы имеют
размер 10-7 – 10-9 м и представляют собой агрегаты молекул.
При повышении раздробленности вещества повышается доля
молекул, находящихся на поверхности.
У частиц кубической формы с длиной ребра l = 10-9 м до 50%
молекул находится на поверхности и, как следствие, значение
поверхностных явлений для таких систем сильно возрастает.
Поэтому поверхностные явления и дисперсные системы
изучают в рамках одной дисциплины.

11. Признаки объектов коллоидной химии

Качественный признак – гетерогенность (многофазность)
Количественный признак – дисперсность (раздробленность)
Гетерогенность – указывает на наличие межфазной поверхности и качество этой
поверхности. Молекулы на поверхности принадлежат обеим фазам. Молекулярные
силы в поверхностном слое не скомпенсированы и поэтому молекулы на
поверхности обладают избытком свободной энергии Fs. Мерой этого избытка
является поверхностное натяжение σ, то есть свободная поверхностная энергия,
приходящаяся на 1 см2 величины поверхности s.
Избыток свободной энергии на поверхности делает систему термодинамически
неравновесной.

12.

Дисперсность – определяется размерами и геометрией тела. Применяются
следующие количественные параметры раздробленности частиц.
а – размер частиц
D – дисперсность
Sуд – удельная поверхность
Между D и a существует
соотношение:
В зависимости от формы
частицы берется ее размер:
для сферы – диаметр d, для
куба – ребро l:
Удельная поверхность –
отношение совокупной
площади частиц к их объему
или массе:

13. Классификация дисперсных систем по размеру частиц

1 – Истинные растворы ( <10-9 м)
2 – Ультрадисперсные или наноразмерные
системы (10-9 – 10-7 м)
3 – Микрогетерогенные системы (10-7–10-5 м)
4 – Грубодисперсные системы (> 10-5 м)

14. Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды

№
Дисперсионная среда
Дисперсная фаза
Обозначение
Тип системы
Примеры
1
Твердая
Твердая
Т/Т
Твердые коллоидные растворы
Минералы, некоторые сплавы (сталь,
чугун, самоцветы)
Твердая
Жидкая
Ж/Т
Пористые тела, капиллярные системы,
гели
Адсорбенты, почвы, влажные грунты,
некоторые минералы (опал, жемчуг)
Твердая
Газообразная
Г/Т
Твердые пены
Пористые и капиллярные системы,
ксерогели
Жидкая
Твердая
Т/Ж
Золи (1 – 100 нм)
Суспензии (1 – 100 мкм)
Дисперсии (взвеси) в природных водах,
золи металлов в воде, бактерии
5
Жидкая
Жидкая
Ж/Ж
Эмульсии
6
Жидкая
Газообразная
Г/Ж
Пены
7
Газообразная
Твердая
Т/Г
Аэрозоли (пыли, дымы)
Дым, пыль, перистые облака
8
Газообразная
Жидкая
Ж/Г
Аэрозоли (туманы)
Туман, кучевые облака
9
Газообразная
Газообразная
Г/Г
Системы с флуктуациями плотности
Атмосфера Земли
2
3
4
Молоко, смазки, сырая нефть
Мыльная пена

15.

16. Классификация дисперсных систем по взаимодействию дисперсной фазы и дисперсионной среды

Системы
Лиофильные
(хорошо взаимодействуют)
1. Частицы д.ф. сольватированы
2. Образуются самопроизвольно
3. Агрегативно устойчивы
4. Обратимы
5. Термодинамически равновесны
6. σмф < σкр
Лиофобные
(плохо взаимодействуют)
1. Частицы д.ф. не взаимодействуют с
растворителем
2. Образуются принудительно (ΔF>0)
3. Устойчивы в присутствии
стабилизатора
4. Необратимы
5. Термодинамически не равновесны
6. σмф > σкр
Классификация относится к системам с жидкой дисперсионной средой

17. Классификация дисперсных систем по взаимодействию частиц дисперсной фазы

Системы
Свободнодисперсные:
Связнодисперсные:
Частицы д.ф. не взаимодействуют друг с
другом; система пластичная, текучая,
бесструктурная
- Эмульсии
- Разбавленные суспензии
- Золи, аэрозоли
Частицы взаимодействуют друг с другом,
система структурирована, имеет
прочность
- Концентрированные эмульсии
- Порошки
- Высококонцентрированные суспензии,
гели

18.

Поверхностные явления
Физические
-капиллярные явления на
поверхности капли или пузырька
-изотермическая перегонка
-смачивание, коагуляция
-адгезия
-адсорбция
-возникновение заряда на
поверхности
Химические
-адсорбция
-коррозия

19. Классификация поверхностных явлений

1
2
3
4
5
Варианты превращения поверхностной энергии:
1 – в энергию Гиббса (при адсорбции, при изменении реакционной способности с
изменением дисперсности)
2 – в теплоту ( при изотермической перегонке, адсорбции, смачивании и
выражается теплотой адсорбции, конденсации , смачивания)
3 – в механическую энергию (при адгезии, при адсорбции газа на твердом теле)
4 – в химическую энергию ( при химической адсорбции, коррозии)
5 – в электрическую энергию (при образовании заряда поверхности и
возникновении ДЭС)

20. Место коллоидной химии в общей системе наук

Физическая химия
Коллоидная химия
Мембранология
Химия полимеров
Учение о
аэрозолях
Химия поверхностноактивных веществ

21. История коллоидной химии

М.В. Ломоносов в своих трудах высказал мысль о физикохимических процессах, лежащих в основе генезиса
минералов, которые так же являются дисперсными
системами (твердое в твердом).
В 1792 году Иоганн Тобиас Ловиц, применяя костный уголь,
не только разработал методы отчистки жидкостей от
примесей, но и основал в России первые в мире
предприятия по рафинированию сахара и отчистке спирта от
сивушных масел. Тем самым он открыл явление адсорбции,
которое так же является одним из свойств дисперсных
систем.
Михаил Васильевич
Ломоносов
1711 – 1765
Товий Егорович
(Иоганн Тобиас) Ловиц
1757 – 1804

22. История коллоидной химии

Профессор Московского университета Фердинанд
Фридрих Рейсс открыл в 1808 году
электрокинетические явления, связанные с
прохождением тока через дисперсные системы, а
именно электрофорез и электроосмос.
Йёнс Якоб Берцелиус в 30-х годах XIX века
установил важнейшие особенности коллоидных
растворов по сравнению с обычными, в частности
их неустойчивость. В том же направлении
работали французский химик Александр
Бодримон и итальянский химик Франческо
Сельми.
Йёнс Якоб
Берцелиус
1779 – 1848
Франческо
Сельми
1817 – 1881

23. История коллоидной химии

В то же время Майкл Фарадей разработал методы получения
золей металлов, например, золота и серебра и показал, что
коллоидные частицы в них состоят из чистых металлов.
Таким образом, ко второй половине XIX века сложился ряд
представлений о жидких коллоидных растворах и других
дисперсных системах. Обобщение в 60-х годах XIX века этих
взглядов, формулировка основных коллоидно-химических
идей и введение термина и понятия коллоиды, принадлежат
Томасу Грэму.
Майкл Фарадей
1791 – 1867

24. История коллоидной химии

Принципиальное значение и огромное будущее новой
отрасли естествознания предвидел Д.И. Менделеев. В
первом издании «Основы химии» он писал: «Вопросы
коллоидной химии должно считать передовыми и
могущими иметь значение во всей физике и химии». Он
оказался прав. В наши дни трудно представить себе
отрасль промышленности и сферу жизнедеятельности в
целом, в которой не использовались бы дисперсные
системы.
Дмитрий Иванович
Менделеев
1834 – 1907

25. История коллоидной химии

Ипполит Степанович Громека
(1851 – 1889)
Дал оригинальное изложение теории капиллярных явлений.

26. История коллоидной химии

Федор Никифорович Шведов
(1840 – 1905)
Заложил основы учения о реологических свойствах дисперсных систем и
высокомолекулярных соединений.

27. История коллоидной химии

Петр Петрович фон Веймарн
(1879 – 1935)
Один из основоположников коллоидной химии, создатель закона фон Веймарна.

28. История коллоидной химии

Николай Александрович Шилов
(1872 – 1930)
Разработал первую теорию действия противогаза и заложил основы специального
обучения и противохимической защиты войск.

29. История коллоидной химии

Богдан Шишковский
(1873 – 1931)
Экспериментально установил связь между поверхностным натяжением и
концентрацией водных растворов поверхностно-активных веществ, уравнение
Шишковского.

30. История коллоидной химии

Антон Владимирович Думанский
(1880 – 1967)
Один из основоположников коллоидной химии.

31. История коллоидной химии

Михаил Семенович Цвет
(1872 – 1919)
Создатель хроматографии.

32. История коллоидной химии

Лев Гаврилович Гурвич
(1871 – 1926)
Заложил основу разработки методов промышленной очистки нефтепродуктов.

33. История коллоидной химии

Константин Каэтанович Гедройц
(1872 – 1932)
Основоположник коллоидной химии почв.

34. История коллоидной химии

Сергей Михайлович Липатов
(1899 – 1961)
Разработчик общей теории синерезиса.

35. История коллоидной химии

Иван Иванович Жуков
(1880 – 1949)
Валентин Алексеевич Каргин
Разработал общую
(1907 – 1969)
теорию электродиализа и конструкцию
Основатель советской полимерной школы. лабораторного электродиализатора.

36. История коллоидной химии

Петр Александрович Ребиндер
(1898 – 1972)
Один из основоположников коллоидной химии, создал
новую науку – физико-химическая механика дисперсных
систем, разработал теорию образования и стабильности
лиофильных дисперсных систем, сформулировал понятие
структурного фактора стабилизации, открыл явление
адсорбционного понижения прочности твердых тел.

37. История коллоидной химии

Александр Наумович Фрумкин
(1895 – 1976)
Основоположник современной электрохимии, вывел уравнение состояния
адсорбционного слоя, уравнение Фрумкина.

38. История коллоидной химии

Николай Альбертович Фукс
(1895 – 1982)
Основоположник аэрозольных исследований в СССР, разработал технологию
производства высокоэффективных фильтров.

39. История коллоидной химии

Борис Владимирович Дерягин
(1902 – 1994)
Заложил основы современной науки о коллоидах и поверхностях, создав учение о
расклинивающем давлении и поверхностных силах, теорию устойчивости
коллоидов и тонких плёнок (теория ДЛФО)

40. История коллоидной химии

Сергей Сергеевич Воюцкий
(1906 - 1979)
Научные интересы С.С. Воюцкого лежали главным образом в области физико-химии
микрогетерогенных систем, дисперсий, порошков, волокон, пленок.

41. История коллоидной химии

Значение коллоидной химии
Велико значение коллоидной химии для биологии,
поскольку все живые системы являются
высокодисперсными. Особый интерес представляет
разработка моделей клеток, клеточных мембран,
нервных волокон, действующих по законам
коллоидной химии.

42. История коллоидной химии

Значение коллоидной химии
Чрезвычайно большую роль играет
коллоидная химия в развитии учения о почве.
Установлена связь между коллоиднохимическими свойствами почвы и её
плодородием. Показано решающее значение
коллоидно-химических факторов в процессах
образования почв, их засоления, орошения,
обработки и т.д.

43. Значение коллоидной химии

В геологии и геофизике методы исследования
грунтов и минералов, разведки полезных
ископаемых, все теории строения геологических
структур и их генезиса тесно связаны с
коллоидно-химическими процессами.
Коллоидная химия имеет существенное значение
для метеорологии, в частности, в основе грозовых
явлений лежат коллоидно-химические процессы.

44. Значение коллоидной химии

Основу научно-технического прогресса составляют три направления: новые
источники энергии, новые материалы и новые информационные системы.
Коллоидная химия определяет развитие каждого из этих направлений.

45. Значение коллоидной химии

Коллоидная химия имеет большое значение в химической технологии.
На закономерностях коллоидной химии основаны такие технологические процессы
как:
1.
Производство современных композиционных материалов
2.
Получение дисперсных катализаторов, сорбентов
3.
Производство полимеров
4.
Производство продуктов питания
5.
Извлечение нефти из пласта с последующим деэмульгированием
6.
Флотация руд
7.
Разработка и применение ПАВ
8.
Мембранные процессы разделения и водоподготовки

46. Значение коллоидной химии

Последнее время большое значение в технике и
технологии получили мембранные методы разделения
сложных смесей: обратный осмос, ультрафильтрация,
испарение через мембрану, диализ.
В химической и нефтехимической промышленности
мембранные методы используются для разделения
смесей высоко и низкомолекулярных соединений,
эмульсий, выделения гелия и водорода из природных
газов, кислорода из воздуха.
В электронной промышленности, потребляющей
большое количество ультрачистой воды, мембранным
методом получают воду по чистоте превосходящую
бидистиллят.

47. Значение коллоидной химии

В пищевой промышленности мембранные методы
применяют для получения высококачественного
сахара, стабилизации пива и виноградных вин,
концентрирования фруктовых и овощных соков.
В микробиологической и медицинской
промышленности эти методы применяют для
очистки и выделения биологически активных
веществ, лекарственных веществ, для очистки
крови.

48. Значение коллоидной химии

Мембранные методы имеют большое значение
для охраны окружающей среды. Они позволяют
создавать безотходные производства, путем
организации замкнутого водооборота.
Из сточных вод сыроваренных заводов
извлекаются белок, лактоза и витамины.
Мембранные методы широко применяются для
опреснения соленой воды.

49. Значение коллоидной химии

Спасибо за внимание!