Современная коллоидная химия-это большая,самостоятельная часть химической науки, изучающая дисперсное состояние вещества и поверхностные явления в дисперсных системах. Курс коллоидной химии ставит целью дать четкое представление о теоретических и экспериментальных основах этой науки, выделяя ее особую роль как междисциплинарной науки, синтезирующей знания из смежных разделов химии, физики, биологии и других естественных наук.
Коллоидная химия исходит из представлений о дисперсности - микрогетерогенности как универсальном состоянии вещества во всех природных объектах и технологических системах. Таковы горные породы и почвы, ткани живых организмов, таковы всевозможные материалы, суспензии, эмульсии, пены, аэрозоли, построенные из малых (очень малых, до нанометров) частиц: зерен, клеток, волокон, пленок, которые сохраняют еще, однако, свойства данной фазы и границы раздела с соседними фазами. Высокая развитость межфазных поверхностей - носителей энергетических избытков (т.е. специфического, активированного состояния вещества)- служит общей чертой всех этих объектов и систем и определяет различные их свойства и протекающие в них процессы. Особое место занимает здесь адсорбция - самопроизвольное концентрирование определенных, поверхностно-активных компонентов на межфазных границах, меняющее химическую природу границ и позволяющее управлять процессами в природных и технологических дисперсных системах.
Развивая эти представления, коллоидная химия последовательно рассматривает строение межфазных границ в дисперсных системах, закономерности и механизмы физико-химических процессов на этих границах; условия образования новых дисперсных фаз и их свойства (специфические - коллоидно-химические свойства и "неспецифические - общие и для коллоидно-дисперсных, и для молекулярно-дисперсных систем); общие закономерности устойчивости дисперсных систем, принципы и методы их стабилизации и дестабилизации и их приложение к конкретным дисперсным системам с различными твердыми, жидкими и газоообразными фазами; взаимодействие частиц и структурообразование в дисперсных системах - как введение в новую главу коллоидной химии - физико-химическую механику.
Широта концепций, объектов, проблем, методов коллоидной химии обусловливает ее участие в развитии других химических наук, а также геологии, метеорологии, биологии, медицине. Вместе с тем, раскрываются роль и перспективы коллоидной химии как общей научной основы интенсификации и оптимизации технологических процессов с участием дисперсных фаз буквально во всех отраслях производства: химической, нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей, горнорудной, металлургической, легкой, пищевой, фармацевтической промышленности; объясняются механизмы природных коллоидно-химических явлений и регулирование воздействий на природные объекты (структурообразование в почвах и грунтах, коллоидно-химические аспекты функционирования клеточных структур);рассматриваются коренные проблемы защиты окружающей среды.
"Вопросы коллоидной химии должны считать передовыми и могущими иметь значение во всей физике и химии." Д.И.Менделеев
Коллоидная химия возникла в середине Х1Х века. В 1861 г.известный английский химик Т.Грэм изучал диффузию различных веществ в водных растворах. Он обнаружил, что некоторые вещества (желатин, агар-агар и т.п.) диффундируют в воде во много раз медленнее, чем, например, соли и кислоты. Кроме того, эти вещества при пересыщении растворов не кристаллизовались, а формировали студнеобразную клейкую массу. По-древнегречески клей называется "колла", и эти "особые" вещества Грэм назвал "коллоидами". Так появилось название науки - коллоидная химия.На основе своих опытов Грэм выдвинул весьма смелую гипотезу о существовании в природе двух диаметрально противоположных классов химических веществ - "кристаллоидов" и "коллоидов". Эта идея вызвала большой интерес многих ученых, и во второй половине Х1Х века коллоидная химия стала развиваться очень быстро и плодотворно, причем основное внимание уделялось именно химическим аспектам. В эти годы были открыты многие вещества с типично коллоидными свойствами. Вместе с тем были разработаны различные методы очистки и стабилизации коллоидов (неорганических, органических и белковых веществ), созданы оригинальные и высокочувствительные методы исследования коллоидов для измерения размеров дисперсных частиц, поверхностного натяжения чистых жидкостей и растворов, скорости электрофореза и ряда других параметров коллоидных систем. Однако по мере открытия все новых коллоидных систем гипотеза Грэма утрачивала свою привлекательность. На смену ей пришла концепция универсальности коллоидного (дисперсного) состояния вещества. Решающую роль в ее утверждении сыграли экспериментальные работы профессора Санкт-Петербургского горного института П.П. Веймарна (1906 - 1910). На множестве примеров он показал, что даже типичные коллоиды (например, желатин) можно выделить в кристаллическом виде и, напротив, из "кристаллоидных" веществ можно приготовить коллоидный раствор (например, поваренной соли в бензоле). На основании этих результатов Веймарн выдвинул следующее положение: "Коллоидное состояние не является обусловленным какими-либо особенностями состава вещества; наоборот, было доказано, что о коллоидах можно говорить как о твердых, жидких, газообразных, растворимых и нерастворимых веществах. При определенных условиях каждое вещество может быть в коллоидном состоянии". Концепция универсальности значительно расширила область объектов коллоидной химии и оказала значительное влияние на ее развитие. На первый план было выдвинуто понятие дисперсного состояния вещества и как результат - осознание важнейшей роли поверхностных явлений. Веймарн считал необходимым вообще отказаться от термина "коллоид" и заменить его на понятие "дисперсоид", а коллоидную химию переименовать в дисперсоидологию - "науку о свойствах поверхностей и процессах,на них совершающихся". Это определение очень близко к современной трактовке коллоидной химии как науки о дисперсном состоянии веществ с определяющим влиянием поверхностных явлений .С утверждением концепции универсальности произошло существенное смещение приоритетов коллоидной химии. Главным направлением стало изучение дисперсного (коллоидного) состояния веществ. Для этого необходимо было выяснить, какие свойства достаточно полно и объективно характеризуют это состояние. В начале ХХ века эта проблема представлялась очень сложной. Не случайно В. Оствальд, один из первых коллоидников, называл коллоидную химию "миром неопознанных величин". Примерно к 20 -м гг. стало ясно, что фундаментальные проблемы коллоидной химии в новом понимании ее содержания можно условно разделить на три группы: Состав, строение и свойства коллоидных частиц. 2. Взаимодействие частиц с дисперсной средой (главным образом, с жидкостями). 3 Контактные взаимодействия частиц друг с другом, приводящие к образованию коллоидных структур.
Новизна и оригинальность проблем коллоидной химии, открытие совершенно новых путей проникновения в мир молекулярных явлений на основе макроскопических исследований привлекли к новой науке многих крупнейших ученых. Вполне закономерно поэтому, что этот период коллоидной химии оказался чрезвычайно плодотворным. За работы по коллоидной химии стали лауреатами Нобелевской премии
Р.Зигмонди (1925 г.)" за установление гетерогенной природы коллоидных растворов и за разработанные в этой связи методы, имеющие фундаментальное значение в современной коллоидной химии";
Ж.Перрен (1926 г.) - "за работу по дискретной природе материи и в особенности за открытие седиментационного равно-весия";
Т.Сведберг (1926 г.)- "за работы в области дисперсных систем" (прежде всего за использование ультрацентрифуги для дисперсионного анализа);
И.Ленгмюр (1932г.) -"за открытия и исследования в области химии поверхностных явлений".
Эти успехи коллоидной химии привели к тому, что во многих университетах и технологических институтах Европы создаются кафедры коллоидной химии.
В России коллоидной химии большое внимание уделялось еще во 2-ой половине Х1Х века, во многом ? под влиянием Д.И. Менделеева. Исследования температурной зависимости поверхностного натяжения органических жидкостей (1861 г.) привели Менделеева к открытию фундаментального понятия критической температуры веществ. Менделеев высказал также идею о глубокой связи между поверхностным натяжением и другими свойствами вещества. В связи с этим он еще в начале своей деятельности сформулировал следующую программу работ в этом направлении: "Главная цель предпринятых мной исследований над капиллярностью и удельным весом жидкостей составляет собрание материалов, необходимых для молеку-лярной механики. Для успехов этой науки необходимо иметь следующие точные данные. 1)Весч астицы.
2)Удельный вес. 3)Сцепление, определяемое волосными (т.е. капиллярными ) явлениями, может служить к пониманию некоторых физических и химических явлений".
В начале ХХ века уровень коллоидной химии в России отвечал самым высоким стандартам. Уже упоминалось выше фундаментальное открытие П.П.Веймарна об универсальности дисперсного состояния вещества. Этот критерий быстро получил мировое признание.
В 1913 г. была защищена первая в России магистерская диссертация по коллоидной химии. Ее автор А.В.Думанский стал впоследствии одним из крупнейших организаторов коллоидно-химических исследований в СССР. Таким образом, к началу 30-х годов в СССР были созданы все необходимые предпосылки для преподавания коллоидной химии в высшей школе.
|