Chimia coloidală este o ramură a științei chimice care studiază sistemele de dispersie microelectrogenă și fenomenele care apar la interfețe, adică pe suprafețele interfazice. Literatura în limba engleză utilizează termenii Colloid și Surface (or Interface) Science.
Obiectivele studiului chimiei coloidale sunt sistemele de dispersie - sisteme multifazice eterogene, în care una din faze se află într-o stare zdrobită și dispersată. Dispozitivele dispersate pot conține obiecte care au o scară mică în cel puțin o dimensiune - particule, filme subțiri, membrane, fibre, capilare. Gama de modificări ale dimensiunii particulelor (grosimea filmului, diametrul fibrei) este de la 1 nanometru (mai multe dimensiuni moleculare) la fracțiuni de un milimetru. Chimia coloidală urmărește să dezvăluie caracteristicile structurii și proprietăților sistemelor asociate cu starea dispersată a materiei. Chimia coloidală a inclus în mod tradițional luarea în considerare a unor astfel de secțiuni, cum ar fi fenomenele de suprafață, umectarea. capilaritatea, controlul proprietăților suprafeței cu ajutorul substanțelor active de suprafață (surfactanți), bazele teoretice ale formării și stabilității sistemelor de dispersie, fenomenele electro-suprafeței, formarea micelilor. molecular-cinetice, optice, proprietăți structurale-mecanice ale sistemelor de dispersie.
Chimia coloidă a apărut la începutul secolului al XIX-lea. datorită lucrărilor lui T. Graham, FF Reiss, T. Jung, M. Faraday, R. Brown și alții. Numele științei provine din cuvântul grecesc æóllă (adeziv). Coloizii chimist T.Grem britanic numit soluții substanțe care nu cristalizează în timpul evaporării, dar formează geluri (precipitate gelatinoase), unele dintre care posedă acțiune Adhesive. Astfel de substanțe includ alumină, siliciu și acizi de titan, gelatină, agar-agar. Sa constatat că în coloizi difuzia are loc foarte încet, presiunea osmotică este foarte scăzută, sistemele devin opalescente. Ulterior, multe substanțe au fost descoperite proprietățile tipice coloidale dezvoltat metode pentru prepararea, purificarea și stabilizarea sistemelor coloidale și diverse știință care studiază aceste sisteme au devenit cunoscute ca chimia coloidal.
Dezvoltând foarte repede și cu succes, chimia coloidală a fost formată ca disciplină științifică independentă la începutul secolului al XX-lea. În prima treime a secolului al XX-lea. patru premii Nobel au fost premiate pentru descoperiri în domeniul chimiei coloidale. Premiul în chimie în 1925 a primit R.A.Zigmondi „pentru stabilirea naturii eterogene a soluțiilor coloidale și dezvoltarea unor tehnici în acest sens, care sunt de o importanță fundamentală în chimia coloidală modernă“, în anul 1926 T.Svedberg „pentru activitatea sa în domeniul sistemelor disperse „I.Lengmyur în 1932“ pentru descoperirile și cercetările sale în domeniul fenomenelor de suprafață, „Premiul pentru fizica a fost câștigat în 1926 Zh.B.Perren“ pentru activitatea sa cu privire la natura discretă a materiei, și mai ales pentru descoperirea echilibrului de sedimentare. " Împreună cu acești oameni de știință, la începutul secolului XX. A. Einstein a lucrat în domeniul chimiei coloidale. care a dezvoltat teoria mișcării browniene și difuzia particulelor dispersate și, de asemenea, fluxul de teorie sisteme disperse. M. Smolukhovsky a creat o teorie cinetică a coagulării particulelor dispersate. J. McBean a descoperit agregarea agenților tensioactivi în soluții apoase cu formarea micelilor. În această perioadă s-au determinat direcțiile principale ale dezvoltării chimiei coloidale.
O caracteristică fundamentală a sistemelor de înaltă dispersie este prezența unei interfețe de fază foarte dezvoltate. Influența Fenomene de suprafață pe proprietățile sistemelor disperse datorită existenței excesului de energie pe aceste suprafețe, ca urmare a interacțiunilor intermoleculare necompensate. Valoarea specifică a excesului de energie liberă de suprafață se numește tensiune de suprafață. Termodinamica fenomenelor de suprafață a fost dezvoltată la sfârșitul secolului al XIX-lea. Gibbs. care se sugerează să se ia în considerare cantitatea excedentară de suprafață - diferența dintre valoarea funcției termodinamic în sistem real (cu grosimea finală a stratului interfacial) și un sistem de comparație (cu suprafața de separare a grosimii zero).
Valorile tensiunii de suprafață determină fenomene precum umectarea. Raportul energiilor de suprafață la interfața solid / lichid, lichid / gaz și solid / gaz determină forma de echilibru a picăturii pe suprafața unui solid (ecuația lui Young). Căi eficiente de control al umezelii sunt utilizarea agenților tensioactivi, modificarea suprafeței datorită chemisorbției diferiților compuși sau o modificare a reliefului de suprafață.
Prezența unei suprafețe curbe la limita unei particule dintr-o fază dispersată cu un mediu de dispersie conduce la un salt de presiune între faze. Diferența de presiune dintre fazele separate de o suprafață curbată se numește presiune capilară (sau Laplace). Existența presiunii capilare este asociată cu prezența fenomenelor capilare. ridicarea capilară a lichidelor, impregnarea corpurilor poroase, atragerea capilară a particulelor legate de un fluid menisc. Prezența presiunii capilare cauzează o schimbare a presiunii vaporilor saturați pe suprafețele curbe. Dependența presiunii vaporilor saturați de curbură a suprafeței este dată de legea Thomson (Kelvin). Această lege stă la baza explicării unor astfel de fenomene ca distilarea izotermică și condensarea capilară.
Proprietățile de suprafață pot fi controlate prin adsorbția substanțelor tensioactive (surfactanți) capabile de concentrare spontană la o interfață și reducerea tensiunii superficiale. chimie coloid oferă baza teoretică a utilizării agenților tensioactivi în multe tehnologii importante: îmbogățirea flotație de minereuri, de foraj rocă, în tehnologia detergenta, produce culori, materiale de construcție de înaltă calitate, produse, alimente, cosmetice și industria farmaceutică.
Schimbarea forțelor de suprafață pot apărea atunci când se administrează într-un mediu de dispersie a electroliților, datorită adsorbției ionilor și apariția stratului dublu electric interfaciale. Prezența unei sarcini de suprafață explică existența fenomenelor electrokinetice. electroforeza, electroosmoza, apariția potențialelor de curgere și sedimentare. Pornind de la locul de muncă F.F.Reysa, studiul proceselor electrocinetice, electrocapillary și mai complexe (osmoza termică, osmoza capilară, difuzional, conducția suprafață et al.) Este un domeniu important al chimiei coloizilor moderne.
Prezența particulelor mici în sistemul dispersat determină apariția unor proprietăți optice speciale - împrăștierea luminii. Baza teoretică pentru împrăștierea luminii prin particule mici, izometrice, izotropice optice, neabsorbante și neconductoare a fost dată de Rayleigh. Ulterior, legile împrăștierii luminii prin particule de lumină mari, conductive și absorbante, au fost obținute în teoria lui Mie.
Datorită suprafeței mari a interfeței, energia de suprafață a sistemelor disperse decât energia de suprafață a Macrophase aceluiași volum și necesită costuri de lucru considerabile asupra formării unor sisteme disperse, prin măcinare (metoda aerodispersia de producere a sistemelor disperse) Macrophase și formarea particulelor din sistemele omogene metastabile (kondersatsionno metoda de cristalizare pentru formarea sistemelor dispersate). Cu toate acestea, există termodinamic dispersii stabile formate spontan: costul energiei la formarea unei noi suprafețe compensată de câștigul entropică de particule care participă la mișcarea browniană. P.A.Rebinderom și E.D.Schukinym sa obținut criteriul Macrophase dispersie spontană pentru a forma dispersii stabile termodinamic. Sistemele stabile termodinamic includ soluții miceliare de surfactanți, sisteme de microemulsie. Reprezentanții tipici ai sistemelor de dispersie instabile termodinamic sunt spumele, aerosolii, suspensiile.
Instabilitate termodinamic sisteme instabile le face să curgă în procesele care duc la o scădere a energiei de suprafață, atât prin reducerea aria interfeței și saturarea parțială a forțelor de suprafață. Procesele, care duc la perturbarea stabilității și distrugerea sistemelor dispersate sunt coalescenta (fuziune de picături sau bule), coagulare (ambreiaj particule) sau distilare izotermă (material de transfer de la particule mici la mai mari). Problema controlului stabilității sistemelor de dispersie este una din problemele centrale ale chimiei coloidale. Principalele metode de stabilizare a sistemelor disperse sunt crearea stratului de adsorbție pe suprafața (agenți activi de suprafață, anumiți polimeri, nano uneori solide și microparticulelor), formarea pe suprafața stratului dublu electric, stabilizarea datorită structurii speciale a solventului din apropierea suprafeței.
Principiile coagulării soluțiilor stabilizate prin formarea unui strat dublu electric în jurul particulelor sunt considerate în teoria DLLO. Central la teoria DLVO ia calcularea forțelor care acționează în filme subțiri - golurile de separare a particulelor sau a fazei vrac conceptul B.V.Deryaginym de presiune disjoining a fost introdus - o suprapresiune, care trebuie aplicate pe suprafețele de limitare a filmului la grosimea filmului nu este schimbat. În funcție de natura forțelor care acționează în film, există diferite componente ale presiunii disjuncte. Componenta moleculară este determinată de acțiunea forțelor moleculare de atracție, predominant de natură dispersivă. Componenta electrostatică a presiunii disjuncte este asociată cu prezența unui strat dublu electric pe suprafețele interfazate. Deosebească și alte componente: un bloc (asociat cu un anumit solvent la suprafața interfacială a structurii) adsorbția (care apar datorită absorbției agentului tensioactiv), sterică (asociat cu straturi de adsorbție repulsie sterica de agenți activi de suprafață sau polimeri). Raportul dintre componentele disjoining atracție presiune determinare și repulsie, iar schimbarea echilibrului dintre ele sub influența electrolit adăugat, determină stabilitatea sau coloizi destabilizare în timpul de coagulare.
Pierderea stabilității agregate poate duce la apariția structurilor spațiale din particulele interconectate, adică la apariția unui sistem dispersat coerent. În funcție de natura contactelor dintre particule, se disting structurile de coagulare și cristalizare. Chimia coloidală oferă baza teoretică pentru formarea structurilor dispersate și gestionarea proprietăților lor. metode și sisteme free-informative Un studiu svjaznodispersnye metoda reologică se bazează pe studiul datorită sistemului aplicat mecanic de impact (de exemplu, tensiune de forfecare), iar răspunsul sistemului (deformarea sau coeficientul de tensiune).
Scăderea energiei solide libere a suprafeței solide datorată efectului fizicochimic reversibil al mediului conduce la o varietate de efecte în facilitarea fluxului de plastic și scăderea rezistenței solide (efectul Rebinder). Pentru manifestarea efectului, este necesară o acțiune simultană a încărcăturii și a mediului activ pe un corp solid, precum și prezența unor defecte în structura unui solid. Descoperirea efectului Rehbinder a condus la dezvoltarea unei noi ramuri a științei - mecanica fizică și chimică - și a jucat un rol important în crearea de noi tehnologii pentru prelucrarea și obținerea de noi materiale, în forajele rocilor și o serie de alte procese.
În ultimii 15-20 de ani, au apărut noi direcții majore și se dezvoltă în domeniul chimiei coloidale. Printre acestea - sisteme nanodisperse coloidul Chimie (cu o dimensiune a particulelor de mai multe nanometri), sisteme proteice coloid chimie, reacții chimice în microreactoare coloidale (sisteme micelare și microemulsii), structură coloidală autoasamblate (suprafață și în vrac). A deschis noi perspective pentru utilizarea legilor coloidale-chimice în biotehnologie, farmacologie, crearea de noi materiale și tehnologii pentru microelectronică, în industria de imprimare, dezvoltarea de catalizatori de dimensiuni nanometrice, vopsele, adsorbanți, noile tehnologii de mediu și multe alte industrii. mari progrese au fost făcute în dezvoltarea de metode de cercetare sisteme coloidale și suprafețele interfacială (forță atomică și microscopie electronică, spectroscopie de corelație de fotoni, cu unghi mic de neutroni reflecție noi metode radiochimice, metode de precizie de măsurare și tensiunea superficială forțele de contact între particulele dispersate). Metodele de obținere a unor particule dispersate de compoziție, mărime și formă controlate și metode de formare a structurilor dispersate au fost, de asemenea, foarte îmbogățite. Abordările teoretice pentru explicarea proceselor coloid-chimice au fost folosite cu succes termodinamica non-echilibru, geometria fractală, teoria auto-organizare, metode de simulare pe calculator.
Chimia coloidică modernă este o știință "la intersecția" chimiei, fizicii și biologiei. De mult timp a fost o disciplină chimică generală obligatorie pentru multe specialități (chimie, tehnologie chimică, biologie, medicină, geologie, știința solului, protecția mediului, farmacie, etc.). Coloid Chimie didactice în învățământul superior din țara noastră are o tradiție bogată și se bazează pe manuale excelente, manuale și monografii elaborate de cercetători distinși și profesori (a se vedea. Literatura de specialitate recomandată).
Literatură recomandată
Adamson A. Chimia fizică a suprafețelor. - M. Editura "Mir". 1979.
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: