КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ

системах.
… наука о коллоидном состоянии вещества.
… физика и химия реальных

тел.

«имеющие вид клея».) ввел английский ученый Т.Грэм в 1861 г,

которого принято считать основоположником коллоидной химии. Грэм считал, что все вещества в природе следует разделить на две группы кристаллоиды, образующие обычные растворы и коллоиды, дающие коллоидные растворы, по многим свойствам отличающиеся от обычных растворов. Грэм предпринял систематические исследования коллоидных растворов.

не об особых веществах коллоидах, а об особом гетерогенно-дисперсном состоянии

вещества.

В 1837 - 55 профессор Лондонского университетс-кого колледжа, затем директор Монетного двора. 
С 1836 член Лондонского королевского общества.

Грэм один из основателей Лондонского химическо-го общества,с 1841 был его первым президентом. 
В 1829 Г. открыл закон, согласно которому  ско-рость диффузии газа обратно пропорциональна 
корню квадратному из его плотности. 
В 1833 на примере кислот мета-, пиро и ортофос-форной опроверг ошибочный взгляд, будто все кислоты одноосновны. 
В 1846- 49 г.  установил наличие внутреннего
трения в газах. 
В 1861 показал, что по способности диффундировать через животную перепонку  
все вещества делятся на два класса —кристаллоиды и коллоиды.

физико-химических и механических свойств дисперсных систем.


Дисперсные системы – гетерогенные

системы, которые состоят, по крайней мере, их двух фаз, и одна из них прерывная – дисперсная фаза, а вторая непрерывная – дисперсионная среда.


Фаза – (термодинамическая) – гомогенная часть гетерогенной системы с постоянными или непрерывно меняющимися от точки к точке интенсивными переменными.

Коллоидные растворы золота полученные Майклом Фарадеем

‒ площадь раздела фаз, приходящаяся на единицу массы или объёма

дисперсной фазы.
Sуд = 6 · а-1
Гетерогенность ‒ мерой её служит поверхностное натяжение (σ ‒ величина энергии единицы поверхности).

которой они распределены.
Дисперсные системы
Гомогенные
Истинный раствор
Коллоидный раствор
Гель
Гетерогенные

молекулярных.
Дисперсионная среда (ДС) ‒ однородная непрерывная фаза, в которой возможен

переход из одной точки в другую без выхода за пределы этой фазы.
Дисперсность и гетерогенность связаны друг с другом GS = σ · S. Для объекта коллоидной химии, дисперсной системы, GS велика, что делает его термодинамически неустойчивым.

и длина ребра для кубических частиц (l).
Дисперсность (D) – величина,

обратная поперечному размеру частицы: D=1/a.

Удельная поверхность (Sуд) – межфазная поверхность, приходящаяся на единицу объема или массы дисперсной фазы:

Поперечный размер частицы (а) – диаметр для сферических частиц (d) и длина ребра для кубических частиц (l).

границе между дисперсной фазой и дисперсионной средой. Её характеризуют удельной

поверхностью, под которой понимают отношение общей площади поверхности дисперсной фазы Sд.ф. к её общему объёму или к её массе

< a < 10-7
III – среднедисперсные (микрогетерогенные)
10-7 < a

10-5

IV – грубодисперсные
a > 10-5

агрегатному состоянию ДФ и ДС
По силе взаимодействия частиц ДФ
Классификации дисперсных

систем

в виде кубиков определить, какую поверхность они могут покрыть, если

их плотно уложить в один слой. Масса коллоидных частиц золота 1 г. Плотность золота 19,6·103 кг/м3.

раздела к объему дисперсной фазы
D = S / V 

1/a, м-1 – величина, обратная размеру частиц

Удельная поверхность – площадь раздела фаз, приходящаяся на единицу массы (или объема)
Sуд = S/m = ka-1= D/; a=10-8м, S 106 м2/кг

Кривизна поверхности: Средняя кривизна a = ½ (1/R1 + 1/R2);
для сферы: a = ½ (1/R1 + 1/R2) = 1/r

размеры пор менее 2 нм; переходнопористые

2 – 200 нм;
макропористые более 200 нм
 

– высокодисперсные системы, образующиеся самопроизвольно из макроскопических фаз, и термодинамически

устойчивые как по отношению к укрупнению частиц дисперсной фазы, так и относительно их дальнейшего дробления до молекулярных размеров. Для таких систем характерно равновесное распределение частиц по размерам (10 мДж/м2)

К лиофобным дисперсным системам относят грубо- и высокодисперсные системы, термодинамически неравновесные вследствие значительного избытка свободной энергии, обусловленного как наличием высокоразвитой поверхности раздела фаз, так и сравнительно большими значениями поверхностного натяжения. Это приводит к протеканию в них различных процессов, ведущих к уменьшению дисперсности и, в конечном итоге, к разрушению дисперсной системы и разделению ее на макроскопические фазы.

Время жизни – количественная характеристика неустойчивости лиофобных дисперсных систем.

– немецкий физико-химик. Родился в Берлине.
Учился в Мюнхенском и

Лейпцигском университетах (доктор философии, 1908). Преподавал в Лейпцигском университете, в 1911-1916 гг. в Высшей технической школе Брауншвейга, с 1916 г. работал в Институте физической химии и электрохимии кайзера Вильгельма в Берлине. С 1923 г. профессор Берлинского университета, с 1925 г. – Высшей технической школы в Берлине.
В 1933 г. эмигрировал в Англию, где преподавал в Университетском колледже в Лондоне. С 1938 г. профессор университета Миннесоты (США).
Основные работы относятся к коллоидной химии. Исследовал (с 1911) коагуляцию и устойчивость коллоидных растворов. Установил (1920-1922) зависимость адсорбции от температуры, подтвердил справедливость эмпирического уравнения изотермы адсорбции, которое вывел в 1888 г. голландский химик И. М. ван Бемелен (т.н. изотерма адсорбции Фрейндлиха). Открыл (1930) коллоидные системы, способные к обратимому гелеобразованию при постоянной температуре и покое. Установил способность твёрдообразных структур обратимо разрушаться (разжижаться) при механическом воздействии и назвал это явление тиксотропией. Использовал эффект тиксотропии в технологии силикатов. Занимался коллоидно-химическими проблемами, связанными с биологией и медициной.

единиц (частиц) в единице объема (), иногда вводят понятие грамм-частичной

концентрации (/)

Свободнодисперсные растворы – относительно разбавленные растворы, в которых частицы практически не взаимодействуют друг с другом, и доминирует взаимодействие частиц с дисперсионной средой.

Связнодисперсные растворы – достаточно концентрированные растворы, в которых частицы взаимодействуют друг с другом и образуют сетку.


Порог перколяции – концентрация частиц, при которой образуется связная сетка.

Классификация дисперсных систем

по концентрации

среды

частиц каждой системы близки, то и удельная поверхность одного порядка

величины:
ламинарная 1 х 1 х 10-7 . Sуд = 2 107м-1
фибриллярная 1 х10-7 х 10-7 Sуд = 4 107м-1
корпускулярная 10-7 х 10-7 х 10-7 Sуд = 6 107м-1

растворов зависят от молекулярной массы и геометрических характеристик макромолекул.

В

разбавленных растворах макромолекулы занимают неперекрывающиеся элементы объема (координационные сферы) и имеют форму статистических клубков. Концентрация полимера внутри координационной сферы выше, чем в среднем по объему.

В концентрированных растворах эти концентрации примерно равны.

Согласно Дебаю, критерием разделения может служить параметр 1/[η]:

Если [η]с < 1 - разбавленный раствор.
Если [η]с  1 – концентрированный раствор.

[η] – характеристическая вязкость.
η – вязкость раствора полимера с концентрацией с;
ηо – вязкость растворителя;
η/ηо – относительная вязкость;
ηуд = (η- ηо )/ηо – удельная вязкость;
ηуд /с – приведенная вязкость;
[η] = lim (ηуд /с)c→0 - характеристическая вязкость

Формула Хаггинса: ηуд /с = [η] + k’[η]2c + ...

если k’ = 0,2 – 0,3 – хороший растворитель; если k’ = 0,5 -  -растворитель;

Формула Марка – Куна – Хувинка: [η] = К М, где  = 0,5 – 1,0

углерода (другие — алмаз, карбин и графит) и представляющие собой выпуклые

замкнутые многогранники, составленные из чётного числа трёхкоординированных атомов углерода. Своим названием эти соединения обязаны инженеру и дизайнеру Ричарду Бакминстеру Фуллеру, чьи геодезические конструкции построены по этому принципу. Первоначально данный класс соединений был ограничен лишь структурами, включающими только пяти- и шестиугольные грани. Заметим, что для существования такого замкнутого многогранника, построенного из n вершин, образующих только пяти- и шестиугольные грани, согласно теореме Эйлера для многогранников, утверждающей справедливость равенства | n | − | e | + | f | = 2 (где | n | , | e | и | f | соответственно количество вершин, ребер и граней), необходимым условием является наличие ровно 12 пятиугольных граней и n / 2 − 10 шестиугольных граней.

С 60

С 540

За открытие фуллеренов Крото, Смолли и Керлу в 1996 году была присуждена Нобелевская премия по химии

до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров ,

состоящие из одной или нескольких свёрнутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей и заканчивающиеся обычно полусферической головкой, которая может рассматриваться как половина молекулы фуллерена.

типа, для которых характерно
наличие упорядоченности, промежуточной между упорядоченностью твердых

кристаллов и обычных жидкостей, называют мягкой материей (soft matter).
Растворы поверхностно-активных веществ (ПАВ) являются одним из простейших
примеров самоорганизующихся мягких наносистем, размеры микроагрегатов –
мицелл которых составляют 1-500 нм

Поверхностно-активные вещества (ПАВ) - это амфифильные соединения,
которые адсорбируются на границе раздела фаз и уменьшают избыток
свободной энергии (поверхностное натяжение, ) на границе раздела.

Уравнение Лапласа:  p = 2/r

“Association colloids”

химическая
А) Диспергирование
измельчение, дробление, распыление;
механическое, ультразвуковое, электродуговое

химический состав и агрегатное состояние вещества не меняется;
затрачивается внешняя

работа;

используют для получения грубодисперсных систем – производство цемента (1 млрд.т в год), измельчении руд полезных ископаемых, помол муки и т.д.

для получения высокодисперсных систем;

не требуют затраты внешней работы;

появление

новой фазы происходит при пересыщении среды.

Конденсационные методы

2H2O

Строение мицеллы:

↓ + 3HCl

Cтроение мицеллы:

золей от низкомолекулярных примесей с помощью полупроницаемой мембраны.
Электродиализ – диализ,

ускоренный внешним электрическим полем.
Ультрафильтрация – электродиализ под давлением (гемодиализ).

Методы очистки дисперсных систем

смеси через

пористую пленку.

Диализ (электродиализ)– способ удаления из дисперсных систем и коллоидных растворов низкомолекулярных соединений с помощью мембран.

Ультрафильтрация – продавливание разделяемой смеси через тонкие фильтры

Седиментация – разделение дисперсий в поле тяжести

S/V) наноразмерных объектов:
1 – пленки, площадью 1х1 м. толщиной

10 нм;
2 – нитей, сечением 10х10 нм и длиной 1 м;
3 – нитей цилиндрической формы длиной 1 м и радиусом 10 нм;
4 - кубических частиц с ребром 10 нм;
5 - сфер радиусом 10 нм ?

Задача 1-2

Определить поверхность раздела фаз (S) в 1 л пивной пены, если ее кратность составляет L =100, а диаметр пузырьков 250мкм. Кратность пены – это отношение общего объема пены к объему жидкости:
L = Vпены/Vжидкости