§ 31. КОЛЛОИДТЫ ХИМИЯ ЖӘНЕ ДИСПЕРСТШІК

Дисперсті системалардың көптеген қасиеттері оның дисперсті-лігіне тікелей байланысты. Диффузияға және осмостық қысымға бейімділік сияқты дисперсті системаның кейбір қасиеттері ірі дис-персті күйден жоғары дисперсті система күйіне ауысуы жақсы байқалады. Олардың кейбір қасиеттері керісінше, жоғары дисперс-тіден іріге ауысқанда басымырақ болады. Мысалы, бөлшектердің үлкейген сайын шөгіндіге отыру, шөгу сипаты артатын қасиеті, осы айтылғанға дәлел. Мұны седиментация дейді.

Дисперсті системалардың қайсыбір қасиеттері ауыспалы мәнде-гі дисперстілік дәрежеге, коллоидты өлшемге сәйкес пайда бола-ды. Бұл олардың сәулені шашыратуы, коллоидты система реңінің езгеруі, т. б.

Коллоидты системаның қасиеттерін қарастырғанда тек бөлшек-тің өлшемін ғана ескеріп қоймай әр түрлі адсорбциялык, қүбылыс-* тарға мүмкіндік туғызатын фазааралық беткі қабаттың болаты-нын және сол сияқты осы бөлшектердің бетінде, (үстінде) жүретін зрқилы химиялық реакцияларды да ұмытпаған жөн. Демек, кол-лоидты химия дисперстік системамен, оның өлшемі, энергиясы, үлестік беті, дисперстік дәрежесі сиякты көптеген сипаттамалары-мен байланысты екен. Ендеше коллоидты химия дисперстік систе-ма химиясы, физикасы дегенмен бірдей.

32. ДИСПЕРСТІ СИСТЕМАНЫҢ ЖІКТЕЛУІ

Барлық ғылым не өндіріс салалары сияқты коллоидты химия да өздерінде кездесетін өзіндік ерекшеліктер мен қасиеттерге, өл-шемдер мен көрсеткіштерге орай жіктеле келіп, сұрыпталады. Он-дағы қайсыбір қасиеттер біріне-бірі ұксас болғандықтан, олар өзара бірігіп кетеді. Мұны кеңістікте орналасқан денемен де теңео тіруге болады, өйткені осы дененің кеңістіктегі нақтылы орнын табу үшін үш өлшемді координатаны не олардың проекциясын пай-далану қажет. Демек, коллоидты системаны сипаттау үшін оны әртүрлі қасиет, ерекшелік тұрғысынан жіктеу керек. Енді осындай жіктеудің бірнешеуін карастырайық.

Дисперстілік. Дисперстілік бойынша немесе дисперсті система-дағы дисперсті фаза өлшемі бойынша, яғни дисперсті бөлшектіц өлшемін, ұнтақтылығын көрсететін өлшеміне орай жіктеу 38-су-ретте көрсетілгендей бөлінеді: ірі дисперсті; жоғары дисперсті (микрогетерогенді); коллоидты; молекулалық.

Мұндағы ірі дисперсті системаның бөлшектері сүзгіш қағаздан өтпейді, кәдімгі микроскопта көрінеді, өзінен жеңіл ортада жүзгін ретінде аз уақыт болып, тез отырады, ал өзінен ауырлау ортада жүзгін ретінде жүре береді. Система жоғары дисперсті болса, бір-шама тұрақты, бөлшегі ұсақтау, сүзгіш қағаздан оңай өтсе де жар-тылай өткізгіштерден өтпейді, кәдімгі оптикалық микроскопта көрінбейді, дисперсті ортада жүзгін ретінде ұзақ сақталады.

Заттағы дисперсті фазаның дисперсті ортада шекті ерігіштігі — дисперсті системаның пайда болуындағы қажетті жай. Мысалы, дисперсті г/г системасындағы газдардың бір-бірінде шексіз еритін-дігінен әдетте көріне бермейді.

9-таблица

Реті~ Оі 0.	Дисперсті фаза	Дисперсті орта	Система белгісі	Система түрі	Мысалдар
1.	қатты	Сұйық	Қ/С	зольдер, жүзгіндер	Жүзгін, металл золі
1.	сұйык,	Сүйық	С/С	эмульсиялар	Сүт, мүнай, май
3.	газ	Сұйық	г/с	көбіктер, эмульсия	Сабын көбігі
4.	қатты	Қатты	К/Қ	қатты коллоид	Минералдар, қорытпа
				ерітіндісі
5.	сұйық	Қатты	с/қ	қуыс дене, гель	Топырақ, балшық
				капилляр
6.	газ	Катты	г/қ	ксерогелдер	Пемза, активті көмір
7.	қатты	Газ	қ/г	аэрозоль, шаң түтін	Түтін, шаң
8.	сүйық	Газ	с/г	тұман	Тұман, бұлт
9.	газ	Газ	г/г	ауа	Атмосфера, ауа
	І

Жоғары дисперсті системаларды зольдер дейді және осыған орай дисперсті ортаның сипатына сәйкес гидрозольдер, органика-лық зольдер, аэрозольдер болып бөлінеді. Ал ірі дисперсті систе-мадағы қатты фазаның сұйық ортада таралуын жүзгіндер (сус-пензиялар), ал фаза да, орта да сұйық болса, оны эмульсиялар дейді.

Құрылым. Барлық дисперсті системалар құрылым жағынан еркін (бос) дисперсті және біріккен (байланысқан) дисперсті бо-лып бөлінеді. Еркін дисперсті система дегеніміз — дисперсті фаза мен дисперсті орта бірімен-бірі өзара байланыспай әрқайсысы бос жүретін дисперсті система. Оған жүзгіндер, эмульсиялар, аэро-зольдер мен жалпы зольдер жатады. Дисперсті фаза мен дисперсті орта өзара берік байланысқан системаларды байланысқан дис-персті система дейді. Оған капиллярлі кеуек заттар, диафрагмалы денелер, жұқа пленка — мембраналар, кәдімгі полимерлер, қатты ерітінді — қорытпалар жатады.

Фазааралық әрекет. Дисперсті фаза мен дисперсті ортадағы заттар фазааралық беткі қабатта әрқашанда молекулааралық әсерлесу күшінің есебінен әрекеттесіп жатады және мұндағы әре-кеттесу дәрежесі әртүрлі болуы мүмкін. Мінеки, осы әрекеттесу шамасына орай дисперсті системалар лиофильді және лиофобты болып бөлінеді. Лиофильді системалар тобына жататын дисперсті системадағы дисперсті фаза мен дисперсті орта өзара әрекеттеседі. Мүның нәтижесінде жалпы химиядан белгілі сольватацияға (еріт-кіш су болғанда гидротация) ұқсас, дисперсті фаза бөлшегінің ай-наласында дисперсті орта бөлшектерімен қоршалған қабат лайда болады. Ал, лиофобты системалар тобына енетін дисперсті фаза мен дисперсті ортадағы заттар өзара нашар әрекеттеседі.

Фазалық өзгешелік. Жоғары молекулалық қосылыстардың ері-тінділері нағыз молекулалық ерітінді болса да оларға коллоид-ты күйдің көптеген белгілері тән. Мысалы, жоғары молекулалық қосылыстар өздігінен ерігенде әуелі жекеленген макромолекула-ларға ыдырап бірфазалы, гомогенді, тұрақты және қайтымды сис-тема құрайды. Ал, дисперстілік система қасиетіне едәуір әсер ететіндіктен, жоғары молекулалық қосылыс ерітінділері жоғары дисперсті, гетерогенді системаларға тән ортақ қасиеті болуы ке-рек. Расында да жоғары молекулалық қосылыс ерітінділері диф-фузия жылдамдығы, ультра сүзгіштен өтпеуі, құрылымы, оптика-лық, электрлік қасиеті тарапынан алғанда, олар нағыз ерітіндіден гөрі коллоидты системаға жақын.

Дисперсті системаларды тағы да үлкен екі топқа бөлуге болады: жүзгіндер (суспензиодтар) және молекулалық коллоидтар. Жүзгіндер дегеніміз өзін қоршаған ортадан анық белгіленген фи-зикалық шегі бар, атомдар немесе молекулапардың бірігіп өз алдына жеке агрегат күраған бөлшектерден тұратын жоғары дис-персті, гетерогенді системалар. Ал, молекулалық коллоидты сис-темалар дегеніміз, жеке кинетикалық өлшем ретінде болатын мо-лекулалардың сольваттануын өздігінен қүрайтын, тұрақты және қайтымды бір фазалық гомогенді системалар. Мұндағы ірі моле-

кулалардың өлшемі коллоидтық дисперстілік өлшеміне шамалас болады. Мінеки осы тұрғыдан алғанда жоғары молекулалық қо-сылыс ерітінділері дисперсті молекулалық коллоидты системаға /катады, ал олардың гомогенділігі беткі бос энергия, фазааралық шек жайлы ойлауға да мүмкіндік қалдырмайды. Бұл да тек олар-дың өзіне ғана тән қасиет.

Тамақ өнеркәсібінде кездесетін көптеген технологиялық про-цестер коллоидты процестер. Мысалы, нан өндірісіндегі қамырды илеп, оны даярлау кездегі ісіну процесі және нан пісіру кезіндегі ұю мен коагуляция сияқты процестердің бәрі де коллоидты систе-мадағы құбылыстар. Сол сияқты маргарин, шырын, майонез сияқ-тыларды әзірлеу ісі — эмульгирлеу процесіне сүйенеді. Сондай-ақ сүт өндірісіндегі айран, сүзбе, құрт, ірімшік, май, қаймақ сияқты-ларды алудың өзі тікелей коагуляция және ісінуге кері құбылыс синерезис сияқтыларға негізделеді. Кондитер саласындағы көпте-ген кремдер мен сан алуан конфеттерді, зефирлерді әзірлеу де кол-лоидты процестер арқылы жүзеге асады. Тағам даярлаудағы пісі-ру, тұздау сияқты қүбылыстардың бәрі коагуляция немесе белок-тың ыдырауы секілді процестер арқылы жүреді.

Қазір қоршаған ортаны сақтау, оны корғау аса маңызды мән-ге ие болып отыр. Бұған ғасырымыздын, 80-жылдары Біріккен Ұлт-тар үйым жариялаған “Таза судын, онжылдығы” атты шешімі дә-лел. Оны әлемдегі ғалымдар “ғасыр міндеті” деп те жүр. Нақ осы тұрғыдан алғанда, бұл міндетті атқару коллоидты химияға көбі-рек тиесілі. Суды ластайтын заттар аса ірі, дисперсті, коллоидты және молекулалы бөлшектер болып төртке бөлінеді. Олардың ара-сындағы біріншісі, яғни аса ірілері тұну процесі кезінде бөлінсе, қалған үшеуі де коллоидты химиядағы ұю, коагуляция, диффузия, сүзу сияқты процестер көмегімен тазаланады.

V I I т а р а у БЕТТІК ҚҰБЫЛЫСТАР МЕН АДСОРБЦИЯ

Беттік керілу, оны анықтау әдістері физика курсында толық талданады. Сондықтан да бұл тарауда сұйықтар мен қатты дене-лерде кездесетін беттік керілу туралы қысқаша қарастырамыз. Беттік керілу бетке перпендикуляр бағытта сұйық молекуласын

161

ішке қарай тартатын ішкі қысым күшінің әсерінен пайда болатын құбылыс. Ішкі қысым молекулалық әрекеттесу күштің нәтижесш-де пайда болатындықтан, оның мәні зат полюстігіне тәуелді, яғни берілген заттың полюстігі артқан сайын ішкі қысым да көбейеді. Мысалы, судың ішкі қысымы 14800 атм., бензолдікі 3800 атм. Де-мек, бензолдан гөрі судың полюстігі артық.

Фазааралық шектің беткі қабатында бос энергияның артық болуын әр түрлі әдістер көмегімен дәлелдеуге болады. Мысалы, сұйық фазаның ішкі ортасына орналасқан молекуланың өзін қор-шаған молекулалармен әрекеттесу күші орташа күшке айналады және ол күш өрісінің симметриялы болуына байланысты нөлге теңеледі. Газ бен сұйық фазаларының арасындағы шекті кабатта-ғы молекулалар газдан гөрі сұйық молекуласымен көбірек әрекет-тесетіндіктен, ондағы тең әсерлі күш сұйыққа қарай, яғни сұйық фазаның беткі қабатына перпендикуляр бағытталады. Көлем өз-геріссіз қалатын жағдайдағы беткі қабаттың ауданын көбейту молекулааралық ішкі күшке қарсы жұмыс жүргізу кезінде фаза көлеміндегі молекулаларды беткі қабатқа шығарады. Изотерма-лық жағдайда жүргізілетін бұл жұмыс беткі қабаттағы бос энер-гияның артуына тең. Дәл осы сияқты қатты заттарды ұнтақтау ке-зінде де ондағы байланыс үзіліп, әрбір бөлшек саны артқан сайын беткі қабат та көбейеді және фазааралық беткі қабат артқандық-тан, бос энергия жоғарылайды. Мұндай беткі қабат ауданына сәйкес көбейіп отыратын бос энергия туралы ойды кез келген фа-зааралық беткі қабаттарға пайдалануға болады.

§ 34. ФАЗАНЫҢ ЖАНАСУ ШЕПНДЕГІ БОС ЭНЕРГИЯ

Бір фазаның екінші фазамен жанасу шегінде аса күшті дамыған қабаты бар системалар үшін осы беттерде жүретін құбылыс-тардын мәні ерекше екенін білеміз. Ғылыми зерттеулер мен тәжі-рибелер көрсетіп отырғандай, олардьщ бәрі де берілген заттың табиғаты мен беткі қабаттың шамасына тәуелді.

Қоллоидты ерітінділер жоғары дисперсті системадағы топқа жататындықтан, олардың дисперсті фаза құрамындағы бөлшектер-дің беткі қабатынан жинақталған үлкен беткі қабаты болады. Коллоидты системадағы бөлшектердің жинақталған беткі кабаты-нын. қосынды ауданы жайлы ұғымды нақтылы түсіну мақсатымен, бір текше сантиметр (1 см³) қатты денені коллоидты өлшемге дейін ^сақтап, оның ауданын есептейді. Ұсақтағанда, осы бөлшектердің косынды массасы мен көлемі өзгеріссіз қалып, беткі аудан қосын-дысы көбейеді (10-таблица).

(162)

Масса немесе көлем энергиясы тең, мұндагы m және V масса мен көлем, К. — пропорционалдылық коэффициенті. Қейде беттік бос энергия деп те айта беретін беттік энергия Е₃ интенсив-тілік факторы болып есептелетін беттік керілу а мен көлемдік (экстенсивті) фактор ретіндегі қосынды бет S шамалары көбейтін-дісіне тең:

(163) (162) теңдеуді былайша жазуға болады:

(164)

немесе (166)

Бүл теңдеуден егер бөлшек көлемі (V) үлкен болса, онда теңдеу-дегі екінші мүшенің мәні азаяды, оны ескермесе де болады, немесе дисперстілік дәрежесі жоғарылаған сайын бөлшек көлемі кішірейе түседі де бөлшек энергиясы негізінен беттік энергиямен байланы-сады.

Дисперсті фазаны онан әрі молекулаға немесе ионға дейін үсақтаса, онда мұның салдарынан фазадағы жанасу шегі жоға-лып, беткі қабат жойылады. Мұндайда (166) теңдеудің оң жағын-дағы екінші мүше мәні нөлге теңеледі. Сондықтан да коллоидты-дисперсиялық системаларда өте үлкен мәндегі беттік бос энергия болады. Өйткені олар тіпті аз концентрацияның өзінде де, мысалы, концентрациясы 0,001% болатын бір литр коллоидты ерітіндідегі бөлшектердің жанасу шегінің косынды беті ондаған шаршы метр-мен өлшенеді.

Термодинамиканын екінші заңына орай бос энергияның артық қоры болатын системалардағы процестер осы энергия қорын тө-мендету бағытында өздігінен жүре алады. Беттік энергия екі ша-маның көбейтіндісі арқылы өрнектелгендіктен, беттің бірлік өлше-міне тиесілі энергия қоры азайғанда беттік энергия да азаюы мүм-кін. Коллоидты-дисперсиялық бөлшектердің қосынды бетінің азаюы, бөлшектердің бірігіп, өздігінен үлкеюіне әкеледі, яғни ол коагуляцияланады. Сол сияқты беттік керілу күшінің азаюы дисперсті ортадағы атомдар мен молекулалардың беткі қабатқа тартылу салдарынан болуы мүмкін.

§ 35. АДСОРБЦИЯЛЫҚ ҚҰБЫЛЫСТЫҢ ЖАЛПЫ СИПАТТАМАСЫ

Берілген дененің (заттың) дисперстілік дәрежесі жоғарылаған сайын, ол өзінің көбейген бетіне басқа дененің көп бөлшегін сіңі-реді. Еріген немесе газ қалпындағы заттардьщ қатты дене немесе сұйықтың бетіне өздігінен жиналып, шоғырлана келіп, қоюлану кұбылысын сорбция деп атайды. Әдетте өзіне басқаны сіңіруші затты — сорбент, ал оған сіңірілетін затты сорбтив деп атайды. Ал сорбцияға кері құбылысты десорбция дейді. Сорбтив бөлшектері" сорбентке қаншалықты терең сіңуіне байланысты және ондағы пайда болатын өзара әсер мен байланыс күшіне, табиғатына сәй-кес сорбция құбылысын карастырады. Егер сіңіру дененін тек бет-кі қабатында ғана жүретін болса, онда оны адсорбция деп атайды. Мұнда да сіңіруші затты адсорбент, ал сіңірілетін затты адсорбтив деп атайды.

Сорбент пен сорбтив бөлшектерінің табиғаты мен өзара әре-кеттесу сипатына орай, сорбция құбылысын физикалық және хи-миялық деп бөледі. Физикалық сорбция әлсіз және қайтымды. Ол тек молекулааралық, яғни ван-дер-ваальстік күш әсерімен жүзеге асады. Ал химиялық сорбцияны көбіне хемосорбция деп те айтады

Адсорбент бетінің 1 см²-на сіңген заттың мөлшерін меншікті (үлесті) адсорбция (Г) деп айтады. Іс жүзінде кез келген адсор-бент бетін өлшеу мүмкіндігі бола бермейтіндіктен, 1 кг адсор-

бентке адсорбцияланған адсорбцияны мольмен өлшеп, А әрпімен белгілейді:

(167)

Адсорбция (А) мен меншікті адсорбция арасындағы байланыс былайша өрнектеледі:

Берілген адсорбент пен адсорбтив үшін меншікті адсорбцияның шамасы адсорбтив газ күйінде болса температура (Т) мен қысымға (р), ал ерітінді болса температура (Т) мен концентрацияға (С) тәуелді. Адсорбция шамасы (168) теңдеу арқылы өрнектелетін болса, онда меншікті адсорбция температура мен кон-центрациядан (қысымнан) басқа адсорбенттің беткі қабатынын ауданына да тәуелді болады. Температура, меншікті адсорбция және концентрация (қысым) сияқты уш өлшемнің математика-лық түрғыдан өзара функционалды байланыста болатынын жал-пы термодинамикалық теңдеумен өрнектеуге болады:

! (169)

f Г, Т, С)=0 немесе f (Г, Т, р)=0 Г= f (Т, С) немесе Г= f(Т, р)

Бұл теңдеулерден адсорбция изотермасы (T=сопзt:) деп атала-тын және оны сипаттайтын қосымша теңдеу туындайды:

(170)

Гf C немесе Г =f(p)

адсорбциядесорбция

Мұндай тепе-теңдік жағдайда белгілі мерзім аралығындағы ад-сорбент бетшен бөлініп, басқа жаққа кеткен, яғни десорбциялан-ған бөлшектер саны осы уакыт аралығында екінші ортадан бөлі-ніп, адсорбцияланған бөлшектер санына тең болады.

Адсорбция процесі экзотермиялық, демек оны Ле-Шателье принципіне сәйкес төмендеу температурада жургізу тиімді. Тә-жірибе көрсетіп отырғандай, температура жоғарылаған сайын ад-сорбция кезіндеп әр бөлшектің ішкі жылуы, ішкі энергиясы ар-тып, атомдық не молекулалық тербелісі жиілеп, адсорбция мен десорбция процестері арасында орнаған тепе-теңдік бірте-бірте десорбция багытына қарай ығыса бастайды. Сондай-ақ адсорбцияға экзотермиялық және қайтымдылық сияқты құбылыстармен қатар, бұл процеске өте аз шамадағы активтендіру энергиясы тән екен. Адсорбігая процесіндегі энергетикалық кедергі төмен болғандықтан, ол жоғары жылдамдықпен жүреді. Сондықтан

166

энергетикалык тұрғыдан алғанда адсорбция экзотермиялық құ-былыспен байланысты жүретін қайтымды реакцияға ұксас екен. Длайда адсорбциядағы жылу зффектісінің мәні қайтымды экзо-термиялық реакция мен хемосорбцияныкінен төмен болады.