- дәріс. Кіріспе. Коллоидты химияның негізгі түсініктері мен анықтамалары. Коллоидты жүйелер

1. Коллоидты химия ғылым ретінде. 

2. Коллоидты химияның пайда болу тарихы. 

3. Коллиодты химияның маңызы. 

Коллоидты химия - бастапқыда физикалық химияның бір бөлімі ретінде қарастырылған. Уақыт өте келе эксперименттік дәлелдемелерді талдау негізінде бұл пән жеке ғылым болып бөлініп шықты. Тіпті арнайы коллоидтық химияның зерттеу әдістері табылды: ультрамикроскопия, электрондық микроскопия, ультрацентрифугирлеу (сүзу), электрофорез, тағы да басқалар.

Практика коллоидтық химияның қазіргі заманғы техникада да орнының ерекше екенін дәлелдеді. Қазіргі уақытта халық шаруашылығының кез келген саласын коллоидық химиясыз елестету мүмкін емес. Бұл ғылым саласының нені зерттейтінін түсіну үшін алдымен «коллоидтар» немесе «коллоидтық жүйелер» дегеніміз не деген сұраққа жауап іздеу керек.

ХІХ ғасырдың 40 жылдары италия ғалымы Франческо Сельми қазіргі кезде коллоидтық жүйелер болып табылатын кейбір ерітінділердің аномальді қасиеттерін бақылады. Бұл ерітінділер жарықты күшті шашыратады. Оларда еріген заттар осы еріген затпен әрекеттеспейтін тұздардың болмашы ғана мөлшерін қосқаннан тұнбаға түседі. Заттардың мұндай ерітіндіге өтуі, яғни еруі және ерітіндіден тұнбаға түсуі жүйе температурасының және көлемінің өзгеруінсіз жүреді (әдетте, кристалл заттардың еруі кезінде температура мен көлем өзгереді). Сельми бұл ерітінділерді әдеттегі ерітіндіден ерекшелеп, «псевдо ерітінділер» деп атады. Кейіннен оларға «зольдер» деген атау берілді.

ХX ғасырдың 50 жылдары ағылшын химигі Томас Грэм бұл ерітінділерді толығырақ зерттеді. Грэм бұл ерітінділерді және оларды түзетін заттарды «коллоидтар» деп атады, себебі Грэм грекше «колла» - деп аталатын желімді (клей) осындай ерітінділердің нағыз (типичный) өкілі деп ойлады.

ХIX ғасырдың 60 жылдары белгілі болған коллоидтық ерітінділердің кейбір ерекшеліктеріне тоқталайық: 

1. Барлық коллоидтық ерітінділер шоқталған сәулені шашыратуға, яғни опалесценцияға бейім. Тиндаль коллоидты ерітінді бар кюветаға линза арқылы жарық шоғын өткізгенде жанынан жарық конусын анық бақылаған. Сондықтан мұндай конус Тиндаль конусы деп аталады. 

Ерітіндінің жарықты интенсивті шашыратуы жүйеде фазааралық бөліну бетінің бар екендігінің айқын дәлелі болмаса да, коллоидты ерітіндінің біртекті емес екенін толық дәлелдейді.

2. Коллоидты ерітінділердегі бөлшектер диффузиясы өте баяу жүреді. Диффузияға еріген бөлшектер өлшемі әсер етеді, себебі өлшемі үлкейген сайын бөлшекке еріткіш молекуласы ортасында (в среде) қозғалу үйкелістің (трение) күшеюіне байланысты қиынға соғады.

3. Коллоидтық ерітінділердің осмостық қысымы өте төмен болады.

Бұл соңғы екі қасиет – диффузияның баяу өтуі және осмостық қысымның төмен болуы, коллоидтық ерітінділердегі еріген зат бөлшектерінің салыстырмалы түрде ірі екендігін көрсетеді. Осмостық қысым коллигативті қасиетке жатады, яғни, тұрақты температурада көлемдегі бөлшектер санына ғана тәуелді. Және оның (осмостық қысымның) мәнінің төмен болуы бөлшектер өлшемінің үлкен, ірі екендігін көрсетеді, себебі ерітіндідегі еріген заттың салмақтық концентрациясы және тығыздығы бірдей болса да, бөлшектер саны олардың өлшемі ірі болған сайын аз болады.

4. Коллоидты ерітінділер диализге қабілетті. Яғни колллоидты ерітінділерді жартылай өткізгіш мембрана көмегімен оларда еріген төмен молекулалы заттар қоспасынан (примесь-қалдық) бөліп алуға болады. Диализ кезінде төмен молекулалы заттар мембрана арқылы өтіп, ал жартылай өткізгіш арқылы өтуге қабілетсіз коллоидтық бөлшектер тазартылған коллоидтық ерітінді түрінде қалады. Диализге бейімділік те колоидты ерітінділердегі бөлшектер өлшемінің шынайы ерітінділердегі молекулалар өлшемінен әлдеқайда үлкен екендігінің айғағы. 

5. Толығымен тұрақты (стабильные) жүйелер болып табылатын шынайы ерітінділерден ерекшелігі (нағыз ерітінді) - коллоидты ерітінділер агрегативті тұрақсыз (лабильные). Яғни коллоидты еріген заттар болмашы сыртқы жағдайлардың әсер етуіне байланысты ерітіндіден оңай бөлінеді. (коагуляцияланады). Нәтижесінде коллоидты ерітіндіде - тұнба (коагулят, коагулюм) түзіледі, яғни, біріншілей бөлшектердің жабысуынан пайда болған агрегаттар. КЖ-дің агрегативті тұрақсыздығы олардың концентрациясы жоғары болған сайын жақсы байқалады.Сондықтан нағыз КЖ-ді жоғары концентрлі етіп алу мүмкін емес. Коагуляцияны туғызатын жағдайлар: қыздыру, суыту, интенсивті араластыру және ерітіндіге өте аз мөлшерде электролиттер (коагуляторлар) енгізу. Коагуляция процесң коагулятор коллоидты еріген затпен химиялық өзара әрекеттеспейтін жағдайда да жүруі мүмкін, Бұл жағдай коагуляция химиялық емес, физикалық процесс екендігін көрсетеді. 

6. Коллоидтық ерітінді электрофорезге бейім. Мұны Ф.Ф. Рейсс 1808 жылы Ресейде ашты. Яғни электр өрісінде коллоидты бөлшектер қайсібір электродқа қарай қозғалады. Бұл коллоидты еріген зат болшектері, иондар сияқты, электр зарядына ие екендігін көрсетеді. Электрофорездің электролизден айырмашылығы – электролиз өнімдері электродтарда эквивалентті мөлшерде бөлінеді, ал электрофорезде зат тек бір бағытта ғана айтарлықтай қозғалады. 

7. КЖ газтәрізді, сұйық және қатты болуы мүмкін. Мысалы: тұман, түтін, металдардың коллоидты ерітінділері, AgI және AsS коллоидты ерітінділері, кейбір орг.бояғыштар және сабындар ерітінділері, эмульсиялар (сүт), пемза, опал, шойын, кейбір металл балқымалары. 

8. Коллоидтық қасиеттерді органикалықта, бейорганикалықта заттардан тұратын жүйелер көрсете алады. КЖ табиғатта кең тараған және оларды лабораторияда да алуға болады. Сонымен, КЖ коллоидтық емес жүйеден несімен ерекшеленеді? 

Грэм өз заманында заттарды коллоидтар және кристаллоидтар деп бөлген. Ал И.Г.Борщев коллоидтық ерітінді құрамындағы заттың кристалдық құрылымы болуы мүмкін екендігін айтты. Кейін орыс ғалымы П.П.Веймарн бір зат белгілі бір жағдайда кристаллоид, ал басқа жағдайда коллоид қасиетін көрсететіндігін дәлелдеді. Мысалы канифольді спиртте еріткенде ол шынайы ерітінді түзеді, ал суда коллоидты ерітінді береді. Керісінше, натрий хлориді суда шынайы ерітінді, ал бензолда коллоидты ерітінді береді. Осылайша, коллоидты зат деп емес, заттың коллоидты күйі деп айтқан дұрыс болады.

Сонымен, заттың коллоидтық күйі дегеніміз - бұл жоғары дисперсті күй (күшті ұнтақталған). Бұл күйде жекелеген бөлшектер молекула емес, көптеген молекулалардан тұратын агрегаттар түрінде болады. Коллоидты бөлшектер көптеген молекулалардан тұратындықтан, оларға фазаның барлық термодинамикалық қасиеттері тән. Ал коллоидты бөлшектер дисперстелген орта молекулалары басқа фазаны құрайды. Яғни кез-келген коллоидты ерітінді гетерогенді, көп фазалы жүйе (кем дегенде екі фазалы?). Ал шынайы ерітінділер гомогенді жүйелер болып табылады. Коллоидты ерітінді гетерогенді жүйе болғандықтан, оның түзілу шарты – бір фазаның екінші фазада ерімеуі, себебі тек осындай заттардың арасында физикалық бөліну беті болады.

Әдетте КЖ көпкомпонентті, бірақ белгілі бір жағдайларда біркомпонентті коллоидты жүйелер де түзілуі мүмкін. Осындай КЖ-ді Во. Оствальд изоколлоидты жүйелер деп атаған. Мұндай сұйықтықтарда молекулалар молекулалық күштер әсерінен айтарлықтай үлкен агрегаттар түзеді. Изоколлоидты жүйелер салыстырмалы түрде аз кездеседі.

Сұйық КЖ-ге жоғарыда аталған барлық қасиеттер тән. Ал қатты КЖге жоғарыда аталған нағыз коллоидтық қасиеттердің барлығы бірдей (не все) тән болмауы да мүмкін. Мысалы, барлық қатты КЖ кәдімгі жағдайларда агрегатты тұрақты. Бұл осы жүйелердің тұтқырлығының өте жоғары болуынан еріген зат бөлшектерінің еркін қозғала алмай, бір-біріне жабыса алмай, ірі агрегаттар түзе алмауымен түсіндіріледі. Ал балқыту кезінде қатты КЖ агрегаттық тұрақсыздық көрсетуі мүмкін. Сондай-ақ металдық балқымаларға опалесценция тән емес. Бұл металдың мөлдір еместігімен ғана түсіндіріледі. Ал басқа, дисперстік ортасы мөлдір қатты КЖ (рубин шынысы, опал) опалесценция көрсетеді.

Қорыта айтсақ, кез-келген КЖ бір заттың (дисперсті фаза) екінші заттағы (диспесиялық орта) дисперсиясы болып табылады. КЖ-де дисперсті фаза молекулалар емес, молекула агрегаттары болып табылады.

Сонымен, коллоидтық химия – гетерогенді, жоғары дисперсті жүйелердің қасиеттері және оларда жүретін процестер туралы ғылым. Яғни коллоидтық химияда жүретін процестер тек қана екі фаза арасында жүреді.

К Ж тән нағыз қасиет – коагуляция. Ол агрегаттардың молекулааралық, химиялық емес, күштер әсерінен одан да ірі агрегаттар түзе отырып бір-біріне жабысуы. КЖ-ге тән басқа да қасиеттер – электрофорез және физикалық адсорбция да физикалық немесе физика-химиялық процестер болып табылады. Тек коагулятордың стабилизатормен (колоидтық бөлшектің бетінде адсорбциялық қабат түрінде болып, жүйенің салыстырмалы түрде тұрақтылығын қамтамасыз ететін зат) өзара әрекеттесуі кезінде ғана химиялық реакциялар жүруі мүмкін. Осылайша КХимия физика мен химияның арасындағы, негізінен біріншісіне жақын ғылым. Тек тарихи қалыптасқан дәстүр бойынша ғана коллоидтық жүйелер туралы ілімді гетерогенді жоғарыдисперсті жүйелердің физикалық химиясы емес, коллоидтық химия деп атайды.

Өте үлкен молекулалардан тұратын жоғарымолекулалы қосылыстар немесе полимерлер деп аталатын үлкен заттар тобы бар: целлюлоза, каучук, ақуыздар. Кейбір мұндай заттардың өлшемдері К бөлшектердің өлшемінен үлкен де болуы мүмкін. Мұндай жүйелер КЖ ме? Себебі бұл заттарға да КЖге тән кейбір қасиеттер – төмен диффузия, диализге бейімділік тән. Бірақ соңғы онжылдықтардағы зерттеулер айтарлықтай сұйылтылған ЖМҚ ерітінділері молекулаларға дейін ұсақталатындығын анықтады. Яғни мұндай ерітінділер гомогенді жүйелер болып табылады. Сондықтан оларды нағыз КЖ жатқызуға болмайды. Бұл ерітінділер, бір жағынан, шынайы ерітінділер болғанымен, екінші жағынан, оларда да өте ірі молекулалар бар. Осылайша, классикалық КЖ мен полимерлер арасында айқын шекара, яғни қатаң айырмашылық жоқ.

Коллиодтық химияның маңызы.

Ғарыштық кеңістіктегі шаң-тозаң (жарықтың жұтылуы бойынша абықлаулар) 3∙10-5см, яғни нағыз коллоидтық өлшемді екені анықталды. Ал газ-шаңды бұлттар болып табылатын кометалар орасан зор коллоидтық жүйелер болып табылады, ал олардың жарқырауы күн сәулесінің түсуі нәтижесінен болған нағыз жарықтың шашырауы,опалесценция құбылысы. Бірақ олардың ұзақ уақыт бойы тұрақты болып қалуы әлі белгісіз, бір жағынан, ғарыштық газ-шаңды бұлттың құрамындағы бөлшектердің тығыз болмауы (огромная разреженность) және олардың бір-бірімен соқтығыспауымен, екіншіден белгілі-бір факторға байланысты жүйенің агрегаттық тұрақтылығымен түсіндірілуі мүмкін. Мысалы, шаң бөлшектерінің иондарды адсорбтауы нәтижесінде пайда болған бөлшектердің электр заряды болуы мүмкін. Себебі ғарыштық кеңістікте газдар молекуласына әр түрлі сәулеленудің әсерінен иондар түзілетіндігі қазіргі кезде дәл анықталған. Бұлттар, тұман С/Г типті коллоидты жүйелер, ал жаңбырғ найзағай және басқа да метеорологиялық құбылыстар коллоидтық құбылыстармен байланысты құбылыстар деп қарастырылуы керек. Өзендердің теңіздерге құйылуы кезінде дельталардың түзілуі де коллоидты процесс. Себебі, өзендердің тұщы суында көп мөлшерде өлшемі коллоидтыға жуық болатын жүзгін минералдық бөлшектер болады. Бұл бөлшектердің, коллоидты бөлшектер сияқты заряды да болады. Өзендер теңізге құйғанда, электролит мөлшері айтарлықтай теңіз суы өзен суымен араласып, өзен суындағы жүзгін бөлшектер өз тұрақтылығынан айрылып, бір-бірімен жабысып үлкен агрегаттар түзе тұнбаға түсіп, отмельдер, яғни таяз жерлер пайда болады.

Керамикалық өндіріс коллоидтық химиямен тығыз байланысты. Себебі саз (керамиканың негізгі шикізаты) –гидратталған алюминий силикатының концентрлі суспензиясы болып табылады.

Минералдық шикізат негізінде жаңа құрылыстық материалдар (композициялық материалдар) жасауда колоидтық химияның маңызы өте зор.

Қағаз жасауда өсімдік талшығы жоғары дисперстік күйге дейін ұнтақталады. Қағаздың қасиетін жақсарту үшін канифоль, жасанды шайырлар мен каучук сияқты желімдеуші агенттердің әр түрлі дисперсиясын жасау және ұнтақталған талшық бетіне (қағаз бетіне) электролиттердің коагуляциялаушы әсерінен осы дисперсиялар бөлшектерінің жабысуы – барлығы да колоидтық химиямен тығыз байланысты.

Талшықтарды бояу технологиясында да коллоидтық процестердің маңызы зор. Себебі бояу дегеніміз бояғыштың коллоидты бөлшектерінің матаға диффузиясы, осы бөлшектердің элементар талшықтармен жанасу кезіндегі коагуляциясы және коагуляцияланған бөлшектердің элементар талшықтардағы фиксациясы болып табылады.

Фармацевтикада эмульсиялар, кремдер жасау заттардың қажетті ортада жоғары дисперсиялауға негізделген. Кейбір дәрілер колоидты формада қолданылады. Себебі дәріні колоидтық формада қолдану оның әсерін шектейді (локализует) және әсері де ұзақ болады, өйткені ағзадан баяу шығарылады.

Су тазартуда судағы жүзгіндер электролиттермен коагуляцияланады немесе адсорбталады. Ал газ немесе түтіндегі қатты немесе сұйық бөлшектерге электр зарядын беру және олардың қарама-қарсы зарядталған электродтарда шөгуі газтазартудағы ең заманауи әдістердің бірі.

Тамақ өнеркәсібінде де коллоидтық химия процестері кең қолданылады: қамыр дайындауда ісіну процесі, маргарин, майонез, соустар жасауда эмульгациялау процесі, сыр дайындау коагуляция процесі, ет қайнатуда коагуляция немесе ақуыздар денатурациясы болып табылады.

1. ХIX ғасырдың 60 жылдары белгілі болған коллоидтық ерітінділердің кейбір ерекшеліктері. 

2. Коллоидтық химия нені зерттейді. 

3. Коллиодтық химияның маңызы.