Глава VI. Физикохимия дисперсных систем

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ § 1. Классификация дисперсных систем

Дисперсной называется такая система, в которой вещество находится в состоянии более или менее высокой раздробленно­сти (дисперсности) и равномерно распределено в окружающей среде. Степень раздробленности, или степень дисперсности, системы D является важным признаком для физико-химичес­кой классификации систем и определяется как величина, обрат­ная диаметру дисперсной частицы:

D = I/o.

Размеры частиц (молекул, ионов), образующих истинные растворы (а та Ю^-10— 10~⁹м), свойства которых рассмотрены выше, соизмеримы с молекулами растворителя. Поэтому в мо­лекулярных и ионных растворах между растворенным ве­ществом и растворителем не существует поверхности раздела, эти системы являются гомогенными, термодинамически устой­чивыми. На истинные растворы понятие дисперсности обычно не распространяется.

Системы, в которых степень дисперсности частиц составля­ет D та 10⁹— 10⁷m"¹, относятся к коллоидно-дисперсным. В та­ких системах кинетической и структурной единицей является не ион и молекула, а более высокоорганизованная коллоид­ная частичка, состоящая из сотен и тысяч молекул и ио­нов.

С увеличением размеров частицы приобретают новые каче­ства. Коллоидно-дисперсные системы являются гетерогенными, термодинамически неустойчивыми, поскольку между частич­ками и средой имеется поверхность раздела, обладающая из­бытком поверхностной энергии. Для этих систем характерны самопроизвольные процессы, понижающие избыток энергии путем уменьшения степени дисперсности.

Изучением дисперсных систем ученые начали заниматься во второй половине прошлого столетия. Первые исследовате­ли коллоидных растворов — итальянец Ф. Сельми, англича­нин Т. Грэм и другие — в отличие от кристаллоидов относи­ли эти системы к особому классу веществ — коллоидам (от греческого «колла» — клей), считая, что они не способны обра­зовывать истинные растворы и кристаллизоваться, что для них не свойственны явления осмоса и диффузии, а характерны особые свойства.

В отличие от Ф. Сельми и Т. Грэма, профессор Киевского университета И. Г. Борщов в своей работе «О свойствах и строе­нии коллоидов, участвующих в образовании растительных и животных организмов», вышедшей в 1869 г., дал коллоид­ным системам другое толкование, указывая на то, что их от­личие от истинных растЕоров обусловлено многофазностью, гетерогенностью. И. Г. Борщов высказал предположение, что все вещества могут находиться как в кристаллическом, так и в коллоидном состоянии, переходя из одного в другое.

Позднее, в 90-х годах, Д. И. Менделеев, уделявший боль­шое внимание коллоидам, высказал мысль об универсально­сти коллоидного состояния материи. Эту идею окончательно развил и обосновал обширными экспериментальными иссле­дованиями русский ученый П. П. Веймарн. Его положение (положение Веймарна) гласит: нельзя говорить о коллоидах, как об особом классе веществ, принципиально отличном от класса кристаллоидов, а можно говорить лишь о коллоидном состоянии, как состоянии общем и возможном для любых ве­ществ и определяемом некоторыми пределами их высокой сте­пени дисперсности. Таким образом, русские ученые стояли на правильных материалистических позициях толкования при­роды коллоидных систем.

Изучение свойств дисперсных систем пошло быстрыми тем­пами с начала нашего столетия благодаря успехам, достигну­тым в электрохимии, теории истинных растворов, термодина­мике и других областях науки.

Реальный, окружающий нас мир — растительные и жи­вотные организмы, многие объекты неживой природы, продук­ты питания, одежда, строительные материалы и т. д. — все это дисперсные системы различной степени организации. Изучение свойств и закономерностей, характерных для этих систем, является одним из ключей к познанию самой жизни. Коллоидный, надмолекулярный и высокомолекулярный уров­ни материи являются необходимыми звеньями в процессе эволюции. Мышечные и нервные клетки, волокна, гены, ви­русы — все это коллоидные образования.

Комплексные медико-биологические проблемы, доминиру­ющие в настоящее время в естествознании (например, разра­ботка моделей клеток, биологических мембран, нервных во­локон и т. д.), решаются на основе знания физико-химиче­ских закономерностей, свойственных дисперсным системам.

Как и в любой отрасли знаний, в химии дисперсных сис­тем существует несколько способов классификации, основан­ных на различных признаках. Поскольку, как уже было ска­зано, дисперсные системы гетерогенны, т. е. состоят из двух или более фаз, в них обычно различают дисперсную фазу— диспергированное вещество (фаз может быть несколько) — и дисперсионную среду.

Классификация по степени дисперсности. Размеры части­чек дисперсной фазы позволяют подразделять рассматривае­мые системы на грубо-, средне- и высокодисперсные:

Размер частичек, м

Грубодисперсные системы (суспензии, эмульсии) > 10"&

Системы средней дисперсности (тонкие взвеси, ДЫМЫ, 10"⁶ — 10"⁷ пористые тела)

Высокодисперсные системы (коллоидные растворы) К)"⁷ — 10"?

Грубодисперсные системы отличаются от высокодисперсных тем, что частички дисперсной фазы оседают (или всплывают) в гравитационном поле, не пропускаются бумажными филь­трами и видимы в обычный микроскоп. Высокодисперсные частички проходят через обычные фильтры, но задерживаются ультрафильтрами (целлюлоза, коллодий) и не видимы в оп­тический микроскоп.

Коллоидными свойствами обладают изолированные клетки и поверхностные слои на границе фаз в порах катализаторов, в пенах и эмульсиях и т. д. Свойства этих поверхностных слоев отличаются от свойств объемных фаз.

К высокодисперсным системам относятся и одномерно про­тяжные (фибриллярные) структуры: синтетические и природ­ные волокна, нервы, мышцы и другие объекты. В этих систе­мах размеры частичек в различных направлениях отличаются на несколько порядков. Ниже приведены некоторые биологи­ческие объекты с различными размерами частичек, однако все они являются дисперсными системами:

Эритроциты крови человека 7 мкм

Кишечная палочка 3 мкм

Вирус гриппа 0,1 —100 мкм

Вирус ящура 10 нм

Молекула гликогена 10 нм

Классификация по агрегатному состоянию. В зависимости от агрегатного состояния дисперсной фазы и дисперсионной среды все дисперсные системы можно разделить на девять типов, обозначаемых в виде дроби, которая состоит из начальных букв названий агрегатного состояния компонентов (в числителе — фазы, в знаменателе — среды). Например, система Т/Ж означает: «твердая фаза в жидкой среде».

По этой классификации некоторые системы имеют специ-зльные, часто встречающиеся названия. Высокодисперсные системы называют золями. В зависимости от среды различают гидрозоли (дисперсионная среда — вода), органозоли (дис­персионная среда — органическая жидкость), аэрозоли (га­зообразная среда). Грубодисперсные системы типа Т/Ж назы­ваются суспензиями, типа Ж/Ж — эмульсиями (табл. 21).

Таблица 21. Типы дисперсных систем

Обозначение	Тип систем	Примеры
системы
Т/Ж	Золи, суспензии	Взвеси в природных водах
		золи металлов в воде
ж/ж	Эмульсии	Молоко, смазки
г/ж	Газовые эмульсии, пены	Мыльная пена
Т/Т	Твердые коллоидные раст-	Минералы, сплавы
ж/т	воры	Адсорбенты, почвы
	Пористые тела, гели
Г/Т	Пористые и капиллярные	Пемза, силикагель, активи-
	системы	рованные угли
Т/Г	Аэрозоли	Пыль, дым
ж/г	Аэрозоли	Туман, облака
г/г	Системы с флуктуациями	Атмосфера Земли
	плотности

Ограниченность классификации по агрегатному состоянию заключается в том, что в случае приближения размеров час­тичек к молекулярным теряет смысл не только понятие по­верхности раздела, но и понятие агрегатного состояния дис­персной фазы. Так, к макромолекуле понятие агрегатного состояния неприменимо, поскольку оно определяется типом общего межмолекулярного взаимодействия всех молекул си­стемы.

При рассмотрении этой классификации можно еще раз убедиться, что коллоидное состояние материи является всеоб­щим. Например, флуктуации атмосферы относятся к дисперсии типа Г/Г; дефекты решеток реальных кристаллов, достигающих коллоидных размеров, также являются дисперсной фазой, и коллоидно-химическая интерпретация поведения дефектов проводится в современных работах по физике твердого тела. К дисперсным системам можно отнести и жидкие кристаллы, на основе которых рассматривается структура многих биологи­ческих систем.

Классификация по межфазному взаимодействию. Взаимо­действие между дисперсной фазой и дисперсионной средой происходит всегда, однако степень его проявления в различ­ных системах существенно различается. В зависимости от сте­пени этого взаимодействия все системы делятся на лиофильные (гидрофильные) и лиофобные (гидрофобные).

В лиофильных системах взаимодействие частичек дис­персной фазы со средой достаточно сильное, т. е. эти частички хорошо сольватированы (гидратированы). В лиофобных си­стемах взаимодействие фазы со средой слабое, т. е. сродство дисперсной фазы к среде мало. Характерной чертой многих лиофильных систем является их термодинамическая устойчи­вость— они могут самопроизвольно диспергироваться.

К лиофильным системам относятся многие растворы высокомолекулярных соединений. Например, растворы мно­гих белков и полинуклеиновых кислот в воде являются гидро­фильными дисперсными системами. Коллоидные растворы бла­городных металлов являются гидрофобными системами, посколь­ку сродство к воде у частичек дисперсной фазы очень незна­чительно.

Суспензоиды и молекулярные коллоиды. Особое место в классификации дисперсных систем занимают растворы вы­сокомолекулярных соединений (ВМС). По многим свойствам эти системы можно отнести к истинным растворам, поскольку они гомогенны, устойчивы и обратимы. Однако размеры мак­ромолекул настолько велики, что соизмеримы с размерами коллоидных частичек. В связи с этим они проявляют многие свойства, характерные для дисперсных систем — малую ско­рость диффузии, характерные оптические и электрокинетиче­ские свойства, структурообразование и др.

Поскольку растворы ВМС диалектически сочетают в себе свойства истинных — молекулярных — растворов и коллоид­ных систем, было принято предложение И. И. Жукова назы­вать эти растворы молекулярными коллоидами. Таким обра­зом, все дисперсные системы можно разделить на два класса— суспензоиды и молекулярные коллоиды.

Суспензоиды — это высокодисперсные гетерогенные си­стемы, неустойчивые и необратимые, частички которых пред­ставляют собой агрегаты атомов или молекул, отделенных гра­ницей раздела от дисперсионной среды.

Молекулярные коллоиды — гомогенные, однофазные систе­мы, устойчивые и обратимые, представляющие собой отдель­ные сольватированные макромолекулы. Размеры макромо­лекул относятся (хотя бы в одном измерении) к коллоидной степени дисперсности.

Общность этих двух классов веществ проявляется в су­ществовании непрерывного перехода от одного к другому. Растворы ВМС легко превращаются в типичные гетерогенные золи при непрерывном, часто незначительном изменении со­

става среды. Так, раствор белка при добавлении спирта пере­ходит в лиофобный золь.

Растворы ВМС достаточных концентраций, когда макро­молекулы образуют структуры (клубки, глобулы, сетки), приобретают свойства, типичные для высокодисперсных си­стем.