§2. Признаки объектов коллоидной химии
Для объектов коллоидной химии характерны два общих признака: гетерогенность и дисперсность. Все особые свойства, характерные для объектов коллоидной химии, являются функциями или следствием гетерогенности и дисперсности. Эти признаки, выделенные одним из основоположников отечественной коллоидной химии Н.П. Песковым еще в начале тридцатых годов ХХ века, полностью соответствуют современному представлению об объектах коллоидной химии.
Гетерогенность или многофазность выступает в коллоидной химии как признак, указывающий на наличие межфазной поверхности, т. е. поверхностного слоя – основного объекта этой науки. Коллоидная наука концентрирует внимание в первую очередь на процессах и явлениях, происходящих на межфазных границах, в пограничных слоях, которые не просто определяют граничную область между фазами, но и представляют коллоидное состояние вещества. Гетерогенность – важнейший признак объектов коллоидной химии. Именно этот признак, определяющий наличие поверхностей раздела, обусловливает характерные свойства этих объектов.
Дисперсность (раздробленность) – второй признак объектов коллоидной науки. Она определяется размерами и геометрией тела. Частицы веществ могут иметь самую различную форму: сферическую, цилиндрическую, прямоугольную, а чаще – неправильную. Рис.15 иллюстрирует образование различных дисперсий при уменьшении размеров куба по трем его осям. При значительном уменьшении размеров в одном измерении (по оси у) получается плёнка или поверхностный слой, при уменьшении размеров куба в двух измерениях (по осям x и y) образуются нити или капилляры, а уменьшение его размеров по всем трем измерениям (по осям x, у и z) приводит к образованию мелких частиц. При этом раздробленность определяется размером тела по той оси, уменьшением которого она достигнута, т. е. наименьшим размером а. Раздробленность часто характеризуют величиной, обратной размеру а, т. е. 1/a. Эта величина носит название дисперсности D. Широко применяется и третья характеристика раздробленности – удельная поверхность Sуд, определяемая отношением поверхности к объему тела S/V. Все три характеристики раздробленности связаны между собой: с уменьшением параметра а увеличиваются дисперсность D и удельная поверхность Sуд.
Рис. 15. Форма элементов тела в зависимости от их размеров по трем координатным осям
Дисперсность – важнейший признак объектов коллоидной химии. Она придает новые свойства не только отдельным элементам дисперсной системы, но и всей дисперсной системе в целом. С ростом дисперсности повышается роль поверхностных явлений в системе, т. к. увеличивается доля поверхностных молекул (увеличивается удельная поверхность), т. е. более сильно проявляется специфика гетерогенных дисперсных систем. Однако если гетерогенность является универсальным признаком, так как объектом коллоидной химии в принципе может быть любая многофазная система (например, ее межфазная поверхность), то одна только дисперсность без гетерогенности не может определить принадлежность конкретного объекта к коллоидной химии. Например, истинные растворы представляют дисперсию молекулярно растворенного вещества в растворителе, но они не обладают свойством гетерогенности. Поверхность является макроскопическим свойством, и поэтому ею не могут обладать отдельные молекулы или ионы небольшой молекулярной массы. Соответственно, они не имеют и агрегатного состояния в отличие от частиц коллоидной (дисперсной) системы. Отсюда следует, что истинные растворы не являются гетерогенно-дисперсными системами. Однако истинный раствор определенного объёма имеет внешнюю поверхность, например поверхность на границе с воздухом или твердым телом (стенками сосуда), и если рассматриваются свойства межфазного поверхностного слоя, система в совокупности представляет объект коллоидной химии.
Сопоставляя два основных признака объектов коллоидной химии, необходимо отметить, что дисперсность является чисто количественным параметром, характеризующим степень раздробленности, размер межфазной поверхности; гетерогенность же в первую очередь указывает на качественную характеристику объектов, что более важно при установлении отличительных особенностей объектов той или иной науки. Безусловно, изменение дисперсности – количественной характеристики – может приводить к изменению многих других качественных характеристик, о которых будет идти речь в последующих разделах курса.
Однако объекты коллоидной химии качественно отличаются от объектов других наук именно гетерогенностью, т. е. наличием межфазной поверхности. Дисперсность определяет количество этой поверхности. Если существует гетерогенность, то существует и дисперсность, которая может быть большой или малой, но в любом случае объект принадлежит коллоидной химии. Все тела имеют поверхность, происходящие на ней процессы изучаются коллоидной химией. В этом, как уже было сказано, состоит фундаментальный и общенаучный характер коллоидной химии.
Объекты коллоидной химии можно охарактеризовать и определенным видом энергии, которым они обладают, исходя из тех же основных признаков. Гетерогенность количественно определяется поверхностным натяжением – величиной, характеризующей энергию единицы поверхности. Поверхностное натяжение определяет резкость перехода от одной фазы к другой, различие между соприкасающимися фазами. Чем сильнее выражена гетерогенность и чем более резко различаются по природе контактирующие фазы, тем больше поверхностное натяжение. Отсутствие гетерогенности равнозначно отсутствию поверхностного натяжения. Второй признак – дисперсность, как уже упоминалось, определяется площадью поверхности (фактор емкости). Произведение поверхностного натяжения на площадь поверхности S дает поверхностную энергию:
(VII.1)
Таким образом, объекты коллоидной химии обладают поверхностной энергией.
Рассмотрение превращения поверхностной энергии в другие виды энергии составляет содержание первой половины курса коллоидной химии – учения о поверхностных явлениях. Основное внимание в этом учении уделяется поверхностному слою, его строению и свойствам. Вторую половину курса составляет учение о дисперсных системах, в котором рассматриваются их синтез и свойства, связанные, главным образом, с дисперсным состоянием, когда поверхностная энергия во многом определяет объемные свойства тел. Две составные части курса также соответствуют двум признакам объектов коллоидной химии. Поверхностные явления – результат проявления гетерогенности, дисперсность же в значительной степени определяет вклад поверхностных явлений в объёмные свойства дисперсных систем.
Курс коллоидной химии начинается с учения о поверхностных явлениях, так как они могут рассматриваться независимо от величины дисперсности, в то время как изучение дисперсных систем нельзя представить без необходимых знаний о поверхностных явлениях. Такая последовательность изложения логична и вполне оправдана благодаря переходу от общих соотношений и закономерностей к частным, от простых явлений к более сложным.