Модуль 1. Коллоидтық химияға кіріспе. Коллоидты жүйелердің қасиеттері

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 40Следующая ⇒

Модуль 1. Коллоидтық химияғ а кіріспе. Коллоидты жү йелердің қ асиеттері

1- тақ ырып. Кіріспе. Коллоидты химияның негізгі тү сініктері мен анық тамалары. Коллоидты жү йелер

Дә ріс мақ саты: Коллоидты химия ғ ылымының пайда болу тарихымен таныстыру.

Дә ріс жоспары:

1. Коллоидты химия ғ ылым ретінде.

2. Коллоидты химияның пайда болу тарихы.

3. Коллиодты химияның маң ызы.

Тақ ырыптың қ ысқ аша мазмұ ны:

Коллоидты химия - бастапқ ыда физикалық химияның бір бө лімі ретінде қ арастырылғ ан. Уақ ыт ө те келе эксперименттік дә лелдемелерді талдау негізінде бұ л пә н жеке ғ ылым болып бө лініп шық ты. Тіпті арнайы коллоидтық химияның зерттеу ә дістері табылды: ультрамикроскопия, электрондық микроскопия, ультрацентрифугирлеу (сү зу), электрофорез, тағ ы да басқ алар.

Практика коллоидтық химияның қ азіргі заманғ ы техникада да орнының ерекше екенін дә лелдеді. Қ азіргі уақ ытта халық шаруашылығ ының кез келген саласын коллоидық химиясыз елестету мү мкін емес. Бұ л ғ ылым саласының нені зерттейтінін тү сіну ү шін алдымен «коллоидтар» немесе «коллоидтық жү йелер» дегеніміз не деген сұ рақ қ а жауап іздеу керек.

ХІХ ғ асырдың 40 жылдары италия ғ алымы Франческо Сельми қ азіргі кезде коллоидтық жү йелер болып табылатын кейбір ерітінділердің аномальді қ асиеттерін бақ ылады. Бұ л ерітінділер жарық ты кү шті шашыратады. Оларда еріген заттар осы еріген затпен ә рекеттеспейтін тұ здардың болмашы ғ ана мө лшерін қ осқ аннан тұ нбағ а тү седі. Заттардың мұ ндай ерітіндіге ө туі, яғ ни еруі жә не ерітіндіден тұ нбағ а тү суі жү йе температурасының жә не кө лемінің ө згеруінсіз жү реді (ә детте, кристалл заттардың еруі кезінде температура мен кө лем ө згереді). Сельми бұ л ерітінділерді ә деттегі ерітіндіден ерекшелеп, «псевдо ерітінділер» деп атады. Кейіннен оларғ а «зольдер» деген атау берілді.

ХX ғ асырдың 50 жылдары ағ ылшын химигі Томас Грэм бұ л ерітінділерді толығ ырақ зерттеді. Грэм бұ л ерітінділерді жә не оларды тү зетін заттарды «коллоидтар» деп атады, себебі Грэм грекше «колла» - деп аталатын желімді (клей) осындай ерітінділердің нағ ыз (типичный) ө кілі деп ойлады.

ХIX ғ асырдың 60 жылдары белгілі болғ ан коллоидтық ерітінділердің кейбір ерекшеліктеріне тоқ талайық:

1. Барлық коллоидтық ерітінділер шоқ талғ ан сә улені шашыратуғ а, яғ ни опалесценцияғ а бейім. Тиндаль коллоидты ерітінді бар кюветағ а линза арқ ылы жарық шоғ ын ө ткізгенде жанынан жарық конусын анық бақ ылағ ан. Сондық тан мұ ндай конус Тиндаль конусы деп аталады.

Ерітіндінің жарық ты интенсивті шашыратуы жү йеде фазааралық бө ліну бетінің бар екендігінің айқ ын дә лелі болмаса да, коллоидты ерітіндінің біртекті емес екенін толық дә лелдейді.

2. Коллоидты ерітінділердегі бө лшектер диффузиясы ө те баяу жү реді. Диффузияғ а еріген бө лшектер ө лшемі ә сер етеді, себебі ө лшемі ү лкейген сайын бө лшекке еріткіш молекуласы ортасында (в среде) қ озғ алу ү йкелістің (трение) кү шеюіне байланысты қ иынғ а соғ ады.

3. Коллоидтық ерітінділердің осмостық қ ысымы ө те тө мен болады.

Бұ л соң ғ ы екі қ асиет – диффузияның баяу ө туі жә не осмостық қ ысымның тө мен болуы, коллоидтық ерітінділердегі еріген зат бө лшектерінің салыстырмалы тү рде ірі екендігін кө рсетеді. Осмостық қ ысым коллигативті қ асиетке жатады, яғ ни, тұ рақ ты температурада кө лемдегі бө лшектер санына ғ ана тә уелді. Жә не оның (осмостық қ ысымның ) мә нінің тө мен болуы бө лшектер ө лшемінің ү лкен, ірі екендігін кө рсетеді, себебі ерітіндідегі еріген заттың салмақ тық концентрациясы жә не тығ ыздығ ы бірдей болса да, бө лшектер саны олардың ө лшемі ірі болғ ан сайын аз болады.

4. Коллоидты ерітінділер диализге қ абілетті. Яғ ни колллоидты ерітінділерді жартылай ө ткізгіш мембрана кө мегімен оларда еріген тө мен молекулалы заттар қ оспасынан (примесь-қ алдық ) бө ліп алуғ а болады. Диализ кезінде тө мен молекулалы заттар мембрана арқ ылы ө тіп, ал жартылай ө ткізгіш арқ ылы ө туге қ абілетсіз коллоидтық бө лшектер тазартылғ ан коллоидтық ерітінді тү рінде қ алады. Диализге бейімділік те колоидты ерітінділердегі бө лшектер ө лшемінің шынайы ерітінділердегі молекулалар ө лшемінен ә лдеқ айда ү лкен екендігінің айғ ағ ы.

5. Толығ ымен тұ рақ ты (стабильные) жү йелер болып табылатын шынайы ерітінділерден ерекшелігі (нағ ыз ерітінді) - коллоидты ерітінділер агрегативті тұ рақ сыз (лабильные). Яғ ни коллоидты еріген заттар болмашы сыртқ ы жағ дайлардың ә сер етуіне байланысты ерітіндіден оң ай бө лінеді. (коагуляцияланады). Нә тижесінде коллоидты ерітіндіде - тұ нба (коагулят, коагулюм) тү зіледі, яғ ни, біріншілей бө лшектердің жабысуынан пайда болғ ан агрегаттар. КЖ-дің агрегативті тұ рақ сыздығ ы олардың концентрациясы жоғ ары болғ ан сайын жақ сы байқ алады. Сондық тан нағ ыз КЖ-ді жоғ ары концентрлі етіп алу мү мкін емес. Коагуляцияны туғ ызатын жағ дайлар: қ ыздыру, суыту, интенсивті араластыру жә не ерітіндіге ө те аз мө лшерде электролиттер (коагуляторлар) енгізу. Коагуляция процесң коагулятор коллоидты еріген затпен химиялық ө зара ә рекеттеспейтін жағ дайда да жү руі мү мкін, Бұ л жағ дай коагуляция химиялық емес, физикалық процесс екендігін кө рсетеді.

6. Коллоидтық ерітінді электрофорезге бейім. Мұ ны Ф. Ф. Рейсс 1808 жылы Ресейде ашты. Яғ ни электр ө рісінде коллоидты бө лшектер қ айсібір электродқ а қ арай қ озғ алады. Бұ л коллоидты еріген зат болшектері, иондар сияқ ты, электр зарядына ие екендігін кө рсетеді. Электрофорездің электролизден айырмашылығ ы – электролиз ө німдері электродтарда эквивалентті мө лшерде бө лінеді, ал электрофорезде зат тек бір бағ ытта ғ ана айтарлық тай қ озғ алады.

7. КЖ газтә різді, сұ йық жә не қ атты болуы мү мкін. Мысалы: тұ ман, тү тін, металдардың коллоидты ерітінділері, AgI жә не AsS коллоидты ерітінділері, кейбір орг. бояғ ыштар жә не сабындар ерітінділері, эмульсиялар (сү т), пемза, опал, шойын, кейбір металл балқ ымалары.

8. Коллоидтық қ асиеттерді органикалық та, бейорганикалық та заттардан тұ ратын жү йелер кө рсете алады. КЖ табиғ атта кең тарағ ан жә не оларды лабораторияда да алуғ а болады. Сонымен, КЖ коллоидтық емес жү йеден несімен ерекшеленеді?

Грэм ө з заманында заттарды коллоидтар жә не кристаллоидтар деп бө лген. Ал И. Г. Борщев коллоидтық ерітінді қ ұ рамындағ ы заттың кристалдық қ ұ рылымы болуы мү мкін екендігін айтты. Кейін орыс ғ алымы П. П. Веймарн бір зат белгілі бір жағ дайда кристаллоид, ал басқ а жағ дайда коллоид қ асиетін кө рсететіндігін дә лелдеді. Мысалы канифольді спиртте еріткенде ол шынайы ерітінді тү зеді, ал суда коллоидты ерітінді береді. Керісінше, натрий хлориді суда шынайы ерітінді, ал бензолда коллоидты ерітінді береді. Осылайша, коллоидты зат деп емес, заттың коллоидты кү йі деп айтқ ан дұ рыс болады.

Сонымен, заттың коллоидтық кү йі дегеніміз - бұ л жоғ ары дисперсті кү й (кү шті ұ нтақ талғ ан). Бұ л кү йде жекелеген бө лшектер молекула емес, кө птеген молекулалардан тұ ратын агрегаттар тү рінде болады. Коллоидты бө лшектер кө птеген молекулалардан тұ ратындық тан, оларғ а фазаның барлық термодинамикалық қ асиеттері тә н. Ал коллоидты бө лшектер дисперстелген орта молекулалары басқ а фазаны қ ұ райды. Яғ ни кез-келген коллоидты ерітінді гетерогенді, кө п фазалы жү йе (кем дегенде екі фазалы? ). Ал шынайы ерітінділер гомогенді жү йелер болып табылады. Коллоидты ерітінді гетерогенді жү йе болғ андық тан, оның тү зілу шарты – бір фазаның екінші фазада ерімеуі, себебі тек осындай заттардың арасында физикалық бө ліну беті болады.

Ә детте КЖ кө пкомпонентті, бірақ белгілі бір жағ дайларда біркомпонентті коллоидты жү йелер де тү зілуі мү мкін. Осындай КЖ-ді Во. Оствальд изоколлоидты жү йелер деп атағ ан. Мұ ндай сұ йық тық тарда молекулалар молекулалық кү штер ә серінен айтарлық тай ү лкен агрегаттар тү зеді. Изоколлоидты жү йелер салыстырмалы тү рде аз кездеседі.

Сұ йық КЖ-ге жоғ арыда аталғ ан барлық қ асиеттер тә н. Ал қ атты КЖге жоғ арыда аталғ ан нағ ыз коллоидтық қ асиеттердің барлығ ы бірдей (не все) тә н болмауы да мү мкін. Мысалы, барлық қ атты КЖ кә дімгі жағ дайларда агрегатты тұ рақ ты. Бұ л осы жү йелердің тұ тқ ырлығ ының ө те жоғ ары болуынан еріген зат бө лшектерінің еркін қ озғ ала алмай, бір-біріне жабыса алмай, ірі агрегаттар тү зе алмауымен тү сіндіріледі. Ал балқ ыту кезінде қ атты КЖ агрегаттық тұ рақ сыздық кө рсетуі мү мкін. Сондай-ақ металдық балқ ымаларғ а опалесценция тә н емес. Бұ л металдың мө лдір еместігімен ғ ана тү сіндіріледі. Ал басқ а, дисперстік ортасы мө лдір қ атты КЖ (рубин шынысы, опал) опалесценция кө рсетеді.

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

Сонымен, коллоидтық химия – гетерогенді, жоғ ары дисперсті жү йелердің қ асиеттері жә не оларда жү ретін процестер туралы ғ ылым. Яғ ни коллоидтық химияда жү ретін процестер тек қ ана екі фаза арасында жү реді.

КЖ тә н нағ ыз қ асиет – коагуляция. Ол агрегаттардың молекулааралық, химиялық емес, кү штер ә серінен одан да ірі агрегаттар тү зе отырып бір-біріне жабысуы. КЖ-ге тә н басқ а да қ асиеттер – электрофорез жә не физикалық адсорбция да физикалық немесе физика-химиялық процестер болып табылады. Тек коагулятордың стабилизатормен (колоидтық бө лшектің бетінде адсорбциялық қ абат тү рінде болып, жү йенің салыстырмалы тү рде тұ рақ тылығ ын қ амтамасыз ететін зат) ө зара ә рекеттесуі кезінде ғ ана химиялық реакциялар жү руі мү мкін. Осылайша КХимия физика мен химияның арасындағ ы, негізінен біріншісіне жақ ын ғ ылым. Тек тарихи қ алыптасқ ан дә стү р бойынша ғ ана коллоидтық жү йелер туралы ілімді гетерогенді жоғ арыдисперсті жү йелердің физикалық химиясы емес, коллоидтық химия деп атайды.

Ө те ү лкен молекулалардан тұ ратын жоғ арымолекулалы қ осылыстар немесе полимерлер деп аталатын ү лкен заттар тобы бар: целлюлоза, каучук, ақ уыздар. Кейбір мұ ндай заттардың ө лшемдері К бө лшектердің ө лшемінен ү лкен де болуы мү мкін. Мұ ндай жү йелер КЖ ме? Себебі бұ л заттарғ а да КЖге тә н кейбір қ асиеттер – тө мен диффузия, диализге бейімділік тә н. Бірақ соң ғ ы онжылдық тардағ ы зерттеулер айтарлық тай сұ йылтылғ ан ЖМҚ ерітінділері молекулаларғ а дейін ұ сақ талатындығ ын анық тады. Яғ ни мұ ндай ерітінділер гомогенді жү йелер болып табылады. Сондық тан оларды нағ ыз КЖ жатқ ызуғ а болмайды. Бұ л ерітінділер, бір жағ ынан, шынайы ерітінділер болғ анымен, екінші жағ ынан, оларда да ө те ірі молекулалар бар. Осылайша, классикалық КЖ мен полимерлер арасында айқ ын шекара, яғ ни қ атаң айырмашылық жоқ.

Коллиодтық химияның маң ызы.

Ғ арыштық кең істіктегі шаң -тозаң (жарық тың жұ тылуы бойынша абық лаулар) 3∙ 10^-5см, яғ ни нағ ыз коллоидтық ө лшемді екені анық талды. Ал газ-шаң ды бұ лттар болып табылатын кометалар орасан зор коллоидтық жү йелер болып табылады, ал олардың жарқ ырауы кү н сә улесінің тү суі нә тижесінен болғ ан нағ ыз жарық тың шашырауы, опалесценция қ ұ былысы. Бірақ олардың ұ зақ уақ ыт бойы тұ рақ ты болып қ алуы ә лі белгісіз, бір жағ ынан, ғ арыштық газ-шаң ды бұ лттың қ ұ рамындағ ы бө лшектердің тығ ыз болмауы (огромная разреженность) жә не олардың бір-бірімен соқ тығ ыспауымен, екіншіден белгілі-бір факторғ а байланысты жү йенің агрегаттық тұ рақ тылығ ымен тү сіндірілуі мү мкін. Мысалы, шаң бө лшектерінің иондарды адсорбтауы нә тижесінде пайда болғ ан бө лшектердің электр заряды болуы мү мкін. Себебі ғ арыштық кең істікте газдар молекуласына ә р тү рлі сә улеленудің ә серінен иондар тү зілетіндігі қ азіргі кезде дә л анық талғ ан. Бұ лттар, тұ ман С/Г типті коллоидты жү йелер, ал жаң бырғ найзағ ай жә не басқ а да метеорологиялық қ ұ былыстар коллоидтық қ ұ былыстармен байланысты қ ұ былыстар деп қ арастырылуы керек. Ө зендердің тең іздерге қ ұ йылуы кезінде дельталардың тү зілуі де коллоидты процесс. Себебі, ө зендердің тұ щы суында кө п мө лшерде ө лшемі коллоидтығ а жуық болатын жү згін минералдық бө лшектер болады. Бұ л бө лшектердің, коллоидты бө лшектер сияқ ты заряды да болады. Ө зендер тең ізге қ ұ йғ анда, электролит мө лшері айтарлық тай тең із суы ө зен суымен араласып, ө зен суындағ ы жү згін бө лшектер ө з тұ рақ тылығ ынан айрылып, бір-бірімен жабысып ү лкен агрегаттар тү зе тұ нбағ а тү сіп, отмельдер, яғ ни таяз жерлер пайда болады.

Керамикалық ө ндіріс коллоидтық химиямен тығ ыз байланысты. Себебі саз (керамиканың негізгі шикізаты) –гидратталғ ан алюминий силикатының концентрлі суспензиясы болып табылады.

Минералдық шикізат негізінде жаң а қ ұ рылыстық материалдар (композициялық материалдар) жасауда колоидтық химияның маң ызы ө те зор.

Қ ағ аз жасауда ө сімдік талшығ ы жоғ ары дисперстік кү йге дейін ұ нтақ талады. Қ ағ аздың қ асиетін жақ сарту ү шін канифоль, жасанды шайырлар мен каучук сияқ ты желімдеуші агенттердің ә р тү рлі дисперсиясын жасау жә не ұ нтақ талғ ан талшық бетіне (қ ағ аз бетіне) электролиттердің коагуляциялаушы ә серінен осы дисперсиялар бө лшектерінің жабысуы – барлығ ы да колоидтық химиямен тығ ыз байланысты.

Талшық тарды бояу технологиясында да коллоидтық процестердің маң ызы зор. Себебі бояу дегеніміз бояғ ыштың коллоидты бө лшектерінің матағ а диффузиясы, осы бө лшектердің элементар талшық тармен жанасу кезіндегі коагуляциясы жә не коагуляцияланғ ан бө лшектердің элементар талшық тардағ ы фиксациясы болып табылады.

Фармацевтикада эмульсиялар, кремдер жасау заттардың қ ажетті ортада жоғ ары дисперсиялауғ а негізделген. Кейбір дә рілер колоидты формада қ олданылады. Себебі дә ріні колоидтық формада қ олдану оның ә серін шектейді (локализует) жә не ә сері де ұ зақ болады, ө йткені ағ задан баяу шығ арылады.

Су тазартуда судағ ы жү згіндер электролиттермен коагуляцияланады немесе адсорбталады. Ал газ немесе тү тіндегі қ атты немесе сұ йық бө лшектерге электр зарядын беру жә не олардың қ арама-қ арсы зарядталғ ан электродтарда шө гуі газтазартудағ ы ең заманауи ә дістердің бірі.

Тамақ ө неркә сібінде де коллоидтық химия процестері кең қ олданылады: қ амыр дайындауда ісіну процесі, маргарин, майонез, соустар жасауда эмульгациялау процесі, сыр дайындау коагуляция процесі, ет қ айнатуда коагуляция немесе ақ уыздар денатурациясы болып табылады.

Ө зін-ө зі бақ ылау ү шін сұ рақ тар:

1. ХIX ғ асырдың 60 жылдары белгілі болғ ан коллоидтық ерітінділердің кейбір ерекшеліктері.

2. Коллоидтық химия нені зерттейді.

3. Коллиодтық химияның маң ызы.

№ 2 дә ріс Тақ ырыбы « Дисперсті жү йелердің классификациясы

⇐ Предыдущая 123 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒