КОЛЛО́ИДНАЯ ХИ́МИЯ

КОЛЛО́ИДНАЯ ХИ́МИЯ, изу­ча­ет строе­ние и ха­рак­тер­ные свой­ст­ва дис­перс­ных сис­тем, про­те­каю­щие в та­ких сис­те­мах фи­зи­ко-хи­ми­че­ские про­цес­сы, а так­же за­ко­но­мер­но­сти по­верх­но­ст­ных яв­ле­ний. В дис­перс­ных сис­те­мах хо­тя бы од­на из фаз на­хо­дит­ся в ви­де час­тиц ма­ло­го раз­ме­ра (дис­перс­ная фа­за), рас­пре­де­лён­ных в не­пре­рыв­ной (дис­пер­си­он­ной) сре­де, и пло­щадь по­верх­но­сти раз­де­ла ме­ж­ду дис­перс­ной фа­зой и дис­пер­си­он­ной сре­дой, при­хо­дя­щая­ся на еди­ни­цу мас­сы дис­перс­ной фа­зы, очень ве­ли­ка. С на­ли­чи­ем силь­но раз­ви­той по­верх­но­сти раз­де­ла свя­за­на оп­ре­де­ляю­щая роль по­верх­но­ст­ных яв­ле­ний и дей­ст­вую­щих вбли­зи гра­ниц раз­де­ла фаз по­верх­но­ст­ных сил в фор­ми­ро­ва­нии струк­ту­ры и осо­бых свойств дис­перс­ных сис­тем. Кро­ме дис­перс­ных сис­тем, объ­ек­та­ми изу­че­ния К. х. слу­жат тон­кие плён­ки, ре­же ни­ти. Ис­то­ри­че­ски сло­жив­шее­ся назв. «К. х.», рав­но­знач­ное совр. тер­ми­ну «фи­зи­ко­хи­мия дис­перс­ных сис­тем и по­верх­но­стных яв­ле­ний», про­изош­ло от сло­во­сочета­ния «кол­ло­ид­ные сис­те­мы» (или «кол­лои­ды», от греч. ϰόλλα – гум­ми, ка­медь, клей), ко­то­рое в совр. тер­ми­но­ло­гии яв­ля­ет­ся си­но­ни­мом по­ня­тия «тон­ко­дис­перс­ные сис­те­мы» (т. е. сис­те­мы с раз­ме­ра­ми час­тиц от 1 нм до 1000 нм). Уни­вер­саль­ность дис­перс­но­го со­стоя­ния и чрез­вы­чай­ное мно­го­об­ра­зие дис­перс­ных сис­тем обу­слов­ли­ва­ют меж­дис­ци­п­ли­нар­ное по­ло­же­ние К. х. и её тес­ную связь с хи­ми­ей, фи­зи­кой, био­ло­ги­ей, ме­ди­ци­ной, ме­тео­ро­ло­ги­ей, поч­во­ве­де­ни­ем, гео­ло­ги­ей, др. об­лас­тя­ми ес­те­ст­во­зна­ния.

Наи­бо­лее важ­ной за­да­чей К. х. яв­ля­ет­ся раз­ра­бот­ка тео­ре­тич. ос­нов управ­ле­ния про­цес­са­ми об­ра­зо­ва­ния, раз­ру­ше­ния, ус­той­чи­во­сти дис­перс­ных сис­тем, по­лу­че­ния дис­перс­ных сис­тем с за­дан­ны­ми струк­ту­рой и свой­ст­ва­ми. Управ­ле­ние кол­ло­ид­но-хи­мич. про­цес­са­ми для дис­перс­ных сис­тем разл. при­ро­ды – зо­лей, ге­лей, сус­пен­зий, пен, эмуль­сий, аэ­ро­зо­лей и др. – осу­ще­ст­в­ля­ет­ся ре­гу­ли­ро­ва­ни­ем меж­мо­ле­ку­ляр­ных взаи­мо­дей­ст­вий на гра­ни­цах раз­де­ла фаз гл. обр. пу­тём ис­поль­зо­ва­ния низ­ко- и вы­со­ко­мо­ле­ку­ляр­ных по­верх­но­ст­но-ак­тив­ных ве­ществ (ПАВ) и элек­тро­ли­тов.

Историческая справка

Тер­мин «кол­лои­ды» вве­дён в 1861 Т. Грэ­мом, на­звав­шим так клее­по­доб­ные ве­ще­ст­ва, не кри­стал­ли­зую­щие­ся и мед­лен­но диф­фун­ди­рую­щие че­рез мем­бра­ну; им же сфор­му­ли­ро­ва­ны осн. по­ло­же­ния К. х. Од­на­ко ещё на на­чаль­ных эта­пах раз­ви­тия хи­мич. зна­ний в ра­бо­тах ал­хи­ми­ков и фар­ма­цев­тов опи­са­ны ха­рак­тер­ные для кол­ло­ид­ных сис­тем про­цес­сы – коа­гу­ля­ция, студ­не­об­ра­зо­ва­ние, де­на­ту­ра­ция бел­ка и пр. Сре­ди ран­них (кон. 18 – сер. 19 вв.) ис­сле­до­ва­ний в об­лас­ти К. х. мо­ж­но вы­де­лить ра­бо­ты Й. Бер­це­лиу­са по по­лу­че­нию псев­до­ра­с­тво­ров (зо­лей), итал. хи­ми­ка Ф. Сель­ми, ус­та­но­вив­ше­го не­ус­той­чи­вость та­ких псев­до­ра­с­тво­ров (ко­а­гу­ля­цию при до­бав­ле­нии элек­тро­ли­тов), итал. ес­те­ст­во­ис­пы­та­те­ля Ф. Фон­та­ны, К. Шее­ле и Т. Е. Ло­ви­ца по ад­сорб­ции, от­кры­тие рос. хи­ми­ком Ф. Ф. Рейс­сом элек­тро­ки­не­тич. яв­ле­ний – элек­тро­ос­мо­са и элек­тро­фо­ре­за, ис­сле­до­ва­ния М. Фа­ра­дея, раз­ра­бо­тав­ше­го ме­то­ды ста­би­ли­за­ции кол­ло­ид­ных рас­тво­ров зо­ло­та. На ос­но­ве на­ко­п­лен­ных к нач. 20 в. экс­пе­рим. дан­ных по изу­че­нию по­лу­чен­ных к это­му пе­рио­ду мно­го­числ. кол­ло­ид­ных сис­тем рос. хи­мик П. П. Вей­марн вы­дви­нул (1904–16) прин­цип уни­вер­саль­но­сти кол­ло­ид­но­го (дис­перс­но­го) со­стоя­ния ве­ще­ст­ва. 

Ос­но­вы тео­рии по­верх­но­ст­ных яв­ле­ний бы­ли за­ло­же­ны ра­бо­та­ми Т. Юн­га (за­кон по­сто­ян­ст­ва уг­ла сма­чи­ва­ния, 1804), П. Ла­п­ла­са (за­кон ка­пил­ляр­но­го дав­ле­ния, 1806), Дж. Гиб­бса (тер­мо­ди­на­мич. тео­рия яв­ле­ний ад­сорб­ции и об­ра­зо­ва­ния но­вой фа­зы, 1878), Г. Лип­ма­на (за­ви­си­мость по­верх­но­ст­но­го на­тя­же­ния от элек­трич. по­тен­циа­ла, 1875), бельг. фи­зи­ка Ж. Пла­то (прин­цип ми­ни­му­ма пло­ща­ди по­верх­но­сти, 1843).

В нач. 20 в. важ­ные дос­ти­же­ния в об­ла­с­ти К. х. свя­за­ны с раз­ра­бот­кой А. Эйн­штей­ном и М. Смо­лу­хов­ским мо­ле­ку­ляр­но-ки­не­тич. тео­рии (1905–06). Ос­но­вы этой тео­рии бы­ли под­твер­жде­ны экс­пе­ри­мен­таль­но ра­бо­та­ми Р. Зиг­мон­ди (Но­бе­лев­ская пр., 1925), Т. Свед­бер­га (Но­бе­лев­ская пр., 1926) и Ж. Пер­ре­на (Но­бе­лев­ская пр., 1926) по ис­сле­до­ва­нию бро­унов­ско­го дви­же­ния час­тиц, И. Лен­гмю­ра (Но­бе­лев­ская пр., 1932) по опи­са­нию за­ко­но­мер­но­стей ад­сорб­ции и свойств мо­но­мо­ле­ку­ляр­ных сло­ёв ПАВ. В 1920–50-х гг. ак­тив­но раз­ви­вает­ся уче­ние о ро­ли ПАВ в об­ра­зо­ва­нии и ус­той­чи­во­сти дис­перс­ных сис­тем (П. А. Ре­бин­дер), соз­да­ют­ся тео­рия ус­той­чи­во­сти дис­перс­ных сис­тем (Б. В. Де­ря­гин совм. с Л. Д. Лан­дау, не­за­ви­си­мо от них Э. Фер­вей и Я. Т. Овер­бек), тео­рия элек­тро­ки­не­тич. яв­ле­ний (И. И. Жу­ков).

Во 2-й пол. 20 в. наи­боль­ший ус­пех дос­тиг­нут в изу­че­нии и раз­ра­бот­ке на­уч. ос­нов та­ких раз­де­лов К. х., как тео­рия по­верх­но­ст­ных яв­ле­ний и по­верх­но­ст­ных сил, са­мо­ор­га­ни­зую­щие­ся сис­те­мы – ад­сорб­ци­он­ные слои, плён­ки с вы­со­кой сте­пе­нью упо­ря­до­чен­но­сти (см. Лен­гмю­ра – Блод­жетт плён­ки), про­цес­сы пе­ре­но­са в дис­перс­ных сис­те­мах (элек­тро­ки­не­тич. яв­ле­ния, тер­мо- и диф­фу­зио­фо­рез и др.), ус­той­чи­вость и фи­зи­ко-хи­мич. гид­ро­ди­на­ми­ка пен, эмуль­сий и тон­ких плё­нок, ме­то­ды ма­те­ма­тич. мо­де­ли­ро­ва­ния в при­ло­же­нии к ана­ли­зу кол­ло­ид­но-хи­мич. сис­тем и про­цес­сов.

В су­ще­ст­вен­ной сте­пе­ни раз­ви­тие К. х. обу­слов­ле­но раз­ра­бот­кой спе­ци­фич. ме­то­дов ис­сле­до­ва­ния. Ещё до вы­де­ле­ния К. х. в са­мо­сто­ят. об­ласть зна­ния со­вер­шен­ст­во­ва­лись ме­то­ды син­те­за кол­ло­ид­ных сис­тем, а так­же изу­че­ние элек­тро­ки­не­тич. яв­ле­ний в этих сис­те­мах. В 20 в. раз­ви­тие по­лу­чи­ли оп­тич., ульт­ра­мик­ро­ско­пич. и др. ме­то­ды дис­пер­си­он­но­го ана­ли­за, ис­сле­до­ва­ния по­верх­но­ст­но­го на­тя­же­ния на гра­ни­цах раз­де­ла фаз разл. при­ро­ды, свойств ад­сорб­ци­он­ных сло­ёв (в т. ч. с по­мо­щью ве­сов Лен­гмю­ра), про­цес­сов сма­чи­ва­ния и рас­те­ка­ния, рент­ге­но-, элек­тро­но- и ней­тро­но­гра­фич. ме­то­ды изу­че­ния струк­ту­ры дис­перс­ных час­тиц и тон­ких плё­нок, ме­то­ды изу­че­ния по­верх­но­ст­ных сил и др. При­ме­нение разл. ви­дов элек­трон­ной мик­ро­ско­пии и в осо­бен­но­сти атом­но-си­ло­вой и тун­нель­ной мик­ро­ско­пии по­зво­ли­ло пе­рей­ти от ис­сле­до­ва­ния дис­перс­ных сис­тем как це­ло­го к изу­че­нию отд. час­тиц дис­перс­ной фа­зы и спо­соб­ст­во­ва­ло вы­де­ле­нию смеж­ной с К. х. дис­ци­п­ли­ны – на­но­хи­мии.

Структура науки

В совр. К. х. мож­но вы­де­лить ряд осн. раз­де­лов. 1. По­верх­но­ст­ные яв­ле­ния (в т. ч. ка­пил­ляр­ные яв­ле­ния) на гра­ни­цах раз­де­ла фаз разл. при­ро­ды, вклю­чая изу­че­ние по­верх­но­ст­ных сил, тер­мо­ди­на­ми­ки и ки­не­тич. за­ко­но­мер­но­стей ад­сорб­ции, ад­ге­зии и сма­чи­ва­ния, строе­ния и свойств мо­но­мо­ле­ку­ляр­ных сло­ёв ПАВ, ме­ха­низ­мов дей­ст­вия ПАВ. Этот раз­дел К. х. наи­бо­лее тес­но свя­зан с та­ки­ми смеж­ны­ми дис­ци­п­ли­на­ми, как мо­ле­ку­ляр­ная и тео­ре­тич. фи­зи­ка, элек­тро­хи­мия (изу­че­ние элек­тро­ка­пил­ляр­ных яв­ле­ний), фи­зи­че­ская хи­мия. 2. Хи­мия по­верх­но­сти твёр­дых тел, ион­ный об­мен и хро­ма­то­гра­фия (со­вме­ст­но с хи­ми­ей по­верх­но­сти – изу­че­ние осо­бен­но­стей мик­ро­струк­ту­ры, кри­стал­ли­че­ской и элек­трон­ной струк­ту­ры при­поверх­но­ст­ных сло­ёв твёр­до­го те­ла, со­вме­ст­но с элек­тро­хи­ми­ей – строе­ния двой­но­го элек­трич. слоя и его из­ме­не­ния при варь­и­ро­ва­нии со­ста­ва дис­пер­си­он­ной сре­ды, энер­ге­тич. ха­рак­те­ри­с­тик при ад­сорб­ции ком­по­нен­тов сре­ды). 3. Про­цес­сы пе­ре­но­са в дис­перс­ных сис­те­мах, вклю­чая элек­тро­ки­не­ти­че­ские яв­ле­ния (элек­тро­фо­рез, элек­тро­ос­мос, то­ки и по­тен­циа­лы те­че­ния и се­ди­мен­та­ции), мем­бран­ные яв­ле­ния (ос­мос, об­рат­ный ос­мос, воз­ник­но­ве­ние мем­бран­но­го по­тен­циа­ла), про­цес­сы ста­цио­нар­ной и не­ста­цио­нар­ной фильт­ра­ции, диф­фу­зи­он­но­го пе­ре­но­са час­тиц дис­перс­ной фа­зы, их осе­да­ние в по­ле си­лы тя­же­сти (се­ди­мен­та­ция). Ме­то­дич. ос­но­вой рас­смот­ре­ния про­цес­сов пе­ре­но­са в дис­перс­ных сис­те­мах яв­ля­ет­ся тер­мо­ди­на­ми­ка не­рав­но­вес­ных про­цес­сов. 4. Лио­филь­ные кол­ло­ид­ные сис­те­мы (са­мо­ор­га­ни­зую­щие­ся тер­мо­ди­на­ми­че­ски рав­но­вес­ные суп­ра­мо­ле­ку­ляр­ные сис­те­мы), в т. ч. изу­че­ние ус­ло­вий воз­ник­но­ве­ния и строе­ния ми­цел­ляр­ных сис­тем и мик­ро­эмуль­сий, осо­бен­но­стей про­те­ка­ния в них хи­мич. про­цес­сов (со­вме­ст­но с суп­ра­мо­ле­ку­ляр­ной хи­ми­ей). 5. Тер­мо­ди­на­ми­ка и ки­нети­ка об­ра­зо­ва­ния и раз­ру­ше­ния дис­перс­ных сис­тем, раз­ра­бот­ка ме­то­дов по­лу­че­ния сис­тем с за­дан­ны­ми раз­ме­ра­ми и фор­мой час­тиц дис­перс­ной фа­зы, вклю­чая на­но­дис­перс­ные кол­ло­ид­ные сис­те­мы. Раз­ви­тие тео­рии ус­той­чи­во­сти лио­фоб­ных дис­перс­ных сис­тем свя­за­но с изу­че­ни­ем ро­ли фак­то­ров ус­той­чи­во­сти с це­лью раз­ра­бот­ки спо­со­бов управ­ле­ния про­цес­са­ми коа­гу­ля­ции, коа­лес­цен­ции и ост­валь­до­ва со­зре­ва­ния (диф­фу­зи­он­но­го пе­ре­но­са ве­ще­ст­ва от ма­лых час­тиц к бо­лее круп­ным). 6. Тер­мо­ди­на­ми­ка и фи­зи­ко-хи­мич. гид­ро­ди­на­ми­ка об­ра­зо­ва­ния и раз­ру­ше­ния тон­ких плё­нок (изу­че­ние сил, дей­ст­вую­щих в по­доб­ных на­но­объ­ек­тах, – со­став­ляю­щих рас­кли­ни­ваю­ще­го дав­ле­ния, ки­не­ти­ки утон­че­ния плё­нок, воз­мож­но­сти об­ра­зо­ва­ния ме­та­ста­биль­ных со­стоя­ний – обыч­ных и нью­то­нов­ских чёр­ных плё­нок). 7. Изу­че­ние осо­бых оп­ти­че­ских, элек­трон­ных и маг­нит­ных свойств час­тиц ма­лых раз­ме­ров (на­но­ча­стиц) и низ­ко­раз­мер­ных по­верх­но­ст­ных струк­тур и соз­да­ние на этой ос­но­ве но­вых уст­ройств и ма­те­риа­лов (на­но­тех­но­ло­гия). 8. Фи­зи­ко-хи­мич. ме­ха­ни­ка твёр­дых тел и дис­перс­ных сис­тем, в т. ч. раз­ра­бот­ка фи­зи­ко-хи­мич. ос­нов оп­ти­маль­ных ме­то­дов по­лу­че­ния твёр­дых тел и ма­те­риа­лов с за­дан­ной струк­ту­рой и ме­ха­нич. свой­ст­ва­ми, ме­то­дов фор­ми­ро­ва­ния и ме­ха­нич. об­ра­бот­ки, оп­ти­ми­за­ции ус­ло­вий экс­плуа­та­ции с учё­том влия­ния сре­ды на проч­ность и дол­го­веч­ность (см. Ре­бин­де­ра эф­фект). Ис­сле­до­ва­ния про­цес­сов струк­ту­ро­об­ра­зо­ва­ния в дис­перс­ных сис­те­мах, рео­ло­гии дис­перс­ных сис­тем, золь-гель пе­ре­хо­дов, тик­со­тро­пии, влия­ния внутр. на­пря­же­ний на экс­плуа­тац. ха­рак­те­ри­сти­ки из­де­лий не­раз­рыв­но свя­за­ны с за­да­ча­ми та­ких смеж­ных на­уч. дис­ци­п­лин, как фи­зи­ка твёр­до­го те­ла, ма­те­риа­ло­ве­де­ние, ме­ха­ни­ка. 

Пер­спек­ти­вы раз­ви­тия К. х. в зна­чит. ме­ре свя­за­ны с ре­ше­ни­ем про­блем, воз­ни­каю­щих на сты­ке К. х. с био­ло­ги­ей, ма­те­риа­ло­ве­де­ни­ем, нау­ка­ми о Зем­ле и др. не­бес­ных те­лах и объ­ек­тах, с др. об­лас­тя­ми ес­те­ст­во­зна­ния. За­да­ча­ми кол­ло­ид­но-хи­мич. ис­сле­до­ва­ний в этих на­прав­ле­ни­ях яв­ля­ют­ся, с од­ной сто­ро­ны, раз­ра­бот­ка тео­ре­тич. ос­нов для ана­ли­за ус­ло­вий и за­ко­но­мер­но­стей про­те­ка­ния про­цес­сов, про­ис­хо­дя­щих в рас­смат­ри­вае­мых смеж­ны­ми на­уч. дис­ци­п­ли­на­ми сис­те­мах, а с дру­гой – вос­про­из­ве­де­ние этих про­цес­сов для оп­ти­ми­за­ции разл. тех­но­ло­гий.

Важ­ное прак­тич. зна­че­ние К. х. оп­ре­де­ля­ет­ся её вкла­дом в со­вер­шен­ст­во­ва­ние разл. при­клад­ных на­ук и тех­но­ло­гий: золь-гель про­цес­сов (напр., син­те­за ад­сор­бен­тов и ка­та­ли­за­то­ров), про­цес­сов фло­та­ции, при­ро­до­охран­ных тех­но­ло­гий (в т. ч. свя­зан­ных с очи­ст­кой во­ды и воз­ду­ха), в соз­да­ние фар­ма­цев­тич. и кос­ме­тич. пре­па­ра­тов, мою­щих и чис­тя­щих средств, сма­зоч­ных ма­те­риа­лов, и мн. др.