Коллоидтық химияның анықтамасы, негізгі мәселелері мен бағыттары. Коллоидтық химияның дамуына қысқаша шолу

1 апта. 1-2-дәріс. Коллоидтық химияның анықтамасы, негізгі мәселелері мен бағыттары. Коллоидтық химияның  дамуына қысқаша шолу. Дисперстік жүйелердің жіктелуі.

Коллоидтық химияның дамуына қысқаша тарихи шолу

Коллоидтық химия алғашқы кезде физикалық химияның бір тарауы ғана болатын. Ол физикалық химия сияқты физика мен химияның аралық облысын зерттеді. ХХ-ғасырдың бастапқы кезіне дейін коллоидтық химия негізінен алғанда тек жоғарғы дисперстік жүйелердің қасиеттері мен коллоидтық ерітінділерді даярлау тәсілдерін зерттеді. Бертін келе коллоидтық жүйелер мен коллоидты – химиялық үдерістердің зор мәніне байланысты, оның үстіне теория мен практикалық мәліметтердің көбеюіне байланысты коллоидтық химия жеке ғылыми пән болып қалыптасты. Қазіргі кезде коллоидтық химияның өзіне тән зерттеу әдістерінің тек химия үшін емес басқа да биология, геология, медицина, топырақ зерттеу т.б. ғылымдар үшін маңызы зор. Атап айтқанда олар: ультрамикроскоптық, электрондық микроскоптық, ультрацентрифугалық, электрофорездік, нефелометрлік, вискозиметрлік, осмометрлік және т.б. әдістер.

Қазіргі кезде коллоидтық жүйелер мен коллоидты-химиялық үдерістердің және олардың зерттеу тәсілдерінің қолданбайтын халық шаруашылығының салаларын атап айту қиынға соғады. Міне, осы айтқанның бәрі коллоидтық химияның жеке ғылым болуына әсерін тигізді.

Коллоидтық химия нені зерттейтінін ақиқат білу үшін алдымен оның дамуына қысқаша шолу жасап, сосын «Коллоид» дегеніміз не? «Колоидтық жүйе» дегеніміз не? деген сұрақтарға жауап беруге тура келеді.

Адам баласы коллоидтық жүйелермен өте ерте кезден-ақ таныс болып, олардың өз керегіне қолдана бастаған. Ертеде Қытай, Үнді, Мысыр, Грек, Рим халықтары тамақ даярлау, тері илеу, мата бояу, т.б. үшін коллоидтық құбылыстарды қолданған болатын. 1852 жылы М.В. Ломоносов коллоидтық ерітінділерді зерттей отырып, сол кездің өзінде-ақ жаңа өндірістің негізін қалады. Ол түсті шыны өндірісі еді. Бұл үшін М.В. Ломоносов алтынның коллоидтық ерітіндісін (алтынның кірнесін) қолданған болатын.

Ең бірінші ерітінділердің қатты дененің бетіндегі – адсорбенттердегі адсорбциясын 1792 жылы орыс химигі Ловиц зерттеген болатын. Ол қатты адсорбент – көмір арқылы ерітінділерді тазартты.

1808 жылы Мәскеу университетінің  профессоры Рейсс коллоидтық  ерітінділердің электрлік қасиеттерін  байқап, электрофорез, электросмос  құбылыстарын ашты. Ол бұл құбылыстарды  топырақ жүзгіндерін тексеру  арқылы ашты.

1845 жылдан бастап италяндық  ғалым Франциско Сельми коллоидтық  жүйелерді зерттей бастады. Ол  хлорды күміс, күкірт, берлиндік  лазурьдің судағы ерітінділерінен  тұратын жүйелерді зерттеді. Бұл  заттардың суда ерімейтіні белгілі  бола тұрса да, Сельми алған  жүйелер сырт жағынан қарағанда  мөлдір кәдімгі (шын) ерітінділерге  ұқсас болды. Сельми осы заттардың  судағы NaCl, CuSO4 cияқты тұздардың ерігендегі мөлшеріндей ұсақ бөлшектер сияқты емес екенін атап көрсетті. Бұндай ерітінділерді кәдімгі ерітінділерден айыру үшін Сельми оларды псевдо (жалған) ерітінділер деп атады.

Швед ғалымы И.Я. Берцелиус 1824-1934 жылдардағы еңбектерінде жуу кезінде сүзгіден өтіп кететін біраз тұнбалардың қасиеттерін жазған болатын. Мысалы, кремний және ванадий қышқылдарының тұнбалары, күкіртті темір,хлорлы күміс, берлиндік лазурь және т.б. оларды сумен жуғанда қайтадан ерітіндіге айналатынын және олардың қасиеттері кәдімгі ерітіндіден өзгеше болатынын көрсетті. Бұл ерітінділердің қасиеттері жүзгіндер мен майғындар қасиеттеріне жақын екені байқалды.

Аналитикалық химиядағы сүзгіден өткен тұнбаларды таза сумен емес, оларға сәйкес электролиттің ерітіндісімен жуу туралы ережені Берцелиус айтқан болатын. Осы қарастырып отырған ерітінділер – қазіргі түсінік бойынша коллоидтық жүйелер. Псевдоерітінділердің өзіне тән мынандай қасиеттері болды. Олар сәулені өте күшті шашыратады, осы заттарға әсер етпейтін тұздарды ерітіндігі өте аз мөлшерде қоссақ та олар тұнбаға түседі.

Ф.Сельмидің түсінігіндей түсінік К. Нэгелиде де болды. Ол хлорлы күміс, күкірт бөлшектері т.б. заттардың жоғарғыда айтқандай жүйелерде олардың кәдімгі молекулаларға қарағанда үлкенірек агрегат күйінде болатынын айтты. Осы сияқты көп молекулалы агрегаттарға К. Нэгели «мицелла» деген ат берді. Ал мицелла болатын жүйені «золь»(кірне) деп атады. Осы атаулар коллоидтық химияда қазіргі кезде де қолданылады.

1857 жылы М.Фарадей құрамында  алтыны бар су көлемінде бөлінген  жүйелердің (ондай жүйелер бұрынырақ  алхимиктерге белгілі болатын) оптикалық  қасиеттерін тексеріп, алтын осы  жүйелерде өте кішкентай бөлшек  күйінде болады деген қорытындыға  келді.

1861 жылы ағылшын ғалымы  Т. Грэм жасаған зерттеулер коллоидтық  химияның дамуында үлкен роль  атқарды. Ол барлық заттарды диффузия жылдамдығы бойынша екі класқа бөлді: жақсы диффузияаланатын заттар (кристаллоидтар) және нашар диффузияланатын заттар (каллоидтар). 1 – ші топқа әртүрлі электролиттер жатса, II – ші топқа Грэм крахмал, белок, агар-агар т.б. физикалық жағынан желімге ұқсас затарды жатқызды.

«Колла»- латынша желім деген сөз. Мысалы ол электролиттер мен аталған заттарды салыстыра отырып, мынаны байқады. Тұз қышқылы жұмыртқа (тұқым) белогіне қарағанда 50 рет, крахмалға қарағанда 100 рет артық диффузияланады. Грэм коллоидтарды кристалдардан бөлетін «диализ» деген тәсіл жасады. Ол үшін Грэм табиғи, иә жасанды материалдардан алынған кристалдарды өз бойынан өткізіп жіберетін, ал коллоидтарды ұстап қалатын қасиеттері бар пленкалар (қабыршықтар) қолданды.

Заттарды екі топқа бөле отырып, Грэм кристалды заттар кірне (золь) түзбейді деген ұғымда болды. Бұған қарама-қарсы, Грэмнің замандасы Киевтің профессоры И.Б. Борщев 1869 жылы коллоидтық жүйелердің кристалдық құрылысы болуы да мүмкін деген жорамал айтты. Оның «Өсімдік пен жануарлардың организмдерінің түзілуіне қатысатын коллоидтардың қасиеттері мен құрылысы» деген классикалық еңбегін атап көрсеткен жөн. Бұл еңбегінде И.Б.Борщев коллоид туралы түсінігін тұжырымдады. Коллоидтық жүйені ол көп фазалық (гетерогендік) жүйе деп атап көрсетеді (бір фазалық шын ерітіндінен айырмашылығы ). ХХ – ғасырдың бастапқы кезінде Борщевтің айтқанын орыс ғалымы Веймарн эксперимент бойынша дәлелдеді. Ол 200 – ден астам жәй жағдайда кристалдық күйде болатын заттарды коллоидтық күйінде де алды. Сөйтіп, бір заттың жағдайға байланысты кристалдық та және коллоидтық та қасиет көрсететіні дәлелденді. Мысалы, ас тұзы суда шын ерітінді, бензолда-коллоидтық ерітінді түзсе, шайыр спиртте ерігенде шын ерітінді, ол суда коллоидтық ерітінді түзеді. Міне осы айтылған жұмыстар жалпыға бірдей қабылданып, Грэмнің түсініктерінің дұрыс емес екені ақиқатталды. Сонымен коллоидтық зат емес, заттың коллоидтық күйі деп айтуымыз дұрыс болады.

1871 жылы өзінің «Основы  химии» («Химия негіздері») деген  еңбегінде Д.В. Менделеев Грэмнің  жұмыстарына үлкен мән берді.

Заттың коллоидтық күйі (коллоидтық жүйе) – заттың бөлшектері жеке молекула емес, молекулалардың біріккен түрі – агрегаттардан тұратындығы көптеген ізденістердің нәтижесінде дәлелденді. Осыны біле отырып, заттың коллоидтық күйінің (коллоидтық жүйенің) жәй ерітінділерден ерекшелігін түсіндіруге болады.

Коллоидтық бөлшек бірнеше молекулалардан тұратын болғандықтан оларға фазалардың термодинамикалық қасиеттерін қолдануға болады, ал осы коллоидтық бөлшектерді диспергілеп (ұнтақтап, ұсақтап) тұрған орта басқа фаза түзеді. Осыдан тұжырымдайтынымыз кез келген коллоидтық ерітінді – гетерогендік жүйе, яғни көп фазалық, ең қарпайым күйінде – қос фазалық жүйе. Бұл-олардың бір фазалы болып келетін шын ерітінділерден айырмашылығының бірі. Коллоидтық ерітінді гетерогендік жүйе болғандықтан оның түзілуі үшін бір фазадағы заттың екінші фазадағы затта ерімеуі керек, иә өте нашар еруі керек. Тек осы жағдайда ғана заттар арасында шектелген бөлінген бет пайда болады. Осыған байланысты коллоидтық ерітінді ең кемі екі, иә көп құрамдасты(компонентті) жүйе болады. Осы жоғарғы айтылғандардан коллоидтық жүйе деп бір дененің (дисперстік фаза) басқа бір денеде (дисперсиялық ортада) диспергіленген (ұнтақталған, ұсақталған, майдаланған) күйін айтамыз.

Осыған байланысты коллоидтық химияны гетерогендік жоғарғы дисперстік жүйелердің қасиеттері мен онда жүретін үдерістерді зерттейтін ғылым деп айтуға болады. Біз өткен ғасырдағы жиналған фактілерге сүйене отырып, коллоидтық химияға осындай анықтама беріп отырмыз. Алайда ХХ – ғасырдың басынан бастап коллоидтық химия теориялық жағынан одан әрі дамыды. Мысалы, Смолуховский (1906 ж) және Эйнштейн (1908 ж) броундық қозғалыс пен коллоидтық жүйедегі диффузияның теориясын жасады, Перрен, Сведберг, Ильин, айталған теорияны эксперимент арқылы растап берді.

ХІХ – ғасырдың аяғы мен ХХ – ғасырдың басында химиктерді ойландырған мәселелердің бірі – ерітінділердің табиғаты еді. Әрине мұнда коллоидтық ерітінділер туралы да сөз болып отыр. Ол кезде коллоидтық ерітінділердің табиғаты туралы, оның кәдімгі ерітінділерден принциптік айырмашылығы бола ма деген мәселелер маңында ұзақ пікір таластар болды. Бұған жауап ретінде негізгі екі бағыт пайда болды. Бірі – (суспензиялық) жүзгіндік оны Барус, Шнайдер т.б. қолдаса, екіншісі – ерітінділік теория (Линдер, Пиксон және т.б.). Екінші бағытты қолдаған Зигмонди өзінің көзқарасын өзі кейінірек теріске шығарды.

1903 ж Ф. Зигмонди, Г. Зидентопфпен  бірігіп ультрамикроскоп деген құрал жасады, ол коллоидтық химияның жылдам дамуына әсерін тигізді.

Коллоидтық химияның дамуында үлкен көп роль атқаратын физика мен физикалық химияның ХІХ – ғасырдың аяғы мен ХХ – басында орындалған көптеген іргелі зерттеулерді айта кеткен жөн. Олар: П. Лапластың (1805 ж.) капиллярлық теориясы (В. Гиббстің 1887 ж. фазалар ережесі, беттік құбылыстың теориясы), Ж. Рэлейдің 1871 ж.жарық шашырауының теориясы, Шульце (1882 ж) мен Гардидің 1900 ж. коллоидтардың коагуляциясы, И. Лэнгмюрдің (1917 ж. адсорбция теориясы мен мономолекулалық беттік қабаттың құрылысы), А.В. Думанскийдің (1903 ж. коллоидтық ерітінділердің электрөткізгіштігі, 1918 ж. центруфуганы коллоидтық бөлшектердің шамасын, мөлшерін анықтау үшін қолдануы), М.С. Цветтің (1903 ж. хромотография ашуы, Л.Г. Гурвичтің (1912-1917 ж. беттік құбылыстарды тексеруі), Антоновтың (1907 ж. ерітінділердің фазааралық беттік керілуі) пен Шишковскийдің (1908 ж.) және т.б. ғалымдардың еңбектері. Бұл зертеулермен коллоидтық химияның толық курсын оқу арқылы таныса жатамыз. Бұрын Одақ көлемінде коллоидтық химия Ұлы Қазан революциясынан кейін одан әрі кең өріс алып дами бастады. Бір қатар ғылыми-зерттеу институттардың ашылуы кеңес ғалымдарының шығармашылық еңбектерінің жемісті болуына мүмкіншілік берді.

Н.П. Песков (1917 ж.) коллоидтық жүйенің агрегаттық және седиментациялық тұрақтылығы жөніндегі ілімнің негізін салды.

Коллоидтық жүйелердің тұрақтылығы мен коагуляциясын зерттеуде Фрейндлих, Кройт, Рабинович, Дерягин т.б. ғалымдардың еңбектерінің үлкен маңызы бар. Ребиндер және оның шәкерттерінің адсорбциялық қабаттың коллоидтық жүйелердің қасиетіне әсерін және олардың құрылымдық-механикалық қасиеттерін зерттеулері коллоидтық химияның дамуында үлкен орын алды. Осы зерттеулердің нәтижесінде коллоидтық жүйелердің қасиеттерін меңгеретін әдіс ашылды. Олар Кеңес Одағының өнеркәсібінің көптеген салаларында қолдана бастады.

Қызықты бір жәйт-коллоидтық химияның дамуында коллоидтық емес жүйелерді зерттеу де үлкен орын алды.

Үлкен молекулалық қосылыстарды басқаша, айтқанда полимерлер деп аталатын класты біз білеміз. Оларға белок, каучук, целлюлоза т.б. жасанды заттар жатады. Осы заттардың ерітінділерін зерттеудің арқасында олардың шын ерітінді екені дәлелденді. Сонысына қарамастан олар коллоидтық жүйелердің қасиеттеріндей қасиет көрсетіні байқалды.

Сондықтан жоғарғы молекулалы қосылыстардың ерітінділерінің қасиеттері гомогендік жүйе бола тұра коллоидтық химия курсында қарастырылады. Осыған байланысты коллоидтық химияға мынандай анықтама беруге болады.

Беттік құбылыстарға сүйене отырып жоғары дисперстік гетерогендік жүйелер мен үлкен молекулалық қосылыстардың және олардың ерітінділерінің физика-химиялық қасиеттерін зерттейтін химиялық пәнді колоидтық химия деуге болады.

Коллоидтық жүйелер мен үлкен молекулалық қосылыстардың ерітінділерінің қасиеттерін зерттеуде Н.П. Песков, И.И. Жуков, А.В. Думанский, В.А. Каргин, Б.В. Дерягин, Б.А. Догадкин, С.С. Воюцкий, А.И. Рабинович т.б. ғалымдардың еңбектерінің маңызы зор. Коллоидтық химияның жалпы курсын оқу арқылы, келесі тарауларда жоғарғы да айтылған зерттеулермен толығырақ танысамыз.

XXғ. басында коллоидтық  химия қарқынды дами бастады. Коллоидтық жүйелердің,химия және физиканың,молекулалар әлемі мен макраскопиялық денелердің шекарасында тұратындығы ірі ғалымдардың қызығушылығын туғызды.

Осы кезде коллоидық химия саласында жасалған еңбектері үшін төрт Нобель  сыйлығы берілді:

Австриялық химик Р.Зигмонди (1925 ж.) –коллоидтық ерітінділердің гетерогендік табиғатын анықтағаны үшін және осыған байланысты  қазіргі коллоидтық химияда қолданылып жүрген маңызды әдістерді ашқаны үшін.

Франциялық физик Ж.Перрен (1926 ж.) – материяның дискреттік табиғаты туралы еңбегі, әсіресе седиментациялық-диффузиялық тепе-теңдігін ашқаны үшін.

Швеция ғалымы Т.Сведберг (1926 ж.) – дисперстік жүйелер саласындағы еңбектері үшін.

Осылардың қатарынат электрофорезді және адсорбциялық талдауды зерттегені үшін  Нобель сыйлығын алған швециялық биохимик А.Тизелиусті де жатқызуға болады.

Сонымен қатар 1913ж. Дж.Мак-Бен бетті-активтік заттардың ерітінділерінде мицелла түзу құбылысын ашты.

1928 ж. П.А.Ребиндер бетті-активтік  заттардың адсорбциясы қатты  денелердің беріктігін айтарлықтай  төмендететінін көрсетті.(Ребиндер  эффектісі.)

1935 ж. Б.В.Дерягин сұйық  қабыршықтардың ерекше қасиетін  ашып, оны сыналық қысым деп атады.

XX ғасырдың 30 –шы жылдары  коллоидтық химия ірі ғылым  саласына айналды. Жоғарыда айтылған  теориялар мен қатар коллоидтық  химия қолданбалы салаларда да  үлкен жетістіктерге жетті. Ең  алдымен, дисперстік жүйелердің  көптеген технологиялық үдерістерде: металлургияда, мұнай өндірісінде, құрылыс заттары өндірісінде  және т.б. салаларда қолданылатынын  айту қажет. Екіншден, коллоидтық  химияның дисперстік жүйелердің  қасиеттері мен олардың қатысуымен  жүретін үдерістерді реттеудің  ғылыми негізі екенін айту  керек. Мұндай үдерістерді шешуші  ролді бетті-активтік заттар атқарады.

Коллоидтық химияның дамуының келесі кезеңі   XX ғасырдың екінші жартысына келеді. Ол әртүрлі дисперстік жүйелерді терең зерттеумен қатар басқа да жаңа ғылыми бағыттардың пайда болуымен сипатталады. Келесі бағыттарға ерекше көңіл бөлінді:

 беттік құбылыстар  мен дисперстік жүйелердің термодинамикасы;

 бетті-активтік заттар: ерітінділері, адсорбциясы; бетті-активтік  заттардың қоспалары;