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

 электрбеттік құбылыстар;

 физика- химиялық механика;

 жұқа қабыршықтардың  қасиеттері;

 полимерлер мен ақуыздардың  коллоидтық химиясы.

Осы кезеңде қолданбалы коллоидтық химия дамыды (П.А.Ребиндер, И.В.Петрянов-Соколов, Ф.Д.Овчаренко, М.П.Воларович, В.Н.Еременко және т.б. ғалымдардың жұмыстары ). Алынған нәтижелер флотация, полиграфия, мұнай өндірісі, құрылыс және конструциялық материалдардың өндірісі, басқа да көптеген дәстүрлі және жаңа технологияларда пайдаланылды.

Соңғы 15-20 жылда әртүрлі коллоидтық жүйелердегі: микрокірнелер мен мицеллалардағы, жұқа сұйық қабыршықтар мен адсорбциялық қабаттардағы, көбіктер мен сірнелердегі, химиялық реакциялар мен құбылыстар басты орын алады.Бұл саладағы жаңа идеалар жоғары дисперстік коллоидтық жүйелерді микрореакторлар ретінде қолдануға негізделген. Соңғы жылдарда қарқынды дамыған бағыттар:

 реттілігі жоғары өздігінен  түзілетін диссипативтік құрылымдар;

 нанодисперстік бөлшектердің  құрылымы мен қасиеттері;

 беттік керілуі өте  төмен дисперстік жүйелер;

 коллоидтық химиялық  үдерістерді компьютерлік үлгілеу;

 жаңа бетті-активтік  заттарды синтездеу және қолдану.

       Қазақстанда  коллоидтық химияның дамуы 1972 ж. Қазақ мемлекеттік университетінде  коллоидтық химия кафедрасының  ашылуымен басталды деуге болады. Кафедраны ұйымдастырып, 37 жыл уақыт  бойы оны басқарған ҚР ЖМ  ҒА акадеимгі, профессор Қ.Б. Мұсабеков  өзінің шәкірттері- химия ғылымдарының  докторлары, профессорлар Ж.Ә.Әбілов,С.Б.Айдарова, Қ.И.Омарова және С.М.Тәжібаевалармен  бірге жасаған коллоидтық химияның  Қазақстандық мектебі жемісті  еңбектерімен жаңа ғылыми бағыты  –суда еритін полимерлер мен бетті-активтік заттардың ассоциаттарының коллоидтық химиясы қалыптасты.

Коллоидтық химия пәні бойынша еліміздің ЖОО-ын қазақша оқу құралдарымен қамтамасыз ету саласында профессор Ә.Қ.Қоқанбаевтың да еңбегі ерекше. Ол 1976 жылы алғаш рет қазақ тілінде коллоидтық химиядан дәріс оқып, одан кейін оның қазақша терминдерін жасап, көптеген терминологиялық, түсіндірме сөзіктер мен оқу құралдарын жазды.Осы оқулық та- оңың көп жылдық еңбегінің нәтижесі.

Қазіргі кезде кафедра даярлаған жоғары білікті мамандар республикамыздың ЖОО- ның ғылыми жұмыстары мен оқу үдерістерінде үлкен үлес қосуда.Солардың ішінде химияның басты салаларынан докторлық дисертация қорғап,елімізде химиялық ғылым мен білімді дамытуда үлкен үлес қосып жүрген ғалымдардың арасынан коллоидтық химия кафедрасының мынандай түлектерін атап айтуға болады: Г.В.Абрамова,.Н.Қ.Түсіпбаев, М.Қ.Бейсебеков,Қ.Ж.Әбдиев, Ғ.Қ.Мамытбеков,Н.Б.Құрманқұлов және т.б.

 

Заттың коллоидтық күйінің негізгі ерекшеліктері

Заттың коллоидтық күйінің негізгі ерекшеліктерінің бірін біз жоғарыда айтып өттік. Ол - коллоидтық күйінің жүйенің гетерогенділігі, яғни екі иә одан да көп фазадан тұратындығы. Мұндағы фазалардың бірі өте ұсақ бөлшектерден (дисперстік фаза) тұрса, екіншісі сол бөлшектерді ұсақтаушы орта – дисперстеуші ортадан тұруы. Енді сол дисперстік фазаның шамасын (өлшемін) көрсететін-дисперстілік деген ұғымға тоқталайық. Кез келген дисперстік жүйеде иә бөлшектердің көлденең қимасының ұзындығын а, (егер бөлшек шар тәрізді болса диаметрі d, егер бөлшек куб сияқты болса, кубтың қабырғасы-1), иә оған кері шаманы D=1/а қарастыруға болады.

Әр түрлі оқулықтарда дисперстілік бірлігін әртүрлі өлшемдермен көрсетеді. Олардың арасында байланыс былайша болады (1-кестені қара).

 

1-кесте

Өлшемнің аты	Қысқаша жазылуы	СИ-жүйесі бойынша бірлік метр (м)
Сантиметр	см	10-2 м
Милиметр	мм	10-3 м
Микрон	мк	10-6 м
Нанометр	нм	10-9 м
Ангстрем	А	10-10 м

 

 

Бұнда D-ні әдетте дисперстілік деп айтады. Ол сол бөлшектердің меншікті бетінің ауданына пропорционалды шама, яғни бөлшектің шамасы кеміген сайын дисперстілік пен меншікті беттің ауданы өседі де, керісінше бөлшектің шамасы өскен сайын кейінгі шамалар кемиді.

Беттік ауданның дисперстік фаза бөлшектерінің өлшеміне байланысты тәуелділігінің өзгеруін куб тәрізді бөлшекті мысалға ала отырып көрсетуге болады. (2-кестені қара).

 

2-кесте

Қабырғаның ұзындығы	Кубиктер саны	Жалпы ауданы
1см	1	6см 2
1мм(10-1см)	1000 (103)	60 см 2
0.1 мм (10-2см)	1000000 (106)	600 см 2
0.01 мм (10-3см)	1000000000 (109)	6000 см 2
1мм (10-4см)	1000000000000 (1012)	6 м2
0.1 мм (10-5см)	1000000000000000 (1015)	60 м2
0.01 мм (10-6см)	- (1018)	600 м2
1 мм (10-7см)	- (1021)	6000 м2
0.1 мм (10-8см) = 1A	Бөлінетін бет болмайды

 

Коллоидтық жүйеге, a-ның мәні 10-7÷10-5 см болатын жүйелер жатады. Коллоидтық жүйенің дисперстілігінің жоғарғы шегінің болуы бөлшектерді одан әрі бөлінгенде олардың агрегат емес жеке молекулалар күйінде болуы, ал оның төменгі шегі бөлшектердің шамасы а=10-5 см болғанда қозғалысының қарқынының өте азаюымен анықталады.

2 – кестедегі мәліметтер  бойынша мынаны байқауға болады. Тек гетерогендік жоғарғы дисперстік коллоидтық бөлшектер ғана ең күшті дамыған меншікті беттер түзеді. Осыған байланысты коллоидтық жүйе дисперстік жүйелердің ішінде ерекше орын алады. Бөлшектер шамасының дөрекі дисперстік жүйеден молекулалық дәрежедегі жүйеге өзгеруіне байланысты олардың меншікті беттері 1.1- суреттегі көрсетілген диаграмма бойынша өзгеретінін байқауға болады.

 

1. – сурет

 

Дөрекі дисперстік жүйенің молекулалы – дисперстік жүйеге көшуі үзіліссіз болғанымен микрогетерогендік жүйе мен коллоидтық жүйенің жағдайлары өздерінше ерекше. Меншікті беттерінің үлкендігіне (көптігіне) байланысты оларда адсорбция, жалпы беттік құбылыстар  күшті болады. Ол жөнінде курстың лайықты тарауларында толығырақ танысамыз.

Коллоидтың жүйелердің тағы бір ерекшелігі-олардың агрегаттық тұрақсыздығы. Оның себебін термодинамикалық және кинетикалық тұрғыдан түсіндіруге болады. Коллоидтық жүйелердің меншікті беттері үлкен болғандықтан оған лайық еркін беттік энергиялары да артықболады. Ал артық еркін беттік энергиясы болатын жүйелер әрқашанда тұрақсыз, олар сол энергияны азайтуға тырысады. Осыған байланысты коагуляцияланады (тұнбаға түседі). Коллоидтық тұрғыдан қарағанда коллоидтық жүйенің тұрақтылығы, тұрақсыздығы жүйедег дисперстік фазаның бөлшектерінің арасындағы күштерге байланысты. Ол күштер: тарту күштері, басқаша айтқанда бөлшектерді жақындататын атракциондық күштер және коагуляцияға кедергі болатынын-тебукүштері. Коллоидтықжүйеніңтұрақты, и тұрақсыз болуы осы күштердің қатынасына байланысты.

Коллоидтық жүйелер жарықты шашырататын да қасиет көрсетеді (опалесценция). Бұл құбылысты әсіресе оларға жарықты бір жанынан жарық көзімен коллоидтық ерітінді аралығына линзалар қойып байқауға болады. Онда біз жарқылдайтын конусты (Тиндаль конусы) көреміз. Бұлколлоидтықерітіндініңәртектілігінкөрсетеді.

Коллоидтық ерітінділерде шын ерітінділерге қарағанда диффузия өте жай жүреді. Коллоидтық ерітінділердің осмостық қысымы да өте аз, сондықтан көп жағдайда оны байқауда қиынға соғады.

Коллоидтықжүйелердіңосысоңғыайтқанекіқасиетідисперстікфазаныңбөлшектерініңіріекендігінкөрсетеді. Осындайірібөлшектердіңболуынабайланыстаколлоидтықерітінділердідиализдеугеболады.Диализкезінде (Грэмнің жұмыстары) кіші молекулалы заттар жарғақтан өтіп кетедіде, ал коллоидтық бөлшектер өтпей қалады.

Коллоидтық жүйелер көбіне (бірақ барлық жағдай да емес) электр кинетикалық қасиеттер (ол жөнінде арнайы IV – тарауда токталамыз) көрсетеді.Бұл айтылған ерекшеліктер коллоидтық жүйелерге тән болғандықтан, осы курсты оқу барысында оларды бір емес бірнеше реет кездестіріп және олардың жоғарғы да айтылмаған басқада қасиеттері мен танысамыз.

Коллоидтық жүйелерді шын ерітінділер мен дөрекі дисперстік микрогерогендік жүйелермен салыстыра отырып, олардың ерекшелігін мынадай кестемен көрсетуге болады. Коллоидтық жүйелер дисперстілік шамасы жағынан микрогетерогендік жүйелермен шын ерітінділердің аралығында болғандықтан, кейбір қасиеттері микрогетерогендік жүйелерге, ал кейбір қасиеттері шын ерітінділерге ұқсас екенін байқауға болады (3-ші кестені қара).

 

3 – кесте.

	Бөлшектердің қасиеттері	Суспензия мен эмульсия-лар	Коллоидтық жүйелер	Шын ерітінділер
1	Шамасы	> 10-4 cм	10-5 – 10-7 cм	10-7 cм>
2	Диффузия	Болмайды	Өте аз болады	Жақсы болады
3	Сүзгіден өтуі	Бөлшектер қағаз сүзгіден (сүзгіден) өтпейді	Қағаз сүзгіден өтіп, ультрасүзгі-ден өтпейді	Бөлшектер яғни молекула-лар сүзгіден де ультрасүзгіден өтеді
4	Мембранадан өтуі	Өтпейді	Өтпейді	Өтіп келеді
5	Жай микроскоппен көрінуі	Көрінеді	Көрінбейді	Көрінбейді
6	Ультрамикроскоппен көрінуі	Көрінеді	Көрінбейді	Көрінбейді
7	Электрондық микроскоппен көрінуі	Көрінеді	Көрінеді	Тек кейбір ірі молекула-лар ғана көрінеді
8	Беттік энергиясы	Аздап болады	Өте көп болады	Болмайды

 

 

Коллоидтық  және дисперстік жүйелердің жіктелуі

Білімнің қай саласында болса да күрделі құбылыстар мен обьектілерді қарастырған кезде жеңілдету және кейбір заңдылықтарды табу үшін олардың әр түрлі белгілермен жіктелуін білеміз. Сол мақсатпен дисперстік жүйелерді де жіктеген жөн. Әр кезде коллоидтық және дисперстік жүйелерді әр түрлі принциптермен жіктеледі. Бірақ та дисперстік жүйелердің осы уақытқа дейін (бірыңғай) біртұтас жіктелуі жоқ. Оның себебі дисперстік жүйелерді жіктеу кезінде олардың барлық қассиеттерін қарастырмай, тек кебіреулеріне ғана тоқталады. Төменде сол әр түрлі принципке негізделген дисперстік жүйелердің жіктелуіне қысқаша тоқталайық.

 

Дисперстілік көрсеткіші немесе дисперстік бөлшектердің өлшемі бойынша жіктеу

 

Дисперстілік бойынша алғаш Зидентопф пен Зигмонди микроскоп көрінетін бөлшектерді микрондар, ал көрінбейтіндерді ультрамикрондар деп атауды ұсынды. Ультрамикрондардың өзін субмикрондар және амикрондар деп екіге бөлді. Субмикрондарға ультрамикроскоп көмегімен байқалатын, яғни өлшемі 5÷200 нм болатын бөлшектерді, ал амикрондарға ультрамикроскоппен байқалмайтын бөлшектерді жатқызды.

Соңғы кездерде бұл терминдерді қолданылмайды деуге болады.

Дисперстік фаза бөлшектерінің өлшемі (көлденең қимасы) 10-3 см-ден жоғары болса, немесе дисперстілігі 103 см-1-ден аз болса, ондай дисперстік жүйелерді макрогетерегендік жүйелер (дөрекі дисперстік жүйелер) деп атайды. Егер бөлшектердің дисперстілігі 103-105 см-1 аралығында болса, онда оларды микрогетерегендік жүйелер деп атайды. Егер дисперстік фаза бөлшектердінің шамасы 10-5-10-7 см немесе дисперстілігі 105-107 см-1 аралығында болса оларды ультрамикрогетерогендік (немесе коллоидтық) жүйелер деп атайды. Дисперстік фаза бөлшектері атом, молекула, иондардың өлшеміндегі дәрежеде, яғни Д>107 см-1 болса оларды молекулалық-иондық дисперленген немесе гомогендік жүйелер деп атайды.

Макрогетерогендік жүйелердегі бөлшектерді қарапайым көзбен, ал микрогетерогендік жүйелерді микроскоппен көруге болатын болса, ал ультрамикрогетерогендік (коллоидтық) жүйелердің бөлшектерін тек ультрамикроскоп арқылы байқауға болады.

 

Дисперстік фаза мен дисперсиялық ортаның агрегаттық күйіне байланысты жіктеу

Бұл классификацияны Во. Оствальд жасаған болатын. Олардың кестеде көрсеткендей 9 жағдайын қарастыруға болады.

 

4- кесте. Агрегаттық күйі  бойынша жіктеу

Дисперстік фаза	Диспер-сиялық орта	Шартты түрде белгіленуі	Жүйенің аты, мысалдары
Газ1	Газ2	Г1 /Г2	Газдардың жоғары қысымдағы күйі
Сұйық	Газ	С/ Г	Тұмандар, бұлттар, булар
Қатты	Газ	Қ/Г	Түтін, шаң-тозаңдар
Газ	Сұйық	Г/С	Көбіктер
Сұйық1	Сұйық2	С1/С2	Майғындар (Эмульсиялар, сүт, мұнай)
Қатты	Сұйық	Қ/С	Жүзгіндер (Суспензиялар), табиғи судағы дисперсиялар, коллоидтық ерітінділер
Газ	Қатты	Г/Қ	Қатты көбіктер, кеуек заттар, активтелген көмірлер
Сұйық	Қатты	С/Қ	Қатты майғындар, адсорбенттер, топырақтар
Қатты1	Қатты2	Қ1/Қ2	Қатты кірнелер, қорытпалар, асыл тастар.