Коллоидное состояние вещества
Традиционно в естествознании сначала рассматривается вещество (однокомпонентная система) в твердом, жидком или газообразном состоянии, представляющее собой отдельную фазу, затем рассматриваются фазовые переходы, затем растворы — многокомпонентные гомогенные системы, в которых одно вещество распределено в другом на уровне отдельных молекул. С появлением коллоидной химии стало очевидным наличие… Читать ещё >
Коллоидное состояние вещества (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
Исследуя свойства и строение «коллоидных веществ, участвующих в образовании растительных и животных организмов», современник Т. Грэма русский ботаник и химик, профессор Киевского университета И. Г. Борщов опроверг деление веществ на коллоиды и кристаллоиды, указав, что коллоидные частицы являются «большими сложными молекулами» особой кристаллической структуры, состоящими из кристаллов очень незначительной величины («Журнал русского химического общества», 1869).
? ?О предложении Т. Грэма разделить все вещества на коллоиды и кристаллоиды см. в подпараграфе 1.1.1.
Борщов утверждал, что возможно существование одного и того лее вещества в кристаллической и коллоидной формах.
Поскольку одно и тоже вещество может обладать свойствами как коллоида, так и кристаллоида, в зависимости от растворителя образуя или истинный, или коллоидный раствор, понятие о коллоидах как об особом классе химических веществ сменилось представлением о коллоидном состоянии вещества, впервые сформулированным профессором Петербургского горного института П. П. фон Веймарном.
Многочисленными экспериментами Веймарн подтвердил и развил исследования Борщова, показав, что при определенных условиях каждое вещество может находиться в коллоидном состоянии и о коллоидах можно говорить как о твердых, жидких, газообразных, растворимых и нерастворимых веществах.
На первый план Веймарн выдвигал понятие дисперсного состояния вещества, предлагая вообще отказаться от термина «коллоид» и заменить его на понятие «дисперсоид», а коллоидную химию называть дисперсоидологией.
Изучение свойств коллоидных растворов разнообразных веществ позволило установить фундаментальный принцип универсальности коллоидного (дисперсного) состояния вещества.
Исторический экскурс
За исследование «Коллоидное состояние как общее свойство материи» (1911) П. П. фон Веймарн получил от Русского физико-химического общества премию имени академика Н. Н. Бекетова.
Традиционно в естествознании сначала рассматривается вещество (однокомпонентная система) в твердом, жидком или газообразном состоянии, представляющее собой отдельную фазу, затем рассматриваются фазовые переходы, затем растворы — многокомпонентные гомогенные системы, в которых одно вещество распределено в другом на уровне отдельных молекул. С появлением коллоидной химии стало очевидным наличие «промежуточного» состояния вещества между его состоянием в объеме фазы и в растворе — а именно коллоидного, или дисперсного, состояния (рис. 1.1).
Рис. 1.1. Коллоидное состояние вещества — промежуточное между состоянием в растворе и в объеме фазы
Коллоидное состояние вещества характерно для частиц малых размеров в коллоидных растворах (золях), аэрозолях, капелек в эмульсиях, тонких пленок, волокон, капилляров, т. е. для дисперсных систем.
?? Дисперсные системы и их виды обсуждаются в параграфе 1.4.
В дисперсных системах вещество так или иначе раздроблено до некоторых очень малых размеров, сохраняя при этом свойства фазы.
Интерактивный компонент
До какого предела можно измельчить вещество так, чтобы оно сохраняло свойства фазы?
Для сохранения фазовых свойств необходимо, чтобы молекулы вещества существовали не только на поверхности, но и в объеме фазы. В качестве модели рассмотрим частицу вещества, имеющую форму куба с длиной ребра а (рис. 1.2). Предположим, что расстояние между центрами молекул составляет 0,3 нм (для сравнения — размер молекулы воды 0,28 нм).
Рис. 1.2. Модель коллоидной частицы при определении предела измельчения вещества
0,3 нм Проследим, как по мере уменьшения размера кубической частицы изменяется доля молекул, принадлежащих границе раздела фаз. Для этого нужно оценить общее число молекул в частице и число молекул на ее поверхности. При вычислении числа молекул на поверхности обратите внимание на то, чтобы молекулы на 12 ребрах и 8 вершинах куба были учтены только один раз. Суть оценочных расчетов ясна из данных табл. 1.2.
Таблица 1.2
Вычисление доли молекул, принадлежащих границе раздела фаз
Размер частицы а, м. | Число молекул по ребру п = а/(3- 10 , 0). | Общее число молекул в частице. «общ = «3 | Число молекул на поверхности ns = 6п2 — 12и + 8. | Доля поверхностных молекул. (%/Чбщ) х х 100%. |
3 • 10 6 | зю-6/зю-10= = 104 | 1012 | = 6 • 10″. | 0,06. |
3 • 10 7 | 3- 10 7/3- 10 10 = = 103 | 109 | — 6 * 106 | 0,6. |
10−7. | 10−7/3 • ю-10 ~ - 3,3.102. | 3,6 • Ю7 | — 6,6 • 105. | 1,8. |
Размер частицы а, м. | Число молекул по ребру п = а/( 3- 10−1°). | Общее число молекул в частицеобщ — ^. | Число молекул на поверхности ns= 6п2 — -12/2 + 8. | Доля поверхностных молекул. (ns/n0бщ) х х 100%. |
3 • 10-8 | зю-уз-10−1°= = 102 | 106 | = 5,8 • 104 | |
10 8 | 10 уз • 10−1° *. = 33. | 3,6 • 104 | ||
3 • 10−9. | 3- 10−9/3- 10−1° = = 10. | |||
10 9 | 10 V3- 10 10=3. |
Таким образом, в частицах размером 10 нм (10~8м) около 17% молекул находятся на границе раздела фаз, тогда как в частицах размером 1 нм практически все молекулы принадлежат поверхности, дальнейшее измельчение дисперсной фазы ведет к исчезновению границы раздела фаз.
Приведенные расчеты являются ориентировочными, однако эта простая модель позволяет сделать вывод о минимальном размере коллоидных частиц (1 нм), когда почти все молекулы вещества принадлежат поверхности.
На передовой линии науки
Представления о коллоидном состоянии вещества закладывают основы нанохимии — науки о материалах будущего. Термины «наночастицы» и «наносистемы» стали использовать для обозначения частиц наноразмеров — от 1 до 100 нм — после введения системы единиц СИ, т. е. намного позже, чем появились термины «коллоидные частицы» и «коллоидные системы». В современной химии стали возможными методы синтеза, с помощью которых система может быть «нарезана» на частички, имеющие размеры в области нанометров. Это дает возможность изготовлять высокоэффективные катализаторы или, например, нанокапсулы для целенаправленной доставки лекарственных препаратов непосредственно к очагу заболевания.
Измельчение вещества приводит к увеличению площади поверхности, поэтому в высокодисперсных системах, в том числе в коллоидных растворах, значительная часть вещества (до 50%) принадлежит поверхности. Молекулы на поверхности обладают избытком энергии по сравнению с молекулами в объеме фаз, что придает веществу в поверхностных слоях специфические свойства и приводит к возникновению поверхностных явлений. Вещества в поверхностных слоях обладают измененными физическими и химическими свойствами по сравнению с объемными фазами.
? ?О поверхностной энергии и поверхностных явлениях см. в параграфах 1.2, 1.3 и подробнее в гл. 4—7.
Повторим, что в гетерогенной дисперсной (коллоидной) системе велика доля вещества в поверхностном состоянии. В результате вклад поверхностных свойств в общие свойства реального тела может оказаться столь значительным, что приведет к появлению нового качества. Наглядным примером этого может служить образование тумана или облаков из воды. Поверхностное состояние вещества характерно не только для дисперсных систем, но и для любых реальных тел, имеющих поверхность, оно универсально.
Резюме
Коллоидное состояние вещества — состояние, характеризуемое особыми свойствами вещества на границе раздела (раз. Сегодня чаще говорят не о коллоидном, а о дисперсном или поверхностном состоянии вещества.