Коллоидтық химия

Коллоидтық химия – дисперстік жүйелер мен фазалардың бөліну беттерінде болатын беттік құбылыстарды зерттейтін ғылым саласы. Коллоидтық химия физикалық химияның күрделі бір бөлімі болып қалыптасты, 19 ғасырдың 60-жылдарында жеке ғылым саласына айналды.

Коллоидтық химияның тарихы 1861 ж. ағылшын химигі Томас Грэмнің коллоидты ерітінділерді ашқанынан бастау алады. Ол кейбір заттар (мысалы: алюминий оксиді, кремний, қалайы және титан қышқылдары, желатин, агар-агар т.б.) сулы ерітінділерді буландырғанда кристалданбай, іркілдек тұнбалар (гельдер) түзетінін және олардың ерітіндідегі диффузиясы электролиттермен (тұздармен, қышқылдармен, негіздермен) салыстырғанда өте-мөте баяу жүретінін байқады. Бұл заттардың кейбірінің желімдеуші қасиеті бар. Кристалданбайтын және баяу диффузияланатын заттар тобын Т. Грэм "коллоидтар" (грекше kolla – желім) деп атады. Осыдан, сондай заттарды зерттейтін "Коллоидты химия" деген химия ғылымының саласы пайда болды.

Қазіргі коллоидтық химия – бұл химия, физика, биология тоғысында орналасқан ғылым. Коллоидтық химияның арнайы пәнаралық позициясына ағылшын тіліндегі әдебиеттерде «коллоидтық ғылым» (ағылш. коллоидтық ғылым) немесе «ғылым туралы интерфейс» (ағылш. Interface science) деген атаулар жиі қойылатындығы баса назар аударылады.

Коллоидтық химия дисперстік жүйелердің түзілу және бұзылу жолдарын, қасиеттерін, фазалардың жанасу беттеріндегі молекулааралық әрекеттесу құбылыстарын зерттейді. Сондай-ақ, оның зерттеу нысандарына әр түрлі дисперстік жүйелер, дисперстік фазалар мен дисперстілеу ортаның жанасу беттері, адсорбциялық қабаттар, ламинарлық және фибриллалық жүйелер, аэрозольдер, ұнтақтар, көбіктер, эмульсиялар, жүзгіндер (суспензиялар), әр түрлі гельдер мен зольдер жатады. Қазіргі коллоидтық химия мына құбылыстар мен үрдістерді қарастырады: 1) беттік және капиллярлық құбылыстар (адсорбция және жүзу құбылыстарының термодинамикалық және кинетикалық заңдылықтары, адсорбциялық қабаттардың қасиеттері, беттік белсенді заттардың әр түрлі фазааралық беттерге әсер ету заңдылықтары мен механизмдері); 2) қатты дене беттерінің химиясы (қатты денелердің беттік қабаттарындағы кристалдың және электрондық құрылымдарының ерекшеліктері, оларда болатын сорбциялық құбылыстар заңдылықтары); 3) электркинетикалық және электркапиллярлық құбылыстар және ион алмасу құбылыстары (коллоидтық электрхимия); 4) дисперстік жүйелердің оптикалық қасиеттері (коллоидтық оптика); 5) дисперстік жүйелердің молекулалық-кинетикалық және тасымал құбылыстарын зерттеп, оларды дисперсиялық талдауға пайдалану; 6) лиофильдік және лиофобтық дисперстік жүйелердің пайда болу (түзілу) термодинамикасы мен теориялары, оларды алу және тазарту жолдары (диализ, электрдиализ және ультрафильтрация); 7) лиофильдік коллоидтық жүйелер, олардың пайда болу аймақтары, екі-үш құрауышты беттік-белсенді заттары бар термодинамикалық тепе-теңдік жүйелердің құрылысын зерттеу, жұқа қабыршақтардың термодинамикасы мен физика-химия гидродинамикасы, қабыршақтардың жұқалану заңдылықтары; 8) дисперстік жүйелердің тұрақтылық теориясы, тұрақтылық факторлары, дисперстік фаза бөлшектерінің коагуляциясы (флокуляциясы), коалесценция және олардың заңдылықтары; 9) дисперстік жүйелердің физика-химиялық механикасы, дисперстік жүйелердегі құрылым түзілу, олардың түрлері және заңдылықтары, реологиялық зерттеулер.

Коллоидтық химия құрылыс материалдары мен силикаттар, бояу мен пигменттер және қатты заттарды ұнтақтап майдалау технологиясының, флотация әдісі мен кен байыту технологиясының, жуу үрдістерінің негізін құрайды. Мұнайдағы өте майда су эмульсиясын бұзу арқылы оны су мен тұздан тазарту, көбіктерді өрт сөндіруге қолдану т.б. маңызды мәселелер коллоидтық химия негізінде шешіледі. Коллоидтық химияның биология, геология, медицина т.б. ғылымдар үшін де маңызы зор. Қазақстанда Коллоидтық химия саласындағы зерттеулер А.В. Думанскийдің жетекшілігімен 1942 – 1944 жж. басталды. Қазақ ұлттық универстетінде (Қ.Б. Мұсабеков, Ж. Әбілев, В.П. Пальмер) үлкен молекулалы заттардың жаңа класы – полиэлектролиттер мен кіші молекулалы беттік актив заттар алынып, бұларды фазаға бөлу (С.Б. Айдарова, К. Омарова), солюбилизация (Т.И. Юй Цун-синь) және флокуляция (Н.Түсіпбаев) процестерінде қолдану әдістері табылды. Химия ғылымдары институтында Қазақстанның минералды адсорбенттері (Ш. Батталова), тұтқыр заттар қатаюының физика-химия негіздері (С. Сүлейменова) зерттелуде, тұзды суды тұщы суға айналдыру мәселелері шешілді (Е.Е. Ерғожин), жаңа флокулянттар алу (Е. Шайхутдинов), пайдалы қазбалар мен өте төзімді көбіктерді флотациялық жолмен байыту (А. Байшолақов, М. Баймаханов), иониттерді алмастыра сорбциялау (А. Дадабаев) әдістері іздестірілді, беттік актив заттардың электродтық процестерге (М. Наурызбаев) және техникалық аэрозольдердің тұрақтылығына (А.А. Цыпура) тигізетін әсері анықталды. Республикада коллоидтық химия жөніндегі зерттеулерді Қазақ ұлттық университеті үйлестіріп отырады. Петрянов-Соколов И.В.,, М., 1988; Фролов Ю.Г.,, М., 1992.

Дисперстік жүйелердің жіктелуі

Коллоидтық химияда, көптеген нысандармен жұмыс істейтін кез келген ғылымдағы сияқты, дисперстік жүйелерді де, олардың көп түрлілігін жақсы түсіну үшін, жіктеудің қажеттілігі туады.

1. Бөлщектердің өлшеміне байланысты жіктеу.

• Ірідисперсті (ᐳ 10 мкм): қант-құмшекер, топырақтар (жер қыртыстары), тұман, жаңбыр тамшылары, жанартаулардың күлі, магма және т.б.
• Орташа дисперсті (0,1 - 100 мкм): адам қанының эритроциттері, ішек таяқшасы және т.б.
• Жоғары дисперсті (1 - 100 нм): тұмау вирусы, түтін, табиғи сулардағы лай, әртүрлі заттардың жасанды жолмен алынған кірнелері (зольдер), табиғи полимерлердің сулы ерітінділері (альбумин, желатин және басқалар) және т.б.
• Наноөлшемділер (1 - 10 нм): гликоген молекуласы, көмірдің ұсақ шұрықтары, бөлшектердің өсуін шектейтін органикалық заттың молекулаларының қатысуымен алынған металл кірнелері, көміртек нанотүтіктері, темірден, никельден және т.с.с. алынған магниттік наножіптер.

2. Дисперстік фаза (ДФ) бөлшектерінің оларға тән өлшемдерінің (дисперстілікті анықтайтын өлшемдер) саны бойынша жіктелуі немесе топографиялық белгісі бойынша жіктелу:

ДФ

Өлшемдердің саны	Түрі	Жүйенің аталуы	Өкілдері
Үш	Қатты бөлшектер, тамшылар, көпіршіктер	Корпускулалық зат (лат. Corpuscular – бөлшек)	Топырақ, аэрозоль бөлшектері, цемент пен бетон ұнтағы, ұн, сүт, майонез, ерігіш кофе
Екі	Жіптер, талшықтар, қылтамырлар, кеуектер	Фибриллярлық (лат. Fibrila – жіп)	Ағаш, маталар, кеуекті заттар, нан, кепкен нан, шаш, терілер, өрмекші торы
Бір	Жұқа қабықшалар, мембраналар	Ламинарилық (лат. Lamina – жұқа қабық)	Сұйық қабықшалар (оның ішінде сұйық және қатты беттердегі мұнайлар), жұқа қабықшалар

3. Дисперстік фаза мен дисперстік ортаның заттарының арасындағы өзара әрекеттесудің сипаты бойынша жіктелу (тек қана сұйық дисперстік ортасы бар жүйелерге жарамды):

Жүйенің түрі	Түзілу сипаты	Коагуляцияға термодинамикалық беріктік	Фазалар арасындағы өзара әрекеттесу	Өкілдері
Лиофобтық	Диспергирлеу және конденсациялау нәтижесінде еріксіз түзілген	Термодинамикалық агрегаттық тұрақсыз	Әлсіз	Зольдер, суспензиялар, эмульсиялар
Лиофильдік	Өздігінен диспергирлену	Термодинамикалық агрегаттық тұрақты	Күшті	Екіталай (критикалық) эмульсиялар, мицеллалық ББЗ ерітінділері, кейбір ЖМҚ (ақуыздар және т.б.) ерітінділері