НЕГІЗГІ ТҮСІНІКТЕР

Кіріспе. Бұл саладағы бірінші ғылыми зерттеулерді итальян оқымыстысы Ф. Сельми 1845 жылы жүргізді. Ол белгілі көлемде-гі суда таралған хлорлы күміс, күкірт, берлин көкшіл бояуы сияқ-ты системаларды зерттеген. Осы заттардын, суда ерімейтіні және олардың белгілі бір жағдайларда шөгінді түрінде бөлінетіні мә-лім. Алайда Сельми алған системалар сырт көрінісі, мөлдірлігі жағынан судағы ас тұзы мен мыс купоросының нағыз ерітінділері сияқты болып көрінетін. Бұл аса төменгі концентрациядағы көрі-ніс еді. Сонда да Сельми хлорлы күміс, күкірт, берлин көкшіл бояуы мен су системаларындағы бөлшектердің судағы ас тұзы және мыс купоросынық бөлшектеріндей майда емес, олардан гөрі ірілеу екенін болжады.

Сельми тәжірибесін қайталаған Н. Нэгели хлорлы күміс, кү-кірт, берлин көкшіл бояуына өздеріндей суда ерімейтін заттарды қосып, нағыз ерітінділер қатарын көбейтіп салыстырады. Нағыз ерітінділердегі әр молекула жеке-жеке жүрсе, хлорлы күміс, кү-кірттердің бірнеше молекуласы бірігіп, агрегат түрінде болғандық-тан ірілеу болады және олар өз салмағын суда көтере алмай шө-гінді түрінде түнбаға түседі деген пікір айтады. Нэгели мұндай көп молекуладантұратын агрегаттарды басқа жекеленген молекуладан ажырата білу мақсатымен оны “мицелла” деп, ал мицелласы бар системаны “зольдер” деп атауды үсынды. Сонда мицелла дегені-міз бірнеше молекуланың топтасқай жиынтығы да, золь осы ми-целланың ерітіндісі екен. Бұл екі термин де ғылыми әдебиет пен оқулықтарға берік енген.

1857 жылы М. Фарадей белгілі көлемдегі суда біркелкі тарал-ған алтын золінен тұратын системаны зерттейді. Мұндай система-ны ертедегі алхимиктер судағы алтын тұзының ерітінділерін то-тықсыздандыру арқылы алып, “алтын сусыны” немесе “алтын су” деп атаған. Ал Фарадей болса, алтын золінщ оптикалық қасиетте-рін зерттегенде, онда алтын өте үсақ жекеленген күйінде жүретінін анықтады.

1861 жылы Томас Грэм коллоидты химияньщ дамуы үшін өте маңызды роль атқаратын зерттеулер жүргізді. Ол барлық заттар-ды диффузия жылдамдығына қарай жақсы және нашар диффу-зияланушы деп екі класқа бөлді. Жақсы диффузияланушыларды кристаллоидтар, ал нашар диффузияланушыларды коллоидтар деп атады. Сол сияқты Т. Грэм кристаллоид пен коллоидты бір-бірінен бөліп алу әдісін ашты және ол бұл әдісті диализ деп атады. Бүл әдісте табиғатта кездесетін кейбір жарғак сияқты заттардан әзірленген жұқа пленканьщ өзі арқылы нағыз ерітіндіні өткі-зіп,коллоидты ерітінділерді сүзгіден өткізбей алып қалатын қасиеті пайдаланылған. Мысалы, Грэм өз тәжірибелерінде өгіз

153

куығының қабығын пайдаланып, оны ас тұзы мыс сульфаты си-яқты нағыз ерітінділерге батырғанда, не оның ішіне әлгі ерітінді-лерді құйғанда, одан ерітіндідегі иондар ешбір кедергісіз өте бер-ген. Ал, бұл тәжірибені коллоидты ерітінділермен, мысалы сол кезде жақсы белгілі хлорлы күміс, күкірт, берлин көкшіл бояуы сияқтылармен жүргізгенде олар жарғақ кабықтан өтпеген. Осы-лайша Т. Грэм коллоидты заттарды шектейтін және оны бөліп си-паттайтын мүмкіндікті анықтады.

Т. Грэм диффузияны зерттеп, диализді қолданды және кұрамында органикалық заттары бар системалармен жұмыс істеді. Желатин, пектин, казеин, гуммиарабиктің диффузия жылдамдығы нашар, әрі диализ кезінде жарғақты мембранадан өтпейді. Олар кезінде желім жасауға жүмсалатын, сондықтан да Т. Грэм латын-ның соііа (желім) сөзі негізінде ғыльш тіліне коллоид сөзш енгіздй

XX ғасырдың басында Р. Зигмонди, Ж. Перрен, Т. Сведберг және басқа да ғалымдар жүргізген зерттеу жұмыстары коллоидты система қасиетіне онда таралған зат бөлшектерінің көлем өлше-мі айтарлықтай әсер ететінін көрсетті. Бөлшек шамасы броундық қозғалыстың интенсивтілігін, салмақ әсерінен олардың шөгу ка-білетін және коллоидты системаның оптикалық қасиетш анық-тайды.

Қоллоидты системаларды толық сипаттау үшін, оның қасиеті тек бөлшек өлшеміне ғана функционалды тәуелділікте болады де-ген пікірдің жеткіліксіздігін Н. П. Песков 1917 жылы көрсетті. Ол — бөлшек өлшемін өзгеріссіз сақтай алатын коллоидты систе-маның қабілетін анықтайтын факторларды ескергенде ғана мүм-кін болатын жай. Бөлшек өлшемі олардың бір-біріне жабысып, бі-рігуі нәтижесінде өзгереді және осы құбылысты коагуляция немесе ұю дейді. Ұю процесіне қарсы тұратын кабілеттілік агрегаттык түрақтылық болады.

Колоидты химияда фаза, система, гомогенді және гетерогендт системалар сияқты физхимиядағы түсініктер қолданылады. Дис-персті ортаны еріткішпен, ал дисперсті фазаны еріген затпен, дис-персті системаны ерітіндімен салыстыруға болады.

Коллоидты химия қазір ғылыми-техникалық прогресте маңыз-ды роль атқарады. Коллоидты химиялык процестер болмаса, ра-диоэлектронды, тамақ және жеңіл өнеркәсіптегі, кұрылыс мате-риалдарды, медициналық дәрі-дәрмектерді өндіру және онымен байланысты технологиялық операцияларды жүзеге асыру мүмкін емес. Коллоидты химиядағы алғаш зерттелгэн ғылыми жүмыстар мен әдістер қазір биохимия, биотехнология және биофизика секіл-ді ғылым салаларында кеңінен қолданылуда. Коллоидты химияны оқу, оны білу ғылым мен техниканың көп саласындағы мамандар үшш өте қажет және маңызды.

Коллоид күйінің ерекшелігі. 1. Барлық коллоидты ерітінділер-дің сәуле шашырату кабілеті болады (мұны опалесценциялау дей-ді). Бұл құбылысты тәжірибе жүзінде жасап көруге болады. Ол үшін сәуле жолына линза қойып, одан шықкан сәулені коллоидты

154

ерітінді аркылы жіберсе, одан опалесценцияны көруге болады. Мұ-ны Тиндаль конусы дейді.

2. Нағыз ерітінділермен салыстырғанда коллоидты ерітінділер-дегі диффузия жылдамдығы төмен.

3. Коллоидты ерітінділердін, осмостық қысымы аз, кейде олар-ды байқау да қиын. Демек, коллоидты ерітінділердегі диффузия жылдамдығы мен осмостық қысымының төмен болуы ондағы ері-ген зат бөлшегінің нағыз ерітіндімен салыстырғанда ірі екендігін көрсетеді. Расында да коллоидты ерітіндідегі бөлшек ірі болған сайын оның диффузия кезіндегі қозғалысы қиындап, жылдамдығы төмендейді, өйткені бөлшек іріленген сайын кедергі де арта түсе-ді. Сондай-ақ ондағы бөлшек өлшемі осмостық қысымға әсер ете-ді. Берілген бірдей көлем мен тығыздықтағы екі ерітіндінің қай-сысында бөлшек ірілеу болса, сонда бөлшек саны аз болады. Ал осмостық қысым концентрацияға, яғни бөлшек санына тікелей тәуелді.

4. Коллоидты ерітінділер диализге бейім, яғни онымен ерітінді-де бірге еріген төменгі молекулалы заттарды жартылай өткізетін жарғақты пленкалар көмегімен тазартуға болады. Мұндайда тө-менгі молекулалы заттар (нағыз ерітінділер) жарғақ арқылы өте-ді де, коллоидты ерітінділер қалып қояды.

5. Нағыз ерітінділер өте тұрақты, ал коллоидты ерітінділер тұ-рақсыз. Олай болса, коллоидты бөлшектер болмашы ғана сыртқы әсер салдарынан қоагуляцияланады.

6. Коллоидты ерітінділер, әдетте, электрофорез құбылысына бейім. Бұл құбылыс электр өрісіндегі коллоидты бөлшекті ОЕ, не теріс электродқа тасымалдаумен сипатталады.

Бірнеше ондаған жылдар бойы жүргізілген зерттеу жұмыста-рының нәтижесін топтастырып, тұжырымдап қарағанда, заттардың коллоидты күйі дегеніміз, ол молекула емес, көптеген молекуладан жинақталған жекеленген агрегат түрінде жүретін аса майда ұн-тақталған, яғни жоғары дисперстелген жүзгінді (дисперсті) түрі екен. Осы айтылғанды коллоидты системадағы коллоидты күйдің анықтамасы ретінде қабылдай отырып, коллоидты системаның кәдімгі, яғни нағыз ерітіндіден өзгешелігін көрсететін негізгі пікір-дерді тұжырымдауға болады. *К.оллоидты бөлшектер көптеген молекуладан тұратындықтан да оларға фазадағ^ы/термодинамика заңдылықтарын қолдануға болады. Кәдімгі ерітіндімен салыстыр-ғанда коллоидты ерітінді екі фазадан тұратын гетерогенді система екен. Әр коллоидты ерітінді гетерогенді система болғандықтан, оньщ басты шарты бір фазадағы заттың екінші фазадағы затта ерімеуі немесе нашар еруі.

Коллоидты химиядағы басты проблемалардың бірі — агрегат-тық тұрақсыздық. Бөлшектердің түрақсыз болуының негізгі себеп-тері термодинамикалық және кинетикалық тұрғыдан түсіндіріледі. Коллоидты системадағы агрегаттың тұрақсыздық системадағы фа-зааралық жанасу бетке шоғырланған энергияның оң және айтарлықтай үлкен мәнде болуына байланысты екен. |Ол бос энер-гияға тең болғандықтан, мұндай системалардың бәрі^де тұрақсыз

155

екені термодинамикадан белгілі. Бұл жайт коллоидты системалар-дың ұюына, коагуляциялануына әкеледі. Мұндайда бөлшектер бір-біріне жанасып, бірігеді және фазааралық беткі қабат азайып, системадағы бос энергия кемиді. Қоллоидты системаның күйін термодинамикалық тұрғыдан өте қарапайым әдіспен талқылауға болады. Әйтсе де мұндай талкылау агрегаттық тұрақсыздықтың негізгі түпкі мәнін ашпайды. Сол сияқты термодинамика система-дағы бос энергия мен системаның тұрақсыз күйде канша уақыт болатынын және олардың арасындағы байланысты көрсетпейді. Сондықтан да коллоидтық системаның агрегаттық күйі жайлы мә-лімет толық және нақтылы болу үшін термодинамикалық талқы-лау физикалық кинетикамен толықтырылады.

Кинетикалық түрғыдан коллоидты немесе микрогетерогенді системаның күйі ондағы жекеленген бөлшектер арасындағы әсер етуші күштердің катысымен анықталады. Мұндай күштерге бөл-шектердің тартылыс күші және коагуляцияға кедергі болатын тебі-ліс күші жатады. Кейде тартылу күшін ілініс күші деп те айтады. Бүл күш пен молекулааралық күштің тегі бірдей. Бөлшектер бір-біріне жақындағанда олардың арасындағы күштің мәні артады. Системада кездесетін электролит иондарыньвд фазааралық беткі қабатқа таңдамалы адсорбциялануы нәтижесінде пайда болатын электр күштері де тебіліс күші бола алады. Сондықтан да коллоид-ты системаның салыстырмалы тұрақтылығы бөлшектердің өзара жақындай түсуіне қарсы тұра алатын тебіліс күшінің жеткілікті не артық болуымен анықталады. Бұл көптеген коллоидты система-ның тұрақсыздығына қайшы келе бермейді, өйткені бөлшектер бір-біріне өте жақындаған сәтте ондағы тартылыс күші тебіліс күшінен артық болады және жекеленген екі бөлшекке знергетика-лық тұрғыдан агрегат кұрастыру тиімді.

Дисперсті орта, дисперсті фаза қүрамы бірдей екі дисперсті система алынды делік. Бүл екі ситеманың айырмашылығы бірінші системадағы дисперсті фазада кездесетін бөлшектер біркелкі де> екінші дисперсті фазадағы бөлшектер бірдей болса да өлшемдері-нің әр түрлілігінде. Бұл — бөлшектер айырмашылығын диаметр, үзындық, биіктік сияқты өлшемдермен шектеп көрсетуге арналған мысал. Ал іс жүзінде коллоидты системадағы дисперсті фаза бөл-шектердің өлшемі әр түрлі болады. Мұндай системаларды салыс-тыру үшін меншікті (үлесті) бет (беткі кабат ауданы) арқылы сипатталатын, Оствальд ұсынған дисперстік дәреже қолданылады.

Меншікті бет. Меншікті бет деп дисперсті фазаның көлемі не масса бірлігіне тиесілі фазааралығының ауданын айтады. Егер дисперсті фазаның түрі бірдей куб тәрізді болса, онда мұндай системанын, меншікті беті келесі формула бойынша есептеледі:

мұндағы S_м— меншікті бет; S_б — бөлшектің беткі ауданы; Ү_б — бөлшектің көлемі; а — куб қабырғасының үзындығы.

Ал енді, системадағы дисперсті фазаның бөлшектері бірдей

156

сфера (шар) болса, онда меншікті бетті төмендегіше анықтайды:

мұндағы г — сфера радиусы, d. — онын диаметрі.

Сондай-ақ, системадағы дисперсті фаза бірдей кез келген фор-малы болса, онда меншікті бетті келесі формуламен есептеуге бо-лады:

(161)

мұндағы k — бөлшек түріне тәуелділік коэффициенті; а — бөлшек өлшемі; D — фазанық дисперстілігі.

Дисперсті система арасында меншікті беті жағынан алғанда коллоидты система ерекше жағдайда болады. Нағыз ерітінділерде меншікті бет болмайды. Сол сияқты аса ірі дисперсті системалар-дың да меншікті беті бола бермейді. Тек гетерогенді өте жоғары дисперсті системаларда ғана меншікті бет бар. Олай болса мен-шікті бет бөлшек өлшеміне тәуелді екен. Ол бөлшек ұсақталған сайын (мысалы, әр бөлшек екіге бөлінсе меншікті бет екі есе өседі) артады. Бұл 36-суретте өрнектелген. Онда ордината осіне меншік-ті беттің, ал абсцисса осіне бөлшек өлшемінің мәндерін орналас-тырса, онда бұл тәуелділіктід функционалды байланысы қисық сызықпен өрнектеледі және ол  теңқабырғалы гиперболаны кескіндейді. Оны төрт бөлікке бөлуге болады. Әуелі бір затты алып бөлшектесе, суретте көрсетілген 1-ауданда болатын күйді алады. Мұнда оның өлшемі үлкен де үлестік беті аз. Оны аса ірі дисперсті система дейді. Енді осы ірі дисперсті бөлшекті онан әрі үсақтай түссе, әрбір бөлшек бірнеше рет кішірейіп, онын, үлесті беті арта түседі. Ол 2-аудан — мұны микрогетерогенді (аса ұсақ дисперсті) система деп атайды. Ал енді, осыны онан да әрі ұсақтасақ, мысалы ондағы бөлшек өлшемі 10~⁵—10~⁷ см аралығында болса, онда бұл 3-бөлікті коллоидты система дейді. Әрине, мұны онан да әрі ұсақтайтын болсақ, онда суретте кескінделген 4-бөліктегі нағыз ерітінді шыға-ды. Мұндайда оның өлшемі нөлге ұмтылады да үлесті бет жоғала- *• ды. Ал осы жоғарыдағы шекара-лар тек шартты ғана бөлінген.

Әрбір зат өзара және өзін қоршаған ортамен әрекеттеседі. Денелер кұрамын зерттегенде, олардың беткі қабаттарынын жалпы және ерекше сипатын бі-лу қажет. Ендеше коллоидты күйдің негізгі және маңызды ерекшеліктері ондағы масса мен бос энергияның басым көпшілігі осы фазааралық беткі қабатқа

36-сурет

157

шоғырланғандығында екен. Фазааралық беткі қабатқа орналасқан молекулалар тек көлемдік өзгешелікте болып қана қоймай, олар >өзара, бірінен-бірі бөлек мәнде болады.

Қатты заттың беттері теп-тегіс болмайды. Оның күш өрісі және оған сәйкес беткі энергияның мәні әр түрлі болады; сондықтан да құрамы мен үлесті беті бірдей болатын екі системаны энергетика-лық жағынан қарастырғанда, олардың бірдей болмауы мүмкін және кәдімгі физикалық-химиялық системадан коллоидты күйге ауысқанда, системаның қайталанбайтыны және оның өзіндік ерек-шелігі пайда болады. Мысалы, бәрі бірдей болатын активті көмір-дің үлгісін аса жетілген, барынша стандартты технологиялық про-цестердің өзінде де қайталап алу мүмкіндігі өте сирек кездеседі.

Кәдімгі аса жоғары дисперсті системалардағы бос энергияның артык, болуы оны термодинамикалық тұрақсыз етеді. Оларға дис-перстілікті азайту арқылы осы бос энергияны кемітуге бағытталған өздігінен жүретін процестер тән. Мұндайда системаның химиялық қүрамы өзгермейді, олардың энергетикалық сипаты және бүған сәйкес коллоидты-химиялық қасиет те өзгереді. Бұл қарастырыла-тын система, химиялық системамен салыстырғанда тұрақсыз өзге-ріске бейім болады. Бұл — коллоидты системаның басты ерекше-ліктерінің бірі.