Дәрістер кешені

2-БӨЛІМ. Дәрістер кешені

 

Глоссарий (анықтама, сөздік):

Коло - грекше желім (клей).

Тиндаль конусы - коллоидтық ерітінділердің шоқталған сәулені шашыратуға бейімділігі. Тиндаль зерттеген коллоидты ерітінді арқылы жарық шоғын өткізген кезде жанынан қарағанда жарық конусы анық байқалды.

Коагуляция - коллоидты еріген заттадың ерітіндіден сыртқы жағдайлардың әсер етуіне байланысты оңай бөлінуі. Дисперсті жүйе түйіршіктерінің іріленуі.

Коагулянт - коллоидты еріген заттадың ерітіндіден сыртқы жағдайлардың әсер етуіне байланысты оңай бөлініп, нәтижесінде коллоидты ерітіндіде пайдаболған тұнба..

Дисперсті орта -ұсақталған күйдегі заты бар орта

Дисперсті фаза- сол ортада таралған ұнтақталған зат

Коллоидтық химия – гетерогенді, жоғары дисперсті жүйелердің қасиеттері мен оларда жүретін процестер туралы ғылым.

Жүзгінді жүйе - кез-келген екі құрамдасты жүйедегі құрамдастарының біреуі екіншісінде бөлшектеніп, біркелкі таралған күйдегі жүйе.

Нағыз ерітінділер -дисперсті орта рөлін еріткіш, ал дисперсті фаза рөлін еріген заттың молекулалары немесе иондары атқарады. Ондағы бөлшектердің мөлшер өлшемі, яғни орташа диаметрі 10 ^-10см.

Ірі дисперсті  жүйелер- суспензиялар-жүзгінділер мен эмульсияларда дисперсті фаза бөлшектерінің мөлшср өлшемі 10^-7-10^-5 см артық болатын жүйелер

Суспензия - дисперстік фазасы қатты, дисперстік ортасы сұйық болатын жүйелер.

Эмульсия - дисперсті орта да, фаза да сұйық болатын жүйелер.

Коллоидты жүйелер - дисперсті фаза бөлшектерінің мөлшері 10^-7 – 10^-5 см. болатын жүйелер. Оларға тән қасиеттер: мөлдір, жартылай өткізгіштен өтпейді, микро гетерогенді, яғни  өте ұсақ, әр текті көп фазалы жүйе.

Седиментация - түйіршіктердің массалары үлкейген сайын, олардың тұнуы немес қатты фаза бөлшектерінің іріленіп, тұну процесі

Зольдер - коллоидты жүйедегі дисперсті фаза бөлшектері қатты күйде, ал орта сұйық күйде болатын ерітінділер.

Аэрозольдер - С/Г, Қ/Г жүйелерінің жалпы атауы. Аэрозольдерде дисперсті орта ролін ауа ғана емес, кез келген газ атқара алады.

Лиозольдер - дисперстік ортасы сұйық жүйелер (Г/С, С/С, Қ/С) (грек. лиос – сұйық).

Органозольдер - дисперстік ортасы органикалық сұйықтық болып табылатын коллоидты жүйелер.

Бос дисперсті жүйелер – дисперсті фаза бөлшектері бір-бірімен әрекеттеспеген, яғни оңай араласа алатын жүйелер (суспензиялар, эмульсиялар, зольдер, оның ішінде аэрозольдер);

Байланысқан дисперсті жүйелер – құрылымы тұйық болғандықтан фазалардың ешқайсысы еркін араласа алмайтын жүйелер. Мұндай жүйелерге, көбінесе, диафрагмалар немесе капиллярлы жүйелер деп аталатын капиллярлы – кеуекті денелер; мембраналар – жұқа қабықшалар, әдетте, полимерлі, сұйық және газ өткізгіштер; гельдер және ұйымалар (студни); көбіктер; қатты ерітінділер жатады.

Лиофильді жүйелер- дисперсті фаза мен орта заттарының күшті молекулааралық әрекеттесуі тән жүйелер.

Лиофобты жүйелер - дисперсті фаза мен орта заттарының әлсіз молекулааралық әрекеттесуі тән жүйелер.

Сольваттық қабат - дисперсті фаза бөлшектерінің сыртын қаптайтын, дисперсті орта молекулаларынан тұратын қабат.

Диспергация - ұнтақтау тәсілі (латынша dispegere – себу, шашу);

Конденсация - молекулаларды ірілендіру (агрегациялау) тәсілі (латынша aggregare – қосу, біріктіру).

Стабилизатор– коллоидты бөөлшектерді неғұрлым ірі агрегаттарға біріктіруші зат (тұрақтандырғыш).

Диализ - жартылай өтізгіш мембранадан өткізу арқылы коллоидты бөлшектерді ұстап қалу қасиетіне негізделген коллоидты ерітінділерді иондар мен молекулалар қоспаларынан тазарту әдісі.

Ультрафильтрация - коллоидты ерітінділерді жартылай өткізгіш мембрана арқылы фильтрлеу жолымен дисперстік фазаны дисперстік ортадан бөлу процесі

Диффузия – жүйедегі молекулар, иондар немесе коллоидты бөлшектердің хауосты жылулық қозғалысының әсерінен концентрацияның өз бетінен теңесу процесі

Кинетикалық тұрақтылық – бұл дисперсті жүйелердің ауырлық күші әсерінен туындайтын тұрақтылық. Түйіршіктердің ауырлық күші әсерінен шөгу жылдамдығы аз жүйелердің тұрақтылығын кинетикалық тұрақтылық деп атайды.

Агрегаттық тұрақтылық – бұл жүйенің түзілетін мицелланың дисперстілік дәрежесін сақтап қалу қабілеттілігі.

 

Модуль 1. Коллоидтық химияға  кіріспе. Коллоидты жүйелердің қасиеттері

1- тақырып. Кіріспе. Коллоидты химияның негізгі түсініктері мен анықтамалары. Коллоидты жүйелер

Дәріс мақсаты: Коллоидтық химия ғылымының пайда болу тарихымен таныстыру.

Дәріс жоспары:

1. Коллоидтық химия ғылым ретінде.
2. Коллоидтық химияның пайда болу тарихы
3. Коллиодтық химияның маңызы

Тақырыптың  қысқаша мазмұны:

Коллоидық химия - бастапқыда физикалық химияның бір бөлімі ретінде қарастырылған. Уақыт өте келе эксперименттік дәлелдемелерді талдау негізінде бұл пән жеке ғылым болып бөлініп шықты. Тіпті арнайы коллоидтық химияның зерттеу әдістері табылды: ультрамикроскопия, электрондық микроскопия, ультрацентрифугирлеу (сүзу), электрофорез, тағы  да басқалар.

Практика коллоидтық химияның қазіргі заманғы техникада да орнының ерекше екенін дәлелдеді. Қазіргі уақытта халық шаруашылығының кез келген саласын коллоидық химиясыз елестету мүмкін емес. Бұл ғылым саласының нені зерттейтінін түсіну үшін алдымен «коллоидтар» немесе «коллоидтық жүйелер» дегеніміз не деген сұраққа жауап іздеу керек.

ХІХ ғасырдың 40 жылдары  италия ғалымы Франческо Сельми қазіргі  кезде коллоидтық жүйелер болып  табылатын кейбір ерітінділердің аномальді  қасиеттерін бақылады. Бұл ерітінділер  жарықты күшті шашыратады. Оларда еріген заттар осы еріген затпен әрекеттеспейтін тұздардың болмашы ғана мөлшерін қосқаннан тұнбаға түседі. Заттардың мұндай ерітіндіге өтуі, яғни еруі және ерітіндіден тұнбаға түсуі жүйе температурасының және көлемінің өзгеруінсіз жүреді (әдетте, кристалл заттардың еруі кезінде температура мен көлем өзгереді). Сельми бұл ерітінділерді әдеттегі ерітіндіден ерекшелеп, «псевдо ерітінділер» деп атады. Кейіннен оларға «зольдер» деген атау берілді.

ХX ғасырдың 50 жылдары  ағылшын химигі Томас Грэм бұл  ерітінділерді толығырақ зерттеді. Грэм бұл ерітінділерді және оларды түзетін заттарды «коллоидтар» деп атады, себебі Грэм грекше «колла» - деп аталатын желімді (клей) осындай ерітінділердің нағыз (типичный) өкілі деп ойлады.

ХIX ғасырдың 60 жылдары  белгілі болған коллоидтық ерітінділердің кейбір ерекшеліктеріне тоқталайық

1. Барлық коллоидтық ерітінділер шоқталған сәулені шашыратуға, яғни опалесценцияға бейім. Тиндаль коллоидты ерітінді бар кюветаға линза арқылы жарық шоғын өткізгенде жанынан жарық конусын анық бақылаған. Сондықтан мұндай конус Тиндаль конусы деп аталады.

Ерітіндінің жарықты  интенсивті шашыратуы жүйеде фазааралық бөліну бетінің бар екендігінің  айқын дәлелі болмаса да, коллоидты  ерітіндінің біртекті емес екенін толық  дәлелдейді.

2. Коллоидты ерітінділердегі бөлшектер диффузиясы өте баяу жүреді. Диффузияға еріген бөлшектер өлшемі әсер етеді, себебі өлшемі үлкейген сайын бөлшекке еріткіш молекуласы ортасында (в среде) қозғалу үйкелістің (трение) күшеюіне байланысты қиынға соғады.

3. Коллоидтық ерітінділердің осмостық қысымы өте төмен болады.

Бұл соңғы екі  қасиет – диффузияның баяу өтуі және осмостық қысымның төмен болуы, коллоидтық ерітінділердегі еріген зат бөлшектерінің салыстырмалы түрде ірі екендігін көрсетеді. Осмостық қысым коллигативті қасиетке жатады, яғни, тұрақты температурада көлемдегі бөлшектер санына ғана тәуелді. Және оның (осмостық қысымның) мәнінің төмен болуы бөлшектер өлшемінің үлкен, ірі екендігін көрсетеді, себебі ерітіндідегі еріген заттың салмақтық концентрациясы және тығыздығы бірдей болса да, бөлшектер саны олардың өлшемі ірі болған сайын аз болады.

4. Коллоидты ерітінділер диализге қабілетті. Яғни колллоидты ерітінділерді жартылай өткізгіш мембрана көмегімен оларда еріген төмен молекулалы заттар қоспасынан (примесь-қалдық) бөліп алуға болады. Диализ кезінде төмен молекулалы заттар мембрана арқылы өтіп, ал  жартылай өткізгіш арқылы өтуге қабілетсіз коллоидтық бөлшектер тазартылған коллоидтық ерітінді түрінде қалады. Диализге бейімділік те  колоидты ерітінділердегі бөлшектер өлшемінің шынайы ерітінділердегі молекулалар өлшемінен әлдеқайда үлкен екендігінің айғағы.

5. Толығымен тұрақты (стабильные) жүйелер болып табылатын шынайы ерітінділерден ерекшелігі (нағыз ерітінді) - коллоидты ерітінділер агрегативті тұрақсыз (лабильные). Яғни коллоидты еріген заттар болмашы сыртқы жағдайлардың әсер етуіне байланысты ерітіндіден оңай бөлінеді. (коагуляцияланады). Нәтижесінде коллоидты ерітіндіде - тұнба (коагулят, коагулюм) түзіледі, яғни, біріншілей бөлшектердің жабысуынан пайда болған агрегаттар. КЖдің агрегативті тұрақсыздығы олардың концентрациясы жоғары болған сайын жақсы байқалады.Сондықтан нағыз КЖді жоғары концентрлі етіп алу мүмкін емес. Коагуляцияны туғызатын жағдайлар: қыздыру, суыту, интенсивті араластыру және ерітіндіге өте аз мөлшерде электролиттер (коагуляторлар) енгізу. Коагуляция процесң коагулятор коллоидты еріген затпен химиялық өзара әрекеттеспейтін жағдайда да жүруі мүмкін, Бұл жағдай коагуляция химиялық емес, физикалық процесс екендігін көрсетеді.
6. Коллоидтық ерітінді электрофорезге бейім. Мұны Ф.Ф. Рейсс 1808 жылы Ресейде ашты. Яғни электр өрісінде коллоидты бөлшектер қайсібір электродқа қарай қозғалады. Бұл  коллоидты еріген зат болшектері, иондар сияқты, электр зарядына ие екендігін көрсетеді. Электрофорездің электролизден айырмашылығы – электролиз өнімдері электродтарда эквивалентті мөлшерде бөлінеді, ал электрофорезде зат тек бір бағытта ғана айтарлықтай қозғалады.

 

КЖ газтәрізді, сұйық  және қатты болуы мүмкін. Мысалы: тұман, түтін, металдардың коллоидты  ерітінділері, AgI және AsS  коллоидты ерітінділері, кейбір орг.бояғыштар және сабындар ерітінділері, эмульсиялар (сүт), пемза, опал, шойын, кейбір металл балқымалары.

Коллоидтық қасиеттерді  орг та, бейорг та заттардан тұратын  жүйелер көрсете алады. КЖ табиғатта  кең тараған және оларды лабораторияда да алуға болады. Сонымен, КЖ коллоидтық емес жүйеден несімен ерекшеленеді?

Грэм өз заманында  заттарды коллоидтар және кристаллоидтар деп бөлген. Ал И.Г.Борщев коллоидтық ерітінді құрамындағы заттың кристалдық құрылымы болуы мүмкін екендігін  айтты. Кейін орыс ғалымы П.П.Веймарн бір зат белгілі бір жағдайда кристаллоид, ал басқа жағдайда коллоид қасиетін көрсететіндігін дәлелдеді. Мысалы канифольді спиртте еріткенде ол шынайы ерітінді түзеді, ал суда коллоидты ерітінді береді. Керісінше, натрий хлориді суда шынайы ерітінді, ал бензолда коллоидты ерітінді береді. Осылайша, коллоидты зат деп емес, заттың коллоидты күйі деп айтқан дұрыс болады.

Сонымен, заттың коллоидтық күйі дегеніміз - бұл жоғары дисперсті күй (күшті ұнтақталған). Бұл күйде жекелеген бөлшектер молекула емес, көптеген молекулалардан тұратын агрегаттар түрінде болады. Коллоидты бөлшектер көптеген молекулалардан тұратындықтан, оларға фазаның барлық термодинамикалық қасиеттері тән. Ал коллоидты бөлшектер дисперстелген орта молекулалары басқа фазаны құрайды. Яғни кез-келген коллоидты ерітінді гетерогенді, көп фазалы жүйе (кем дегенде екі фазалы?). Ал шынайы ерітінділер гомогенді жүйелер болып табылады. Коллоидты ерітінді гетерогенді жүйе болғандықтан, оның түзілу шарты – бір фазаның екінші фазада ерімеуі, себебі тек осындай заттардың арасында физикалық бөліну беті болады.

Әдетте КЖ көпкомпонентті, бірақ белгілі бір жағдайларда  біркомпонентті коллоидты жүйелер  де түзілуі мүмкін. Осындай КЖді Во. Оствальд изоколлоидты жүйелер  деп атаған. Мұндай сұйықтықтарда молекулалар молекулалық күштер әсерінен айтарлықтай үлкен агрегаттар түзеді. Изоколлоидты жүйелер салыстырмалы түрде аз кездеседі.

Сұйық КЖге жоғарыда аталған  барлық қасиеттер тән. Ал қатты КЖге  жоғарыда аталған нағыз коллоидтық қасиеттердің барлығы бірдей (не все) тән болмауы да мүмкін. Мысалы, барлық қатты КЖ кәдімгі жағдайларда агрегатты тұрақты. Бұл осы жүйелердің тұтқырлығының өте жоғары болуынан еріген зат бөлшектерінің еркін қозғала алмай, бір-біріне жабыса алмай, ірі агрегаттар түзе алмауымен түсіндіріледі. Ал балқыту кезінде қатты КЖ агрегаттық тұрақсыздық көрсетуі мүмкін. Сондай-ақ металдық балқымаларға опалесценция тән емес. Бұл металдың мөлдір еместігімен ғана түсіндіріледі. Ал басқа, дисперстік ортасы мөлдір қатты КЖ (рубин шынысы, опал) опалесценция көрсетеді.

Қорыта айтсақ, кез-келген КЖ бір заттың (дисперсті фаза) екінші заттағы (диспесиялық орта) дисперсиясы болып табылады. КЖде дисперсті фаза молекулалар емес, молекула агрегаттары болып табылады.

Сонымен, коллоидтық химия  – гетерогенді, жоғары дисперсті жүйелердің қасиеттері және оларда жүретін процестер туралы ғылым. Яғни коллоидтық химияда жүретін процестер тек қана екі фаза арасында жүреді.

КЖ тән нағыз қасиет – коагуляция. Ол агрегаттардың молекулааралық, химиялық емес, күштер әсерінен одан да ірі агрегаттар түзе отырып бір-біріне жабысуы. КЖге тән басқа да қасиеттер – электрофорез және физикалық адсорбция да физикалық немесе физика-химиялық процестер болып табылады. Тек коагулятордың стабилизатормен (колоидтық бөлшектің бетінде адсорбциялық қабат түрінде болып, жүйенің салыстырмалы түрде тұрақтылығын қамтамасыз ететін зат) өзара әрекеттесуі кезінде ғана химиялық реакциялар жүруі мүмкін. Осылайша КХимия физика мен химияның арасындағы, негізінен біріншісіне жақын ғылым. Тек тарихи қалыптасқан дәстүр бойынша ғана коллоидтық жүйелер туралы ілімді гетерогенді жоғарыдисперсті жүйелердің физикалық химиясы емес, коллоидтық химия деп атайды.