С.Ш.Құмарғалиева
коллоидтық химия
Беттік құбылыстар және дисперсті жүйелер
Оқу құралы, 2-басылым
РИСО №2 от 03.11.2017
Рецензент х.ғ.д., профессор Тәжібаева С.М.
Оқу құралында беттік құбылыстар мен дисперсті жүйелер физика-химиясының негіздері берілген. Оқу құралы химиялық, техникалық, жаратылыстану мамандықтарының студенттері, магистранттары және оқытушыларына арналған.
Кіріспе
Коллоидтық химия, яғни дисперсті жүйелердің химиясы, әртүрлі – бейорганикалық, органикалық, ақуыздық, полимерлік жүйелердің қасиеттерін зерттейді. Мұндай жүйелердегі дисперстілік (лат. dispergo) бөлшектерінің өлшемдері 1нм-ден 100 нм-ге дейінгі аралықта жатады.
Дисперстік бөлшектер кез келген агрегаттық күйде: қатты (микрокристалдар, талшықтар), сұйық (тұмандар мен эмульсиялардағы тамшылар), газ тәрізді (көбіктердегі көпіршіктер) күйде бола алады. Құрылымы одан да күрделі дисперстік бөлшектер болады, олардың ішкі құрылымы қатты денеге не сұйықтыққа қарағанда мүлде өзгеше. Мұндай өзгеше құрылымдарға мицеллаларды – органикалық (беттік-активті) заттардан тұратын наноөлшемді агрегаттарды жатқызуға болады. Мицеллалар көптеген биологиялық үрдістерде (ферменттік катализде, ағзалардағы май тасымалдауында және т.б.) маңызды роль атқарады.
Өлшемдеріне қарай дисперстік бөлшектер молекулалар (атомдар, иондар) мен макроскопиялық объектілердің (фазалар) арасында жатыр. Мұндай өлшемдегі бөлшектер табиғатта кеңінен таралған және көптеген технологиялық үрдістерге қатысады. Дисперстік бөлшектердің кейбіреуін мысал ретінде келтірейік:
Дисперстік бөлшектер
|
Бөлшектердің өлшемдері, нм
|
Коллоидтық металдар (алтын, платина, күміс)
|
3 – 50
|
Түтін
|
30 – 40
|
Вирустар
|
10 – 20
|
Микроэмульсиялардағы тамшылар
|
5 – 20
|
Қанның эритроциттері
|
(5 – 10).103
|
Судағы жүзгіндер
|
10 – 100
|
Дисперстік бөлшектерді жеке топқа бөлудің бірнеше себебі бар. Ең басты себебі – бір заттың дисперстік бөлшектерінің көптеген физикалық және химиялық қасиеттерінің осы заттың макроскопиялық күйдегі қасиеттерінен үлкен айырмашылығында. Мұндай қасиеттерге беріктік, жылу сыйымдылығы, балқу температурасы, магниттік және электрлік сипаттамалары, реакциялық қабілеті жатады. Осындай айырмашылықтарды өлшемдік (не масштабтық) эффектілер деп атайды. Дисперстік бөлшектердің өлшемдері азайған сайын бұл эффектілер күшейе береді де нанометрлік өлшемдегі бөлшектер (нанобөлшектер) үшін айқындала түседі. Нанобөлшектердің ерекше қасиеттері (соның ішінде олардың кванттық қасиеттері) химия, физика, биология үшін жаңадан практикалық мүмкіндіктер туғызады. Дисперстік бөлшектерді (алу жолдарын, құрылымдарын, физикалық және химиялық қасиеттерін) зерттеу бірқатар ғылыми саланың өзекті және перспективті мақсатына жататын-дықтан, оларды жан-жақты зерттеу коллоидтық химияның әрқашанда негізгі бағыты болып табылады.
Коллоидтық химияның келесі негізгі бағыты – дисперсті жүйелерді зерттеу. Әдетте дисперсті жүйелер екі фазадан тұрады: дисперстік бөлшектерді құрайтын дисперстік фаза және осы бөлшектер таралған – дисперсиялық орта. Дисперсиялық орта да дисперстік фаза сияқты кез келген агрегаттық (қатты, сұйық, газ тәрізді) күйде болуы мүмкін.
Яғни дисперсті жүйе дегеніміз бір фазасы дисперстік бөлшектерден, екінші фазасы дисперсиялық ортадан тұратын гетерогенді жүйе. Бөлшектер мен орта химиялық құрамы бойынша да, агрегаттық күйі бойынша да алуан түрлі болып келеді.
Дисперсті жүйелердің қасиеттеріне негізгі екі топтағы факторлар әсер етеді:
дисперстік бөлшектердің қасиеттері (химиялық құрамы, құрылымы, өлшемдері);
дисперстік бөлшектердің дисперсиялық ортамен әрекеттесуі, яғни дисперсиялық ортаның қасиеттері.
Дисперстік бөлшектер мен дисперсиялық ортаның жанасу беттеріндегі физика-химиялық құбылыстардың маңызы зор. Коллоидтық химияда жұғу, адгезия, адсорбция, электрлік эффектілер сияқты беттік құбылыстар маңызды роль атқарады. Беттік құбылыстардың мұндай шешуші ролі дисперсті жүйелердің ерекшеліктеріне байланысты. Дисперстік бөлшектердің өлшемдері кішірейген сайын олардың меншікті беттік ауданы арта түседі. Дисперсті жүйелердегі дисперстік фазаның меншікті ауданы өте үлкен. Бұл жағдай әртүрлі дисперсті жүйелердің қасиеттеріне беттік құбылыстардың едәуір үлес қосатынын көрсетеді.
Дисперстік фазаның меншікті беттік ауданы тым үлкен болғандықтан дисперсті жүйелер термодинамикалық тепе-теңдіксіз күйде болады.
Гетерогенді жүйелер үшін Гиббс ұсынған термодинамикалық теориясы бойынша, дисперсті жүйелердің көлемдік бос энергиясына қарағанда, олардың бөліну бетінің бос энергиясы артық мөлшерде болады. Бұл артық мөлшерді беттік меншікті бос энергия (σ, Дж/м2) деп атайды. Осыған сәйкес дисперстік фазаның масса бірлігінің артық мөлшердегі бос энергиясы (Гельмгольц энергиясы) ΔF = σsd болады. Мұнда σ – беттік меншікті бос энергия, sd – меншікті беттік аудан. Осы артық мөлшерлі бос энергия дисперсті жүйелердің термодинамикалық тұрақсыздығына әкеліп соғады. Дисперсті жүйе термодинамикалық тепе-теңдікке ауытқу үшін жүйеде энергияның артық мөлшерін азайтатын үрдістер өздігінен жүреді. Көбінесе бөлшектердің өлшемдерін ұлғайтып, меншікті беттік ауданды азайтатын үрдістер жүреді.
Дисперстік бөлшектердің әртүрлі жолмен іріленуі мүмкін. Бөлшектердің ірілену нәтижесінде олар өздерінің ұсақ дисперстік бөлшектерге тән физикалық және химиялық қасиеттерінен арылады. Сондықтан дисперстік бөлшектердің ұзақ уақытқа дейін өздерінің өлшемдерін сақтап қалуы, яғни дисперсті жүйелердің тұрақтылығы коллоидтық химияның басты мәселесі болып табылады.
Достарыңызбен бөлісу: |
