Колло́идные систе́мы (коллоиды), дисперсные гетерогенные системы, состоящие из двух и более фаз, в которых хотя бы одна фаза находится в виде малых частиц, сохраняющих свойства макрофазы, из которой они образованы. К коллоидам принято относить тонкодисперсные системы, размер частиц дисперсной фазы которых находится в диапазоне 10⁻⁹–10⁻⁶ м.

Классификация

В таблице представлена классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды (Амелина. 2011).

Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию компонентов

К системам, образованным твёрдой дисперсионной средой и жидкой дисперсной фазой, с определёнными ограничениями относят биологические объекты, такие как клетки и микроорганизмы. Образование дисперсной системы типа газ/газ с явными границами раздела фаз невозможно, но отдельные аспекты поведения газовых смесей, к примеру оптические свойства, могут быть описаны с помощью инструментов коллоидной химии.

По интенсивности молекулярного взаимодействия между дисперсной фазой и дисперсионной средой различают лиофильные и лиофобные коллоидные системы. В лиофильных коллоидах происходит сильное взаимодействие веществ на границе раздела сред; образование таких систем термодинамически выгодно и может происходить самопроизвольно.

К лиофильным коллоидам относят критические эмульсии (эмульсии, возникающие вблизи критической температуры смешения двух жидкостей); тонкодисперсные системы на основе мицеллообразующих поверхностно-активных веществ (мыльные растворы, некоторые органические пигменты), водные дисперсии бентонитовых глин. Иногда к лиофильным коллоидам относят также растворы высокомолекулярных соединений, но в современной литературе принято называть коллоидами только те микрогетерогенные системы, в которых явно присутствуют дисперсная и диспергированная фазы, поэтому такое обобщение не всегда корректно (Большая советская энциклопедия. Т. 14. 1971. С. 480).

Лиофобные системы характеризуются низким уровнем взаимодействия между дисперсионной средой и дисперсной фазой. Для их образования необходимы затраты энергии, а сама система оказывается нестабильной и требует воздействия стабилизирующего фактора для предотвращения агрегации частиц. Характерные лиофобные коллоиды образуют гидро- и органические золи металлов, оксидов и сульфидов.

Получение лиофобных коллоидов

Существует два основных подхода к получению лиофобных коллоидных систем: дисперсионные и конденсационные методы.

Дисперсионные методы получения основаны на измельчении макрочастиц до коллоидных размеров путём механического размалывания и перетирания, электродугового распыления, ультразвуковой обработки и др. Добавление поверхностно-активных веществ позволяет стабилизировать полученные коллоиды и замедлить процессы коагуляции.

К конденсационным относят методы, которые напрямую не связаны с разрушением макрофазы диспергируемого вещества. Это химические методы, в ходе которых образуется тонкодисперсная фаза нерастворимого вещества, и метод замены растворителя, который основан на разнице между растворимостью диспергированной фазы в разных растворителях. В результате постепенного добавления нового растворителя в системе возникает тонкодисперсная фаза, которая прежде находилась в растворе. Этот способ часто применяется для получения золей из спиртовых растворов различных веществ.

Управление стабильностью лиофобных коллоидов

Основными методами стабилизации коллоидной системы являются стерическая и электростатическая стабилизация. В первом случае стабилизирующим агентом являются крупные, часто полимерные молекулы, один конец которых закрепляется на коллоидных частицах, а другой, растворимый в дисперсионной среде, создаёт пространственные затруднения, которые препятствуют агрегации и слипанию частиц (Structure of Sterically Stabilized Colloids. 1994. P. 2206–2212). Второй метод основан на избирательном изменении заряда поверхности диспергированных частиц, что увеличивает толщину двойного электрического слоя и приводит к деагрегации частиц. Это явление называется пептизацией и достигается путём прямого (в виде электролита) или опосредованного повышения доли потенциалопределяющих ионов в системе.

Дестабилизация, т. е. разрушение коллоидной системы, может достигаться путём внесения ионов, обладающих зарядом, противоположным заряду ядра коллоидной частицы. Адсорбция дополнительных противоионов приводит к уменьшению заряда, снижению толщины двойного электрического слоя и коагуляции частиц. Альтернативным методом является внесение заряженных полимерных частиц – флокулянтов, которые связывают несколько частиц диспергированной фазы благодаря электростатическим взаимодействиям.

Области применения

Коллоидные системы повсеместно встречаются в природе, а также играют важную роль в промышленности и повседневной деятельности человека. Характерными примерами использования коллоидных систем являются:

• Бытовая химия, основанная на действии поверхностно-активных веществ.

• Золь-гель методы получения наночастиц и тонких плёнок (A sol–gel synthesis ... 2020. P. 14134–14146).

• Системы очистки и фильтрации [например, ионообменные фильтры (Dardel. 2008. P. 473–545)].

• Пищевые продукты (молоко, желе и др.).

• Медицина [в частности, способы доставки лекарственных веществ при парентеральном введении (Kolluru. 2021. P. 108)].

• Электроника [полупроводниковая техника, основанная на т. н. коллоидных нанокристаллах (Kagan. 2019. P. 1626–1641)].