Коллоидные системы
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[1]).
Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию компонентов
| Твёрдая фаза | Жидкая фаза | Газообразная фаза | |
| Твёрдая среда | Сплавы, горные породы | Биологические объекты | Дымы, пыли, порошки |
| Жидкая среда | Золи, гели, пасты, суспензии | Эмульсии | Пены |
| Газообразная среда | Пористые материалы | Туманы | – |
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.[2] 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.[3] 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.[4] P. 14134–14146).
- Системы очистки и фильтрации [например, ионообменные фильтры (Dardel. 2008.[5] P. 473–545)].
- Пищевые продукты (молоко, желе и др.).
- Медицина [в частности, способы доставки лекарственных веществ при парентеральном введении (Kolluru. 2021.[6] P. 108)].
- Электроника [[[Полупроводниковые приборы|полупроводниковая техника]], основанная на т. н. коллоидных нанокристаллах (Kagan. 2019.[7] P. 1626–1641)].
Примечания
Литература
- Большая советская энциклопедия. Т. 14. Куна – Ломами / гл. ред. А. М. Прохоров. – 3-е изд. – Москва : Советская энциклопедия, 1973.
- Structure of Sterically Stabilized Colloids / U. Genz, B. D'Aguanno, J. Mewis, R. Klein // Langmuir. – 1994. – Vol. 10, № 7. – P. 2206–2212.
- Амелина Е. А. Методическое пособие к курсу коллоидной химии. – Москва : МГУ, 2011.
- Ullmann's encyclopedia of industrial chemistry / ed.-in-chief B. Elvers. – 7th, compl. rev. ed. – Weinheim : Wiley-VCH, 2011. – Vol. 19.
- Kagan C. R. Flexible colloidal nanocrystal electronics // Chemical Society Reviews. – 2019. – Vol. 48, № 6. – P. 1626–1641.
- A sol–gel synthesis to prepare size and shape-controlled mesoporous nanostructures of binary (II–VI) metal oxides / R. Yarbrough, K. Davis, S. Dawood, H. Rathnayake // RSC Advances. – 2020. – Vol. 10, № 24. – P. 14134–14146.
- Kolluru L. P. Characterization and Applications of Colloidal Systems as Versatile Drug Delivery Carriers for Parenteral Formulations / L. P. Kolluru, P. Atre, S. A. A. Rizvi // Pharmaceuticals (Basel). – 2021. – Vol. 14, № 2. – P. 108.