Современная коллоидная химия представляет собой одну из важнейших и самостоятельных частей физической химии и включает в себя два основных раздела: физическую химию поверхностных явлений и физическую химию дисперсных систем. Оба эти раздела занимаются изучением свойств систем, в которых большую роль играют поверхностные явления.
Физическая химия дисперсных систем рассматривает свойства двух- или многофазных систем, в которых хотя бы одна находится в раздробленном (диспергированном) состоянии. По мере увеличения раздробленности (степени дисперсности) вещества поверхность раздела фаз увеличивается. Молекулы, находящиеся на поверхности раздела фаз, образуют поверхностные слои, обладающие особыми свойствами по сравнению со свойствами вещества в объеме фаз. Физическая граница раздела фаз, в силу высокой дисперсности систем, становится огромной. Поэтому поверхностные явления, протекающие на межфазовой границе раздела, оказывают существенное влияние на поведение и свойства дисперсных систем.
Имея чрезвычайно развитые межфазовые поверхности раздела, дисперсные системы обладают большим избытком свободной поверхностной энергии, что определяет принципиальную термодинамическую неустойчивость этих систем, так как в соответствии со вторым законом термодинамики все неизолированные системы стремятся самопроизвольно придти к состоянию с минимальным запасом свободной энергии. Таким образом, основным свойством дисперсных систем, отличающим их от истинных молекулярных растворов, является гетерогенность и принципиальная термодинамическая неустойчивость.
Характерной чертой дисперсных систем является их исключительное многообразие, которое можно объяснить изменениями:
· степени раздробленности дисперсной фазы;
· агрегатного состояния дисперсионной среды и дисперсной фазы;
· химического состава фаз.
Если система образована частичками, диспергированными в той или иной среде, то можно говорить об определенной степени дисперсности. Характеристикой дисперсности являются линейные размеры частиц, которые могут меняться в весьма широких пределах.
Существуют грубодисперсные системы, в которых отдельные частицы различимы невооруженным глазом. При более высокой степени дисперсности частички видны лишь в микроскоп. Дальнейшее раздробление приводит к системам, для изучения которых требуются специальные коллоидно-химические методы исследования. Размеры частиц в таких системах составляют около 10-9м. Последующее раздробление приводит к истинным растворам, где размер частиц-молекул составляет 10-10м.
Раздел «Поверхностные явления» в курсе коллоидной химии занимает центральное место. Связано это с тем, что все коллоидные системы характеризуются высокими значениями удельной межфазовой поверхности, обладающей избытком свободной поверхностной энергии. Этот избыток приводит к тому, что в самопроизвольных процессах коллоидные системы либо уменьшают величину межфазовой поверхности (коагуляция, коалесценция, агломерация, флоккуляция), либо локально изменяют концентрацию одного из компонентов системы (адсорбция), в результате чего снижается избыток свободной энергии системы. Оба эти факта имеют колоссальное значение в практике многих технологических процессов, в том числе при производстве химических волокон и изготовлении тканей, их колорировании и заключительной отделке. Сам по себе процесс формирования химических волокон из расплава или раствора полимера представляет классический пример образования новой дисперсной системы в результате физической или химической конденсации, а создание волокон с высокой сорбционной способностью для удаления вредных примесей, например ионов тяжелых металлов, из водной или другой жидкой среды - это типичный пример адсорбции. В процессе ткачества, при подготовке текстильных материалов к колорированию, при крашении или печатании, в процессах заключительной отделки поверхностные явления на границах волокно-воздух, волокно-технологический раствор, волокно-волокно, волокно-масло играют решающую роль для получения высококачественных текстильных материалов.
В этой связи правильное понимание сущности поверхностных явлений и умение использовать их в своей будущей практической деятельности имеют большое значение для студента.
В основе практически любого технологического процесса в текстильном производстве лежит какое-либо из коллоидно-химических явлений. Наиболее часто они происходят на границе твердое тело-жидкость, когда в качестве твердой фазы выступает волокнообразующий полимерный материал.
Таковы, например:
· смачивание и растекание растворов и дисперсий на поверхности ткани в процессах крашения и заключительных отделок;
· капиллярные явления при пропитке и импрегнировании тканей;
· капиллярная конденсация при адсорбции из паровой фазы на волокнах;
· адгезия, гетерокоагуляция и гетероадагуляция при модификации волокнообразующих полимеров латексами или при крашении тканей дисперсными и кубовыми красителями;
· снижение свободной поверхностной энергии волокон путем замасливания;
· адсорбция молекул красителей или поверхностно-активных веществ (ПАВ) на волокнах в процессах крашения, беления, химической модификации волокон;
· регулирование адгезионных и электроповерхностных свойств волокон;
· стабилизация адсорбционно-сольватными слоями ПАВ дисперсий кубовых и дисперсных красителей, частиц полимеров в латексах и пр.
В текстильном производстве применяются лиозоли (дисперсии красителей, латексы), эмульсии, пены, пасты, лиофильные коллоидные системы (мицеллярные растворы ПАВ, ассоциированные растворы активных красителей) и т.д. В этой связи текстильную промышленность можно считать хорошим «полигоном» для проверки и практического применения теоретических разработок коллоидной химии. В то же время текстильная промышленность должна давать мощный импульс развитию теоретических и прикладных коллоидно-химических исследований как теоретической основы технологических процессов, особенно в таких областях коллоидной науки, как адсорбция из растворов, устойчивость дисперсий и гетерокоагуляция, самоэмульгирование и пенообразование, мицеллообразование в растворах ПАВ и агрегация молекул красителей и т.д.
Раздел «Свойства коллоидных систем» включает рассмотрение процессов диффузии, броуновского движения, осмоса, седиментации, рассеяния света и его поглощения. В этом разделе излагаются также общие принципы методик определения одной из наиболее важных характеристик дисперсных систем – среднего размера частиц. Поскольку частицы в дисперсных системах обычно имеют распределение по размерам, то развитие навыков у студентов по определению параметров этих распределений позволит им правильно понимать, что свойства коллоидных систем являются функцией не только степени раздробленности (дисперсности) измельченной (дисперсной) фазы, но и ее распределения по размерам частиц.
Этот факт проявляется в тех производственных дисперсных системах, которые применяются в производстве и облагораживании текстильных материалов, например, при использовании дисперсных и сернистых красителей или дисперсий пигментов при печатании тканей и окрашивании волокон в массе. В процессе хранения дисперсных систем (например, красок на основе дисперсий пигментов или в колорированной массе волокнообразующего полимера), происходит выделение грубодисперсных фракций или неравномерное распределение частиц в массе полимера, что может изменить оттенок или даже цвет колорированных волокон, так как интенсивность отражения света и его рассеяние зависят от размера частиц. Определение размера частиц или капель эмульсии важно также и для создания эффективного процесса эмульсирования натуральных волокон в процессе их переработки в нити или при авиважной обработке синтетических волокон. Поскольку взаимодействие волокон с частицами (например, полимера в латексах, применяемых для склеивания волокон в нетканых материалах или при аппретировании тканей) зависит от размера частиц, то при рассмотрении теоретических аспектов прилипания частиц к волокнам, коагуляции (агрегирования частиц) и гетерокоагуляции (осаждения частиц на волокнах) умение определять размеры частиц несомненно должно представлять один из важнейших навыков, который выработают студенты, изучившие этот раздел учебника.
Электроповерхностные свойства в ряде случаев играют решающую роль в создании устойчивых дисперсных систем и выработке принципов управления процессами коагуляции и гетерокоагуляции, адсорбции заряженных молекул ПАВ и макромолекул на границе раздела фаз в водной среде. Поэтому рассмотрению электроповерхностных свойств в учебнике уделено большое внимание.
В учебнике рассмотрены также возможности коллоидной химии в решении некоторых экологических проблем.