11.5 Коллоиды (Colloids)¶

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

описывать состав и свойства коллоидных дисперсий;
перечислять и пояснять некоторые технологические применения коллоидов.

В детстве вы, вероятно, готовили суспензии (suspensions) — например, смеси воды с глиной, с мукой или взвеси твёрдых пигментов в воде (так называемые темперные краски). Такие суспензии — гетерогенные смеси, состоящие из сравнительно крупных частиц, заметных невооружённым глазом (или под лупой). Они мутные, а взвешенные частицы со временем оседают. Раствор же, напротив, — это гомогенная смесь, в которой осаждения не происходит, а растворённые частицы представлены отдельными молекулами или ионами. Растворы ведут себя совершенно иначе, чем суспензии: раствор может быть окрашен, но прозрачен; молекулы и ионы в нём невидимы и не оседают при стоянии. Существует ещё один класс смесей — коллоиды (colloids), или коллоидные дисперсии (colloidal dispersions), — свойства которых занимают промежуточное положение между свойствами суспензий и растворов (рис. 11.29). Частицы в коллоиде больше большинства обычных молекул, но всё же достаточно малы, чтобы не выпадать в осадок.

Рис. 11.29. Сверху — фотографии: (a) солёная вода в аквариуме как пример раствора; (b) молоко как пример коллоида; (c) грязь как пример суспензии. Снизу — схемы частиц соответствующих смесей: мелкие точки для раствора, более крупные шарики для коллоида и совсем большие шарики для суспензии.

Рис. 11.29. (a) Раствор — гомогенная смесь, выглядит прозрачной; пример — солёная вода в этом аквариуме. (b) В коллоиде, таком как молоко, частицы значительно крупнее, но остаются распределёнными по объёму и не оседают. © Суспензия, например взвесь грязи, — гетерогенная смесь взвешенных частиц; выглядит мутной, частицы могут оседать. (credit a photo: modification of work by Adam Wimsatt; credit b photo: modification of work by Melissa Wiese; credit c photo: modification of work by Peter Burgess)

Частицы в коллоиде достаточно велики, чтобы рассеивать свет; это явление называют эффектом Тиндаля (Tyndall effect). Из-за него коллоидные смеси выглядят мутными или непрозрачными — например, лучи прожекторов на рис. 11.30 становятся видны именно благодаря рассеянию света коллоидными частицами в воздухе. Облака — тоже коллоидные смеси: они состоят из капель воды, намного более крупных, чем молекулы, но достаточно малых, чтобы не оседать.

Рис. 11.30. Лучи прожекторов, направленные в ночное небо над зданием с надписью «The Power Plant», видны благодаря рассеянию света коллоидными частицами в воздухе.

Рис. 11.30. Лучи прожекторов становятся видимыми, когда свет рассеивается частицами коллоидного размера в воздухе (туман, дым и пр.). (credit: «Bahman»/Wikimedia Commons)

Сам термин «коллоид» — от греческих слов kolla («клей») и eidos («подобный») — впервые употребил в 1861 г. Томас Грэм (Thomas Graham) для классификации смесей вроде крахмального клейстера и желатинового студня. Многие коллоидные частицы — это агрегаты из сотен или тысяч молекул; другие же (например, белки и молекулы полимеров) представляют собой одну, но чрезвычайно крупную молекулу. Молекулярная масса белков и синтетических полимеров, образующих коллоиды, может составлять от нескольких тысяч до многих миллионов атомных единиц массы.

По аналогии с тем, как компоненты раствора называют «растворённым веществом» и «растворителем», компоненты коллоида также делят по их относительному количеству. Тонкоизмельчённую составляющую, обычно присутствующую в меньшем количестве, называют дисперсной фазой (dispersed phase), а вещество или раствор, в объёме которого она распределена, — дисперсионной средой (dispersion medium). В коллоидах могут сочетаться практически любые агрегатные состояния (газ в жидкости, жидкость в твёрдом теле, твёрдое тело в газе и так далее) — это иллюстрируют примеры коллоидных систем в таблице 11.4.

Таблица 11.4. Примеры коллоидных систем

Дисперсная фаза	Дисперсионная среда	Распространённые примеры	Название
твёрдое тело	газ	дым, пыль	—
твёрдое тело	жидкость	крахмал в воде, некоторые чернила, краски, магнезиальное молоко	золь (sol)
твёрдое тело	твёрдое тело	некоторые цветные самоцветы, некоторые сплавы	—
жидкость	газ	облака, туманы, дымки, аэрозольные распыления	аэрозоль (aerosol)
жидкость	жидкость	молоко, майонез, сливочное масло	эмульсия (emulsion)
жидкость	твёрдое тело	желе, гели, жемчуг, опал ($\ce{H2O}$ в $\ce{SiO2}$)	гель (gel)
газ	жидкость	пены, взбитые сливки, взбитые яичные белки	пена (foam)
газ	твёрдое тело	пемза, плавающие мыла	—

Получение коллоидных систем¶

Коллоиды получают, формируя частицы коллоидного размера и распределяя их в дисперсионной среде. Частицы коллоидного размера получают двумя способами:

Диспергационные методы (dispersion methods): измельчение более крупных частиц. Например, пигменты для красок получают, диспергируя крупные частицы тонким помолом в специальных мельницах.
Конденсационные методы (condensation methods): рост из более мелких единиц — молекул или ионов. Например, облака образуются, когда молекулы воды конденсируются в очень мелкие капли.

Некоторые твёрдые вещества при контакте с водой самопроизвольно образуют коллоидные системы. Так ведут себя желатин, клей, крахмал и сухое молоко: их частицы уже имеют коллоидные размеры, а вода просто их распределяет. Частицы коллоидного размера в сухом молоке образуются при высушивании молочного аэрозоля. Некоторые пульверизаторы дают коллоидные дисперсии жидкости в воздухе.

Эмульсию (emulsion) можно получить взбалтыванием или интенсивным перемешиванием двух несмешивающихся жидкостей. При этом одна из жидкостей дробится на капли коллоидного размера, которые распределяются в объёме другой жидкости. Разливы нефти в океане трудно ликвидировать, в частности, потому, что волнение моря заставляет нефть и воду образовывать эмульсию. Однако в большинстве эмульсий дисперсная фаза имеет тенденцию сливаться, образуя более крупные капли и разделяя слои. Поэтому эмульсии обычно стабилизируют эмульгатором (emulsifying agent) — веществом, препятствующим слиянию капель дисперсной жидкости. Например, небольшое количество мыла стабилизирует эмульсию керосина в воде. Молоко — эмульсия молочного жира в воде, в которой роль эмульгатора играет белок казеин; майонез — эмульсия растительного масла в уксусе, где эмульгаторами выступают компоненты яичного желтка.

Конденсационные методы формируют коллоидные частицы за счёт агрегации молекул или ионов. Если частицы вырастают за пределы коллоидного диапазона размеров, образуются капли или осадок, и коллоидная система не возникает. Облака формируются, когда молекулы воды объединяются в частицы коллоидного размера. Если же эти частицы сливаются в достаточно крупные капли жидкой воды или кристаллы льда, они выпадают с неба в виде дождя, снежной крупы или снега. Многие конденсационные методы основаны на химических реакциях. Красную коллоидную взвесь гидроксида железа(III) можно получить, смешивая концентрированный раствор хлорида железа(III) с горячей водой:

\[ \ce{Fe^3+(aq) + 3Cl-(aq) + 6H2O(l) -> Fe(OH)3(s) + H3O+(aq) + 3Cl-(aq)} \quad \text{[sic]} \]

Примечание переводчика

Уравнение приведено в точности так, как в оригинале OpenStax (с. 569 учебника, см. также скан pages/page-0583.png), и в этом виде несбалансировано по водороду и кислороду: слева $6\ \ce{H}$ и $6\ \ce{O}$, справа $3 + 3 = 6\ \ce{O}$, но всего $3 + 3 = 6\ \ce{H}$ — на самом деле $\ce{H3O+}$ должно иметь коэффициент $3$ (то есть $\ce{3H3O+}$). Это известная опечатка авторов OpenStax; правило перевода (CLAUDE.md §6) запрещает «исправлять» оригинал без явного указания.

Коллоидный золь золота образуется при восстановлении сильно разбавленного раствора хлорида золота(III) восстановителем — например, формальдегидом, хлоридом олова(II) или сульфатом железа(II):

\[ \ce{Au^3+ + 3e- -> Au} \]

Некоторые золи золота, приготовленные ещё в 1857 г., целы до сих пор (частицы не слиплись и не осели) — это иллюстрирует долговременную устойчивость многих коллоидов.

Мыла и моющие средства¶

В прежние времена мыло варили, кипятя жиры в концентрированной щёлочи — растворе, который получали выщелачиванием карбоната калия $\ce{K2CO3}$ из древесной золы горячей водой. Животные жиры содержат полиэфиры жирных кислот (длинноцепочечных карбоновых кислот). При обработке животных жиров основанием — карбонатом калия или гидроксидом натрия — образуются глицерин и соли жирных кислот, таких как пальмитиновая, олеиновая и стеариновая. Соли жирных кислот называют мылами (soaps). Натриевая соль стеариновой кислоты — стеарат натрия — имеет формулу $\ce{C17H35CO2Na}$ и содержит незаряженную неполярную углеводородную цепь (фрагмент $\ce{C17H35-}$) и ионную карбоксилатную группу ($\ce{-CO2-}$) (рис. 11.31).

Рис. 11.31. Структурная формула стеарата натрия: длинная зигзагообразная углеводородная цепь, обозначенная синим, заканчивается красной группой CO2−Na+.

Рис. 11.31. Мыла содержат неполярный углеводородный конец (синий) и ионный конец (красный). Ионный конец представляет собой карбоксилатную группу. Длина углеводородной части может различаться от мыла к мылу.

Моющие средства (detergents) — заменители мыла — также содержат неполярные углеводородные цепи (например, $\ce{C12H25-}$) и ионную группу — сульфатную ($\ce{-OSO3-}$) или сульфонатную ($\ce{-SO3-}$) (рис. 11.32). Мыла образуют в жёсткой воде нерастворимые соединения кальция и магния; моющие же средства дают растворимые в воде продукты — это явное преимущество моющих средств.

Рис. 11.32. Структурная формула лаурилсульфата натрия: углеводородная цепь, обозначенная синим, заканчивается красной сульфатной группой OSO3−Na+.

Рис. 11.32. Моющие средства содержат неполярный углеводородный конец (синий) и ионный конец (красный). Ионный конец может быть как сульфатным, так и сульфонатным. Длина углеводородной части может различаться от средства к средству.

Очищающее действие мыл и моющих средств объясняется строением их молекул. Углеводородный (неполярный) конец молекулы мыла или моющего средства растворяется в неполярных веществах — таких, как масло, жир, частички грязи, — или притягивается к ним. Ионный же конец притягивается к воде (полярному веществу); это показано на рис. 11.33. В результате молекулы мыла или моющего средства ориентируются на границе раздела между частицами грязи и водой, образуя своего рода мост между двумя типами вещества — неполярным и полярным. Такие молекулы называют амфифильными (amphiphilic), поскольку у них есть и гидрофобная («боящаяся воды», hydrophobic) часть, и гидрофильная («любящая воду», hydrophilic). Благодаря этому частицы грязи переводятся в коллоидное состояние и легко смываются.

Рис. 11.33. Схематический поперечный разрез капли эмульгированного масла в воде: жёлтый шар капли окружён длинными хвостами молекул мыла, направленными внутрь, и красными ионными головками снаружи; вокруг — сольватированные катионы и молекулы воды.

Рис. 11.33. Этот схематический поперечный разрез эмульгированной капли масла в воде показывает, как мыло или моющее средство действует в качестве эмульгатора.

Химия в повседневной жизни. Разлив нефти на платформе Deepwater Horizon

Авария 20 апреля 2010 г. на нефтедобывающей платформе Deepwater Horizon в Мексиканском заливе у побережья штата Миссисипи положила начало крупнейшему в истории нефтяной промышленности морскому разливу нефти. За 87 дней после взрыва из разорванной скважины, находившейся на глубине 5000 футов под водой, вытекло, по оценкам, 4,9 миллиона баррелей (210 миллионов галлонов) нефти. Скважину окончательно объявили заглушенной 19 сентября 2010 г.

Сырая нефть не смешивается с водой и менее плотна, чем она, поэтому разлившаяся нефть поднялась на поверхность. Для удаления нефти с поверхности воды и защиты пляжей и приморских болот вдоль побережья Мексиканского залива применяли плавучие боновые заграждения, нефтесборные суда и контролируемое сжигание. Помимо удаления нефти, делались попытки уменьшить её экологический ущерб, переведя нефть в «растворимое» (в широком смысле слова) состояние, чтобы её можно было разбавить огромным объёмом океанской воды до, как надеялись, менее вредных концентраций. Для этого было применено 1,84 миллиона галлонов нефтяного диспергатора Corexit 9527, большую часть которого впрыскивали под воду непосредственно у места утечки; небольшие объёмы распыляли над поверхностью пятна. Corexit 9527 содержит 2-бутоксиэтанол ($\ce{C6H14O2}$) — амфифильную молекулу, полярный и неполярный концы которой полезны для эмульгирования нефти в мелкие капельки: это увеличивает поверхность раздела и облегчает её разложение морскими бактериями (рис. 11.34). Такой подход позволил избежать многих непосредственных опасностей, которые крупные нефтяные массы представляют для морских и прибрежных экосистем, но создал возможность долгосрочных последствий из-за попадания сложных и потенциально токсичных компонентов нефти в океаническую пищевую цепь. За долговременным воздействием этого разлива наблюдают несколько организаций, в том числе Национальное управление океанических и атмосферных исследований США (подробнее — на веб-сайте).

Рис. 11.34. (a) Спутниковый снимок NASA, на котором видно нефтяное пятно от разлива Deepwater Horizon. (b) Самолёт ВВС США распыляет диспергатор Corexit над поверхностью моря. (c) Шаростержневая модель молекулы 2-бутоксиэтанола.

Рис. 11.34. (a) Спутниковый снимок NASA показывает нефтяное пятно от разлива Deepwater Horizon. (b) Самолёт ВВС США распыляет Corexit — диспергатор. © Молекулярная структура 2-бутоксиэтанола. (credit a: modification of work by «NASA, FT2, demis.nl»/Wikimedia Commons; credit b: modification of work by «NASA/MODIS Rapid Response Team»/Wikimedia Commons)

Электрические свойства коллоидных частиц¶

Распределённые в среде коллоидные частицы часто несут электрический заряд. Так, коллоидная частица гидроксида железа(III) содержит недостаточно гидроксид-ионов для того, чтобы полностью скомпенсировать положительные заряды ионов железа(III). В результате каждая отдельная коллоидная частица несёт положительный заряд, а сама коллоидная дисперсия состоит из заряженных коллоидных частиц и некоторого количества свободных гидроксид-ионов, обеспечивающих электронейтральность системы в целом. Большинство гидроксидов металлов в коллоидном состоянии заряжены положительно, тогда как большинство металлов и сульфидов металлов образуют отрицательно заряженные дисперсии. Все коллоидные частицы в одной системе несут заряды одного знака. Это помогает удерживать их в распределённом состоянии: одноимённо заряженные частицы взаимно отталкиваются.

Заряженность коллоидных частиц можно использовать для их удаления из разнообразных смесей. Например, частицы дыма часто распределены в воздухе именно как коллоид и несут электрический заряд. Американский химик Фредерик Коттрелл (Frederick Cottrell) разработал способ их улавливания. Заряженные частицы притягиваются к сильно заряженным электродам, на которых разряжаются и осаждаются в виде пыли (рис. 11.36). Это один из важных методов очистки дыма от различных промышленных процессов. Он также важен при извлечении ценных продуктов из дыма и пылевидных уносов плавильных печей, обжиговых печей и шахтных печей. Аналогичные электростатические воздухоочистители выпускают и для бытового использования — для улучшения качества воздуха в помещении.

Портрет химика. Фредерик Гарднер Коттрелл

Рис. 11.35. (a) Чёрно-белый портрет Фредерика Коттрелла. (b) Бытовой электростатический воздухоочиститель — устройство для удаления коллоидных частиц из воздуха с целью борьбы с его загрязнением.

Рис. 11.35. (a) Фредерик Коттрелл разработал (b) электростатический осадитель — устройство, предназначенное для борьбы с загрязнением воздуха путём удаления из него коллоидных частиц. (credit b: modification of work by «SpLot»/Wikimedia Commons)

Фредерик Коттрелл родился в Окленде (штат Калифорния) в 1877 г. и проглатывал учебники как романы: школу он окончил в 16 лет. Затем поступил в Калифорнийский университет в Беркли (UC Berkeley) и за три года получил степень бакалавра. Откладывая часть жалованья из своих $1200 годового оклада учителя химии в Оклендской средней школе, он на эти средства учился химии в Берлине у нобелевского лауреата Якоба Хендрика Вант-Гоффа (Jacobus Henricus van’t Hoff), а в Лейпциге — у другого нобелевского лауреата Вильгельма Оствальда (Wilhelm Ostwald). Получив степень PhD по физической химии, он вернулся в США преподавать в Калифорнийском университете в Беркли. Он также консультировал компанию DuPont, где разработал электростатический осадитель — устройство, предназначенное для борьбы с загрязнением воздуха путём удаления из него коллоидных частиц. Доходы от изобретения Коттрелл направил на создание некоммерческой исследовательской корпорации, финансирующей научные исследования.

Рис. 11.36. Схема осадителя Коттрелла: вертикальный цилиндрический корпус, через который проходит ток коптящего дыма; внутри расположены центральный точечный электрод и заземлённые пластинчатые электроды; снизу частицы сажи выпадают как пыль, наверху уходит очищенный газ.

Рис. 11.36. В осадителе Коттрелла положительно и отрицательно заряженные частицы притягиваются к сильно заряженным электродам, где разряжаются и оседают в виде пыли.

Гели¶

Желатиновые десерты, например Jell-O, — это разновидность коллоидов (рис. 11.37). Желатин при охлаждении застывает, поскольку горячая водная смесь желатина коагулирует, превращаясь в чрезвычайно вязкое тело — гель (gel). Гель — это коллоидная дисперсия жидкой фазы в твёрдой. По-видимому, волокна дисперсионной среды образуют сложную трёхмерную сеть, а её ячейки заполнены жидкой средой или разбавленным раствором вещества дисперсионной среды.

Рис. 11.37. Сверху — шаростержневая модель длинной белковой молекулы желатина с боковыми группами; снизу — фотография разноцветных кубиков желейного десерта (красные, синие, оранжевые) в чаше.

Рис. 11.37. Желатиновые десерты — коллоиды, в которых водный раствор подсластителей и ароматизаторов распределён в среде из твёрдых белков. (credit photo: modification of work by Steven Depolo)

Пектин — углеводород, содержащийся в фруктовых соках, — это студнеобразующее вещество, важное при изготовлении желе. Силикагель, коллоидная дисперсия гидратированного диоксида кремния, образуется при добавлении разбавленной соляной кислоты к разбавленному раствору силиката натрия. «Сухое горючее» (Canned Heat) — горючий гель, получаемый смешиванием спирта и насыщенного водного раствора ацетата кальция.