ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ КОНСТАНТЫ

Число Авогадро N_A 6,0225210²³ моль^1

Число Фарадея F 96487 Кл/моль-экв

Константа Больцмана k 1,380410^23 Дж/К

Универсальная газовая постоянная R 8,314 Дж/мольК =

= 1,98725 кал/мольК =

= 0,082057 латм/мольК

Электрическая постоянная ₀ 8,8541878210¹² Ф/м

ВВЕДЕНИЕ

1. Предмет коллоидной химии, её место среди естественнонаучных

дисциплин и значение для фармации, медицины и биологии
Коллоидная химия - наука, изучающая дисперсные системы и поверхностные явления. К дисперсным системам во многом близки по свойствам растворы высокомолекулярных веществ, поэтому они тоже рассматриваются в курсе коллоидной химии.

В 1861 г. английский химик Т. Грэм, продолжая работы Ф. Сельми (1845), предложил разделить все химические вещества на два класса по их способности образовывать растворы с резко отличающимися свойствами. Растворы веществ одного класса – «кристаллоидов» по терминологии Грэма - стабильны, проходят без изменений через растительные и животные мембраны, при выпаривании дают, как правило, кристаллические осадки, диффузия в них протекает сравнительно быстро, в большинстве случаев они прозрачны (это так называемые истинные растворы). Растворы веществ другого класса чаще всего нестабильны (лабильны), при прохождении сквозь мембраны часто разделяются или изменяют свои свойства, при их выпаривании образуются аморфные осадки, зачастую не поддающиеся повторному растворению, диффузия в таких растворах протекает очень медленно, и в большинстве случаев они обладают мутностью. Этот класс веществ по греческому названию их типичных представителей – растительных камедей и животных клеев Т. Грэм назвал коллоидами (от греч.  - клей), а растворы, ими образуемые – коллоидными растворами. И хотя впоследствии выяснилось, что деление веществ на кристаллоиды и коллоиды неправомерно, так как одни и те же вещества могут в различных условиях образовывать как истинные, так и коллоидные растворы, термин «коллоидные растворы», а также производное от него название науки «коллоидная химия» сохранились. Однако сейчас в эти понятия вкладывается иное содержание, о котором будет сказано ниже.

Большинство окружающих нас реальных тел состоит из мелких частиц - дисперсий, погружённых в какую-либо среду (жидкую, твёрдую или газообразную). К дисперсиям относятся частицы самой разнообразной формы – крупинки, комочки, плёнки, нити, пузырьки воздуха, капли жидкости, капилляры и т. п. Совокупность таких дисперсий вместе со средой, в которой они распределены, образует дисперсную систему. Таким образом, дисперсные системы состоят из непрерывной дисперсионной среды и дисперсной фазы - совокупности всех дисперсий.

Примерами природных дисперсных систем могут быть горные породы, почвы, песок, пыль, дым, облака и туман; растительные и животные ткани, клетки и внутриклеточные образования растений, животных, микроорганизмов, а также и сами микроорганизмы – бактерии и вирусы. Дисперсными системами являются и многие продукты производства, например, строительные материалы, металлические сплавы, бумага, ткани, пищевые продукты и многие лекарственные формы (порошки, эмульсии, суспензии, аэрозоли

и т. д.). Отсюда следует, что процессами технологии лекарств нельзя квалифицированно управлять без знания основных свойств дисперсных систем.

Несмотря на малые размеры дисперсий суммарная площадь поверхности, отделяющей их от дисперсионной среды, очень велика. По этой причине в дисперсных системах особенно заметно проявляются поверхностные явления, в значительной степени определяющие их свойства. К поверхностным явлениям относятся процессы, протекающие на границе, разделяющей соприкасающиеся (сопряжённые) фазы. Так, биохимические процессы в живых организмах происходят на многообразных поверхностях раздела, таких как мембраны, образующие оболочки клеток, ядер, митохондрий и др. Для детального рассмотрения этих процессов в норме и в патологии, а также процессов, идущих с участием лекарственных веществ, необходимо знание теории поверхностных явлений.

У коллоидной химии есть ещё один объект исследования - высокомолекулярные вещества (ВМВ) и их растворы. Дело в том, что макромолекулы ВМВ имеют размеры, соизмеримые с размерами многих малых дисперсий. Поэтому их растворы имеют много общих свойств с дисперсными системами. Необходимость изучения ВМВ обусловлена ещё и тем, что в состав тканей и клеток организма, цитоплазмы, крови и т. п. входят природные высокомолекулярные вещества - белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты. Растворы различных ВМВ применяются в качестве лекарств, поэтому и фармаколог, и провизор должны знать свойства и особенности строения таких систем и владеть методами их исследования.

Имея в качестве объектов исследования в основном реальные объекты во всём многообразии их свойств, коллоидная химия завершает общехимическое образование. При этом есть все основания называть науку о дисперсных системах и поверхностных явлениях физикохимией реальных тел.

2. Признаки объектов коллоидной химии
Для объектов коллоидной химии характерны два общих признака - гетерогенность и дисперсность. Все особые свойства, присущие им, являются следствиями или функциями гетерогенности и дисперсности.

Гетерогенность (многофазность) - признак, указывающий на наличие межфазной поверхности раздела. В отличие от других гетерогенных систем дисперсные системы обладают высокой степенью раздробленности и большим количеством частиц дисперсной фазы.

Дисперсность (раздробленность) определяется размерами частиц дисперсной фазы. Чем меньше линейные размеры частиц фазы, тем больше её дисперсность. Количественно дисперсность может быть выражена такими характеристиками:

1) линейные размеры частиц а. Размерность а в системе СИ - м. В случае изометрической формы частиц – кубической или сферической, под линейными размерами подразумевается диаметр или ребро куба, а в случае нитей, капилляров, плёнок и других неизометрических частиц - это длина наименьшей оси частицы.

2) степень дисперсности D, часто называемая просто дисперсностью. D - это величина, обратная линейным размерам частиц D = 1/a. Размерность D в системе СИ – м^1. D можно представить себе как число частиц, укладывающихся на единице длины, т. е. на 1 м.

3) удельная поверхность S_уд, определяемая отношением межфазной поверхности к объёму или к массе частиц дисперсной фазы. Различают два вида удельной поверхности:

 Удельная поверхность по объёму:

,

где n - число частиц, S - площадь поверхности одной частицы, V - объём одной частицы. Размерность S_{уд V} м²/м³ (или менее правильно м^1).

Во многих случаях дисперсии самопроизвольно принимают форму, близкую к сферической или к кубической. Это связано с тем, что из всех геометрических тел сфера и куб имеют наименьшую площадь поверхности при том же объёме. Поэтому существуют простые формулы для расчёта S_{уд V}:

 для систем со сферическими частицами

,

где r - радиус частицы, d - её диаметр;

 для систем с кубическими частицами

,

где а - длина ребра куба.

 Удельная поверхность по массе:

,

где m - масса одной частицы. Так как m = V, где  - плотность вещества частиц, то можно записать: . Значит,

 для систем со сферическими частицами

;

 для систем с кубическими частицами:

.

Все три характеристики дисперсности связаны между собой: с уменьшением а увеличиваются дисперсность D и удельная поверхность S_уд.

При уменьшении количественной характеристики - размера частиц - с достижением определённой степени дисперсности наступает качественное изменение свойств гетерогенной системы, а именно: из множества физических и химических свойств ведущую роль приобретают поверхностные явления. Начинает проявляться это качественное своеобразие при уменьшении размеров частиц дисперсной фазы до 10^4  10^6 м, а особенно ярко выражается в системах с частицами размером 10^7  10^9 м. Именно такие системы собственно и являются объектами изучения коллоидной химии (коллоидными системами). Поэтому принято говорить о частицах коллоидных размеров и об особом коллоидном состоянии вещества, подчеркивая этим своеобразие систем с чрезвычайно мелкими частицами.
3. Краткий исторический очерк
Основоположником коллоидной химии принято считать Т. Грэма, выполнившего в 60-х г.г. XIX в. первые систематические исследования коллоидных растворов. Впоследствии коллоидная химия вобрала в себя результаты, полученные в других областях физики и химии и в конце XIX – начале XX в.в. сформировалась в самостоятельный раздел химии.

На основе механической теории капиллярности, разработанной в начале XIX в.

Т. Юнгом и П. Лапласом, и термодинамики поверхностных явлений, созданной
Дж. У. Гиббсом в 1870-х г.г., были сформулированы основные направления исследований коллоидной химии: изучение процессов образования новой фазы в гомогенных системах, термодинамической устойчивости коллоидных систем, количественное описание адсорбции на поверхности раздела фаз. Развитые в 1853 г. Г. Гельмгольцем представления о строении двойного электрического слоя позволили дать объяснение электрокинетическим и капиллярным явлениям. Создание Дж. Рэлеем теории рассеяния света способствовало количественному изучению оптических свойств коллоидных систем. Исследование
Ж. Перреном, Т. Сведбергом и Р. Зигмонди броуновского движения на основе теории, созданной в 1905 г. А. Эйнштейном и М. Смолуховским, позволило доказать реальность существования молекул и правильность молекулярно-кинетических представлений. В 1903 г. М. С. Цвет открыл явление хроматографии и разработал хроматографический метод разделения и анализа смесей веществ. На основе предложенной в 1917 г. И. Лэнгмюром кинетической теории адсорбции были разработаны методы исследования состояния молекул поверхностно-активных веществ в мономолекулярных адсорбционных слоях. В 1928 г. П. А. Ребиндер открыл адсорбционное понижение прочности («эффект Ребиндера») и в 1940 – 50-х г.г. на основе развития этого направления и исследований структурообразования в дисперсных системах создал физико-химическую механику. Физическая теория устойчивости коллоидных систем была разработана в 1937 г. Б. В. Дерягиным совместно с Л. Д. Ландау и независимо от них Э. Фервеем и Я. Овербеком («теория ДЛФО»).

Основные направления исследований современной коллоидной химии – термодинамика поверхностных явлений, изучение адсорбции веществ, свойств дисперсных систем, строение двойного электрического слоя, создание и совершенствование коллоидно-химических методов анализа и исследования и др.