Колонии молекул | ТМ 1938-07

Г. НАТ, Рисунки А. КАТКОВСКОГО

С коллоидами и коллоидными явлениями мы встречаемся всюду — в технике, в быту, в природе. Эта статья напечатана на коллоиде (бумаге) — коллоидом (краской). Коллоиды мы употребляем в пищу, так как и хлеб, и мясо, и овощи являются коллоидами. Из коллоидов состоит наша одежда, жилище и мы сами. Туман, облака, пыль, микроорганизмы, почва — все это коллоиды.

Коллоидными процессами пользуются в целом ряде отраслей промышленности — пищевой, текстильной, кожевенной и др.

Что такое коллоиды и коллоидные явления, и чем объясняется их столь широкое распространение?

Во всех перечисленных случаях мы встречаемся с особым — коллоидным — состоянием вещества.

Коллоидом называют вещество в том случае, когда молекулы его объединены в более крупные единицы — коллоидные частицы, которые равномерно распределены в какой-либо среде, состоящей из другого вещества.

Чтобы понять это, познакомимся предварительно со свойствами некоторых веществ и посмотрим, как изменяются эти свойства в зависимости от состояния вещества.

Известно, что зажечь кусок железа можно только в чистом кислороде, да и то с трудом. В то же время мелко раздробленное, так называемое «пирофорное» железо не только горит, но даже само воспламеняется при соприкосновении с воздухом.

Никто не уподобит пшеничное зерно пороху, а между тем мелкая мучная пыль взрывоопасна и часто является причиной пожаров на мельницах.

Подобных примеров можно привести очень много. Они показывают нам, что свойства вещества изменяются в зависимости от степени его размельчения.

Чем же объясняется изменение свойств вещества при его раздроблении? — Особыми свойствами поверхности тела. Молекулы внутри тела находятся в иных условиях, чем молекулы на его поверхности. Внутренние молекулы со всех сторон испытывают притяжение других молекул; молекулы же на поверхности испытывают притяжение только внутрь, а извне это притяжение ничем не уравновешивается. Поэтому жидкость как бы окружена пленкой, стремящейся стянуть ее. Нечто подобное происходит на поверхности и твердого тела.

Таким образом, всякое тело окружено поверхностной пленкой, стягивающей и как бы защищающей его от внешних воздействий. При всяком химическом процессе в нем участвуют прежде всего поверхностные молекулы. Следовательно, чем больше поверхность тела, тем большее количество молекул будет участвовать в химическом процессе, тем быстрей и интенсивней будет протекать процесс.

Поверхность тела увеличивается при раздроблении во много раз. Так, если мы возьмем кубик какого-либо вещества со стороной в 1 см, то общая поверхность его будет равна 6 см². Если 1 см³ того же тела составить из восьми кубиков, каждая сторона которых равна 0,5 см, то общая их поверхность увеличится до 12 см². Если же кубик такого же объема составить из маленьких кубиков, величиной в 1 кубический микрон (1 микрон = 0,001 мм), то общая поверхность тела достигнет 60 тыс. см². При дальнейшем размельчении кубика до частиц размером в 1 миллимикрон (1 миллимикрон = 0,001 микрона) общая поверхность его возрастет до 60 млн. см². Вот здесь-то и начинают проявляться свойства поверхности тела, и поверхностные явления начинают преобладать перед всеми другими.

Однако дробление нельзя производить беспредельно. При дальнейшем размельчении вещества уже теряют свой поверхностные свойства.

Поверхностные свойства проявляются с наибольшей силой лишь при определенной степени раздробленности вещества. Так, например, перекись водорода, налитая в платиновую чашку, практически не разлагается, а мелко раздробленная платина — так называемая «платиновая чернь» — бурно разлагает перекись водорода; однако дальнейшее раздробление платины приводит к тому, что разлагающее действие ее снова прекращается.

Если воспользоваться порошком угля как шлифующим средством, то можно убедиться в том, что крупинки определенной величины обладают наибольшей царапающей силой, т. е. наибольшей твердостью. Крупинки как больших, так и меньших размеров обладают уже меньшей твердостью.

Величина частиц, при которой в наибольшей степени проявляются поверхностные свойства, колеблется от 1 до 100 миллимикронов. Частицы такой величины называются коллоидными частицами.

*

Всякое вещество может стать коллоидом. Для этого необходимо, чтобы его молекулы объединились в группы-колонии, размером от 1 до 100 миллимикронов. Количество жителей — молекул — в таких колониях достигает десятков тысяч.

На этом рисунке дана классификация материальных систем от самой малой единицы — электрона — до звездных миров — галактик. Коллоиды занимают в этой системе среднее положение, их диаметр исчисляется стотысячными долями сантиметра.

Но объединения молекул в коллоидные частицы еще недостаточно для создания коллоида. Чтобы получить коллоид, необходимо поместить эти частицы в какую-либо среду, состоящую из другого вещества. Так, например, коллоидные частицы угля, распределенные в воде, создадут коллоид — тушь.

Однако не следует думать, что коллоиды — это обязательно жидкости. Всякая среда — и твердая, и жидкая, и газообразная — может содержать в себе коллоидные частицы другого вещества и, следовательно, создать коллоидную систему. Только газы не могут образовывать коллоидных частиц, так как, они состоят из отдельных, не связанных между собою молекул.

Здесь показаны все возможные коллоидные системы. Из рисунка видно, что коллоидные системы могут быть в твердой, жидкой и газообразной среде. Коллоидные же частички могут быть и твердыми и жидкими. Могут также существовать такие системы, в которых мельчайшие пузырьки газа стянуты жидкой или твердой пленкой (пена, пемза); такие системы причисляют к коллоидам. Газообразные вещества в газовой среде коллоидных систем дать не могут.

Коллоидные частицы несут на себе электрический заряд. Это объясняется тем, что их поверхность интенсивно поглощает ионы, всегда имеющиеся в окружающей среде. При этом коллоидные частицы одного и того же вещества заряжены одноименно, а среда всегда имеет противоположный заряд. Благодаря одноименности зарядов коллоидные частицы не могут приблизиться друг к другу настолько близко, чтобы слиться в более крупные.

Так как коллоидные частицы могут быть и твердыми, и жидкими, а среда может быть и твердой, и жидкой, и газообразной, то все коллоидные системы могут быть разбиты на шесть основных групп:

1) твердые частицы в жидкой среде, 2) жидкие частицы в жидкой среде, 3) твердые частицы в газообразной среде, 4) жидкие частицы в газообразной среде, 5) твердые частицы в твердой среде, 6) жидкие частицы в твердой среде.

Самыми распространенными коллоидными системами являются такие, в которых либо твердые, либо жидкие коллоидные частицы распределены в жидкости. Такие системы называются коллоидными растворами. Однако коллоидные растворы коренным образом отличаются от истинных, молекулярно-ионных растворов.

В истинных растворах вещество, растворяясь, распадается на молекулы или на ионы — группы атомов, заряженные электричеством. Такой раствор совершенно однороден и представляет собой вполне устойчивую систему. Он может существовать достаточно долго, не разрушаясь. В коллоидных же растворах между молекулами растворителя распределены коллоидные частицы; но удельный вес коллоидной частицы отличается от удельного веса растворителя, поэтому коллоидная частица стремится выделиться из растворителя. Таким образом, одной из отличительных особенностей коллоидных растворов является их непрочность.

Отличить коллоидные растворы от истинных можно, пропустив через них луч света. При этом в истинных растворах след от луча не будет виден. В коллоидных же растворах коллоидные частицы будут отражать свет луча, рассеивать его, вследствие чего путь луча в коллоидном растворе становится ясно видимым. Подобное явление мы наблюдаем, когда смотрим сбоку на луч света, попавший через щель в затемненную комнату. Точно так же в туман и в сырую погоду мы ясно видим след луча. Это явление было впервые изучено Тиндалем и называется конусом Тиндаля. Наблюдая конус Тиндаля в специальный микроскоп, можно увидеть быстро и беспорядочно движущиеся яркие точки. Точки эти и есть коллоидные частицы. Оказалось, что движение их вызвано ударами молекул растворителя. Это открытие сыграло большую роль в науке, так как наглядно доказало реальное существование молекул.

След коллоидной частицы, видимый в ультрамикроскоп; движение частицы объясняется ударами о нее молекул растворителя.

Другим интересным и важным свойством коллоидных растворов является неспособность коллоидных частиц проникать через животные перепонки. Обычно эти перепонки пронизаны очень малыми порами (5—20 миллимикронов). Через них свободно проникают молекулы и ионы. Поэтому животными перепонками пользуются для очистки коллоидных растворов и отделения от них истинных растворов, которые состоят из молекул и ионов.

Чтобы реально представить себе величину коллоидной частицы, посмотрите на эти рисунки. На первом из них показаны увеличенные а 20 раз человеческий волос, частица пылевидного топлива и бактерия сибирской язвы. Каждый последующий рисунок показан с десятикратным увеличением против предыдущего. На последнем рисунке показаны: молекула гемоглобина и частица коллоидного золота, увеличенные в 20 тыс. раз.

Коллоидные растворы обычно непрочны. Частицы все время стремятся выпасть из раствора. Выпадение это происходит от самых разнообразных причин. Так, например, если белок куриного яйца размешать в воде, получится коллоидный раствор. Если затем этот раствор нагреть, белок свернется и хлопьями осядет на дно. То же произойдет и при нагревании кислого молока.

Под действием ультрафиолетовых лучей и лучей радия также происходит выпадение частиц из коллоидных растворов. Особенно сильно действует прибавка к коллоидному раствору посторонних веществ. Если тушь развести водой из водопровода, которая обычно содержит соли, тушь свертывается и садится на дно. Этим же объясняется выпадение ила в устьях рек: здесь вода реки смешивается с морской водой, соли которой вызывают выпадение ила.

Некоторые коллоидные частицы обладают способностью обволакиваться слоем воды. Это делает коллоидный раствор более устойчивым. Выпадение частиц из такого раствора заключается в том, что совершенно жидкий раствор застывает и превращается в студень — гель. Такие студни состоят иногда на 99% из воды и обладают способностью сохранять свою форму. Всем известная медуза представляет собой такой гель, и тело ее состоит на 99% из воды. Человеческий организм в зародышевом состоянии содержит 95% воды, организм новорожденного — 70—75% воды, организм взрослого человека — 59— 60% воды. К старости содержание воды уменьшается, старческие морщины — это результат усыхания коллоидов.

Медуза на 99% состоит из воды.

Но даже совершенно сухие на вид гели содержат в себе влагу. Некоторые гели снова могут быть переведены в раствор при непосредственном соприкосновении с водой, например гуммиарабик. Другие впитывают в себя воду, но переходят в раствор только при подогревании. Впитывая в себя влагу, гель сильно разбухает, и, если препятствовать увеличению его объема, он развивает громадные давления. Этим свойством геля пользовались египтяне, загоняя в горные расщелины деревянные клинья и поливая их водой. Клинья разбухали и откалывали камни.

Известен случай, когда корабль, груженный горохом, сел на мель и получил пробоину. Вода просочилась в трюм и подмочила горох. Горох разбух и разорвал судно.

Однажды груженный горохом пароход сел на мель и полупил пробоину. Горох подмок, набух и разорвал пароход.

Это же давление набухания помогает молодому ростку прорвать оболочку зерна. Явлением набухания почвы объясняется вспучивание дорог весной. Опухоль от укуса комара и ряд других болезней объясняется набуханием коллоидов. Это позволяет применять особый метод лечения: вводить в организм те или иные соли и таким образом бороться с различного рода опухолями.

До сих пор мы говорили о коллоидной системе, при которой твердое тело распределено в жидкости. Но возможно распределение и жидкого тела в жидкости. Эта коллоидная система называется эмульсией. Эмульсии часто встречаются в природе и применяются в технике. Молоко является эмульсией жира в воде, сливочное масло — эмульсией воды в жире. Эмульсия, как и всякая коллоидная система, обладает большой поверхностью. Поэтому, например, сливочное масло усваивается организмом гораздо лучше сала и топленого масла, которые не являются коллоидами.

Особый интерес представляет группа коллоидов, у которых коллоидные частицы распределены в газах. Это так называемые аэрозоли.

В аэрозолях так же, как и в коллоидных растворах, можно наблюдать явление Тиндаля, движение коллоидных частиц, их осаждение.

Явление Тиндаля в воздухе. В ясную погоду след луча от прожектора незаметен. В туманном или пыльном воздухе коллоидные частицы пыли, отражая счет луча, становятся видимыми на всем пути луча от прожектора до освещаемого им предмета.

Наша атмосфера представляет собой огромную массу аэрозоля. В ней содержится не только пыль с земли, но и космическая пыль, приносимая из мирового пространства, — продукт распыления метеоритов. Дым и туман — это тоже аэрозоли.

Распределение твердых коллоидных частиц в твердой среде создает другую группу коллоидных систем. Рубиновое стекло, из которого сделаны кремлевские звезды, представляет собой коллоид. Здесь твердые коллоидные частицы золота распределены в твердой среде — стекле.

*

Разнообразные и замечательные свойства коллоидов широко используются в различных отраслях современной науки и техники.

Прежде всего необходимо отметить, что большинство процессов, происходящих в растительных и животных организмах, относится к коллоидным явлениям. В тех случаях, когда нам надо растворить в какой-либо жидкости заведомо нерастворимое в ней вещество, прибегают к помощи коллоидов. Какао нерастворимо в воде, но, размолотое до коллоидных размеров, оно легко растворяется в воде и молоке и легко усваивается организмом.

Мы все знаем, что резина нерастворима в воде. Однако в некоторых случаях бывает необходимо растворить резину в воде. Это можно сделать, переведя резину в коллоидное состояние. Коллоидный раствор резины можно разлагать, пропуская через него электрический ток. При этом на одном из электродов выделяется резина. Этим явлением пользуются для покрытия резиной металлических цистерн и баков, в которых перевозятся и хранятся кислоты и щелочи.

Бактерии, как и все живые организмы, состоят из коллоидов. Есть бактерии, по размерам соответствующие коллоидным частицам. Как и все коллоиды, они несут на себе электрические заряды и передвигаются в электрическом поле. Имеются как положительно, так и отрицательно заряженные бактерии. Это открывает широкие перспективы перед наукой в ее борьбе с различными болезнями.

Если к порошку угля, взболтанному в воде, прибавить немного бензола и снова взболтать, то крупинки угля поглотят на своей поверхности бензол и всплывут на поверхность. Глина же поглощает воду и падает на дно. Таким образом мы можем отделить уголь от пустой породы и, как говорят, «обогатить» его. Таким же путем можно обогащать руды различных металлов. Этот процесс носит название флотации и в настоящее время широко применяется в промышленности;

Жидкое топливо, которое идет в топки котлов, предварительно разбрызгивается в воздухе, т. е. превращается в аэрозоль. То же относится и к пылевидному топливу. Такой аэрозоль, как и всякая коллоидная система, обладает сильно развитой поверхностью и поэтому дает лучшее сгорание.

Стойкие густые дымы, которые также являются коллоидами, используются на войне для целей укрытия и маскировки.

Зимой за 3 часа — 6—9 ч. утра — Лондон выпускает в воздух до 200 т угля в виде дыма. Дым — это коллоид, называемый аэрозолем.

Выпаривать некоторые вещества очень трудно. Возьмем, например, молоко. Если выпаривать обыкновенное молоко, то получаемый сухой осадок не сможет раствориться в воде. Если же взбрызгивать распыленное молоко в горячую камеру, то получится очень мелкий осадок, и его можно затем легко растворить в воде, т. е. он дает снова молоко. Таким путем получаются многие сухие концентрированные продукты.

Мелкая пыль — это коллоидные частицы. Они несут на себе электрические заряды и обладают способностью двигаться в электрическом поле. Следовательно, можно управлять их движением, что позволяет очищать воздух от пыли.

При помощи аппарата Коттреля, в котором создается электрическое поле напряжением в 100 тыс. вольт, заводы Монтана в Америке улавливают ежегодно из дыма 18 т золота, 2 т серебра, 1800 т свинца. Аппараты Коттреля применяются и в Советском Союзе.

*

Итак, мы убедились в широком распространении коллоидных явлений.

Коллоидная химия стала необходимым орудием исследований и у техников, и у биологов. Дальнейшее развитие коллоидной химии даст нам возможность объяснить многие, до сих пор еще непонятные явления и процессы. А от понимания процессов к управлению ими — один шаг.