Коллоидтар

Коллоидтар дегеніміз — заттардың майда тозаң (дисперсия) түріндегі ерітіндісі. Заттардың майдалану дәрежесі, яғни дис- персиялығы неғ􀀅рлым жоғары болса (􀀅 с а 􀀃 т а л а берсе), олардың 􀀃асиетттері химиялы􀀃 әсерге соғ􀀅рлым жа􀀃ындай түседі. Акы- рында ол тозаңдардың ірілігі молекулалы􀀃 немесе атомды􀀃 (ионды􀀃 ) дәрежеге жететін болса, ондай система химиялы􀀃 реакция береді. Ал дисперсия дәрежесі неғүрлым ірі кесекті бол- са, оның 􀀃асиеттері физикалы􀀃-механикалы􀀃 􀀃үбылыстарға жа􀀃ындай береді. Сонымен, химиялы􀀃 (молекулады􀀃 ) ерітінділер мен механи- калы􀀃 ірі кесекті аралас 􀀃оспалардың арасында, екеуіне де ор- так, өзгеше ерітінді түрі — к о л л о и д системасы болады. Коллоид деген сөз грекше — колла, яғни желім, кілегей деген сөзден алынған. Сонымен, коллоид деген — кілегей зат де- ген сөз. Минералдар 􀀃үрылысында коллоид заттар да едәуір зор орын алады. Әсіресе жердің ең үстіңгі 􀀃абаттарында, топыра􀀃 􀀃ыртыстарында коллоид заттар өте көп кездеседі. Сонды􀀃 т а н коллоидтардың өзгешеліктеріне то􀀃талайы􀀃 . Коллоид системасы екі бөлімнен т􀀅рады: бірі — еріген тозаң. яғни д и с п е р с и я фазасы, екіншісі — ерітуші (яғни дис- персия тозаңды таратушы, 􀀃оршаушы зат), оны дисперсиялы􀀃 тө􀀃ірек дейді. Дисперсиялы􀀃 фаза да, дисперсиялы􀀃 төңірек те 􀀃атты, с􀀅йы􀀃 және газ түрінде бола береді. Бөлшектерінід (дисперсия фазаларының) ірілігіне 􀀃 а р а й дисперсия системаларын үш түрге бөледі. 1) І р і д и с п е р с и я с и с т е м а с ы . Мүныд бөлшектерінің ірілігі (диаметрі) 100 миллимикроннан жоғары. Ондай бөлшек- терді жай микроскоптармен көруге болады. Олар көбіне біраз т 􀀅рған соң т􀀅нып 􀀃алады. 2) К о л л о и д дисперсия системасы. Мүның бөл- шектерінің ірілігі 1 миллимикроннан 100 миллимикронға дейін 10* 147 (яғни 10~6 мм-ден 10~4 мм-ге дейін) барады. М􀀅ндай бөлшек- терді тек ультрамикроскоп ар􀀃ылы ғана көруге болады. Көпте- ген коллоид ерітінділер (суспензиялар) және аралас􀀃 а н с􀀅йы􀀃- тардан туратын ерітінділер (эмульсия) осыған жатады. 3) М о л е к у л а л ы 􀀃 дисперсия сис т ема сы. Б􀀅 л — бөлшектері 1 миллимикроннан да кішкентай, яғни молекулалы􀀃 өлшемдерге жеткен дисперсия системасы. Б􀀅ларды микроскоп- пен көріп болмайды, өздері мөлдір болады. Біздің б􀀅л арада талдайтынымыз — коллоид дисперсия сис- темасы. 􀀂оллоид ерітінділердің табиғатта көп кездесетін түрі — орга- никалы􀀃 заттар, олар: сүт, 􀀃ан, түтін, т􀀅ман т. б. (сия да соған жатады). Минералдар арасында коллоид ерітінді түрінде көп кездесе- тіндері — әр түрлі сулы кремний тоты􀀃тары (Si02 • п Н2 0 — а 􀀃ы􀀃тар, сутастар); алюминийдің сулы тоты􀀃тары (А12 03 • • п Н 2 0 — саздар, жосалар); темірдің сулы тоты􀀃тары (Ғе2 0 3 - • п Н 2 0 — түрлі бояулар — жосалар, охралар, лимониттер т. б.); кальций мен магнийдің карбонаттары (кальцит СаС03 , доломит CaMg(C03 ) 2 т.б.). Осы айтылған элементтердің жер бетіндегі үлес саны (клар- кы) ете көп элементтер екені жоғарыда айтылды. Мысалы: от- тек (О)— 49,13%, кремний (Si)—26%, алюминніі (А1)— 7,45%, темір (Ғе)— 4,20%, кальций (Са)—3,25%, магний (Mg) — 2,35%, сутек (Н)— 1,00%. Осы жеті элементтің өзі ғана 93%-тен асады. Онан бас􀀃 а да элементтердің 􀀃осындылары коллоид тү- рінде кәп кездеседі. Демек, коллоидтар аса көп тараған 􀀃осын- дылар екен. Жоғарыда айтылған минералдар топтарынан, орга- никалы􀀃 заттардан бас􀀃 а , түтін, т􀀅ман, күйе сия􀀃 ты заттар да коллоид түріне жатады. 􀀂оллоид системасының дисперсия фазалары майда тозаңдар дедік. Оларды мицелла деп те айтады. Мицелла кейбір жағдай- ларда зарядты болады. Коллоид ерітінділерін золь деп атайды. Зольде оны еріткен төңірек заттар (ерітуші) көлемі дисперсия фазасынан анағ􀀅рлым көп болады. Ерітуші төңіректің (орта- ның) түріне 􀀃арай зольді бірнеше түрге бөледі: г и д р о з о л ь — су ерітіндісі, а э р о з о л ь — ауа ерітіндісі, п и р о з о л ь — бал- 􀀃ыған ерітінді, к р и с т а л л о з о л ь — кристалды ерітінді. Су ерігіндісіне кәдімгі сия, бояу, сүт жатады. Ауа ерітіндісінің мысалына т􀀅ман мен түтінді алуға болады. М􀀅нда сүйы􀀃 заттың майда тамшы бөлшектері (мысалы, т􀀅ман) ауада жүзіп жүреді немссе заттың 􀀃атты кесектері «те майда белшек түрінде (мыса- лы, түтін) газда жүзіп жүреді. Коллоид ерітінділер нағыз химиялы􀀃 ерітінділерден гөрі күң- ғірттеу келеді. Олар тек кейбір жағдайларда ғана мөлдір бола- ды. Коллоид ерітінділер, химиялы􀀃 ерітінділер сия􀀃ты, жай сүз- гілерден өтіп кетеді, біра􀀃 мицелла жануарлардың органикалы􀀃 148 жарға􀀃тарынан (мысалы, 􀀃уы􀀃тан) өтіп кете алмайды, яғни ерітінді сүзіледі. Коллоид ерітіндісінде мицеллалар көбейіп, еріткіші азайып, «􀀃оюланатын» болса, онда золь орнына г е л ь пайда болады. Гельде «еріген» бөлшектердін, аралары бір-біріне түйісіп, жабы- сып жүреді, ал ерітуші заттар (дисперсиялы􀀃 төдірек) фазалар- дың араларында 􀀃алған бос 􀀃уыстарда ғана болады. 􀀂оллоид- тың іріп кетуі, 􀀅йып 􀀃алуы осыдан шығады. Кілегей, шыны сия􀀃ты 􀀅йы􀀃тар, 􀀃оймалжың ерітінділер осылар. Гель деген дірілдеуік кілегей немесе 􀀅йы􀀃 мағынасында. Гельге, мысалы, күйені, лайды алуға болады. Темір, кремний элементтерінің сулы тоты􀀃тары, яғни лимонит, опал минералдары осы гельге жата- ды. Дисперсиялы􀀃 төдіректің түріне 􀀃арай, золь сия􀀃ты, гель де гидрогель, аэрогель, пирогель, кристаллогель болып бөлінеді. Мицелланың суды өзіне сіңіру немесе сідірмеу 􀀃асиетіне 􀀃 а - рай, сулы коллоид ерітінділер — гидрофиль, гидрофоб болып екіге бөлінеді. Г и д р о ф и л ь коллоидта мицелла бетін ерітінді 􀀃абаты жауып, соның аркасында ерітінді тез араласып, бір тек- тес болады. 􀀂атты мицелланыд өз бойына тедіректегі (орта- дағы) ерітуші заттың белшектерін сіціруін сольватация деп атайды. Ерітуші зат су болса, сольватация гидратация болып шығады. Гидрофиль коллоид мысалына кремний тотығы- ның гидрозолін алуға болады. Гумус заттар да гидрофильге жатады. Сумен күшті араласатын болғанды􀀃тан гидрофиль кол- лоидтар т􀀅ра􀀃 ты система 􀀃 􀀅райды. Оған керісінше, гидрофоб коллоидтарда мицеллаға су көп сіңе 􀀃 о й м ^ д ы (гидрофоб— су сүймес, су ж􀀅 􀀃пас деген сөз). Оған жататындар: металдардың гидрозольдері, күкіртті металдар (сульфидтер) т. б. Сумен на- шар араласатын болғанды􀀃тан, гидрофоб коллоидтардың ыды- рауы да оңай, яғни олар т􀀅ра􀀃сыз система 􀀃 􀀅рады да, тез т􀀅- нады. Әрбір коллоидтың мицелласында бір-а􀀃 түрлі электр заряды болады. Сонды􀀃тан олар өз ара 􀀃осыла алмай, то􀀃таусыз, 􀀃алай болса солай 􀀃озғалыста болады. Броун 􀀃озғалысы дегеніміз осы. Коллоид ерітіндісіне электр тогын жібергенде зарядты ми- целлалар электрод жағына 􀀃арай ығысып, соған жабысып жиналады (электрофорез жасайды). 􀀂ыш􀀃ыл ерітінді мен сіл- тілі (негізді) ерітіндінід мицелла зарядтары екі текті (бір-бірінс 􀀃арама-􀀃арсы) болады. Табиғи жағдайда көп кездесетін коллоидтардың зарядына мысалдар келтірейік. Оң зарядты коллоидтарда мына тоты􀀃тардың гидраттары болады: А12 03, Ғе2 03 , Сг2 03 , Ті02 > Zr02 , CdO, СеО; кальцит (СаС03 ) , магнезит (MgC03 ) , флюорит (СаҒ2 ) т. б. Теріс зарядты коллоидтарда: кремний тотығы (Si02 ) , лай саздар, гумус ерітінділер, марганец тотығы (Мп02 ) , күкірт, ва- надий тотығы (V2O5), калайы тотығы (касситерит Sn02 ) , алтын. 149 күміс, платина, сульфидтер (PbS, CuS, CdS, As2 S3 т. б.) бо- лады. Мицелланың сырт􀀃ы 􀀃абығында валенттігі 􀀃аны􀀃паған иондар болады. Миделланың зарядты болу себебі де сонды􀀃тан. Ерітіндіде электролиттік ыдырау болады, зарядты мицелла соның иондарын ж􀀅туға, сол ар􀀃ылы өзінің арты􀀃 валенттігін 􀀃аны􀀃тыруға тырысады. Коллоид мицеллалар 􀀃анығып, зарядтарын жоғалт􀀃 а н кезде олар бір-біріне жабысып, үлкейе бастайды. Іріленген бөлшектер а 􀀃ырында т􀀅нады немесе 􀀅йып, кілегей гельге айналады, 􀀃атая- ды. Коллоид ерітінділердің коагуляциясы деп осыны айтады. Зарядтары екі түрлі коллоидтар аралас􀀃 а н кезде коагуляция өте күшті болатыны өзінен-өзі түсінікті. Біра􀀃 мүнда екеуінің мелшері шамалас болу шарт. Егер де оыың біреуі басымыра􀀃 болып келсе сонысы жеңеді де, коллоид т􀀅тасымен сол көп за- ряд􀀃 а ауысады, коагуляция болмайды. Коллоид ерітіндіде коагуляция барысы ондағы сутек ионда- рының концентрациясына байланысты. Сутек ионының концен- трациясы (рН) бойынша ерітінділер нейтральды􀀃 , 􀀃ыш􀀃ылды􀀃 немесе сілтілік болып айырылады. Ішіндегі еріген заттардың 􀀃үрамы мен санына 􀀃арай табиғи суларда оң зарядты иондар (Н' + ) мен теріс зарядты иондардың (OH1 " ) катыс мелшері әр түрлі болады. Олардың екеуі бірдей болса реакция нейтральды, оң заряд- ты ион (Н'+) көп болса реакция 􀀃ыш􀀃ыл, теріс зарядты ион (ОН1 - ) көп болса реакция сілтілі болады. Сутек иондарының сан әлшемі ретінде 1-ден 13-ке дейін (не- месе 0-ден 14-ке дейін) цифр алынады: рН = 1 болса өте 􀀃ыш􀀃ыл реакция, рН = 13 болса өте сілтілі реакция, рН = 7 болса нейт- ральды реакция болады. Екі түрлі коллоид 􀀃андай мелшерде 􀀃осылғанда рН 􀀃андай болатынын және 􀀃андай жағдайда олардың жа􀀃 сы түнатынын тәжірибе бойынша айыруға болады. Б􀀅 л мәселенің минералогия ғылымында алатын орны зор, ейткені әр түрлі ерітінділерден минералдар пайда болу деген сөз сол ерітіндінің т􀀅ну (коагуля- ция) нәтижесі болма􀀃 . Демек, минерал пайда болуда рН ерекше роль аткарады. Осы мәселе жөнінде көп еңбек сіңірген ғалымның бірі — A. Е. Ферсман. Ең кеп тараған металдардың сулы тоты􀀃тары рН мөлшері 􀀃андай болғанда т􀀅натындығына мысал келтірейік. рН = 10 болғанда магнийдің сулы тотығы (сілтілі топыра􀀃 ) ; рН = 7 болғанда темірдің сулы тотығы (өзен суы); рН = 6 болғанда мыстың сулы тотығы (жауын суы); рН = 5 болғанда алюминийдің сулы тотығы т􀀅нады. Коллоидтардың адсорбция әрекеті. Коллоид бөлшектері (гельдер) ерітінді ішіндегі иондарды сорып алады, яғни оларды өзіне тартып алады, бетіне жабыстырып жүтады. Осындай жү- 150 99-сурет. Кубтың се- гізге бөлінуі. туды адсорбция деп атайды (адсорбция латын сөзі, ол ж􀀅ту, сіңіру деген сез). Коллоид системасында адсорбция бөл- шектердід сырт􀀃ы бетіне жабысу ар􀀃ылы пайда болады. Сонды􀀃тан ол белшектер- дің бет ауданы да адсорбция мөлшеріне зор әсер етеді. Бөлшектер бетінін жалпы ауданы неғ􀀅рлым үлкен болса, оньщ бет- гік энергиясы да соғ􀀅рлым үлкен болма􀀃 . Демек, адсорбция ауданы да үлкен бол- ма􀀃 . Заттың бірлік келем аумағындағы бөлшектерінід жалпы бет жиынын мен- шікті бет деп атайды. Ірі кристалдар мен коллоид мицеллаларын салыстырып 􀀃арай- тын болса􀀃 , олардыд меншікті беттері арасында өте зор айырма бар екенін көреміз. Меншікті бет заттың майдалану дәрежесін керсетеді. Зат неғ􀀅рлым майда болса, оныд меншікті беті де сол- ғ 􀀅рлым үлкен болады. Мысалға 􀀃абырғасы 1 см кубты алайы􀀃 . Ондай кубтыд көлемі 1 см3, жазы􀀃 беттері 6 см2 болады. Осы кубты сегіз кішкентай кубке бөлсек, оның келемі бастап􀀃ы 1 смъ 􀀃алпында 􀀃алады, ал кішкене сегіз куб беттерінід аудан жиыны 12 см2 болады (99-сурет). Осы сегіз кубты 􀀃абырғасы 1 мм кіш- кене кубшелерге бөлсек, олардың бет жиыны 60 см2 болады. Көлемі 1 см3 затты майдалағанда оның меншікті беті 􀀃 а л а й өсетінін 10-таблидадан көруге болады. 10-т a б л и ц a Меншікті беттің өсу дәрежесі Майдалану дәрежесі Куб 􀀃абыргасы (мм) Меншікті бст (CM1) Аса ірі және ірі дисперсия 10 6 1 60 0 , 1 600 0 , 0 1 6 000 0,001 60 000 Коллоидтар 0,0001 600 000 0,00001 6 000 000 0,000001 60 000 000 Заттың меншікті бетін х-пен, оның бөлшектерінің өлшемін (куб кабырғасын) у-пен белгілесек, б􀀅л екеуі кері пропорционал екенін көреміз, яғни 6 х = " V ' (41) 151 Осы теңдік бойынша график жасау да оңай (100-сурет). 􀀂атты заттың беттік энергиясы оның меншікті бет ауданына пропорционал болады. Адсорбция — сол беттік энергияны кемі- туге тырысудың нәтижесі. Беттік энергия. Әр заттың ішкі бөлшектері өз ара теңгеріліп, жан-жағынан бірдей 􀀃ысымда болады. Ал оның сырт􀀃ы бетін- дегі 􀀃абатын 􀀃 􀀅райтын бөлшектерде ондай жағдай болмайды, ейткені 􀀃атты заттың беткі 􀀃абатының астыңғы жағынан ішкі ( 􀀃атты) белшектері бір-бірін өз ара кысады да, сырт􀀃ы жағы ондай 􀀃ысымнан бос болады. Сонды􀀃тан сырт􀀃ы 􀀃абат теңгеріл- ш 100-сурет. Куб бөлшегі көбеііген саііын окың меншікті бетінің өзгеру графнгі. меген, екі түрлі фазаның арасын айырушы бет болып табылады. Ол беттің екі жағындағы жағдай екі түрлі болады. Ішкі 􀀃атты бөлшектердің 􀀃ысымын теңгеру үшін заттың сырткы бетінде еркін (арты􀀃 ) күш болу керек. Заттың беттік энергиясы деген осы. Затты􀀃 меншікті беті неғ.􀀅рльш үлкен болса, оның беттік энергиясы да солғ􀀅рлым көп болатыны түсінікті. Сонды􀀃тан заттың беттік энергиясы оның меншікті бетіне 􀀃арай есептеледі жәие ол меншікті беттік энергия болып аталады. Б􀀅дан былай меншікті беттік энергияны 􀀃ыс􀀃аша беттік энергия деп атаймыз. Адсорбция әрекетінде ерітіндіден сіңғен зат (адсорбтив) катты бөлшектердің (адсорбенттің) беттік энергиясын кемітеді. Ж􀀅тушы адсорбент пен ж􀀅тылушы адсорбтивтің зарядтары бір-біріне 􀀃арама-􀀃арсы (екі текті) болу керек; сонда ғана ад- сорбішя болады. Адсорбент пен адсорбтив барлы􀀃 заттар ара- Пііііда бірдей бола бермейді. Б􀀅 л екеуінін т􀀅ра􀀃 ты 􀀃осындылар бсрстін белгілі түрлері болады. Мысалы, кремний 􀀃ыш􀀃ылыныц I'l'.'ii (Si02 - H 2 0 ) неғізгі бояу заттарды (фуксин, метилфио- лгт г. б.) жа􀀃 сы ж􀀅тады, біра􀀃 􀀃ыш􀀃ыл заттарды ешбір ж􀀅 т - пайды. Саз балшы􀀃тың коллоид бөлшектері калий катионын ж􀀅тады. Сол сия􀀃 ты марганец металының сулы тотығы (Мп02 • • Н 2 0 ) барийдің, литийдід, калийдің катиондарын жүтады, ал аниондарды ж􀀅тпайды. Гельдердің кристалдануы. Көп т􀀅рған гель ескіреді, біртін- деп кристалды􀀃 түрге айналады, өйткені кристалды􀀃 форма зат- тың зарядсыз, ең берік формасы болып табылады. Коллоидты заттардың химиялы􀀃 ерітінділері мен оның 􀀃атты кристалдык. түрінің аралығындағы 􀀃алпы деуге болады. Колло- иодтардыд к􀀅ралу схемасын мынадай түрде көрсетуге болады: күшті ерітінді ->золь гель -> кристаллоид. Коллоидтыд кристалға айналған түрін метаколлоид деп атай- ды. Метаколлоид минералдарға мысалдар келтірейік. Кремний- дің сулы тотығы опал деп аталады, б􀀅л коллоид болып табыла- ды, формуласы—Si02*H2 0 . 􀀂өп уа􀀃ыттан соң суы кеуіп, опал кристалды􀀃 түрге, яғни халцедон мен кварц (Si02 ) түріне айна- лады. Демек, осы жағдайда пайда болған халцедон мен кварц метаколлоид минералдар 􀀃атарына жатады. Сол сия􀀃 ты сулы күкіртті темір коллоидтан (гидротроилиттен — FeS • Н 2 0 ) мар- казит, пирит (FeS2 ) минералдары пайда болады. Темірдің сулы тотығынан (􀀃оңыр теміртас коллоидтан — Ғе2 0 3 • п Н 2 0 ) гетит ( Ғ е 2 0 3 - Н 2 0 ) , гематит (Ғе2 0 3 ) минералдары пайда болады. Осы сия􀀃танған мысалдар толып жатыр. Коллоид минералдардың көп жағдайларда өзіне тәи сырт􀀃 ы формалары мен ішкі 􀀃 􀀅рылыстары болады. Оларды осы 􀀃асиет- тері бойынша бас􀀃 а минералдардан айыруға болады. 􀀂оллоид минералдардыд сырт􀀃ы формасы көбінесе сауыс-сауыс сүңгілі болып келеді; ішкі к􀀅рылысы пияз сия􀀃 ты 􀀃абат-􀀃абат болады. Сол 􀀃абаттары түрліше боялса, минерал жол-жол та􀀃талы бо- лып шығады. Оныд суы кепкен кезде пайда болатын сәулеше шашыраған 􀀅са􀀃 жары􀀃тары, сызаттары болады. Осы бөлімнік «Минералдардың формалары» деген 2-параграфында айтылған көп формалар осы коллоид минералдардың формасьі больіп та- былады. Мысалы, оған жататындар: сталактит, сталагмит, кон- t креция, секреция, оолиттер, лизеганг са􀀃иналары т. б. (87—92- суреттер). Коллоид минералдар кейінгі кезде тіпті магмалы􀀃 тау жы- ныстарында да кездесіп жүр. Б􀀅 л мәселе толы􀀃 зерттеуді керек етеді.