Коллоидная химия очень важна для ре­шения многих проблем биологии и медицины. Приведём только один при­мер. Немало людей страдает от обра­зования тромбов в кровеносной систе­ме и в сердце. Тромбы — это сгустки крови, которые формируются при определённых биохимических отклоне­ниях, оседают на стенках сосудов и прочно закрепляются на них. Они су­живают сечение артерий и капилляров, сильно затрудняя кровообращение, и в конце концов могут привести к полной закупорке сосудов. Чтобы предотвра­тить это заболевание, кроме чисто медицинских аспектов необходимо учи­тывать и особенности коллоидно-хими­ческих процессов. Поскольку кровь — типичная коллоидная система, образо­вание тромба нужно рассматривать как потерю устойчивости с последующей коагуляцией. Исходя из этого и разра­батываются современные методы про­филактики и лечения.

Поверхностно-активные вещества (ПАВ) получили ныне широкое распро­странение — промышленность произ­водит их примерно по 3 кг в год на ка­ждого жителя Земли. Используются ПАВ как моющие средства, в качестве эмульгаторов, способствующих обра­зованию эмульсий, флотационных ре­агентов (для обогащения полезных ис­копаемых, мелкие частички которых переходят в пенный слой), косметиче­ских средств и т. д.

Есть у этих веществ и другое назва­ние — сурфактанты (от англ. surface-active agent, или surfactant, — «поверх­ностно-активный агент»). «Любимое занятие» таких соединений — найти по­верхность раздела между жидкостью и газом или между двумя несмешивающимися жидкостями и тут же устроиться на этой границе поудобнее. Подобному поведению способствует двойственная природа молекул ПАВ: с одной сторо­ны, они содержат гидрофильные (т. е. «водолюбивые») группы, например — СООН, которые «тянут» молекулы в во­ду; с другой — в составе тех же моле­кул (часто на значительном отдалении) имеются гидрофобные («боящиеся во­ды») группы, например углеводородные цепочки, которые способствуют раство­рению ПАВ в неполярных жидкостях. Эта двойственность и объясняет особен­ности поведения молекул: наиболее «комфортно» они чувствуют себя имен­но на границе раздела двух фаз, где гид­рофильные группы «погружены» в вод­ный раствор, а гидрофобные обращены в сторону неполярной фазы (воздух, масло, бензин и т. п.).

Благодаря малому размеру коллоид­ных частиц общая площадь их по­верхности может быть очень велика. Отношение общей поверхности к массе частиц (оно называется удель­ной поверхностью S_уд ) резко возрас­тает при уменьшении размера частиц. Так, для капель воды диаметром 1 мкм S_уд = 6000 м²/кг, т. е. общая поверх­ность литра мелких водяных капель в 10 раз больше участка в шесть соток! Тончайший поверхностный слой всегда имеет более высокую энергию, чем вещество во внутреннем объёме тела. Ведь молекулы, расположенные на поверхности, взаимодействуют только с соседями снизу и сбоку, так что у них остаётся «неистраченная си­ла». Избыточная энергия, отнесённая к единице площади, характеризует поверхностное натяжение с. Вот поче­му коллоидные частицы обладают из­бытком энергии по сравнению с той же массой сплошного вещества. «Лиш­няя» энергия делает коллоидную сис­тему неустойчивой: в ней могут само­произвольно протекать процессы, ведущие к «сбросу» этого избытка. Подобное происходит, например, при уменьшении удельной поверхности. Значит, в коллоидной системе термо­динамически выгодны процессы ук­рупнения частиц. Они протекают по-разному для твёрдых частиц, капель и газовых пузырьков.

На лекциях по коллоидной химии, ко­торые замечательный советский химик, академик Пётр Александрович Ре'биндер (1898—1972) читал на химиче­ском факультете МГУ, студентам де­монстрировался эффектный опыт. Лектор брал цинковую пластинку и пы­тался её сломать. Пластинка была до­вольно толстой, так что не только ака­демику, но даже самому сильному студенту это не удавалось. Затем на по­верхность цинка наносили несколько капель ртути, и после этого лектор лег­ко ломал её пополам, вызывая восхи­щение аудитории. Многие студенты знали, что им продемонстрирован так называемый эффект Ребиндера, откры­тый учёным ещё в 1928 г.

Сам автор назвал своё открытие скромнее: «эффект адсорбционного понижения прочности твёрдого тела, находящегося в напряжённом состоя­нии, вследствие обратимой адсорб­ции на его поверхности частиц из окружающей среды». Как говорится, «просто» и со вкусом, а главное, в длинном названии фактически содер­жится информация о сути эффекта. Впоследствии было установлено, что эффект Ребиндера может вызываться не только адсорбцией, но и смачивани­ем поверхности твёрдого тела жидко­стью (именно этот вариант демонстри­ровался на лекциях). Опыт объясняется тем, что ртуть проникает в малейшие дефекты-трещинки на поверхности цинка, а поскольку пластинка находит­ся под механическим напряжением, эти трещинки растут вглубь, в них опять проникает ртуть, и всё заканчи­вается полным разрушением.

В 1845 г. английский учёный Майкл Фарадей получил золь золота — кол­лоидные частицы металла размером менее 0,1 мкм, взвешенные в воде. Плотность золота почти в 20 раз больше, чем воды, поэтому все части­цы, даже самые мелкие, казалось бы, должны постепенно осесть на дне со­суда. Однако сам Фарадей за несколь­ко лет наблюдений не обнаружил об­разования осадка. Более того, эти золи сохранились до сих пор и де­монстрируются в Британском музее! Причина такой стабильности зо­лей была найдена только спустя 70 лет после опыта Фарадея. Закон Архиме­да, разумеется, справедлив и для кол­лоидов: под действием силы тяжести твёрдые частицы начинают оседать, и в нижней части сосуда их концентра­ция возрастает, а в верхней — умень­шается. Из-за разности концентраций тепловое движение частиц, или диф­фузия (от лат. diffusio — «распростра­нение», «растекание»), приобретает направленный характер — снизу вверх. Так что в системе протекают два противоположно направленных процесса: седиментация (от лат. sedimentum — «оседание») и диффузия. Когда их скорости сравниваются, на­ступает динамическое равновесие. В результате достаточно малые части­цы, активно участвующие в диффузии, в осадок не выпадают. Теорию седиментационно-диффузионного равно­весия предложил и подтвердил экспе­риментально французский физик Жан Батист Перрен, награждённый за эту работу в 1926 г. Нобелевской пре­мией по физике.

И всё же можно заставить осесть даже очень малые (менее 0,1 мкм) коллоидные частицы. Для этого ис­пользуют центрифуги с большим числом оборотов — свыше 100 тыс. в минуту (они называются ультрацен­трифугами). Центробежное ускоре­ние, развиваемое в них, способно в сотни и тысячи раз превысить уско­рение силы тяжести. В этих услови­ях диффузия уже не в силах противо­стоять седиментации.

При высоких концентрациях частицы в жидких коллоидах начинают сопри­касаться и образуют сеточные струк­туры. Так получаются студни, или гели (от лат. gelare — «застывать»). Фруктовое желе и гель для укладки во­лос — типичные примеры подобных систем. Гелеобразную структуру име­ет даже головной мозг. Недаром вид­ный представитель отечественной коллоидной химии Иван Иванович Жуков (1880—1949) говорил, что «че­ловек — ходячий коллоид».

Уникальное свойство гелей заклю­чается в том, что они, несмотря на по­давляющее преобладание жидкости, имеют многие свойства твёрдого те­ла, такие, как прочность и упругость. В отличие от материалов с кристалли­ческой структурой, гели способны восстанавливать исходную структуру после её временного разрушения. Это свойство называется тиксотропией (от греч. «тиксис» — «прикоснове­ние» и «тропе» — «изменение»). Оно обеспечивается именно жидкими прослойками между частицами, обра­зующими гель.

Чтобы кефир легко вылился из бу­тылки с узким горлышком, надо энер­гично потрясти её. Если же после это­го бутылка примерно час постоит на столе, то кефир из неё не выльется. Причина — тиксотропный эффект: в неподвижном кефире постепенно восстановились контакты между час­тицами вещества-загустителя, кото­рые были разрушены при механиче­ском воздействии. Именно поэтому на некоторых микстурах написано: «Перед употреблением взбалтывать».

Мир коллоидных систем широк и разнообразен. Крайне редки газы, жидкости или твёрдые материалы, в которых отсутствуют коллоидные час­тицы. Получить их так же сложно, как и совершенно химически чистое ве­щество. В газообразной дисперси­онной среде образуются аэрозоли (от греч. «аэр» — «воздух» я лат. solveге — «растворять»). Когда в ней распре­делены твёрдые частицы, получается дым, когда жидкие — туман, а смесь тех и других даёт смог {англ. smog, от smoke — «дым» и fog — «туман»).

Коллоидные растворы именуются золями. В них мелкие твёрдые части­цы, размером от 1 до 100 нм, распре­делены в жидкой дисперсионной сре­де. Например, если к кипящей воде добавить несколько капель раствора FeCl₃, то в результате гидролиза (FeCl₃+3Н₂О=Fe(OH)₃+3НСl) обра­зуется совершенно прозрачный жёл­тый золь. Восстанавливая водный раствор AuСl₃, можно получить окра­шенный в разные цвета (в зависимо­сти от размера частиц) золь металли­ческого золота. Дисперсные системы с более крупными частицами (свыше 1000 нм=1 мкм) имеют специальное название — суспензии (от лат. suspensio — «подвешивание»). Знакомая всем чёрная тушь — это как раз сус­пензия.

В середине XIX в. английский химик Томас Грэм (1805—1869) обнаружил вещества с загадочными свойствами. При выпаривании их растворов вмес­то кристаллов получались аморфные студенистые массы. Они имели клеящие свойства. По-гречески клей — «колла», поэтому Грэм назвал эти «аномальные» вещества коллоидами. Он выдвинул гипотезу, согласно ко­торой все вещества делятся на колло­иды и кристаллоиды (при выпарива­нии раствора они выпадают в виде кристаллов). Во второй половине

XIX  в., когда химики открыли много новых коллоидов, казалось, что идея Грэма торжествует. Однако в начале XX в. она была отвергнута.

Как выяснилось, из одного и того же вещества можно приготовить и обычный, и коллоидный раствор. Просто в обычных растворах веще­ство находится в виде отдельных молекул или ионов, а в коллоид­ных — в виде значительно более крупных частиц. Например, пова­ренная соль в органическом раство­рителе (бензоле) образует типич­ную коллоидную систему.

Очень много внимания Вольта уделял изучению различ­ных свойств электрического тока, причём наблюдал его действие преимущественно на людях. Это и неудиви­тельно, ведь никаких электроизмерительных приборов (кроме электроскопа да лягушачьей лапки) тогда не су­ществовало.

Вольта пытался, например, выяснить влияние тока на зрение, на обоняние, на вкус. Однажды в присут­ствии Наполеона учёный выстроил полукругом цепоч­ку гренадеров и предложил им всем взяться за руки, а крайним в цепи прикоснуться к концам вольтова стол­ба. Из-за непроизвольного сокращения мыши все гре­надеры одновременно подпрыгнули!

Вольта и его современникам удавалось избежать трагических последствий подобных опытов, поскольку мощность их батарей была невелика. Однако даже срав­нительно слабый (доли ампера) электрический ток да­леко не безобиден по отношению к живым организмам. Проходя через жизненно важные органы (сердце, лёг­кие, мозг) людей и теплокровных животных, ток может вызвать паралич дыхания, остановку сердца или ожог.

Наиболее опасен для человека переменный ток не­большой частоты (в том числе обычный промышленный ток), постоянный ток менее вреден. Предельно допус­тимое значение напряжения при воздействии на чело­века переменного тока в течение одной секунды соста­вляет 36 В, постоянного — 200 В. При этом предельная величина силы тока равна соответственно 6 и 15 мА. С точки зрения безопасности очень важной величиной является так называемый пороговый неотрываемый ток, т. е. минимальное значение тока, которое вызывает на­столько сильные судорожные сокращения мышц, что че­ловек не может самостоятельно освободиться от зажа­того в руке проводника. Среднее значение порогового неотрываемого тока (при прохождении от рук к ногам) для взрослых мужчин — 15 мА, для женщин — 10 мА.

Алессандро Вольта опытным путём установил ряд напряжений метал­лов: Zn, Pb, Sn, Fe, Cu, Ag, Au. Cила гальванического элемента оказывалась тем больше, чем дальше отстояли друг от друга члены ряда. Однако причина этого в те годы была неиз­вестна. Правда, ещё в 1797 г. немец­кий учёный Иоганн Вильгельм Риттер (1776—1810), прославившийся от­крытием ультрафиолетовых лучей, предсказал, что в ряду напряжений металлы должны стоять в порядке уменьшения их способности соеди­няться с кислородом. В случае цинка и золота этот вывод не вызывал сом­нений; что же касается других метал­лов, то надо отметить, что их чисто­та была не очень высока.

В наши дни количество израсходованной электроэнергии измеряет всем знакомый счётчик. Чем больше электричества пройдёт через него, тем больше оборотов сделает диск и тем значительнее показания счёт­чика. Современный прибор, как правило, отградуирован в киловатт-ча­сах (кВт•ч). Однако первый электросчётчик, который придумал в 80-х гг. XIX в. знаменитый американский изобретатель Томас Алва Эдисон (1847— 1931), был совсем другим. В нём применялся принцип электролиза. В те времена использовался постоянный ток напряжением 110 В. На ввод каж­дого потребителя своей электрической компании Эдисон поместил эбо­нитовую коробочку, в которой находились две цинковые пластинки, по­гружённые в водный раствор сульфата цинка. При пропускании тока цинк постепенно переносился с анода на катод, в результате чего массы пла­стинок менялись. ещё Фарадей в 1833—1834 гг. установил, что при про­хождении через раствор соли цинка 96 500 Кл электричества (это чис­ло называется постоянной Фарадея, её точное значение 96 484,6 Кл/моль) на катоде выделяется 32,7 г металлического цинка, т. е. ровно 0,5 моль, поскольку Zn²⁺ —двухзарядный ион. Поэтому по изменению массы пластинок определяли, много ли электроэнергии истратил потре­битель.

МАЙКЛ ФАРАДЕЙ

(1791—1867)

Он не оканчивал университетов, этот гениальный самоучка. Подростком, работая в переплётной мастерской, приводил в порядок растрёпанные фо­лианты. Среди них попадались книги по химии и физике. Читая их, Майкл Фарадей приобрёл первые познания в этих науках. Он стал посещать публич­ные лекции Гемфри Дэви. Тот обратил внимание на пытливого юношу и в 1813 г. взял его в свою лабораторию ассистентом. Ученик оказался из тех, которым суждено было превзойти учи­теля. Уже в 1825 г. он сменил Дэви на посту директора лаборатории, а годом раньше стал членом Лондонского коро­левского общества.

Фарадей вошёл в историю как один из величайших учёных XIX в. «Никогда со времён Галилея свет не видел столь поразительных и разнообразных от­крытий, вышедших из одной головы, и едва ли скоро увидит другого Фарадея», — говорил известный русский фи­зик Александр Григорьевич Столетов.

Первый период его творчества был в основном связан с химией. Впечатляюще выглядит перечень достигнутых результатов. Усовершенствовав способ сжижения газов, Фарадей получил в жидком состоянии хлор, сероводород, диоксид углерода, аммиак и диоксид азота. В 1825 г. из отходов светильно­го газа выделил бензол и изучил его важнейшие свойства. Одним из первых исследовал каталитические реакции, безуспешно пытаясь синтезировать ам­миак из азота и водорода.