За названием «коллоидная химия» скрывается область науки, ставшая, в своё время, революционной и давшая объяснение многим явлениям, которые мы наблюдаем каждый день, но до того не знали почему они происходят.

В этой статье мы расскажем о некоторых таких явлениях — например, почему приклеиваются почтовые марки, как сухой порошок превращается в упругое желе и многих других.

Шоколадный кекс — не слишком сложное блюдо, но из духовки он выходит по-разному. В некоторых случаях его серединка пышная, глубоко коричневого цвета, в других — тусклая и серовато-коричневая. Шоколад в тесто клали одинаковый, мука — одна и та же, молоко и другие ингредиенты тоже не слишком различались. Но почему кексы разного цвета? Ответ даёт коллоидная химия.

Тысячи пожилых людей по всему миру чувствуют, что медленно слепнут. Врачи называют это заболевание катарактой — медленным помутнением хрусталика глаза. Что вызывает катаракту. Учебники по офтальмологии утверждают, что причины возникновения катаракты — в изменившихся коллоидных процессах.

Если начинают отклеиваться почтовые и акцизные марки, не нужно сразу выдвигать обвинения в небрежности тем, кто их приклеивал, а также искать причину в конвертах или упаковке. Почему клей не приклеивается? Это можно установить, если владеть основами коллоидной химии.

В лабораториях крупных мукомольных производств эксперты используют методы коллоидной химии, чтобы определить качество муки. А производители лекарственных препаратов используют коллоидную химию, чтобы сделать препараты серебра, мышьяка, меди, золота и многих токсичных веществ безопасными для применения в медицине.

Так же и в повседневной жизни: хозяйка, взбивающая заправку для салата, её муж, использующий пену для бритья, их ребёнок, моющий руки мылом — все они используют коллоидные процессы. Правда, обыватели об этом не знают, считая, что майонез взбивается, крем пенится, а мыло смывает грязь «потому что они так устроены».

Что такое коллоиды

Свидетельства о применении человеком коллоидных процессов стары, как само человечество, а сама коллоидная химия так же стара, как и сама жизнь — фактически, всё живое состоит из коллоидов. Слово «коллоид» буквально означает «похожий на клей) (от греческих слов κόλλα — «клей» и εἶδος — «схожий»). Так, по внешнему виду, обозначили коллоидные вещества, когда они впервые привлекли внимание исследователей — ведь они понятия не имели об их истинном строении. Всё, что они могли сказать: типичный коллоид — бесформенная масса, часто липкая, как клей, яичный белок или жевательная резинка, что-то прямо противоположное кристаллам, таким как сахар или сода. Коллоидная химия появилась в результате изучения строения аморфных веществ, как кристаллохимия возникла из изучения твёрдых.

В наши дни известно, что все коллоиды имеют значительное сходство в своём строении, так же, как все высшие животные имеют похожие скелеты, или все деревья построены из волокон. Обнаружение этой схожести в строении стало тем толчком, после которого химия коллоидов стала стремительно развиваться.

Уже десять тысяч лет назад гончары умели превратить мокрый кусок глины в горшок или тарелку; во времена Юлия Цезаря виноделы знали способ осветления вина с помощью белой глины. Не знали они того, что это — коллоидная химия. Ремёсла развивались методом проб и ошибок, поэтому так трудно было что-либо предпринять для улучшения производства.

Ключ к пониманию был сделан из золота. В конце XIX века английский физик Джон Тиндаль, научно-популярные лекции которого сделали его богатым и известным, демонстрировал своей аудитории эксперимент, до сих пор называющийся «эффект Тиндаля». Мощный пучок света пропускали сквозь жидкость, которая казалась обычной водой, но, внезапно, она начинала светиться, словно путь луча сквозь воду был охвачен огнём. Похожее явление можно увидеть, когда луч проектора проходит сквозь воздух в пыльной или прокуренной комнате.

Растворы меняют цвет

Никто не мог разгадать этой загадки, пока немецкий химик, профессор Рихард Жигмонди, не начал работать с растворами и взвесями золота. Если листочки сусального золота были измельчены в тончайший порошок, а затем этот порошок добавляли в воду, образовывалась временная суспензия золота в воде — постепенно крупинки золота оседали на дне колбы, оставляя воду совершенно чистой. Точно таким же способом средневековые монахи изготавливали несколько редких и дорогих спиртных напитков. Но если металлическое золото сначала растворить в царской водке, а затем смешать этот раствор с водой — золото никогда не осядет. Получится слегка желтоватый раствор хлорида золота, который когда-то использовался фотографами для тонирования отпечатков в золотистые цвета. Главное различие между этим раствором и золотой суспензией — размер отдельных частиц. В древних напитках с «золотыми искрами» отдельные крупинки были достаточно большими, чтобы их можно было увидеть, и довольно быстро садились на дно. В растворе частички золота настолько маленькие, что они невидимы и никогда не оседают. Многие из них — отдельные атомы золота.

Кроме того, профессор Жигмонди знал, что можно приготовить и другие примечательные растворы золота, отличающиеся и от кислотных растворов, и от взвесей частичек металлического золота в воде. Некоторые из этих растворов имеют розовый или алый цвет, другие — небесно-голубой.

Чтобы понять, что в действительности представляют собой эти растворы, профессор Жигмонди и его ассистент, доктор Зидентопф, сконструировали ультрамикроскоп — один из наиболее полезных научных инструментов. С его помощью Рихард Жигмонди не только объяснил, почему растворы золота могут иметь красный и синий цвета, но и обосновал фундаментальные положения коллоидной химии, подтвердив, что эти цветные растворы на самом деле являются коллоидами.

Однажды раскрытый, секрет оказался таким же простым, какими обычно и являются величайшие загадки Природы. Цвет раствора напрямую зависит от размера взвешенных в нём частиц. Крупные частицы придают раствору жёлтый цвет, и быстро оседают на дно сосуда. Очень малые частицы золота, размером в атом, остаются навсегда взвешенными в бесцветном растворе. Между этими двумя крайностями имеется промежуточная группа, частицы которой больше отдельных атомов, но меньше видимых невооружённым глазом частиц.

Эти частицы промежуточного размера, ни карлики, ни гиганты, образуют коллоиды. Самые мелкие, размером всего в несколько атомов, окрашивают раствор в розовый цвет, частицы побольше делают жидкость алой, ещё чуть больше — и она становится фиолетовой. Самые крупные, но всё ещё не видимые без микроскопа, придают раствору золота голубой цвет.

Знание о коллоидных свойствах золота получило практическое применение — в производстве рубинового стекла, лучшие сорта которого обязаны своими яркими рубиново-пурпурными тонами присутствию мириад частичек коллоидного золота.

Эти частицы слишком малы, чтобы их можно было увидеть в оптический микроскоп, даже ультрамикроскоп не обнаруживает их присутствия. Принцип действия ультрамикроскопа другой. Он пропускает мощный, сильно сфокусированный пучок света сквозь тонкий слой коллоидного раствора, что во многом напоминает опыт Тиндаля с пучком света, видимым в воде. Этот подсвеченный образец затем рассматривают сквозь сильную оптическую систему. Тогда глазу становится видно множество двигающихся светящихся точек, напоминающих рой светлячков. Это коллоидные частицы, которые сами по себе не видимы, но обнаруживающие своё присутствие рассеиванием света.

Броуновское движение

Бесконечный танец этих частиц — пример знаменитого «Броуновского движения», которое впервые обнаружил в начале XIX века шотландский врач, доктор Роберт Броун, заметивший непрерывное хаотическое движение пылинок в жидкости, рассматриваемой под микроскопом. Пылинки медленно вращались, словно танцевали вальс, но крохотные частички коллоидных растворов стремительно перемещаются в разных направлениях, будто участники балета. Причина броуновского движения — постоянные толчки и удары, которые твёрдые частицы получают от атомов и молекул жидкости.

Наблюдение броуновского движения в коллоидном растворе даёт ключ к пониманию некоторых свойств таких смесей, например, почему яичный белок осветляет кофе.

Флоккуляция, или как осадить кофе

Танец ярких точек в коллоидном растворе золота можно прервать — добавьте к нему совсем немного кислоты, и балет моментально придёт к своему трагическому финалу. Частицы устремятся друг к другу и собьются в комки, слишком крупные для танца, словно гости на балу, где что-то произошло. Растворы коллоидного золота в пробирках, куда добавили кислоту, теряют свой цвет, а на их дне постепенно оседает коричневый порошок. Это выпадает в осадок хлорид золота, до того находившийся в коллоидном состоянии.

Такое слипание отдельных частиц в комки — этот процесс называется «флоккуляция» — происходит, и если добавить в кофе сырое яйцо. И белок, и желток яйца представляют собой коллоидные вещества. Вылитое в горячий кофе коллоидное вещество яйца сворачивается, после чего крупные комки и хлопья яичного белка оседают, захватив с собой мелкие частицы кофейной гущи, которые слишком лёгкие, чтобы осесть самим по себе.

Отсутствие флоккуляции является объяснением, почему некоторые шоколадные кексы получаются лучше, насыщенного коричневого цвета. Слипанию частиц какао мешает один из ингредиентов муки для кексов, а именно — пищевая сода. Сода препятствует флоккуляции коллоидов и, при изготовлении теста, не даёт образовываться комочкам шоколада, делая выпечку равномерно коричневой. Если соды положено слишком мало, кислота, содержащаяся в молоке, вызывает слипание крупинок какао, и хорошего цвета не выходит.

Дым и туман — тоже коллоиды и способны флоккулировать. Они представляют собой твёрдые или жидкие частицы, но взвешенные не в жидкости, а в воздухе. И ведут они себя точно так же, как коллоидный раствор золота. Туман или дым можно осадить, заставив их частицы слипаться в более крупные агрегаты или капли. Даже красный цвет неба, который часто бывает на закате — коллоидный феномен, вызванный рассеиванием света в пыльном воздухе, точно так же, как красную или синюю окраску принимает раствор коллоидного золота.

Коллоиды обладают множеством других необычных свойств. Одно из них, например, огромная площадь поверхности, которой обладают частицы коллоидов — она в миллион раз больше, чем то же вещество в виде листов или кусков.

Это увеличение поверхности очень важно в химическом процессе, называемом «катализ». В присутствии некоторых веществ ускоряются определённые химические процессы, другие же реакции без них просто невозможны — эти вещества называются «катализаторы». Коллоидные вещества — одни из лучших катализаторов.

Коллоиды на кухне

Группа коллоидных веществ, знакомых каждой домохозяйке — все виды заправок для салатов и желе. Частицы, взвешенные в воздухе (дым), или в воде (коллоидное золото) — твёрдые. Но возможно получить коллоиды, у которых в одной жидкости находится взвесь из капель другой. Например, уксус, взбитый с оливковым маслом — известная салатная заправка. Молоко и сливки — тоже обладают такими свойствами, они состоят из капелек жира, рассеянных в водянистой основе — сыворотке. Таким образом, взбивание масла это флоккуляция молока — частички жира слипаются вместе в твёрдое вещество — сливочное масло, а водянистая часть остаётся, образуя пахту.

Домашняя хозяйка, готовящая заправку для салата, преследует цель, противоположную цели изготовителя масла. Оно добивается того, чтобы смешиваемые жидкости не «расстаивались», не разделялись со временем: масло — в один слой, уксус — в другой. Химикам известно несколько безвредных добавок к маслам и водным растворам, которые препятствуют их флоккуляции, это позволяет магазинным соусам дольше стоять не расслаиваясь и выдерживать при этом более высокие температуры, чем соусам домашнего приготовления.

Желе — тоже коллоид

Гели и желе всех видов тоже содержат мельчайшие коллоидные капельки, взвешенные в жидкости, при этом в зависимости от условий они могут и набухать, и уменьшаться в объёме. Если бы каким-то образом человека можно было уменьшить до микроскопического размера и поместить в чашку начинающего застывать вишнёвого желе, он увидел бы примечательную картину. Вокруг, в бесконечном ярко-красном океане плавали бы многочисленные шарообразные образования из более густой жидкости, напоминающие гигантских медуз. Не успев даже хорошо рассмотреть их, путешественник столкнулся бы с тревожным фактом — «медузы» растут, и расстояние между ними уменьшается. Наконец, они вырастают настолько, что касаются друг друга боками, словно детские мячи, высыпанные в корзину. Наблюдателю остаётся только спрятаться в небольшом многоугольном пространстве, остающемся между несколькими такими разбухшими шарами. Примерно так выглядит процесс застывания желе, если смотреть на него под микроскопом.

Вначале тёплый раствор — коллоидный. Его частицы – мелкие шарики (глобулы) из геля, смешанные с водной основой. Если желе нагреть, эти шарики уменьшаются в объёме, отдавая поглощённую ими воду. При остывании желе глобулы растут, поглощая воду. Когда разбухшие частички желе разбухают – желе густеет. Когда они плотно прижмутся друг к другу — желе окончательно застынет.

Это происходит при загустевании любого геля — желатина, мармелада, агар-агара, холодца. Пектин, вещество, в большом количестве содержащееся в яблоках и внутренней кожуре грейпфрута, особенно хорошо образует эту гелевую основу. Вот почему кондитеры часто добавляют яблочный сок к другим фруктовым сокам, чтобы получить плотное желе. Яблочный пектин обеспечивает его застывание, а другие соки придают вкус.

Почему клеит клей

Натуральный клей действует практически так же (большинство из таких клеев представляют собой тот или иной вид желатина или крахмала — столярный клей, клейстер). Чтобы две поверхности плотно прилипли друг к другу, нужно, чтобы они были абсолютно плоскими или чтобы свободные пространства между ними были заполнены. Две плоские полированные металлические пластины крепко пристанут друг к другу безо всякого клея. С другими материалами так не получится, потому что они никогда не бывают абсолютно плоскими, плотными и гладкими.

Например, лист бумаги под микроскопом будет выглядеть состоящим из грубой массы перекрученных волокон, напоминая поваленный лес. Если просто прижать один лист бумаги к другому, ничего не произойдёт, потому что их поверхности почти не соприкасаются. Они входят в контакт только небольшим количеством самых верхних волокон, как если бы мы попытались совместить два горных пейзажа, а они касались бы друг друга только самыми высокими пиками.

Клей соединяет такие поверхности потому, что заполняет неровности и пустоты между ними — тогда начинают проявляться силы адгезии, молекулярного притяжения. Молекулы одной поверхности соединяются с молекулами клея, а молекулы клея, в свою очередь, с молекулами другой поверхности. Грубые участки заполняются слоем коллоида, глобулы которого разбухают достаточно, чтобы точно заполнить выемки и полости. Вот почему марки прилипают к конвертам, конверты заклеиваются, и почему возможны тысячи других применений коллоидных веществ в качестве клеев.

Коллоиды в косметике

Коллоиды различаются между собой по способности прилипать — этим объясняется, например, действие мыла, удаляющего грязь. Мыло, растворённое в воде, образует коллоидный раствор. Его частицы очень хорошо пристают к разным поверхностям, особенно к человеческой коже. Сила прилипания мыла такова, что оно буквально заползает под частички грязи на коже и отделяет их, позволяя воде смыть загрязнение — пример действия сил, которые технически называются «адсорбция», «поверхностное натяжение» и «межфазовое натяжение».

При бритье происходит примерно такой же процесс. Пена не только помогает воде проникнуть в волоски и размягчить их, но крем для бритья образует на коже тонкую, скользкую плёнку, по которой гладко и безболезненно движется лезвие, не дёргая за щетину и не давая порезов. Воск и полироли для мебели и полов действуют схожим образом. Коллоидные частицы заполнят неровности между волокнами дерева, поэтому его поверхность становится блестящей и, что более важно с практической стороны, при этом исчезают микроскопические «ловушки» для пыли.

Другими примерами, как воскообразные и жирные коллоидные вещества взаимодействуют с неровной поверхностью, служат кремы, тон-пудры и другая косметика, которые создают на коже липкий слой, удерживающий пигмент или другой мельчайший порошок. Силы, удерживающие такой слой — одни из самых мощных, известных науке. Древние египтяне, не имевшие понятия о коллоидной химии, тем не менее, использовали её процессы, размачивая деревянные клинья, разрывавшие большие камни.

Для того чтобы не стереть, а оторвать слой коллоидной основы, удерживающей слой помады на губах девушки, понадобилось бы развить усилие около 15 тонн на квадратный сантиметр.

Коллоидная химия жизни

Эти огромные силы важны для самой жизни. Сок передвигается в растениях под действием не только капиллярных, но и коллоидных сил. Пищеварение, нервная деятельность, выделение и другие процессы, протекающие в организме, имеют прямое отношение к коллоидным явлениям. Протоплазма каждой отдельной клетки — коллоид.

* * *

Коллоидная химия — нечто большее, чем несколько новых способов обращения с химическими веществами. Она открыла науке целый мир новых реакций, необычных явлений и удивительных веществ.