Так как размеры коллоидных частиц очень малы, их собственные направления движения изменяются непрерывно в результате случайных столкновений с молекулами дисперсионной среды. Каждая частица движется по зигзагообразной траектории. Это явление в 1827 впервые наблюдал Р.Броун в воде, в которой были суспендированы частицы цветочной пыльцы; оно было названо броуновским движением. В период 1902-1912 Р.Зигмонди создал ультрамикроскоп, который сделал возможной идентификацию коллоидных частиц по отраженному ими свету. Ультрамикроскоп позволял считать количество коллоидных частиц и изучать их движение. Основные положения теории броуновского движения и его макроскопического проявления - диффузии - были разработаны А.Эйнштейном в 1905 и экспериментально подтверждены в 1908 Ж.Перреном. В 1923 Т.Сведберг разработал ультрацентрифугу, которая позволила разделять коллоидные частицы и определять их массы.

В химии поверхностных явлений И. Ленгмюр предположил в 1916 и позже доказал существование мономолекулярной адсорбции, т.е. прилипания к поверхности слоя вещества толщиной в одну молекулу. Это свойство особенно важно при изучении адсорбции газов и в гетерогенном катализе, но оно также имеет отношение и к границам раздела фаз в коллоидных системах. Обычно на границе раздела фаз существует разделение электрического заряда, связанное с ионной природой фаз и с неэквивалентной (специфической) адсорбцией ионов. Это приводит к возникновению двойного электрического слоя и электрокинетических явлений, таких, как электрофорез, электроосмос и потенциал течения (см. ниже). Электрофорез (движение заряженных частиц в электрическом поле) впервые наблюдал Ф.Ройс в 1809, который показал, что отрицательно заряженные частицы суспензии глины мигрируют в сторону положительного электрода. А.Тизелиус в 1937 применил электрофорез для анализа биополимеров, в частности методом электрофореза разделял сыворотку крови на пять белковых фракций. В 1910 Л.Гуи и Д.Чапмен развили простую (электростатическую) теорию двойного электрического слоя. Дальнейшим усовершенствованием этой теории занимались О.Штерн (1924) и Д.Грэм (1947) на основе более сложных моделей, которые значительно лучше согласовались с экспериментом, чем теория Гуи - Чапмена. В 1931 Г.Шульце и В.Харди изучили процесс коагуляции простых лиофобных золей при добавлении электролита и установили, что наиболее важным параметром в этом процессе является валентность противоиона. Было установлено, что в простейшем случае устойчивость коллоидной дисперсной системы зависит от баланса вандерваальсовых (слабые силы притяжения) и кулоновских (электростатическое отталкивательное взаимодействие двойных слоев) сил. В 1937 X.Хамейкер показал, каким образом можно рассчитать вандерваальсово притяжение между коллоидными частицами с помощью суммирования сил притяжения между всеми атомными парами системы. Б.В.Дерягиным и Л.Д.Ландау и независимо от них Э.Фервейем и Я.Овербеком в 1937 была разработана и в последующие годы усовершенствована теория устойчивости коллоидных систем. Лучшее понимание роли вандерваальсовых сил в коллоидных системах вытекает из макроскопического приближения, разработанного Е.М.Лифшицем в 1956. Современные экспериментальные методы позволяют измерить вандерваальсовы и электростатические взаимодействия двойных слоев.

Важный вклад в изучение коллоидных систем организма человека внесли труды Л. Михаэлиса, Г.Шаде, В. Оствальда, Ф.Гофмейстера, Э. Абдергальдена, Г.Фрейндлиха и др.

Отличительной чертой современной коллоидной химии является то, что она охватывает широкое поле деятельности, включая чрезвычайно изощренную (сложную) теорию, с одной стороны, и простые эмпирические наблюдения, с другой.

1.3 Типы и свойства коллоидных систем. Лиофобные золи. Лиофильные коллоиды. Области практического приминения коллоидов.

Образование новой фазы в процессе «осаждения» включает образование зародышей (центров кристаллизации) и рост новой фазы; соотношение скоростей этих процессов и определяет размер частиц. Высокая степень дисперсности получается, если скорость зародышеобразования велика, а скорость роста частицы мала. Ингибиторы роста могут применяться не только для получения частиц малого размера, но также для селективного действия на рост отдельных граней кристалла, т.е. для изменения формы частицы. Это важно для приготовления катализаторов гетерогенного катализа, так как кристаллографическая ориентация граней влияет на эффективность катализатора. Если осаждаемый порошок обладает умеренной растворимостью, то состав дисперсной фазы меняется во времени (наблюдается явление старения), когда менее растворимые частицы большего размера растут за счет малых (но более растворимых) частиц.

Большинство препаративных методов приводит к образованию полидисперсных золей (в которых частицы имеют распределение по размерам). Можно приготовить (например, с помощью методов зародышеобразования при условиях, которые приводят к спонтанной кристаллизации) почти монодисперсные золи, в которых размеры частиц примерно равны. Эти золи очень полезны в качестве калибровочных стандартов, а также в экспериментах для проверки новых гипотез. Они имеют и специальные применения в множительной технике, при получении антиотражательных покрытий линз и т.д.

Вероятно, наиболее важным физическим свойством коллоидных дисперсных систем является тенденция частиц к агрегации. Коагуляция - это сильная агрегация, флокуляция - слабая, легко обратимая. Пептизация -процесс, в котором дисперсия восстанавливается (при слабом перемешивании или без него) при изменении состава дисперсионной среды, например при добавлении разбавленного раствора электролита.

Устойчивость коллоидных систем - сложный вопрос. В простейшем случае она определяется балансом сил между вандерваальсовым притяжением и кулоновским отталкиванием частиц двойных слоев. (Эффекты ПАВ и полимерных добавок рассмотрены ниже.)

Вандерваальсовы силы обычно проявляются как силы межмолекулярного притяжения, которые обусловливают переход газов в жидкое состояние. Энергия вандерваальсова взаимодействия двух атомов чрезвычайно мала и быстро уменьшается с увеличением расстояния между ними (примерно обратно пропорционально шестой степени расстояния). Если силы притяжения между всеми атомными парами в двух коллоидных частицах суммируются, значительно возрастает не только общее взаимодействие, но и дальнодействующие кулоновские силы отталкивания (обратно пропорционально, в степени 1-2, расстоянию между частицами).

Коллоидные частицы, диспергированные в полярной жидкости, такой, как вода, обычно несут чистые (несвязанные) заряды на своей поверхности. Ионы дисперсионной среды, имеющие заряд, противоположный заряду частицы (противоионы), притягиваются к поверхности частицы, а ионы одинакового заряда (коионы) отталкиваются от нее (что не так существенно). Наложение этого эффекта на эффект перемешивания от теплового движения приводит к образованию двойного электрического слоя (ДЭС), образованного заряженной поверхностью частицы и избытком противоионов относительно коионов, распределенных диффузно в дисперсионной среде. Таким образом, частица может рассматриваться как окруженная диффузной ионной атмосферой с общим зарядом, равным ее заряду, но противоположного знака. В основном два параметра количественно определяют строение ДЭС: поверхностный потенциал (определяемый по измерению поверхностной плотности заряда) и эффективная толщина (определяемая измерением расстояния от поверхности, на котором существует влияние ДЭС). Поскольку поверхность частицы реально находится в области с резко изменяющимся ионным составом, определение (не говоря уже об измерении) поверхностного потенциала чрезвычайно затруднено. Однако частный случай определения поверхностного потенциала, так называемого дзета-потенциала, часто используется в исследованиях устойчивости коллоидных систем. Дзета-потенциал рассчитывается из результатов электрокинетических измерений, которые проще всего получить при исследовании электрофореза - движения заряженных частиц в электрическом поле. «Толщина» ДЭС зависит от концентрации электролита и валентности противоионов. Чем больше концентрация и валентность, тем меньше расстояние от поверхности частицы, на котором заряд частицы «экранируется» противоположным зарядом ДЭС со стороны дисперсионной среды. Если две коллоидные частицы сближаются, возникает энергия отталкивания вследствие взаимодействия одинаково заряженных частиц в диффузной части ДЭС вокруг них. Энергия отталкивания увеличивается с возрастанием дзета-потенциала (вначале быстро, а затем стремится к пределу при больших значениях дзета-потенциала) и уменьшается экспоненциально по мере возрастания отношения расстояния между частицами к толщине ДЭС.

Общая энергия взаимодействия является суммой вандерваальсова притяжения и кулоновского отталкивания двойных слоев. Рассмотрим два крайних случая. При низких концентрациях электролита отталкивательное взаимодействие двойных слоев является дальнодействующим и (при условии, что дзета-потенциал является достаточно большим - обычно выше 25-30 мВ) определяет энергетический барьер коагуляции (подобно энергии активации в химической реакции). Скорость коагуляции соответственно будет замедляться и может сделаться такой малой, что золь можно считать практически стабильным. При высокой концентрации электролита отталкивание двойных слоев действует на малом расстоянии и на всех расстояниях между частицами превалирует вандерваальсово притяжение, так что энергетический барьер отсутствует и коагуляция происходит быстро. Переход между этими двумя крайними случаями можно осуществить путем добавления электролита; избыток электролита, необходимый для такого уменьшения потенциального барьера, при котором время коагуляции сократилось бы, например, от месяцев до минут, относительно мал. Отсюда можно измерить критическую концентрацию коагуляции; она зависит в основном от валентности противоионов.

Лиофильные коллоиды. К лиофильным коллоидам относятся растворы макромолекул, например желатин или крахмал в воде. Растворимости этих веществ зависят от их сродства к молекулам растворителя и собственным молекулам. Макромолекулы с высоким сродством к растворителю имеют достаточно открытую конфигурацию и обладают высокой растворимостью, в то время как молекулы с бльшим сродством друг к другу, чем к растворителю, имеют тенденцию к свертыванию (в клубок) и показывают более ограниченную растворимость. Баланс подобных свойств зависит от таких факторов, как рН, концентрация соли и температура. Вследствие больших размеров и способности к свертыванию растворимые макромолекулы имеют тенденцию к связыванию относительно большого числа молекул растворителя и их растворы в общем случае обладают большей вязкостью по сравнению с обычными растворами. Если все молекулы растворителя механически связаны и захвачены макромолекулярной цепью клубка, система в целом приближается к твердому состоянию и называется гелем.

2.1 Коллоидно-химическая физиология человека.

Глобальная роль коллоидов в естествознании заключается в том, что они являются основными компонентами таких биологических образований как живые организмы. Все вещества организма человека представляют собой коллоидные системы.

Коллоиды поступают в организм в виде пищевых веществ и в процессе пищеварения превращаются в специфические, характерные для данного организма коллоиды.

Коллоидно-химическая физиология человека - это раздел науки, изучающий функционирование систем организма человека, образующих коллоидные соединения.

Из 10 функций организма, выделенных в отдельные системы, каковыми являются пищеварительная, сердечно-сосудистая, дыхательная, нервная, иммунная, эндокринная, мочеполовая, крови, печени, почек, выделим те, которые представляют из себя коллоидные системы.

Можно смело сказать, что весь человек - это ходячий коллоид, а все органы и системы организма дисперсная система в их связи с поверхностными явлениями.

Кости - это коллаген, насыщенный кальцием и фосфором, мигрирующими в присутствии витамина Д.

Кровь - это дисперсная система, в которой ферментные элементы эритроциты, тромбоциты, лейкоциты являются фазой, а плазма - дисперсной средой.

Из коллоидов, богатых белками соединительной ткани (аминокислоты пролин и глицин), состоят кожа, мышцы, ногти, волосы, кровеносные сосуды, легкие, весь желудочно-кишечный тракт и многое другое, без чего немыслима сама жизнь.

Все человеческое тело - это мир частиц, находящихся в постоянном движении строго по определенным правилам, подчиняющимся физиологии человека.

Коллоидные системы организмов обладают рядом биологических свойств, характеризующих то или иное коллоидное состояние:

2.2 Коллоидная система клеток.

С точки зрения коллоидно-химической физиологии человека его организм представляет собой сложный комплекс коллоидных систем в их постоянном динамическом взаимодействии. Мельчайшей структурно-функциональной единицей организма является клетка. Уже сама клетка представляет собой сложный комплекс коллоидных образований, основными из которых являются клеточные мембраны, гиалоплазма, ядро, ЭПР, рибосомы, лизосомы, комплекс Гольджи и др.

Мембраны: многослойные комплексы, включающие билипидный слой, стабилизированный белковыми молекулами, гидрофобные концы которых обращены в сторону молекул липидов, а гидрофильные - в сторону цитоплазмы и наружу, в сторону межклеточного вещества. В силу водородных связей последние притягивают молекулы воды, придавая мембране стабильность и определенную степень гидрофильности. Коллоидные свойства мембран обеспечивают барьерную, метаболическую. разделительную, каркасную, защитную поддержания тургора в растительных клетках, транспортную, контактную (плазмодесмы, десмосомы), ферментативную и другие функции мембран. Мембраны принимают участие в образовании мембранных клеточных органелл (ядра, митохондрии, лизосомы и др.). Одной из важнейших функций мембран является их участие в лиганд-рецепторном взаимодействии (гликокаликс), обеспечивающем «узнавание» и распознавание чужеродной антигенной информации и др.

Гиалоплазма: представляет собой совокупность лиофильных и лиофобных коллоидов со свойствами золей, гелей и эмульсий, участие в формировании которых принимают белки, нуклеиновые кислоты (РНК), соли металлов, липиды и другие вещества. Крупные конгломераты веществ, находящихся в коллоидном состоянии, обозначаются как клеточные включения (например, жировые). Для гиалоплазмы характерны переходы из состояния золя в гель при определенных условиях. Многообразие коллоидов гиалоплазмы и их взаимных переходов создает условия для биохимических процессов (в том числе поддержание осмотического давления), происходящих в цитоплазме клеток и формирует цитоскелет клетки (коллоидно-белковая система, пронизывающая клетку). Цитоскелет обеспечивает движение клеток, цитоплазмы, органелл, транспорт веществ и формирует каркас клетки. Гиалоплазма и ее коллоиды объединяют клетку в единое целое.

Ядро: коллоидная среда ядра обеспечивает процессы репликации ДНК и биосинтеза белка - работу информационных и транспортных РНК (диффузный и конденсированный хроматин), процессы сборки белковых молекул на и-РНК и формирование структур белковых молекул. Процесс репликации клеточной ДНК во время митоза возможен только в определенной динамически меняющейся среде, обеспечиваемой свойствами коллоидов.

ЭПР: также объединяет клетку в единое целое (контакт всех органелл), участвует в синтезе белковых, липидных коллоидов, их накоплении, транспортировке, а также детоксикации ядовитых веществ (гепатоциты).

2.3 Ткани организма как коллоидные системы

1. Кровь

Кровь является типичными примером ткани организма, где одни коллоиды находятся внутри других. В.А.Исаев дает определение крови как дисперсной системе, в которой форменные элементы - эритроциты, тромбоциты, лейкоциты являются фазой, а плазма - дисперсной средой. Однако по определению максимальных размеров, которых могут достигать коллоидные частицы он составляет 10^-7 м., тогда как размер тромбоцитов равен 0,5-0,75 x 10^-6 м, эритроцитов: 7x10^-6 м., а размеры лейкоцитов превышают размеры эритроцитов в несколько раз. Таким образом, форменные элементы не могут считаться дисперсной фазой коллоидной системы и сами представляют из себя коллоид в коллоиде. Тем не менее именно они обусловливают вязкость крови, которая в 5 раз превышает вязкость воды.