Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая работа на тему:

«Самоорганизация коллоидных структур»



Оглавление

Введение

1.Самоорганизация

1.1 История

1.2 Диссипативная самоорганизация (синергетический подход)

1.3 Континуальная самоорганизация (концепция эволюционного катализа)

2.Периодические коллоидные структуры

2.1 Образование периодических коллоидных систем

2.2 Примеры периодических коллоидных структур

2.3 Общие свойства периодических коллоидных структур

3.Кольца Лизеганга

3.1 Получение

3.2 Природа явления

3.3 Природные объекты

4.Самоорганизованные коллоидные структуры

Заключение

Литература



Введение

Коллоидная химия - раздел химической науки, изучающий микрогетерогенные дисперсные системы и явления, происходящие на границах раздела фаз, то есть на межфазных поверхностях. В англоязычной литературе используют термины Colloid and Surface (or Interface) Science.

Объектами изучения коллоидной химии являются дисперсные системы - гетерогенные многофазные системы, в которых одна из фаз которых находится в измельченном, дисперсном состоянии. Дисперсные системы могут содержать объекты, имеющие малый масштаб хотя бы в одном измерении - частицы, тонкие пленки, мембраны, волокна, капилляры. Диапазон изменений размеров частиц (толщин пленок, диаметра волокна) составляет от 1 нанометра (несколько молекулярных размеров) до долей миллиметра. Коллоидная химия ставит своей целью раскрытие особенностей строения и свойств систем, связанных с дисперсным состоянием вещества. Коллоидная химия традиционно включает рассмотрение таких разделов как поверхностные явления, смачивание, капиллярность, управление свойствами поверхностей с помощью поверхностно-активных веществ (ПАВ), теоретические основы образования и устойчивости дисперсных систем, электроповерхностные явления, мицеллообразование, молекулярно-кинетические, оптические, структурно-механические свойства дисперсных систем.

За последние 15-20 лет в коллоидной химии возникли и развиваются новые крупные направления. Среди них - коллоидная химия нанодисперсных систем (с частицами размером несколько нанометров), коллоидная химия белковых систем, химические реакции в коллоидных микрореакторах (мицеллярных системах и микроэмульсиях), самоорганизованные коллоидные структуры (поверхностные и объемные). Открылись новые перспективы применения коллоидно-химических закономерностей в биотехнологии, фармакологии, создании новых материалов и технологий для микроэлектроники, в полиграфии, разработке наноразмерных катализаторов, красок, сорбентов, новых технологий защиты окружающей среды и для многих других отраслей. Большие успехи достигнуты в развитии методов исследования коллоидных систем и межфазных поверхностей (атомно-силовая и электронная микроскопия, фотон-корреляционная спектроскопия, малоугловое отражение нейтронов, новые радиохимические методы, прецизионные методы измерения поверхностного натяжения и сил контактного взаимодействия между дисперсными частицами). Значительно обогатились также методы получения дисперсных частиц контролируемого состава, размера и формы и способы формирования дисперсных структур. В теоретических подходах к объяснению коллоидно-химических процессов успешно используются неравновесная термодинамики, фрактальная геометрии, теории самоорганизации, методы компьютерного моделирования.



1.Самоорганизация

Самоорганизамция -- процесс упорядочения элементов одного уровня в системе за счёт внутренних факторов, без внешнего специфического воздействия (изменение внешних условий может также быть стимулирующим либо подавляющим воздействием). Результат -- появление единицы следующего качественного уровня.

В зависимости от подхода к описанию самоорганизации в определение включают характеристики системы, тип внутреннего фактора, особенности процесса.

1.1 История

Гипотеза о упорядочении в системе за счёт её внутренней динамики высказывалась философом Р. Декартом в пятой части «Рассуждения о методе». Позже он подробно разработал эту идею в так и не опубликованной книге «Le Monde».

И. Кант выдвинул небулярную гипотезу, согласно которой планеты образовались из туманности за счёт притяжения и отталкивания, внутренне присущих материи

Необходимо заметить, что представления о спонтанном возникновении порядка и самоорганизации нетождественны. Атомизм Демокрита или статистика Больцмана рассматривают возникновение порядка как случайность, причём категория порядка является субъективной, наличие порядка кажущееся.

В 1947 году термин появился в научной публикации Уильяма Эшби (англ. W.R. Ashby) «Principles of the Self-Organizing Dynamic System». В 1960-е годы термин использовался в теории систем, а в 1970-е -- 1980-е стал использоваться в физике сложных систем.

Г. Хакен -- основатель синергетики определил её как науку о самоорганизации. До XXI века синергетика казалась монополистом на описание самоорганизации. В связи с сотрудничеством представителей естественных наук в области нанотехнологий выяснилось, что термин самоорганизация, в области супрамолекулярной химии и эволюционной биологии определен иным образом для других феноменов, нежели в синергетике. Кроме того, определение данное в рамках синергетики, благодаря междисциплинарности этой науки, расплылось по разным дисциплинам, стало нечётким.

1.2 Диссипативная самоорганизация (синергетический подход)

Определение, данное Г. Хакеном в 1980-е гг. в рамках синергетики:

«Самоорганизация -- процесс упорядочения (пространственного, временного или пространственно-временного) в открытой системе, за счёт согласованного взаимодействия множества элементов её составляющих».

Характеристики системы:

· открытая (наличие обмена энергией/веществом с окружающей средой);

· содержит неограниченно большое число элементов (подсистем);

· имеется стационарный устойчивый режим системы, в котором элементы взаимодействуют хаотически (некогерентно).

Характеристики процесса:

· интенсивный обмен энергией/веществом с окружающей средой, причём совершенно хаотически (не вызывая упорядочение в системе);

· макроскопическое поведение системы описывается несколькими величинами -- параметром порядка и управляющими параметрами (исчезает информационная перегруженность системы);

· имеется некоторое критическое значение управляющего параметра (связанного с поступлением энергии/вещества), при котором система спонтанно переходит в новое упорядоченное состояние (переход к сильному неравновесию);

· новое состояние обусловлено согласованным (когерентным) поведением элементов системы, эффект упорядочения обнаруживается только на макроскопическом уровне;

· новое состояние существует только при безостановочном потоке энергии/вещества в систему. При увеличении интенсивности обмена система проходит через ряд следующих критических переходов; в результате структура усложняется вплоть до возникновения турбулентного хаоса.

Для однозначности определения термина, его связи с характеристиками системы и процесса, как правило, делается ссылка на один из трёх стандартных примеров самоорганизации:

· лазер -- пространственное упорядочение;

· ячейки Рэлея -- Бенара -- пространственное упорядочение;

· реакция Белоусова -- Жаботинского -- пространственно-временное упорядочение;

Нобелевский лауреат Илья Пригожин создал нелинейную модель реакции Белоусова -- Жаботинского, так называемый брюсселятор. Так как для возникновения упорядочения в таких системах необходим приток энергии или отток энтропии, её диссипация, Пригожин назвал эти системы диссипативными. Вследствие нелинейности, наличия более одного устойчивого состояния в этих системах, в них не выполняется ни второе начало термодинамики, ни теорема Пригожина о минимуме скорости производства энтропии. Однако, существуют примеры пространственно-временных диссипативных структур -- автоволны ламинарного горения и тепловые волны (автоволны) в слое неподвижного катализатора -- для которых полное производство энтропии в системе является функционалом автоволнового решения задачи (термодинамической функцией Ляпунова). А его минимум соответствует физически содержательному решению задачи

По аналогии описания самоорганизующихся систем с фазовыми переходами диссипативная самоорганизация получила название фазового перехода в неравновесной системе.

Методы синергетики были использованы практически во всех научных дисциплинах: от физики и химии до социологии и филологии. Градообразование и нейронные сети описаны как диссипативные структуры. В последнее время практически исчезло использование первоначально необходимого математического аппарата нелинейных уравнений. Это привело к тому, что любая система естественного происхождения, не принадлежащая компетенции равновесной термодинамики (англ.) русск., стала рассматриваться как самоорганизованная.

Консервативная самоорганизация (супрамолекулярная химия и фазовые переходы

В 1987 году другой Нобелевский лауреат Жан-Мари Лен -- основатель супрамолекулярной химии ввёл[источник не указан 1371 день] термины «самоорганизация» и «самосборка», вследствие необходимости описания явлений упорядочения в системах высокомолекулярных соединений при равновесных условиях, в частности образование ДНК.

Изучение вещества в наносостоянии, образование сложной структуры в процессе кристаллизации без внешнего воздействия также потребовало описание этих явлений как самоорганизации. Но в отличие от синергетического подхода эти явления происходят в условиях близких к термодинамическому равновесию.

Таким образом, равновесные фазовые переходы, такие как кристаллизация, также оказались самоорганизацией. Для устранения путаницы, феномен упорядочения в равновесных условиях часто определяют как консервативная самоорганизация.

1.3 Континуальная самоорганизация (концепция эволюционного катализа)

Концепция эволюционного катализа, разработанная А.П. Руденко, является альтернативной концепцией самоорганизации для биологических систем. В отличие от когерентной самоорганизации в диссипативных системах с большим числом элементов (макросистем), рассматривается континуальная самоорганизация для индивидуальных (микро-) систем. В рамках данного подхода определяется, что самоорганизация как саморазвитие системы происходит за счёт внутренней полезной работы против равновесия. Прогрессивная эволюция с естественным отбором возможна только как саморазвитие континуальной самоорганизации индивидуальных систем.



2.Периодические коллоидные структуры

Структура агата -- пример периодической коллоидной системы

Периодические коллоидные структуры -- высокоорганизованные коллоидные системы, имеющие определённый порядок расположения дисперсных частиц относительно друг друга.

2.1 Образование периодических коллоидных систем

Образование периодических коллоидных структур объясняет теория устойчивости гидрофобных золей - теория ДЛФО (теория Б.В. Дерягина, Л.Д. Ландау, Э. Фервея и Т. Овербека). Одно из следствий этой теории состоит в том, что взаимодействие дисперсных частиц в коллоидном растворе определяет соотношение между высотой потенциального барьера, обусловленного электрическим отталкиванием, и глубиной потенциальных ям на графике зависимости энергии взаимодействия от расстояния между частицами. Если глубина потенциальной ямы (дальнего минимума) велика (намного больше тепловой энергии), то при любой высоте потенциального барьера реализуется дальнее взаимодействие двух дисперсных частиц на расстоянии 2h друг от друга. Это расстояние составляет примерно 100 нм. Частицы, оказавшиеся в этих потенциальных ямах, уже не могут сблизиться или удалиться друг от друга. Однако к ним могут присоединиться (на таком же удалении) другие дисперсные частицы, образуя при этом периодические коллоидные структуры.

2.2 Примеры периодических коллоидных структур

Структуры ЛизегангаСлои Шиллера -- коагуляционные осадки пластинчатых частиц. Имеют толщину около 100 нм. Располагаются параллельными горизонтальными слоями.

Тактоиды -- анизотропные стержнеобразные агрегаты дисперсных частиц. Образуются при достаточно высокой концентрации золей, частицы которых сами имеют анизотропную форму.

Биконтинуальные дисперсные системы -- значительное число систем, в которых обе фазы непрерывны и пронизывают друг друга.

Кольца и слои Лизеганга -- концентрические кольца,которые образуются при периодическом осаждениии каких-либо соединений.

Кроме того ПКС образуют монодисперсные золи металлов,латексы,золи пятиокиси ванадия,вирусы и бактерии.

2.3 Общие свойства периодических коллоидных структур

Характерная особенность периодических коллоидных структур - определенная степень упорядочения в расположении ее структурных элементов. Механические свойства ПКС определяются наличием в ней пространственной сетки из взаимодействующих дисперсных частиц и жидких прослоек. Правильной решеткой, имеющей те или иные дефекты, обладают тактоиды, бактерии, гели тактоидного строения и многие дисперсии с ограниченным объемом, к которым относят и слои Шиллера. Сравнительно слабое сцепление монодисперсных микрообъектов, позволяет им легко перемещаться и занимать места в узлах решетки.

ПКС являются пластичными или квазипластичными твердыми телами с присущим для них характерным сочетанием прочности, упругости, пластичности и вязкости.

В ПКС существуют прослойки между дисперсными частицами,что обуславливает специфичные свойства, такие как пептизация и синерезис. Пептизация многих дисперсных систем происходит при простом контакте их с дисперсионной средой (набухание глин). Синерезис - уплотнение дисперсной фазы геля - определяется переходом коллоидных частиц через разделяющий их барьер. Синерезису способствуют все факторы, ускоряющие коагуляцию: увеличение концентрации частиц и электролита, добавки неэлектролитов - коагуляторов (например, спирта), повышение температуры.



3.Кольца Лизеганга

Кольца Лизеганга (также слои Лизеганга, общее название структуры Лизеганга) -- концентрические кольца или ритмически перемежающиеся полосы, возникающие в результате периодического осаждения каких-либо соединений при диффузии в гелевых средах. Названы в честь первооткрывателя явления -- немецкого химика и предпринимателя Р. Лизеганга. коллоидная структура самоорганизация лизеган

Рафаэль Эдуард Лизеганг

Концентрические структуры впервые были получены в 1896 году немецким химиком Р. Лизегангом. Работая в химической лаборатории фотофабрики, принадлежавшей отцу, он обнаружил, что капля раствора нитрата серебра AgNO3 на фотопластинке, покрытой слоем желатины, который содержит хромпик К2Сr2О7, образуются агрегаты мелких кристаллов Ag2Cr2O7 в виде концентрических колец, напоминающих годичные кольца на спиле дерева. Лизеганг увлекся этим явлением и почти полвека занимался его исследованием.

Сам Р. Лизеганг, знакомый с первыми работами по изучению колебательных реакций Ф. Рунге, первоначально склонялся к натурфилософскому объяснению полученного им периодического процесса.

Возможный физический механизм, объясняющий образование структур Лизеганга, был впервые предложен одним из основателей физической химии В. Оствальдом в 1897 году. Объяснение, данное Оствальдом, базировалось на понятии о метастабильном состоянии и явлении оствальдовского созревания, открытом им годом ранее. Оствальд предположил, что у Лизеганга образовывался пересыщенный раствор бихромата серебра, находящийся в метастабильном состоянии. Дальнейшая диффузия реагентов вызывала образование осадка и перевод системы в лабильное состояние. Дальнейшее взаимодействие бихромата калия и нитрата серебра переводила её снова в метастабильное состояние и т.д

В 1905 году Лизеганг отверг модель Оствальда, получив новые эмпирические факты. Однако впоследствии, проведя новые эксперименты, он стал её ревностным сторонником.

3.1 Получение

Слои Лизеганга в пробирках

Структуры Лизеганга обычно получают при диффузии одного из исходных веществ через гель, содержащий другое вещество, способное с первым образовывать нерастворимый осадок.

На протяжении десятилетий огромное количество реакций осаждения было использовано для изучения явления, показав его общий характер. Структуры Лизеганга получены для хроматов, галогенидов, гидроксидов металлов, карбонатов и сульфидов свинца, меди, серебра, ртути и др.

Примеры используемых для этого химических реакций:

HCl + AgNO3 > AgClv + HNO3;

2KI + Pb(NO3)2 > PbI2v + KNO3;

MgSO4 + 2NH3 + 2H2O > Mg(OH)2v + (NH4)2SO4.

Для получения среды используются, как правило, желатин, агар-агар или силикагель. Структуры Лизеганга могут быть получены и без желирующего вещества, если эксперимент проводится в капилляре, где конвекция среды не мешает их формированию. Аналогичное явление происходит не только в гелях, но и в уплотнённых инертных порошках (кварца, кизельгура и т. п.), пропитанных раствором соответствующего реагента.

Их получение возможно и в отсутствии жидкой среды. Например, слоистые структуры образуются при определенных условиях в газовой среде при взаимодействии аммиака и хлороводорода. Образование колец возможно и в твердых телах: так, полосы из серебра были получены путем погружения силикатного стекла в расплавленный AgNO3 в течение длительного периода времени.

Эксперименты обычно проводятся либо в пробирке, либо в чашке Петри. В первом случае один из реагентов первоначально растворяют в геле и помещают в пробирку. Затем поверх наливается раствор другого реагента большей концентрации. В результате в области разделения фаз начинается образование осадка в форме полос, параллельных диффузионному фронту, разделенных свободными от осадка промежутками.

В чашке Петри, как правило, образуются концентрические кольца осадка, если концентрированный раствор одного их исходных веществ вносится в центр чашки, уже содержащей гель другого вещества. В этих условиях волна химической реакции движется от центра к периферии чашки в результате диффузии внесенного вещества, оставляя позади себя четко разделенные кольца осадка. Также возможно образование более сложных структур: таких, как спиральные структуры и «кольца Сатурна» (в пробирке) и дислокации колец (в чашке Петри).

3.2 Природа явления

Слои и кольца Лизеганга относятся к периодическим коллоидным структурам, которые, по-видимому, были первым примером изученных самоорганизованных структур. По важнейшим признакам кольца Лизеганга имеют значительное сходство с кольцевыми структурами, возникающими вследствие автоволновых процессов, приводящими к возникновению самоорганизованных структур с различным масштабом упорядочения (нано-, мезо-, микро- и макроуровень)



3.3 Природные объекты

С образованием слоев Лизеганга связывают послойную окраску минералов (агата, яшмы)[5]. Лизеганг сделал немало важных наблюдений над агатами, опубликовал книгу о них и большую серию статей и разработал собственную теорию (1915). По его мнению, агаты образовались не из растворов, а из гелей кремнезема, которые заполнили агатовые камеры и затем «созревали» в них -- разделялись на концентрические слои и кристаллизовались, превращаясь в халцедон

Очень похожие образования возникают в слоистой структуре тонкопористых пород при процессах выветривания. Таковы, например, ритмические кольца, полосы, гиперболы, окрашенные бурыми гидроксидами железа, в известняках, мелкозернистых песчаниках и других породах.

Полосато-слоистую структуру имеют конкременты в органах животных и человека, некоторые биологические ткани, например поперечнополосатые мышцы.



4.Самоорганизованные коллоидные структуры

Фундаментальным свойством дисперсных систем является их способность к постепенной эволюции. Эволюция связана с самой природой коллоидного (дисперсного) состояния вещества, в первую очередь, с термодинамической неравновесностью большинства коллоидных систем. Избыток свободной энергии, обусловленной наличием высокоразвитой поверхности раздела между дисперсной фазой и дисперсионной средой, стимулирует протекание различных процессов (физических, физико-химических), приводящих к уменьшению свободной энергии Гельмгольца F.

Без учёта химической компоненты изменение свободной энергии Гельмгольца dF дисперсных систем при постоянной температуре Т равно:

dF = - TdS + d (s W), (1)

где W - величина поверхности раздела между фазами.

Термодинамическое условие эволюции dF < 0 может достигаться энергетическим и энтропийным путями. Энергетический путь характеризуется изменением второго члена в уравнении (1). Этого можно достичь двумя способами: уменьшением поверхности раздела между дисперсной фазой и дисперсионной средой (s d W < 0) и уменьшением межфазной свободной поверхностной энергии (поверхностного натяжения) (W ds < 0). При уменьшении межфазной поверхности происходит увеличение среднего размера частиц d, то есть распределение частиц по размерам, зафиксированное непосредственно в момент её образования, с течением времени смещается в сторону чавстиц с большим размером. Механизмы этого процесса могут быть совершенно различными: слияние (коалесцениця) капель в эмульсиях и газовых пузырьков в пенах при их непосредственном контакте; изотермическая перегонка частиц дисперсной фазы в соответствии с законом Кельвина; Оствальдово созревание твёрдых частиц. В результате этих процессов твёрдые частицы могут стать настолько крупными, что они теряют седиментационную устойчивость. В конечном итоге перечисленные процессы могут привести к разделению дисперсной системы на две микрофазы.

Уменьшение удельной свободной поверхностной энергии ds < 0 имеет место и при взаимодействии частиц дисперсной фазы через прослойку дисперсионной среды, а также при потере системой агрегативной устойчивости в процессе коагуляции. Теория устойчивости золей (ДЛФО) рассматривает в первом приближении взаимодействие коллоидных частиц как сумму дисперсионного (притяжение) и электростатического (отталкивание) взаимодействий, возникающих при перекрывании ионных атмосфер в результате сближения частиц золя. В том случае, когда радиус частиц дисперсной фазы много больше толщины ионной атмосферы, энергия взаимодействия коллоидных частиц U (h) может быть записана в виде:

U (h) = (Bc0 kTg 2 / c) exp ( - cH) - A*/12pH 2 , (2)

где B - численный коэффициент, c0 - концентрация электролита в системе, g = th(zef0 / 4kT) (z - валентность противоиона, f0 - термодинамический потенциал твёрдой поверхности), c -величина, обратная толщине ионной атмосферы в теории Дебая - Хюккеля, c = (ee0kT / 2z2e2c0) - 1/ 2 (e - диэлектрическая проницаемость среды e0 - диэлектрическая постоянная, равная 8.85 . 10 - 12 Ф . м - 1 ), H - толщина прослойки дисперсионной среды между частицами, А* - сложная константа Гамакера, характеризующая взаимодействие контактирующих фаз.

Из теории ДЛФО следует, что если энергетический барьер, связанный с электростатическим отталкиванием частиц (Eel), существенно выше энергии теплового движения (т. е. Eel » kT), то система агрегативно устойчива и укрупнения частиц не происходит.

В случае Eel « kT каждое столкновение будет приводить к образованию агрегата, причём скорость образования агрегатов при столкновении частиц золя будет лимитироваться скоростью их диффузии в дисперсионной среде. Этот процесс носит название быстрой коагуляции (М. Смолуховский, 1916 год). Параметром, характеризующим процесс быстрой коагуляции, является период коагуляции (t) - время, в течение которого концентрация частиц n0 уменьшается в 2 раза. Согласно теории Смолуховского:

t = 3h / 8kTn0 (3)

где h - вязкость дисперсионной среды. Для быстрой коагуляции значение t обычно не превышает нескольких секунд.

При уменьшении концентрации электролита эффективность столкновений уменьшается и лишь часть из них приводит к образованию агрегатов. Это случай так называемой медленной коагуляции (Н.А. Фукс, 1934 г.). В соответствии с теорией Фукса уменьшение скорости образования агрегатов связано с наличием барьера на зависимости потенциальной энергии от расстояния между центрами частиц. 180 Предсказываемые теорией зависимости скорости коагуляции от концентрации, а также соотношение скоростей в зависимости от заряда коагулирующего иона удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными.

При коагуляции золей получаются агрегаты, фрактальная размерность которых зависит от типа коагуляции. Для агрегатов, образующихся в условиях медленной коагуляции, фрактальная размерность оказывается выше, чем для агрегатов, образующихся в условиях быстрой коагуляции, что свидетельствует об их более высокой степени организации.

Анализ уравнения (2) показывает, что на кривой зависимости энергии взаимодействия частиц от расстояния может наблюдаться минимум при достаточно больших значениях H. Взаимодействие частиц на больших расстояниях, так называемое дальнее взаимодействие, приводит к формированию ансамблей, обладающих фазовой устойчивостью. Такие упорядоченные образования называются периодическими коллоидными структурами.

Ярким примером периодических структур являются слои Шиллера - структуры, образующиеся в золях гидроксидов железа, оксидов ванадия и некоторых других, частицы которых имеют анизорметричную форму. При низкой концентрации золя частицы при оседании образуют горизонтальные слои, отстоящие друг от друга на несколько сотен нанометров. 185 Увеличение концентрации золя приводит к веретенообразным агрегатам, которые называются тактоидами. В этом случае частицы дисперсной фазы располагаются почти параллельно оси веретена, а расстояние между ними уменьшается до десятков нанометров. Дисперсные частицы могут ориентироваться и вблизи твёрдой подложки.

К периодическим коллоидным структурам относятся также слои и кольца Лизеганга, были первым примером изученных самоорганизованных структур. Остановимся на этом объекте подробнее.

Кольца Лизеганга (1896 г.) можно получить следующим образом. Каплю 15%-ного раствора AgNO3 помещают на плёнку геля желатины, предварительно пропитанного 0.4%-ным раствором бихромата калия. Соль серебра постепенно диффундирует в гель. При этом происходит осаждение бихромата серебра. Осадок не образует непрерывную зону вокруг капли, а представляет собой концентрические кольца, разделённые прозрачными промежутками.

Обычно кольца Лизеганга появляются, когда концентрированный раствор соли диффундирует через гель, содержащий другой электролит с более низкой концентрацией. В результате химической реакции образуется соль труднорастворимого соединения, которая осаждается некоторым периодическим способом. Осадок может располагаться не только в виде концентрированных колец, но и в виде сегментов и радиальных образований.

Следует отметить, что несмотря на большой отрезок времени, прошедший с момента открытия колец Лизеганга, до сих пор не разработана достаточно полная теория их образования. Между тем это явление представляет значительный интерес не только для коллоидной химии, но и для других дисциплин, например, для биофизики. Действительно, кольца Лизеганга имеют сходство с кольцевыми структурами, возникающими в результате автоволновых процессов в одномерных системах (тонкие слои). 193 В таких «распределённых» системах периодические волновые структуры возникают при наличии диффузии, но в отсутствии конвективных потоков, то есть вследствие распространения концентрационных волн. Такие же условия необходимы для образования колец Лизеганга. В случае рассматриваемой реакции одной из возможных причин возникновения колец Лизеганга может быть локальное образование коллоидных частиц бихромата серебра, которые коагулируют вследствие избытка одного из реагирующих веществ.

Процессы самоорганизации наблюдаются в дисперсных системах и при внешних воздействиях. Перейдём теперь к другому предельному случаю - самоорганизованным наносистемам, в которых размер частиц дисперсной фазы лишь ненамного превосходит молекулярный раствор. К таким системам относятся, например, водные растворы ПАВ. К ним относятся адсорбционные слои ПАВ на различных поверхностях раздела, а также прямые и обратные мицеллы.

Действительно, близкие к насыщению слои ПАВ на поверхности раздела вода - воздух, вода - масло, полярная твёрдая поверхность - раствор ПАВ могут иметь весьма высокую степень упорядочения, при которой все молекулы (ионы) ПАВ ориентированы перпендикулярно к поверхности раздела фаз таким образом, что полярные группы контактируют с полярной фазой. Следует особо отметить, что образование самоорганизованных биологически активных структур на поверхности воды играет исключительно важную роль в биологической эволюции. Многие данные и расчёты показывают, что поверхности океанов (морей) являются наиболее благоприятными областями для возникновения простейших организмов.

Другой класс самоорганизованных коллоидных наноструктур минимального размера - прямые и обратные сферические мицеллы ПАВ. Упорядоченность мицелл характеризуется одинаковой ориентацией молекул (ионов) ПАВ в радиальном направлении от центра мицеллы к её наружной поверхности, на которой располагаются функциональные группы, близкие по своей природе к дисперсионной среде (воде или органической жидкости). К самоорганизованным наноструктурам этого типа относятся также пластинчатые и цилиндрические мицеллы, бислои ПАВ, везикулы.

Причины, вызывающие образование самоорганизованных структур ПАВ, в значительной степени зависят от природы жидкой фазы или природы твёрдой подложки (при рассмотрении процессов адсорбции ПАВ из растворов на твёрдой поверхности). В водных растворах ПАВ процессы самоорганизации обусловлены общим возрастанием энтропии системы dS > 0, которое складывается из изменения энтропии дисперсной фазы dSd и изменения энтропии дисперсионной среды dSm. В этом случае локальное уменьшение энтропии молекул ПАВ в процессах адсорбции на поверхности раздела водный раствор - воздух и мицеллобразования перекрывается возрастанием энтропии молекул воды, так что общее изменение энтропии системы dS > 0. 61.

Напротив, возникновение мицелл в масляной фазе, также как и адсорбция ПАВ на поверхности раздела вода - масло или на полярной твёрдой поверхности, определяются изменением энтпальпии системы вследствие взаимодействия полярных групп ПАВ между собой в ядрах обратных мицелл или вследствие взаимодействия полярных групп ПАВ с полярной твёрдой поверхностью или неполярным растворителем.



Заключение

Следует отметить, что процессы самоорганизации ионов ПАВ могут наблюдаться и в гелях.

Таким образом, важнейшая черта эволюционных процессов в коллоидных системах состоит в том, что они часто приводят к возникновению упорядоченных структур различного масштаба (нано-, мезо-, микро- и макроструктуры). Эти структуры могут быть как двумерными, так и трёхмерными, а их размер может меняться от нескольких нанометров до сотен нанометров. Такие структуры достаточно широко распространены. Они представляют значительный прикладной и научный интерес, в том числе в качестве удобных моделей ряда биофизических и биохимических систем.



Литература

1. Ефремов И. Ф. Периодические коллоидные структуры. - Л.: Химия, 1971. - 192 с.

2. Сумм Б. Д. Основы коллоидной химии. - М.: Академия, 2007. - 240с.

3. Зимон А. Д., Лещенко Н. Ф. Коллоидная химия. Изд 3-е. -- М.: Изд-во «Агар», 2001

4. Сумм Б. Д., Иванова Н. И. Объекты и методы коллоидной химии в нанохимии // Успехи химии, 69, 995 (2000).

5. Лурье А. А. К теории колец Лизеганга // Коллоид, ж., 1966. Т.28. -- №.4.1. C,534-537.

Размещено на Allbest.ru

...