Коллоиды

Подобно тому как в науке долгое время не уделяли должного внимания коллоидам, так и в преподавании химии в средней школе коллоидные системы занимают слишком скромное место, совершенно не соответствующее их роли в современной науке и в жизни. А между тем при изучении органической химии, биологии и в жизни учащийся часто встречается с коллоидами. Поэтому в курсе химии средней школы совершенно необходимо рассмотреть хотя бы кратко свойства коллоидов, условия их образования и коагуляцию.

Объем учебного материала будет указан при разборе отдельных уроков на эту тему, последовательность же изложения может быть такая: а) истинные растворы, суспензии, коллоиды; б) свойства и структура некоторых коллоидных частиц; в) получение и коагуляция коллоидов; г) коллоиды в природе и в технике.

К занятию нужно подготовить: образцы бесцветных и имеющих окраску истинных растворов, суспензии, эмульсии и коллоидные системы (золи и гели). Путем сравнения всех этих дисперсных систем следует отметить прежде всего оптическую однородность молекулярных и ионных растворов и неоднородность взвесей и коллоидных систем. Отличие же коллоидов от взвесей состоит в том, что коллоидные частицы невидимы в обычном микроскопе.

Чтобы показать оптическую неоднородность коллоидов, нужно в темноте пропустить луч света через этот раствор и для сравнения пропустить луч через истинный "оптически пустой" раствор. Как на причину различий в оптических свойствах дисперсных систем нужно указать на неодинаковые размеры молекул, ионов, коллоидных частиц, крупинок и капелек грубых взвесей. Отмечая условность границ в делении дисперсных систем, все же следует ознакомить учащихся с этими границами. В заключение можно привести классификацию и примеры различных дисперсных систем.

Свойства коллоидных систем. В курсе химии средней школы можно познакомить учащихся со свойствами коллоидов, зависящими от размеров частиц дисперсной фазы, их электрическими свойствами, коагуляцией и желатинизацией.

Сравнивая свойства различных дисперсных систем, зависящих от размеров части дисперсной фазы, нужно прежде всего отметить, что частички твердой фазы суспензии сравнительно быстро выпадают в осадок, чего не происходит в истинных растворах. Коллоидные же системы занимают промежуточное положение в этом отношении.

Нужно также отметить различие в скорости диффузии истинных и коллоидных растворов, возможность отделения дисперсной фазы от среды в коллоидных системах при помощи ультрафильтров. Если учащиеся еще не изучали света в курсе физики, то не представляется возможным связывать оптические свойства коллоидов с размерами частиц их фазы. В таком случае достаточно ограничиться описанием указанных выше явлений рассеяния света, показать "конус Тиндаля" в коллоидных растворах, напомнить об "игре" пылинок, которую можно наблюдать в темной комнате, когда в нее проникает через небольшое отверстие луч света.

Для уяснения свойств коллоидов учащимся важно знать, что коллоидные частицы имеют электрические заряды. Так как в школьных условиях трудно выполнить опыт, показывающий движение коллоидных частиц в электрическом поле, то придется ограничиться рассказом об этом явлении и показать соответствующие рисунки, схемы этого процесса.

Не вдаваясь в подробности описания структуры коллоидных частиц, следует кратко сообщить о том, что эти частицы обладают одноименными зарядами (либо все частицы заряжены положительно, либо отрицательно), которые они получают разными путями, преимущественно адсорбцией положительных или отрицательных ионов. При этом важно обратить внимание учащихся на то, что причиной устойчивости коллоидов является наличие у частиц фазы одноименных зарядов, вследствие чего коллоидные частицы отталкиваются друг от друга и не образуют крупных агрегатов. Отсюда естественный переход к изучению коагуляции коллоидов, к разбору основного способа действия на коллоидные системы растворами электролитов. И в данном случае не следует вдаваться в подробности разбора этого процесса, достаточно ограничиться уяснением принципа действия ионов электролита на коллоидные частицы (имеющие электрические заряды), рассмотреть это действие как нейтрализацию последних, что является укрупнением частиц.

Процесс осаждения следует рассмотреть с точки зрения молекулярно-кинетической теории: укрупненные частицы, не будучи в состоянии принимать участие в беспорядочном движении молекул жидкости, оседают благодаря силе тяжести.

В качестве примера процесса коагуляции и осаждения коллоидов можно подействовать раствором квасцов на какой-нибудь золь. В связи с этим надо напомнить об очистке питьевой воды на городских фильтрах и разъяснить значение добавок сульфата алюминия к мутной воде, поступающей в отстойники. Можно также осадить коллоидный раствор гидрата окиси железа добавлением сульфата аммония. Очень интересен опыт осаждения гидрозоля желатины другим коллоидным раствором. Следует отметить, что этот процесс имеет значение при дублении кожи (о чем должно быть сказано при изучении белковых веществ в курсе органической химии).

Затем учитель знакомит учащихся с процессом желатинизации и набухания, не касаясь вопроса структуры геля, теории его образования, "старения" и т. д. Примером гидрогелей могут быть: кремниевая кислота, клей, желатина. Можно показать существенное отличие гидрогеля кремниевой кислоты от гелей желатины и клея. Высушивая гидрогели желатины или клея, получают аморфные, стекловидные массы, которые, попадая в воду, набухают и снова обращаются в гель, а обезвоженная кремниевая кислота уже не образует геля. Опыты, показывающие набухание коллоидов, длительны. Для демонстрации набухания клея или желатины нужно за несколько часов до начала урока опустить часть образцов в воду, оставив для сравнения часть их сухими. Чтобы показать набухание каучука в ксилоле или бензоле, нужно опустить тонкую каучуковую трубку в пробирку с ксилолом за несколько дней до демонстрации опыта.

Получение и применение коллоидов. В вводной беседе на эту тему следует напомнить о том, что коллоидные частицы по своим размерам занимают промежуточное положение между молекулами и крупинками вещества, видимыми в микроскоп или невооруженным глазом. Тем самым подсказываются два пути получения коллоидов: измельчением крупных агрегатов вещества и конденсацией ионов или молекул. По. первому способу можно получить коллоидный раствор крахмала. Для этого нужно тщательно растереть в ступке крахмал с небольшим количеством воды и разбавить большим количеством воды и отфильтровать. В фильтрате будет коллоидный раствор.

По второму способу можно получить коллоидный раствор серебра. Сначала нужно приготовить раствор, содержащий 0,17 г нитрата серебра в литре. Затем к 50 мл этого раствора прибавить 5 капель свежеприготовленного однопроцентного раствора таннина и прокипятить. Получается красный золь серебра.

О роли коллоидов в природе и о техническом применении их учащиеся получат более или менее полное представление к концу курса химии, после изучения органических веществ. Теперь же можно ознакомить учащихся лишь с некоторыми явлениями в области неживой природы, для понимания которых особенно важно иметь сведения о коллоидах. Особо следует отметить роль коллоидной химии в развитии почвоведения. Для этого нужно отметить огромное значение коллоидов, находящихся в почве, в регулировании влажности почвы, а также поглощение коллоидами растворенных веществ, необходимых для питания растений. Можно сообщить о применении коагулянтов на городских водоочистительных станциях.

Силикатная промышленность

Урок о применении соединений кремния можно начать с истории. Еще доисторический человек применял кремень для изготовления своего примитивного охотничьего оружия и песчаник для устройства жилищ. Затем можно рассказать о возникновении керамических производств и стеклоделия. Для ознакомления с важнейшими отраслями современной силикатной промышленности следует рассказать о приготовлении стекла, о получении фарфора, глиняных изделий, кирпича, цемента.

При знакомстве с производством стекла важно фиксировать внимание учащихся на основных химических реакциях, идущих между важнейшими ингредиентами, входящими в состав стекла, и лишь кратко коснуться технологии этого производства, в частности механизации, непрерывности процесса производства оконного стекла и стеклянной посуды. Из проблем, над которыми работают современные химики, можно отметить приготовление стекла, обладающего большой механической прочностью, прозрачностью, малым коэффициентом расширения при нагревании. Это свойство важно потому, что изделия, изготовленные из такого стекла, выдерживают быстрое нагревание и охлаждение, что важно для изготовления химической посуды.

Серьезной проблемой стекольного производства является, отыскание такого заменителя соды, который не снижал бы качества продукции. Можно сказать несколько слов о том, как решается эта проблема в СССР, который богат сульфатом натрия - заменителем соды в производстве стекла. Следует также сказать несколько слов о работах советских ученых в области стеклоделия и, в частности, об опытах изготовления небьющихся стекол и замечательных строительных материалов из стекла (пеностекло).

В сообщении о цветных стеклах следует вспомнить о работах в этой области М. В. Ломоносова. В беседу о производстве фарфора нужно включить краткие сведения из истории русского фарфора, отметить выдающиеся заслуги отечественного ученого, ученика М. В. Ломоносова Д. И. Виноградова. Можно также сообщить об опытах применения электротока для отделения мелких коллоидных частиц каолина в производстве фарфора. Рассказывая о получении цемента, учитель указывает на работы советских химиков по изысканию вяжущих материалов, необходимых для строительства огромного количества жилых домов и фабричных зданий по всему СССР. Особенно важной задачей является изыскание способов использования местного сырья для изготовления цемента и строительных материалов. Наконец, нужно сказать несколько слов о новой отрасли силикатной промышленности, у которой ожидается большое будущее, - о каменном литье. В этой области объединились ученые физико-химики и петрографы для изыскания условий образования искусственных строительных камней, которые превосходили бы по своим качествам мрамор и гранит.

Следует отметить роль химии в развитии стеклоделия, керамики и производства вяжущих материалов. Для этого нужно обратить внимание учащихся на то, что гончарное производство, стеклоделие, изготовление кирпича известны с древних времен. Однако в течение тысячелетий эти производства находились почти на одном и том же техническом уровне. Объясняется это тем, что они не имели научной базы. Когда же химия развилась как наука и проникла в эту область, начался быстрый подъем и в этих производствах. Большое количество цементов, имеющих различные свойства и назначения, изобретено не случайно, а в результате углубленной научно-исследовательской работы.

В заключение нужно ознакомить учащихся с планом развития силикатной промышленности в СССР.