Если вы не химик, то какова вероятность, что вы знаете, что такое коллоидная химия? Думаю, что она мала. И не только потому, что коллоидную химию проходят на последних курсах химического факультета, а еще и потому, что в коллоидной химии примерно 80% физики. Получается нечто весьма интересное и весьма сложное.
Но вы удивитесь, как много объектов коллоидной химии мы встречаем в обычной жизни: туман, частицы пыли от горящего костра, крем для лица, и даже молоко.
Так что же это за химия такая, причем тут драгоценные камни, и как она объясняет изменение цвета неба? Для начала введем пару понятий.
Основная терминология
Дисперсная система - это когда частички одной фазы распределены по другой фазе, но при этом они не смешиваются. Под фазами мы понимаем твердое, жидкое и газообразное - всего три фазы.
Например, туман - это частички воды, которые распределены в воздухе. При этом воздух с водой не смешивается, и мы можем четко видеть границу раздела фаз - это поверхность каждой капельки воды.
Таких систем много, и они по-разному называются, в зависимости от того насколько большие в них частички, и какие фазы образуют систему. Вы наверняка слышали названия "эмульсия", "суспензия", "гель". Так же в качестве синонима словосочетания "коллоидная система" употребляют понятие "золь". В нашем случае с туманом - это аэрозоль.
Системы с мелкими частичками называются мелкодисперсными, а с крупными - грубодисперсными.
Маленькие частички так же называют "коллоидами", откуда и пошло название химии.
В данном случае принципиально важно понимать следующее: в отличие от привычных нам растворов, которые называют "истинными", и в которых находятся оооочень маленькие частички, в коллоидных растворах частицы намного больше. И от этого у коллоидных растворов появляются интересные физические свойства.
Особые свойства коллоидных растворов
Во всех грубодисперсных системах наблюдается светорассеяние. И объяснение этого явления очевидно: свет отражается от крупных частиц. То есть каким светом посветили (облучили), такой и отразился.
А как понять, каким именно светом посветили? Давайте вспомним, что свет - это волна, и проще всего отличать волны друг от друга по их длине. Если мы говорим про видимый свет, то длинные волны - это красные и оранжевые, а короткие - это синие и фиолетовые. Не знаю как у вас, а у меня это - любимая тема по физике в школе была. Потому что это не физика, а детский сад какой-то, и можно безнаказанно рисовать радуги на уроке). То есть договорились: если мы посветили синей волной (короткой), то и отразилась обратно такая же синяя короткая.
А что в мелкодисперсных системах? А тут свет не отражается обратно от частицы, он ее огибает. То есть лучик светил себе прямо, увидел частицу, и решил свернуть - обогнуть ее. Куда он пойдет потом? Правильно, фиг его знает. Таким образом каждый луч после того, как наткнется на частицу, меняет направление - свет рассеивается. если интересно узнать подробнее - почитайте про дифракцию света. Такой раствор в лучах света начинает опалесцировать (светиться). В результате можно видеть путь луча, представляющий собой светящийся конус - это называется эффектом Тиндаля.
Кстати, надо упомянуть, что эффект рассеяния уменьшается по мере изменения спектральной окраски луча от фиолетово-синей к желто-красной части спектра. То есть проще говоря, короткие волны рассеиваются хорошо, а длинные - плохо.
Если мы посветим на золь синим или фиолетовым светом, то он очень сильно рассеется. Именно поэтому все маскировочные огни делают синими, в тумане их совершенно не видно. А если посветим красным, то он почти не рассеется. И поэтому все важные сигнальные огни, стоп-сигналы, противотуманные фары - все это красных и оранжевых цветов, чтобы было видно в дождь и туман.
Если же пропустить через мутную среду белый солнечный свет, который содержит полный цветовой спектр, то свет в синей части спектра частично рассеется, а интенсивность зелено-желто красной части света останется практически прежней. Поэтому, если смотреть на рассеянный свет после прохождения им замутненной среды в стороне от источника света, он покажется нам синее, чем исходный свет - мы увидим все, что рассеялось. Если же смотреть на источник света вдоль линии рассеяния, то есть через замутненную среду, источник покажется нам краснее, чем он есть на самом деле, ведь все синее рассеется в стороны, а у нас в поле зрения останется красное. Именно поэтому дымка от лесных пожаров, например, кажется нам голубовато-фиолетовой.
А цвет неба тут причем?
А притом, что наша атмосфера - это тоже коллоидная система. Думаю, никому не надо рассказывать о том, сколько всякого в воздухе летает, про загрязнение все мы слышим каждый день. То есть в воздухе есть частицы пыли, капли воды, продукты сгорания мусора, и еще бог знает что. Все эти мелкие частички работают в воздухе точно так же, как в водных растворах - свет от солнышка, попадая на них, рассеивается. А мы выяснили, что рассеиваются преимущественно синие волны. Вот мы и видим синий цвет.
Более того, хотите пошутить над бабушками, которые говорят, что раньше трава была зеленее и небо - голубее? Сейчас покажу как:
Это уравнение Рэлея. Как мы видим, слева I - интенсивность рассеянного света, то есть "насколько небо голубое". А справа выражение, в которое входит v - число частиц в единице объема. И эта величина прямо пропорциональна интенсивности. То есть чем больше частиц, тем интенсивнее рассеянный свет. То есть чем больше развивается человечество и чем больше в воздухе пыли и других частиц - тем более голубым будет для нас небо) Ну до тех пор пока его будет видно за кучей мусора в воздухе конечно.
А витражи средневековые тут причем?
Понятно, что в наше время доступна любая краска любого цвета. Но средние века - дело темное, и достать разные краски было не так то просто. А если нужно, чтобы краска держалась не на бумаге, а на стекле - еще сложнее получается.
Пигменты, используемые в процессе окраски, могли быть получены из металлов, чаще всего серебра. И использовались потому, что частички металлов, находясь в воде, могли образовывать золи, а как мы помним, у золей весьма любопытные оптические свойства.
Золи металлических частиц способны не только рассеивать свет, но еще и поглощать его. Причем поглощаться будет не весь свет без разбору: чем мельче частицы золя, тем короче волны им нравятся. То есть мелкодисперсные золи поглощают синие волны, а крупнодисперсные - красные. При этом не путаемся, и не думаем, что если золь поглотил красные волны, мы его увидим как красный - наоборот, именно красный мы не увидим, его ж поглотили! Мы увидим "дополнительный" к поглощенному цвет, например для синего это будет желтый.
Так же поглощение зависит и от самого металла - разным металлам нравятся разные волны. То есть что у нас получается: мы видим рассеянный свет, который отразился от частиц. Но при этом не весь свет отразился, что-то поглотилось, и мы еще и дополнительный цвет видим. Вот это все смешивается как на палитре, и в результате окраска золей - очень разнообразна, от абсолютно, плотно белого, до непроницаемо-черного, включая все цвета радуги. И для того, чтобы получить новый цвет, надо попробовать новый металл или новый размер частиц металла.
Металлы измельчали в порошки разной степени помола - от вполне крупных частиц до пыли. Размешивали все это в воде и получали цветные растворчики. Например, золь золота с частичками 20 нм - кроваво-красный (так как поглощает зеленые волны), а с частицами 50 нм - небесно-голубой. Забавно выходит, что вроде как растворы золота, а цвет - нифига не золотой.
У меня лично возникает вопрос, как до этого додумались средневековые мастера. И как они умудрядись так мелко дробить металл. Но это вопросы уже не к химикам и не к физикам.
С помощью кистей или других инструментов пигменты на основе золя наносили на поверхность стекла и обжигали в печи при высоких температурах. Этот процесс помогал закрепить пигменты на стекле, сделав их прочными и устойчивыми к выцветанию или отслаиванию с течением времени. Собственно, тут и кроется ответ на вопрос: а чего им было не использовать обычные краски того времени? А вот того, что они бы не выдержали ни обжига, ни сотни лет под дождями и морозами в витраже. Кстати, стоит отметить, что краски на основе золей металлов по своей интенсивности в сотни раз превосходят многие современные пигменты, и потому до сих пор применяются!
Драгоценные камни
Наконец, моя любимая часть) Окраску драгоценных камней можно объяснить с точки зрения коллоидной химии, в частности, взаимодействием света с коллоидными частицами, присутствующими в структуре драгоценного камня.
Думаю, вы все знаете, что цвет драгоценных камней определяется примесями. Например, изумруд: мы привыкли, что это зеленый камень. И чаще всего так и есть, это минерал берилл с примесью хрома, которая делает его зеленым. Но что, если берилл оставить, а примесь поменять?
Тогда мы получим голубой изумруд с примесями ванадия и хрома, желтый изумруд с примесью железа, синий изумруд (опять с ванадием), и наконец самый редкий - красный изумруд, опять же с ванадием. Уже не удивляемся, что один ванадий дает такое разнообразие цветов, помним, что золи одного только золота могут дать три разных цвета.
А теперь думаем, как связаны примеси и коллоидная химия? Правильно, драгоценный камень - это тоже коллоидный раствор, только твердый. То есть коллоидные частички - это примеси, и они распределены по коллоидной среде - кристаллической решетке минерала.
Когда свет взаимодействует с коллоидными частицами в драгоценном камне, он может подвергаться процессам рассеяния и поглощения, которые мы уже обсуждали: коллоидные частицы примесей в драгоценном камне могут рассеивать свет в определенных направлениях и на определенных длинах волн и давать специфический цвет, совсем как в золях для средневековых красок.
Причем в золях сложность составляли только размер частички металла и собственно вид металла. А тут у нас может быть разная кристаллическая решетка, разная форма частичек, разное все) И естественно, чтобы объяснить цвет камня в формулах и цифрах надо ооочень постараться. Но на качественном уровне вы теперь знаете, почему ваши рубины красные а сапфиры синие.
