Учение о коллоидах приобрело в последнее время необычайную важность. Роль их в физико-химической технологии огромна, и индустрия коллоидов растет и захватывает все новые и новые области. Не менее велико значение коллоидов в медицине. Наконец, изучение коллоидов является одной из интереснейших глав физической науки, способной пролить свет на загадки строения материи.
Коллоиды получили свое название от свойства клейкости таких тел, как альбумин, желатин, камедь, крахмал. Основной признак этих тел долгое время трудно было точно установить. Коллоидальные вещества противополагались — и нередко еще ныне противополагаются — кристаллоидам: первые в твердом состоянии бесформенны (аморфны), тогда как последние состоят из кристаллов. Но еще ученый Грехем, предложивший это подразделение, сам признал лишь его относительную точность. Замечательные свойства коллоидов обнаруживаются в видимо жидком состоянии, при растворении в воде или другой растворяющей жидкости.
Жидкий коллоид характеризуется прежде всего неустойчивостью. При определенной температуре или под действием ничтожно малой примеси определенных веществ, например, кислоты, происходит сгущение и осаждение коллоида — отделение твердой или полутвердой массы от жидкости. Так, при согревании свертывается белок яйца. Твердый или полутвердый продукт сгущения коллоида называется "гель", коллоид в видимо жидком состоянии, это — "соль".
Является ли коллоид в видимо жидком состоянии — раствором в тесном смысле этого слова, подобно растворам минеральных солей? Если пропускать раствор минеральной соли через животную или растительную мембрану (перепонку), то растворенная соль проходит через последнюю, сколь бы ни ничтожны были ее поры. Напротив того, коллоид (в жидкостях) через обычную мембрану не проходит. Отсюда вытекает, что коллоид состоит из частиц настолько крупных, что для них мембрана непроницаема, вследствие малости пор. Коллоид-соль не есть раствор. Естественно заключить, что коллоид заключается в жидкости в виде тончайших частиц твердого вещества, не проходящих через решето еще более мелких пор перепонки.
В прозрачных коллоидальных жидкостях даже микроскопом невозможно отличить мельчайшие частицы, из которых составлен коллоид. Этим коллоиды отличаются от жидкостей, в которых рассеяны, в виде пыли, весьма малые частицы взвешенного вещества, видимые простым глазом или в микроскоп, — так называемые суспензии. Так, молоко состоит из весьма малых шариков жира, плавающих в водной жидкости. Следует допустить, что элементарные частицы коллоидальных жидкостей гораздо мельче пылеобразных частиц, наблюдаемых в "суспензиях".
В пользу подобного строения жидких коллоидов говорили еще два факта. Во-первых, коллоидальные растворы, даже кажущиеся наиболее прозрачными, никогда не представляются оптически пустыми: если пустить пучек света на подобную жидкость, то освещение внутри ее чуждо однородности, наблюдаемой в настоящих растворах. Во-вторых, свет, отражаемый коллоидом, поляризован, т.-е. свойства лучей этого света различны в различных направлениях. То же явление наблюдается и при освещении "суспензии" пучком света, если таковая состоит из рассеянных в жидкости весьма малых частиц, имеющих менее 0,0005 миллиметра в диаметре. Такую "суспензию" можно получить, взбалтывая, например, глину с водой и давая медленно осесть смеси.
В виду этих замечательных сходств, уже давно существовала гипотеза (предположение) о коллоидальных жидкостях как о растворах, в которых рассеяны необычайно малые частицы твердого вещества, педоступные микроскопу. Идея эта была высказана Фарадеем еще в 1857 году, потом Пиктоном и Линдером в 1892 г. В обыкновенном микроскопе можно видеть частицы размером лишь до 0,25 микрона (микрон — одна тысячная доля миллиметра). Размер молекул определяется порядком 0,0001 до 0,001 микрона. Гораздо большие элементы, чем молекула, напр., микробы, могут в огромном числе существовать в жидкости, не нарушая ее прозрачности.
Гипотеза эта блестяще подтвердилась после изобретения ультра-микроскопа, принцип которого заключается в том, чтобы наблюдать предмет, освещенный сбоку, на темном фоне в микроскопе. Многие коллоиды, напр., коллоидальное серебро, коллоидальная платина, железо-цианистая медь, были разрешены в микроскопе на мельчайшие частицы. Ряд других коллоидов не удалось еще разрешить; но вся совокупность данных не оставляет сомнения в том, что структура (строение) их не отличается от коллоидов первой категории.
Потом была изобретена Бехгольдом так называемая ультра-фильтрация, помощью которой частицы коллоидальных растворов могут быть отделены от растворяющей жидкости. Та же операция может быть произведена и помощью центрофугирования, т.-е. применением центробежной силы.
Элементарные частицы, из рассеяния которых в растворе образован коллоид, были названы мицеллами. Ультрамикроскоп не дает возможности судить о размерах мицелл, которые в нем представляются лишь светящимися точками, подобно звездам на небе. Но ультрамикроскоп дает возможность сосчитать число мицелл в определенном маленьком объеме жидкости. Зная вес коллоида и его плотность, можно тогда легко определить средние размеры мицеллы. Таким образом, было, например, найдено, что диаметр мицеллы коллоидального золота достигает 0,002 микрона, а коллоида сернистого мышьяка — 0,1 микрона. Интересно сравнить эти цифры с размерами некоторых элементарных химических и биологических единиц, как это сделал Сигмонди: диаметр красных кровяных шариков — 7.600 микромикронов (микромикрон = 0,001 микрона), длина бациллы карбункула — 700 микромикронов, молекула хлороформа — 8 микромикронов, ион водорода — 0,087 микромикрона.
Коллоидальное состояние вещества представляется некоторой фазою рассеяния материи, промежуточной между механическим рассеянием, или "суспензией", и молекулярным рассеянием или раствором в тесном смысле. Здесь имеет место не химическое изменение, а физическое состояние вещества — его мицеллярное рассеяние.
Во всяком простом химическом элементе молекула состоит из определенного числа тождественных атомов. В химическом соединении молекула состоит из определенного числа разнородных атомов двух или нескольких элементов, входящих в соединение. В растворах, или неопределенных химических соединениях, имеет место рассеяние, — притом в неопределенном, или переменном числе — молекул растворенного вещества среди молекул растворяющей жидкости, и потому пропорции двух составных частей раствора могут меняться. В коллоидах же происходит рассеяние среди молекул растворяющей жидкости не молекул растворенного вещества, а более крупных единиц вещества, мицелл. Мицеллу следует рассматривать, как аггрегат (собрание, группу) молекул подобно тому, как молекула есть объединение атомов.
Еще в 1848 г. Франческо Сельми, один из основателей теории коллоидов, определял последние, как ложные растворы (псевдо-растворы), имеющие лишь поверхностное сходство с истинными растворами.
Чтобы коллоид мог оставаться в состоянии видимого раствора, т.-е. в состоянии мицеллярного рассеяния, необходимо, чтобы были осуществлены некоторые условия коллоидального равновесия. Коллоидальное состояние вещества отличается неустойчивостью. Это значит, что коллоидальное равновесие легко нарушается теми или другими факторами, и структура мицеллярного рассеяния тогда видоизменяется. Так, при изменении температуры, либо под действием минимальных доз кислот или другие веществ, коллоид может сгущаться или свертываться (створаживаться). Происходит так называемая флокуляция мицелл (обращение в видимые твердые или полутвердые хлопья).
Отсюда вытекает огромное значение изучения коллоидов для понимания процессов жизни. Ткани организмов, мембраны, кровь образованы из коллоидов. В основе клеточки лежит мицелла. Живое вещество построено на мицеллярной основе. Жизнь есть лишь выражение некоторого коллоидального равновесия. Но равновесие зто неустойчиво. Когда оно нарушено, наступают болезни. Острое изменение в этом равновесии означает катастрофу. Когда, равновесие не может быть восстановлено, наступает смерть.
Каковы же условия коллоидального равновесия?
Прежде всего мицеллы находятся в беспрестанном движении внутри коллоидальной жидкости. Это — так называемое Броуново движение, получившее свое название от английского ботаника Броуна, открывшего его в 1827 году. Броун, наблюдая в микроскопе мелкие твердые частицы, рассеянные в жидкости, заметил что все они безостановочно движутся во всех направлениях, как муравьи в муравейнике, причем эти движения крайне неправильны и не подчинены, повидимому, никакому простому закону. Французский физик Гюи в 1880 году первый изучил систематически Броуново движение, которое он объяснил действием движущихся молекул жидкости на взвешенные в ней пылеобразные частицы. Согласно кинетической теории газов, молекулы газа находятся в беспрестанном движении, ударяются о стенки сосуда, в котором заключен газ, сталкиваются между собою (напр., одна молекула кислорода сталкивается с другими его молекулами 5 миллиардов раз в секунду), отскакивают друг от друга и т. д., причем механика всех этих движений имеет своим выражением закон Мариота и все физические законы газов. В подобном же движении находятся, как предполагают, и молекулы жидкостей, видимая неподвижность которых, согласно Ж. Перрэну, есть лишь иллюзия, проистекающая из несовершенства нашего зрения и в действительности соответствующая некоторому постоянному режиму бурного нестройного движения молекул. Движение молекул сообщается пылеобразным частицам, плавающим в жидкости, подобно тому, как волны океана производят качания плывущего на нем судна. Броуново движение — удел и рассеянных в жидкостях пылеобразных частиц материи, и всех коллоидальных растворов. Броуново движение было использовано Ж. Перрэном в его знаменитых опытах определения числа атомов в грамме вещества.
Другой фактор коллоидального равновесия, это — электризованность мицелл. Линдер и Пиктон открыли в 1892 году, что под действием электрического тока мицеллы коллоидов переносятся в одном из двух противоположных направлений—или к аноду, или к катоду. Перемещение мицелл в электрическом поле напоминает перемещение ионов (долей частиц) химических солей в растворе при разложении их гальваническим током, с тою разницей, что в движении мицелл в электрическом поле нет процесса химического разложения. Коллоиды бывают электро-положительные и электро-отрицательные, и от знака их электрического заряда зависит направление их перемещения — к аноду или катоду. Быстрота перемещения мицелл — того же порядка величины, что и быстрота перемещения ионов солей и кислот, разлагаемых гальваническим током, быть может, несколько меньше. Так как мицеллы заряжены, и в однородном коллоидальном растворе их заряды одинакового знака, то они отталкиваются друг от друга по электростатическому закону Кулона. Не играет ли некоторую роль эта сила отталкивания в Броуновом движении? По этому вопросу нет еще в настоящее время единогласия между физиками.
Коллоидальные жидкости, подобно обыкновенным растворам, подчинены закону действия осмотического давления. В растворах наблюдается, кроме гидростатического давления, еще давление растворенных частиц, которое и называется осмотическим давлением. В коллоидах мицеллы производят подобное же осмотическое давление. Оно зависит от числа мицелл и от их электрического состояния. Чем сильнее осмотическое давление в коллоиде, тем он устойчивее.
Устойчивость коллоида зависит также от поверхностного натяжения жидкости вокруг плавающих в ней мицелл. Внутри жидкости давление одинаково со всех сторон (см. "Н. и Т." № 5, 1925 года). Другое дело — на свободной проверхности жидкости или во всех местах, где есть твердые частицы. Тут нет симметрии действия со всех сторон, и здесь развивается поверхностное натяжение. Это поверхностное натяжение весьма сильно вследствие огромного числа мицелл и их большой совокупной поверхности, несмотря на малость каждой мицеллы. Так, если диаметр мицеллы равен одному микромикрону, то в половине куб. сантиметра имеется биллион триллионов мицелл, поверхность которых составляет 3.140 кв. метров. В коллоиде золота плотность металла в 20 раз больше плотности воды. Почему золото не осаждается? Из-за огромной поверхности мицелл, противящейся осаждению.
Согласно Сигмонди, коллоидальное золото, с содержанием 5 куб. см металла в литре жидкости, заключает около миллиарда мицелл, занимающих поверхность в 600 кв. см. Для того, чтобы произошла флокуляция, необходимо, чтобы поверхность эта уменьшилась. Этому способствует рост поверхностного натяжения. Но флокуляции противодействует сила электростатического отталкивания мицелл, с одной стороны, и липкость жидкой среды, с другой стороны. Соотношением этих различных факторов создается некоторое состояние коллоидального равновесия. Если это равновесие нарушается, то отталкивательные силы и задерживающие действия преодолеваются, и мицеллы собираются в одну массу: происходит сгущение, или флокуляция.
Подобное нарушение коллоидального равновесия может быть результатом введения в коллоид посторонних тел: кислот, растворов солей ("электролитов") и других коллоидов. Польский математик Мариан Смолуховский изучил возможные условия равновесия коллоидов при наличности Броуновского движения и при действии различных факторов, могущих видоизменить это равновесие. Смолуховский доказал, что при введении посторонних веществ меняется сфера притяжения между мицеллами, зависящая в свою очередь от электрического состояния каждой мицеллы. Когда, в силу Броуновского движения, мицелла проникает в эту сферу притяжения, она теряет свое движение и соединяется с другой мицеллой, — происходит сгущение. Видоизменение сфер мицеллярного притяжения зависит от концентрации посторонних веществ и производимого ими изменения электрического заряда. Так, если смешиваются коллоиды с электростатическими зарядами противоположных знаков, то весьма часто происходит сгущение.
Вычисления Смолуховского получили замечательное подтверждение в опытах Сигмонди. Между прочим, было доказано, что радиус сферы притяжения для коллодиального золота равен двойному или тройному радиусу мицеллы.
Изучение коллоидов позволило установить важное значение новой единицы вещества, мицеллы, играющей большую роль в построении материи. Знание мицеллы определяет новую фазу в понимании вещества. Наука проникла в тайну материи, спускаясь до мельчайших элементов, из которых она составлена, — до молекулы, до атома, до электрона и протона. Остановится ли она на пути искания бесконечно малого в основе вещества? Но, рядом с проникновением в секрет материи по нисходящей линии малости ее единиц, теперь имеет место движение и в обратном направлении — уразумение свойств вещества в восходящей линии его элементарных единиц, а именно мицелл — этих совокупностей молекул, доступных уже ультра-микроскопу.
Что в данном движении замечательно — это общая точка опоры для физической науки и биологии. Мицелла принадлежит не только "мертвой" материи, но и живому веществу. Прежде наука о жизни останавливалась на клеточке, как последней организованной единице вещества организма; дальше начиналась, повидимому, область химии, физики и механики. Теперь биология в изучении коллоидов, образующих живую материю, оперирует уже над мицеллами. Перекинут мост между живой материей и "мертвым" веществом. Никто иной, как биолог Нэгели, после Грехема, ввел в науку самый термин мицеллы, дал чисто механическую теорию коллоидального состояния вещества и поставил ее в основу понимания биологических процессов.
Известный специалист по теории и практике коллоидов Копачевский составил инвентарь многочисленных применений теории коллоидов в биологической науке.
Жизнь клеточки выражается о ряде коллоидальных процессов. Содержимое в клеточке, протоплазма, образовано из коллоидальных веществ. Оболочка клеточки состоит, во-первых, из целлуозной мембраны (коллоидальный гель) и, во-вторых, из периферической мембраны, образованной из сгущенной протоплазмы. Первая мембрана проницаема для воды и для растворов-электролитов, вторая проницаема только для воды. Жизненные функции глоточки объясняются разбуханием и сжиманием коллоидов.
Форма и структура живых организмов были воспроизведены искусственно некоторыми исследователями, отчасти в коллоидальных веществах, помощью чисто физических и химических процессов.
Явление роста организмов находит свое объяснение в процессах разбухания и опадения коллоидальных гелей при поглощении ими воды или потере ее. Были сделаны попытки объяснить процесс роста растений ионизацией, стало быть, изменением электрического состояния коллоидов плазмы и переходом последней из состояния геля в состояние соли, т.-е. из сгущенного коллоидального состояния в состояние коллоидального раствора.
Самое движение организмов ныне пытаются объяснить действием электрических зарядов коллоидов в их веществе, а также свойствами поверхностного натяжения, изменения которого обязаны, в свою очередь, действию электричества и другим факторам.
Установлено сходство между коллоидальными реакциями и явлением оплодотворения. Первый видимый признак оплодотворения яйца состоит в образовании астр. Это явление соответствует сгущению коллоида протоплазмы, переходу его из состояния соли в состояние геля, что, повидимому, подтверждается прямым ультра-микроскопическим наблюдением. В коллоидальных смесях было произведено искусственное образование астр путем сгущения.
Но наиболее плодотворное поприще для своих применений теория коллоидов нашла в физиологии и медицине. Многочисленные болезни находят объяснение в нарушении коллоидального равновесия. Проблема старости и смерти получает новое освещение под углом зрения коллоидального строения вещества. Но теория коллоидов не только дает объяснение, не только ставит диагноз, но и указывает на средства лечения недугов и борьбы с губительным злом.