Химический факультет МГУ и его кафедры (история и современное состояние)

Профессор Б.Д.Сумм

Вопросы коллоидной химии должно считать передовыми и могущими иметь значение во всей физике и химии.
Д.И.Менделеев. "Основы химии". 1871 г.

Коллоидная химия возникла в середине Х1Х века. В 1861 г. известный английский химик Т. Грэм изучал диффузию различных веществ в водных растворах. Он обнаружил, что некоторые вещества (желатин, агар-агар и т.п.) диффундируют в воде во много раз медленнее, чем, например, соли и кислоты. Кроме того, эти вещества при пересыщении растворов не кристаллизовались, а формировали студнеобразную клейкую массу. По-древнегречески клей называется "колла", и эти "особые" вещества Грэм назвал "коллоидами". Так появилось название науки - коллоидная химия.

На основе своих опытов Грэм выдвинул весьма смелую гипотезу о существовании в природе двух диаметрально противоположных классов химических веществ - "кристаллоидов" и "коллоидов". Эта идея вызвала большой интерес многих ученых, и во второй половине Х1Х века коллоидная химия стала развиваться очень быстро и плодотворно, причем основное внимание уделялось именно химическим аспектам. В эти годы были открыты многие вещества с типично коллоидными свойствами. Вместе с тем были разработаны различные методы очистки и стабилизации коллоидов (неорганических, органических и белковых веществ), созданы оригинальные и высокочувствительные методы исследования коллоидов для измерения размеров дисперсных частиц, поверхностного натяжения чистых жидкостей и растворов, скорости электрофореза и ряда других параметров коллоидных систем.

Однако по мере открытия все новых коллоидных систем гипотеза Грэма утрачивала свою привлекательность. На смену ей пришла концеп-ция универсальности коллоидного (дисперсного) состояния вещества. Решающую роль в ее утверждении сыграли экспериментальные работы профессора Санкт-Петербургского горного института П.П. Веймарна (1906 - 1910). На множестве примеров он показал, что даже типичные коллоиды (например, желатин) можно выделить в кристаллическом виде и, напротив, из "кристаллоидных" веществ можно приготовить коллоид-ный раствор (например, поваренной соли в бензоле). На основании этих результатов Веймарн выдвинул следующее положение: "Коллоидное состояние не является обусловленным какими-либо особенностями состава вещества; наоборот, было доказано, что о коллоидах можно говорить как о твердых, жидких, газообразных, растворимых и нерастворимых веществах. При определенных условиях каждое вещество может быть в коллоидном состоянии".

Концепция универсальности значительно расширила область объектов коллоидной химии и оказала значительное влияние на ее развитие. На первый план было выдвинуто понятие дисперсного состояния вещества и как результат - осознание важнейшей роли поверхностных явлений. Веймарн считал необходимым вообще отказаться от термина "коллоид" и заменить его на понятие "дисперсоид", а коллоид-ную химию переименовать в дисперсоидологию - "науку о свойствах поверхностей и процессах, на них совершающихся". Это определение очень близко к современной трактовке коллоидной химии как науки о дисперсном состоянии веществ с определяющим влиянием поверхностных явлений.

С утверждением концепции универсальности произошло сущест-венное смещение приоритетов коллоидной химии. Главным направлением стало изучение дисперсного (коллоидного) состояния веществ. Для этого необходимо было выяснить, какие свойства достаточно полно и объективно характеризуют это состояние. В начале ХХ века эта проблема представлялась очень сложной. Не случайно В. Оствальд, один из первых коллоидников, называл коллоидную химию "миром неопознанных величин". Примерно к 20-м гг. стало ясно, что фундаментальные проблемы коллоидной химии в новом понимании ее содержания можно условно разделить на три группы:

1. Состав, строение и свойства коллоидных частиц.
2. Взаимодействие частиц с дисперсной средой (главным образом, с жидкостями).
3. Контактные взаимодействия частиц друг с другом, приводящие к образованию коллоидных структур.

Новизна и оригинальность проблем коллоидной химии, открытие совершенно новых путей проникновения в мир молекулярных явлений на основе макроскопических исследований привлекли к новой науке многих крупнейших ученых. Вполне закономерно поэтому, что этот период коллоидной химии оказался чрезвычайно плодотворным. За работы по коллоидной химии стали лауреатами Нобелевской премии Р.Зигмонди (1925 г.) - "за установление гетерогенной природы коллоидных растворов и за разработанные в этой связи методы, имеющие фундаментальное значение в современной коллоидной химии"; Ж.Перрен (1926 г.) - "за работу по дискретной природе материи и в особенности за открытие седиментационного равновесия"; Т.Сведберг (1926 г.) - "за работы в области дисперсных систем" (прежде всего за использование ультрацент-рифуги для дисперсионного анализа); И.Ленгмюр (1932 г.) - "за открытия и исследования в области химии поверхностных явлений". Эти успехи коллоидной химии привели к тому, что во многих университетах и технологических институтах Европы создаются кафедры коллоидной химии.

В России коллоидной химии большое внимание уделялось еще во 2-ой половине Х1Х века, во многом - под влиянием Д.И. Менделеева. Исследования температурной зависимости поверхностного натяжения органических жидкостей (1861 г.) привели Менделеева к открытию фунда-ментального понятия критической температуры веществ. Менделеев высказал также идею о глубокой связи между поверхностным натяжением и другими свойствами вещества. В связи с этим он еще в начале своей деятельности сформулировал следующую программу работ в этом направлении: "Главная цель предпринятых мной исследований над капил-лярностью и удельным весом жидкостей составляет собрание материалов, необходимых для молекулярной механики. Для успехов этой науки необ-ходимо иметь следующие точные данные. 1) Вес частицы. 2) Удельный вес. 3) Сцепление, определяемое волосными (т.е. капиллярными - Б.С.) явлениями, может служить к пониманию некоторых физических и химических явлений".

В начале ХХ века уровень коллоидной химии в России отвечал самым высоким стандартам. Уже упоминалось выше фундаментальное открытие П.П. Веймарна об универсальности дисперсного состояния вещества. Этот критерий быстро получил мировое признание.

В 1913 г. была защищена первая в России магистерская диссер-тация по коллоидной химии. Ее автор А.В. Думанский стал впоследствии одним из крупнейших организаторов коллоиднохимических исследований в СССР.

Таким образом, к началу 30-х годов в СССР были созданы все необходимые предпосылки для преподавания коллоидной химии в высшей школе.

Кафедра коллоидной химии химического факультета МГУ была создана в феврале 1933 г. Надо особо отметить, что в Московском университете еще задолго до этого было выполнено несколько замеча-тельных исследований, вошедших в золотой фонд коллоидной химии (хотя они были проведены задолго до ее "официального" формирования). Назовем только две работы. В 1808 г. профессор Ф.Ф. Рейсс открыл электрокинетические явления в дисперсных системах - электроосмос и электрофорез. В 1851 г. профессор А.Ю. Давидов опубликовал капиталь-ную монографию "Теория капиллярных явлений". В начале 20-х гг. ХХ века в МГУ началось изучение различных поверхностных явлений, и в 1922 г. профессор А.И. Бачинский предложил прекрасную корреляцию поверхностного натяжения с разностью плотностей граничащих фаз. Таким образом, в Университете были хорошие предпосылки для препо-давания коллоидной химии, и уже в 1923 г. профессор В.А. Наумов начал читать на химическом отделении Университета курс коллоидной химии. В.А. Наумов стал первым заведующим кафедрой коллоидной химии. Он же был автором первого университетского учебника по коллоидной химии.

В 1938 г. кафедру коллоидной химии возглавил член-корреспон-дент Академии наук СССР А.И. Рабинович, крупный ученый в области устойчивости коллоидных систем. В предвоенные годы сотрудники кафедры создали прекрасный практикум. Вошедшие в него лабораторные работы охватывали практически все важнейшие разделы коллоидной химии того периода. Доцент И.Н. Путилова написала "Руководство к практическим занятиям по коллоидной химии" (издано в 1943 г.), которое многие годы было важнейшим учебным пособием не только в Московском университете, но и во всех других университетах и инсти-тутах., где изучалась коллоидная химия. В значительной мере именно в этот период был заложен фундамент университетской коллоидной химии.

В 1942 г. заведующим кафедрой коллоидной химии стал член-корреспондент Академии наук СССР П.А. Ребиндер (с 1946 г. - академик); он руководил кафедрой до 1972 г. В этот период были созданы основные преподавательские и научные принципы кафедры. Ребиндер был блестящим лектором. Он до последнего года своей жизни читал общий курс коллоидной химии на химическом факультете. Кроме того, он регулярно читал циклы лекций по наиболее важным проблемам коллоид-ной химии; эти лекции собирали огромную аудиторию студентов, аспирантов, научных работников, преподавателей. После переезда МГУ на Воробьевы горы (1953 г.) завершилось построение общего практикума (доценты К.А. Поспелова и Б.Я. Ямпольский). П.А. Ребиндер был одним из крупнейших химиков-коллоидников. Именно он выдвинул на первый план значение поверхостных явлений в дисперсных (коллоидных) систе-мах, что сыграло исключительно важную роль в развитии коллоидной химии в ХХ веке.

Другая фундаментальная идея Ребиндера - использование поверхностно-активных веществ для тонкого регулирования коллоидно-химических свойств разнообразных систем - эмульсий, пен, гелей и других.

П.А. Ребиндер открыл новое явление, которое он назвал адсорб-ционным понижением прочности (сейчас общепринято название "эффект Ребиндера"). В приоритетном докладе на VI съезде русских физиков в 1928 г. П.А. Ребиндер следующим образом сформулировал суть идеи: "Автор задался целью изучить влияние поверхностной энергии кристалла на его механические свойства, понижая поверхностное натяжение грани введением в окружающую среду поверхностно-активных веществ, образующих гиббс-ленгмюровские слои. Минимальное усилие для раско-ла кристалла по спайности уменьшается от прибавки к воде, смачивающей грань, ничтожных количеств ПАВ в 3, 4 и большее число раз".

Ребиндер привел достаточно весомые доказательства именно адсорбционной природы понижения прочности кристаллов. Тем не менее многие ученые сочли эту идею принципиально ошибочной. С резкой критикой выступил, например, академик А.Ф. Иоффе. Оппоненты полагали, что адсорбция может влиять на прочность только тончайшего поверхностного слоя твердого тела, но никак не в состоянии влиять на механические свойства глубинных слоев кристалла. Ответы на эти возражения были получены после многолетних исследований Ребиндера и его сотрудников. Один из итогов этих исследований - создание нового научного направления, которое Ребиндер назвал физико-химической механикой твердых тел и дисперсных систем.

Глубокие идеи Ребиндера оказали решающее влияние на форми-рование научной тематики кафедры коллоидной химии МГУ. В связи со 100-летием со дня рождения академика П.А.Ребиндера (3 октября 1898 г.), можно с чувством глубокой признательности вспоминать о его основополагающем вкладе (научном, педагогическом, человеческом) в создание современной научной школы коллоидной химии и физико-химической механики.

С 1973 г. по 1994 г. кафедру коллоидной химии возглавлял академик Российской академии образования (РАО), профессор Е.Д. Щукин. Под его руководством была проведена большая работа по совершенствованию преподавания коллоидной химии. Лекционный курс Е.Д. Щукина стал основой учебника "Коллоидная химия" (авторы - Е.Д. Щукин, А.В. Перцов, Е.А. Амелина; 1-ое издание - 1982 г., 2-ое издание - 1992 г.). Успешно развивались в этот период и научные исследования. Наиболее важные направления работ, начатых в те годы, и поныне составляют важную часть научной деятельности кафедры. В 1998 г. исследования проф. Е.Д. Щукина были отмечены премией имени академика П.А. Ребиндера Российской академии наук. С 1995 г. кафедрой заведует профессор Б.Д. Сумм.

В настоящее время в состав кафедры входят: лаборатория физико-химической механики (зав. лабораторией - доктор химических наук А.В. Перцов) и лаборатория коллоидной химии (зав. лабораторией - профессор Б.Д. Сумм). Общее число сотрудников 32 (6 докторов, 17 кандидатов).

Основное направление лаборатории физико-химической механики - изучение эффекта Ребиндера. Один из главных результатов - доказана универсальность этого эффекта, т.е. возможность его проявления на твердых телах любой химической природы - металлах, ионных и молекулярных кристаллах, полимерах. Для металлов эффективными пони-зителями прочности являются определенные металлические расплавы, для ионных кристаллов - расплавы солей и вода, для полимеров - органические жидкости. Эти исследования были признаны в 1964 г. научным открытием: "Явление адсорбционного понижения прочности металлов под действием металлических расплавов", среди авторов этого открытия - сотрудники кафедры коллоидной химии (П.А. Ребиндер, Е.Д. Щукин, Ю.В. Горюнов, Н.В. Перцов).

Приведем характерный пример эффекта Ребиндера. Цинк - очень прочный и пластичный металл (при комнатной температуре и выше). Цинковую пластинку толщиной 1,5 - 2 мм можно с большим усилием согнуть, но не сломать. Однако, если на такую же пластину, на ее середину нанести небольшую (несколько мг) каплю ртути или галлия, то уже при небольшом изгибе под каплей образуется трещина, которая постепенно растет в длину и приводит в конечном итоге к разделению пластины на две части. Таким образом, ртуть или жидкий галлий делают цинк хрупким. Это - одно из ярких проявлений эффекта Ребиндера.

В лаборатории физико-химической механики изучаются различ-ные механизмы эффекта Ребиндера и влияние различных факторов (температуры, структурных дефектов и др.) на зарождение и развитие трещин. Значительные успехи достигнуты в использовании физико-химической механики в практических целях. Приведем лишь один пример. В лаборатории был разработан эффективный принцип обработки сверхпрочных материалов. Суть его заключается в том, что в инструмент (шлифовальный круг) вводятся определенные присадки, которые во время обработки плавятся и вызывают снижение прочности шлифуемого материала. Результат: значительное улучшение качества поверхности и снижение энергетических затрат. Этот цикл исследований был отмечен в 1972 г. Ломоносовской премией.

Другое перспективное направление этой лаборатории посвящено проявлению эффекта Ребиндера в геологических системах. Было установ-лено, что многие процессы разрушения горных пород протекают при активном физико-химическом действии различных жидкостей (вода, магма). Эти работы создали оригинальное направление на границе химии и геологии - физико-химическую геомеханику. Здесь также получены важные практические приложения. Они были использованы, например, для решения некоторых задач сверхглубокого бурения.

Назовем еще одно новое направление этой лаборатории. В начале 80-х годов профессор Н.В. Перцов открыл новое явление "избирательное агрегирование микроорганизмов с дисперсными металлами". Суть его в том, что определенные микроорганизмы избирательно "реагируют" на мельчайшие твердые частицы, взвешенные в водной среде: притягивают их к себе и образуют сравнительно крупные агрегаты. Этот принцип позволил создать совершенно новую биотехнологию извлечения мелких частиц (золота, серебра и некоторых других веществ), которые при обычной технологии терялись. Эти исследования были признаны в 1983 г. научным открытием, а в 1995 г. отмечены присуждением премии имени П.А. Ребиндера Российской академии наук.

Тематика лаборатории коллоидной химии также в значительной мере связана с развитием идей академика П.А. Ребиндера.

Одно из основных направлений - коллоидная химия белковых систем (профессор В.Н. Измайлова) Это направление находится на границе с несколькими разделами биологии и медицины. Здесь получены фундаментальные результаты в понимании процессов формирования белковых коллоидных структур. Принципы коллоидной химии белков успешно используются, например, для охраны окружающей среды - разработана весьма эффективная технология очистки воды от белковых загрязнений. Новые приложения используются и в медицине (подбор гемосовместимых материалов, диагностика некоторых заболеваний).

Другой традиционный объект коллоидной химии - растворы поверхностно-активных веществ (ПАВ). Здесь успешно развиваются исследования мицелл - агрегатов ПАВ. Мицеллы обладают рядом замечательных свойств, например, способностью аккумулировать внутри них значительные количества органических веществ. Этот эффект называется солюбилизацией (коллоидным растворением).

В последние 10- 15 лет в коллоидной химии лавинообразно развиваются исследования нового класса систем - микроэмульсий. В этих системах микрокапли (десятки нм) органических жидкостей устойчиво существуют в воде. Устойчивость достигается за счет чрезвычайно резкого снижения поверхностного натяжения на границе капля - вода (до 0.01 - 0.001 мН/м). В свою очередь этот эффект достигается с помощью специальных композиций ПАВ. Микроэмульсии способны коллоидно растворить до 40- 45% органики в воде. Профессор В.Н. Матвеенко разработал эффективную технологию повышения добычи нефти с помощью соответствующих микроэмульсий и ввел новую современную тему - коллоидные свойства жидкокристаллических систем.

Зав.лаб. А.В. Перцов и профессор Е.Д. Щукин внесли решающий вклад в теорию одного из основных коллоидно-химических явлений - самопроизвольного диспергирования.

Одно из приоритетных направлений лаборатории коллоидной химии - закономерности образования коллоидных структур. Оно имеет большое теоретическое и прикладное значение, будучи физико-химической основой твердения цемента и других минеральных вяжущих веществ. Значительный прогресс был достигнут здесь благодаря разра-ботке уникальной методики, позволившей измерять с высокой точностью силы сцепления между индивидуальными дисперсными частицами. Эти исследования стали основой теории прочности пористых сред и коллоидных структур.

Ряд принципиальных результатов получен при исследовании влияния адсорбции ПАВ на механические свойства коллоидных структур и различных материалов. Например, были разработаны методы улучшения бурения определенных горных пород.

Оригинальные результаты получены при изучении кинетических закономерностей смачивания. Развиты также новые представления о механизме влияния ПАВ на смачивание. Среди последних результатов отметим эффект концентрирования ПАВ в смачивающих менисках; благо-даря этому эффекту можно обнаруживать ничтожно малые (до 10^-9 М) концентрации некоторых ПАВ в водных растворах.

Педагогическая работа кафедры весьма многообразна.

Общие курсы коллоидной химии читаются на 4-х факультетах МГУ - химическом, биологическом, почвенном и геологическом.

На химическом факультете в соответствии с учебным планом читаются отдельные общие курсы в специализированных группах (409 - 413). Студенты выполняют общий практикум по коллоидной химии. Дипломники кафедры слушают также несколько специальных курсов. Отметим среди них уникальный курс "Физико-химическая механика" (профессор Е.Д. Щукин) и коллективный трехсеместровый курс "Современные проблемы коллоидной химии". Этот курс постоянно обновляется и включает наиболее важные достижения и идеи современной коллоидной химии. Дипломники выполняют также специальный практи-кум, все задачи которого созданы на кафедре.

На кафедре всегда уделялось большое внимание подготовке дипломников. Они, как правило, достаточно быстро включаются в научную работу соответствующей группы. Некоторые дипломные работы выполняются в сотрудничестве с ведущими лабораториями институтов РАН (институт физической химии) и отраслевых научных институтов (например, с институтом нефти). Организован и систематический обмен студентами с одним из университетов Франции.

Кафедра имеет грант поддержки ведущих научных школ РФ (по физико-химической механике), участвует в интеграционной программе "Нанохимия" совместно с кафедрами физической химии и электрохимии и Институтом физической химии РАН.

Монографии сотрудников кафедры коллоидной химии

П.А.Ребиндер. Избранные труды. Поверхностные явления в дисперсных системах. М.: Наука, т. 1. Коллоидная химия, 1978. т. 2. Физико-химическая механика, 1979.

В.Н.Измайлова, П.А.Ребиндер. Структурообразование в белковых системах. М.: Химия, 1976.

В.В.Яминский, В.А.Пчелин, Е.А.Амелина, Е.Д.Щукин. Коагуляционные контакты в дисперсных системах. М.: Химия, 1982.

В.Н.Измайлова, Г.П.Ямпольская, Б.Д.Сумм. Поверхностные явления в белковых системах. М.: Химия, 1988.

Ю.В.Горюнов,Н.В.Перцов, Б.Д.Сумм. Эффект Ребиндера. М.: Наука, 1966.

Б.Д.Сумм, Ю.В.Горюнов. Физико-химические основы смачивания и растекания. М.: Химия, 1976.

В.Н.Матвеенко, Е.А.Кирсанов. Поверхностные явления в жидких кристаллах. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1991.

[ Химический факультет МГУ и его кафедры (история и современное состояние) ]