profil

Roztwory koloidalne

poleca 84% 373 głosów

Treść
Grafika
Filmy
Komentarze

Roztwory koloidalne
Podział koloidów
Koloidy (zole) są to układy o dużym stopniu rozdrobnienia. Są stanem pośrednim pomiędzy roztworami rzeczywistymi, które są układami fizycznie jednorodnymi o rozdrobnieniu cząsteczkowym a zawiesinami i mieszaninami niejednorodnymi.
Pojęcie koloidu do chemii po raz pierwszy wprowadził Graham, dla określenia substancji o właściwościach zbliżonych do kleju.
Do koloidów należą zarówno:
? układy fizycznie jednorodne
? roztwory substancji wielkocząsteczkowych
? układy fizycznie niejednorodne o dużym stopniu rozdrobnienia - koloidy fazowe.
Część układu tworzącą fazę ciągłą stanowi ośrodek dyspersyjny (rozpraszający), a drugą stanowi fazę zdyspergowaną (rozproszoną). Cząstki fazy rozproszonej dla koloidów mają rozmiary od 1nm do 100nm, czyli od 10-7 do 10-5 cm.
Cząstki fazy rozproszonej mogą mieć kształty blaszkowate, nitkowate oraz kuliste.
Wyróżnia się układy monodyspersyjne - koloidy w których cząstki fazy rozproszonej mają jednakową wielkość, oraz - polidyspersyjne, w których cząstki mają różne wymiary. W zależności od wartości dyspergowania koloidy dzieli się na:
? koloidy asocjacyjne - układy w których substancja rozproszona samorzutnie przechodzi w stan koloidalny.
? koloidy dyspersyjne - układy, w których substancję rozproszoną otrzymuje się przez wymuszone rozdrobnienie.
W zależności od powinowactwa do rozpuszczalnika, koloidy dzieli się na:
? koloidy liofilowe (hydrofilowy dla układów, gdzie ośrodkiem rozpraszającym jest woda) mające duże powinowactwo do rozpuszczalnika, dzięki czemu cząstki koloidalne otaczają się cząsteczkami rozpuszczalnika, co nadaje im trwałość.
? koloidy liofobowe (hydrofobowe) posiadające małe powinowactwo do rozpuszczalnika i na swojej powierzchni gromadzące ładunek elektryczny
Podział koloidów ze względu na stan skupienia
Ośrodek rozpraszający Substancja rozproszona Rodzaj koloidu Przykłady Nazwa szczegółowa koloidu
Gaz Gaz


Ciecz
Ciało stałe Aerozole
(gazozole) -
Mgła, chmury
Dym, kurz Nie istnieje
Aerozole ciekłe (mgły)
Aerozole stałe (dymy)
Ciecz Gaz
Ciecz
Ciało stałe Zole,
roztwory koloidalne Piana
Mleko, białko
Zole tlenków metali, wodorotlenków Piany
Lizole, emulsje
Zawiesiny koloidalne
Ciało stałe Gaz
Ciecz
Ciała stałe Dirozole Pumeks
Kwarc mleczny
Szkło rubinowe, perły fosforowe Piany stałe
Piany stałe (emulsje stałe)

Zole stałe
Układy koloidowe i związane z nimi zjawiska posiadają specyficzną dla siebie nomenklaturę.
Rozpowszechnienie koloidów
Pojęcie koloidu do chemii po raz pierwszy wprowadził Graham, dla określenia substancji o właściwościach zbliżonych do kleju. Koloidy są bardzo powszechne w przyrodzie. Między innymi koloidami są;
? wszelkiego rodzaju zanieczyszczenia znajdujące się w wodzie. Mogą być pochodzenia organicznego i nieorganicznego i powodują wzrost mętności wody. Mogą wpływać na pracę zaworów oraz czujników znajdujących się na przewodach a jako substancje mogą być szkodliwe dla człowieka,
? to różnego rodzaju naturalne produkty spożywcze, takie jak; śmietana - koloid tłuszczu w mleku, masło - koloid wody w tłuszczu, mleko - składa się z kropelek białek i tłuszczu rozproszonych w wodzie.
? galarety, żelatyna,
? dym, który jest uwalniany podczas spalania drewna, węgla. Zawiera cząstki fazy stałej o rozmiarach rzędu 1 m rozproszone w fazie gazowej.
? mgła, która jest zawiesiną bardzo małych kropel wody (o średnicy poniżej 0,05 mm) lub lodu w powietrzu
? smog, który jest mieszaniną mgły i dymu,
? białka kurze,
? oprócz tego w przyrodzie występuje dużo związków, których cząsteczki mają wymiary charakterystyczne dla układów koloidalnych, zwane są one eukoloidami (np. skrobia, celuloza, kauczuk, keratyna, kolagen glikogen itd.), znane są również syntetyczne eukoloidy, jak polistyreny i inne tworzywa sztuczne
Należy tutaj wspomnieć o koloidach, które odgrywają dużą rolę w biologicznym funkcjonowaniu organizmów żywych a w tym i człowieka. Koloidami w organizmie człowieka są różnego rodzaju substancje białkowe, jak i również włosy, paznokcie, skóra, wiązadła, itp. Osocze krwi, które jest mieszaniną kilkunastu rozpuszczonych białek, jest również roztworem koloidowym (zol). osocza, drogą frakcjonowanego wysalania, możemy wydzielić poszczególne białka. Żółć - emulgator dla tłuszczy - jest również Z tego wynika, że organizm ludzki rozpatrywany z punktu widzenia pewnych jego właściwości jest roztworem koloidalnym o różnych stanach skupienia.

Metody otrzymywania i oczyszczania układów koloidalnych
Metody otrzymywania zależą od stanu skupienia ośrodka rozpraszającego i substancji rozproszonej. Wyróznia się dwie podstawowe metody otrzymywania układów koloidalnych:
? dyspersyjna
? kondensacyjna
Metody dyspersyjne
Rozdrobnienie aż do uzyskania rozdrobnienia koloidalnego osiąga się albo mechanicznie (np. młyn koloidalny), albo elektrycznie (łuk elektryczny).
Ten ostatni sposób szczególnie stosuje się do otrzymania zoli metali, tlenków metali, koloidalnego grafitu itp.
W metodach dyspersyjnych wykorzystuje się również ultradźwięki (drgania akustyczne o częstości rzędu 20000 Hz). Otrzymuje się w ten sposób m.in. zole barwników, krochmalu, gipsu itp.)
Do tej grupy metod można zaliczyć peptyzację. Stosuje się tutaj peptyzatory (substancje o silnych własnościach absorbcyjnych), które rozdzielają złączone cząstki koloidalne.
Metody kondensacyjne
W metodach tej grupy rozdrobnienie koloidalne osiąga się w wyniku łączenia pojedynczych cząsteczek chemicznych. Stosuje się w tym celu takie procesy chemiczne jak:
? polimeryzacja
? zmniejszenie rozpuszczalności (np. otrzymywanie koloidalnego roztworu siarki w wodzie przez wlewanie do wody nasyconego roztworu siarki w alkoholu)
? redukcja
? utlenianie (np. H2S --> S koloidalna)
? wymiana (AgNO3 KI --> AgI AgNO3)
Metody oczyszczania
Do oczyszczania roztworów koloidów stosuje się wiele metod. najważniejszymi są;
? dializa (elektrodializa)
? filtracja (ultrafiltracja)
? wymiana jonowa (wykorzystanie jonitów)
W metodach tych stosuje się błony półprzepuszczalne (membrana), przez które przechodzą zanieczyszczenia (elektrolity), a które są nieprzepuszczalne dla cząstek o rozdrobnieniu koloidalnym.

Rys.6 Dializator Dializa.
W dializatorze po jednej stronie membrany znajduje się zanieczyszczony roztwór koloidalny, a druga strona omywana jest czystym rozpuszczalnikiem (rys. 6)
Substancje o rozdrobnieniu cząsteczkowym przechodzą przez membranę do zewnętrznej cieczy i mogą być w ten sposób usunięte z koloidu, zwłaszcza gdy ciecz zewnętrzna będzie wymieniana w sposób ciągły.
Elektrodializa. Jest to proces dializy przeprowadzony w polu elektrycznym, panującym między dwiema elektrodami z siatki platynowej, umieszczonymi w bocznych częściach aparatu
(rys. 7), pobliżu membran półprzepuszczalnych.

Rys.7 Elektro dializator Ultrafiltracja, jest to ultra sączenie zolu przez sączki o odpowiednich porach pod zmniejszonym ciśnieniem.

Koagulacja roztworów koloidalnych
Roztwory koloidalne są układami nietrwałymi. Proces przechodzenia zolu w żel nosi nazwę koagulacji
Na trwałość roztworów koloidalnych liofobowych (wodorotlenki metali, halogenki srebra) a także liofilowych (białko) wpływa występowanie ładunku elektrycznego na powierzchni cząstki koloidalnej oraz solwatacja cząstek.
Cząstka dowolnego koloidu posiadająca ładunek nosi nazwę miceli. Przykładem miceli może być cząstka jodku potasu (rys.8)

Rys.8 Schemat budowy miceli AgI wytrąconego nadmiarem KI. Micela składa się z jądra, w skład którego wchodzą obojętne cząsteczki. Na powierzchni jądra absorbowane są z roztworu wspólne jony w przypadku KI jony jodkowe I-. Warstwa ta nosi nazwę warstwy absorbcyjnej i wiąże się ona luźno z warstwą rozmytą albo dyfuzyjną zawierającą jony K .
Jadro razem z warstwą adsorpcyjną nosi nazwę granuli.
Na granicy faz jądro cząstki koloidalnej - roztwór, powstaje podwójna warstwa elektryczna.
Podwójna warstwa elektryczna
Podwójna warstwa elektryczna składa się z dwóch części (rys.9), warstwy absorbcyjnej i dyfuzyjnej. Istnienie dwóch warstw jest powodem, że cząstka taką możemy przedstawić jako kondensator, którego jedną okładką jest powierzchnia cząstki, a druga okładka rozciąga się na pewną odległość w głąb cieczy.
W zjawiskach elektrokinetycznych ważną rolę odgrywa wartość potencjału na granicy pomiędzy warstwą adsorpcyjną a dyfuzyjną względem głębi roztworu.

Rys.9 Podwójna warstwa elektryczna i potencjał elektrokinetyczny. Nosi on nazwę potencjału elektrokinetycznego. Istnienie potencjału elektrokinetycznego odgrywa zasadniczą rolę w zjawiskach elektrokinetycznych.
Zjawiska elektrokinetyczne obejmują: elektroosmozę, elektroforezę, potencjał sedymentacji i potencjał przepływu (powstanie różnicy potencjałów na końcach kapilary, przez którą przepływa ciecz).
Koagulację można wywołać następującymi czynnikami:
? dodatek elektrolitu
? zmianę temperatury
? czynniki mechaniczne
? dodatek nieelektrolitu (odwadniającego)
? przepływ prądu
? działanie światła
Natomiast trwałość roztworów koloidalnych warunkują dwa podstawowe czynniki:
? ładunek na powierzchni cząstki koloidalnej (głównie dotyczy to koloidów liofobowych)
? solwatacja (głównie koloidy liofilowe)
Największy wpływ na koagulacje wywiera dodanie elektrolitu. Minimalna liczba mini moli danego elektrolitu niezbędna do skoagulowania 1 cm3 roztworu koloidalnego, nosi nazwę progu koagulacji. Ten ostatni zależy od rodzaju dodawanego elektrolitu i wartościowości dodawanych jonów.
Dla zoli o znaku dodatnim wartość progu koagulacji zależy od wartościowości anionu. Przykłady wartości progów koagulacji podaje tablica 3
Tablica 3
Wartości progów koagulacji dla zoli As2O3 oraz Fe2O3
zol As2O3
ujemny zol Fe2O3
dodatni
Elektrolit Próg koagulacji
mmol *dm-3 Elektrolit Próg koagulacji
mmol *dm-3
KCl 49,5 KCl 9,0
MgCl2 0,72 K2SO4 0,205
AlCl3 0,092 K2Cr2O7 0,195
Zależność zdolności koagulacji jonu od jego wartościowości ujmuje reguła Hardy-Schulza, według której zdolności koagulacyjne jonów w zależności od ich wartościowości mają się do siebie jak:
M : M2 : M3 = 1 : 50 : 10000
Dla kationów metali alkalicznych zdolność koagulacji maleje w szeregu:
Cs < Rb < Na < Li
dla anionów chlorowcowych w szeregu
Cl- > Br- > I-
tego typu szeregi noszą nazwę szeregów liotropowych (szeregi Hofmeistera).
Jak już wiadomo granula w wyniku adsorpcji jonów z roztworów uzyskuje ładunek, a na granicy faz jądra cząstki koloidalnej - roztwór powstaje podwójna warstwa elektryczna, którą charakteryzuje wartość potencjału elektrolitycznego.
Wzrost siły jonowej roztworu zależy od wartościowości jonów i stężenia elektrolitu powoduje szybki zanik warstwy dyfuzyjnej. Dzięki temu micele mogą zbliżyć się i tym samym może nastąpić koagulacja. Przy wartości potencjału elektrokinetycznego równej zeru, następuje całkowity zanik składowej, dyfuzyjnej podwójnej warstwy elektrycznej. Punkt taki nazywa się punktem izoelektrycznym. Warunki koagulacji powinny być optymalne w punkcie izoelektrycznym. Koagulacja jednak przebiega już przy wartościach potencjału mniejszych od wartości krytycznej wynoszącej ok. 25-30 mV.
Dodanie elektrolitu do roztworu koloidu liofobowego powoduje wytrącanie stałych cząstek koloidalnych. Proces ten nosi nazwę wysalania.
O ile przy tej operacji wydzielają się cząstki w stanie ciekłym, to proces nosi nazwę koacerwacji.
Natomiast koagulacja wzajemna zachodzi wówczas gdy zamiast elektrolitu użyje się koloidu liofobowego o przeciwnie naładowanych cząstkach koloidalnych.
Dodatek koloidu liofilowego do koloidu liofobowego powoduje działanie ochronne. Koloid liofobowy pod wpływem elektrolitu podwyższa wówczas odporność na koagulację. Ilościowo ujmuje to tzw. liczba złota: jest to najmniejsza liczba mg koloidu ochronnego zabezpieczająca 10 cm3 0,1% formaldehydowego zolu złota przed zmianą barwy czerwonej na fioletową w wyniku dodania 1 cm3 10% roztworu NaCl.
Procesem odwrotnym do koagulacji jest przechodzenie żelu w zol, noszące nazwę peptyzacji.
Substancja o rozdrobnieniu koloidalnym ma bardzo rozwiniętą powierzchnię. jest to przyczyną silnej adsorpcji różnych substancji przez cząstki koloidalne. Zdolność do adsorpcji koloid zachowuje i po koagulacji.
Dlatego jeżeli do świeżo wytworzonego żelu doda się elektrolitu, to żel może przejść w zol.

Żele
Niektóre roztwory koloidalne np. roztwory wodne żelatyny, krochmalu, mydła, kauczuku w bezanie, itp. samorzutnie mogą przejść ze stanu ciekłego w stan zbliżony do ciała stałego. Osiąga się go często przez obniżenie temperatury.
Ten stan układu koloidalnego od typowego przykładu - żelatyny - nosi nazwę żelu. Żele mogą być organiczne, są bardziej elastyczne i nieorganiczne, mniej elastyczne np. wodorotlenek żelaza, silikażel.
Elastyczny żel na skutek własności adsorpcyjnych może pochłaniać ośrodek dyspersyjny w wyniku czego zwiększa się objętość. Proces ten nosi nazwę pęcznienia żelu.
Żele charakteryzują się różnymi zdolnościami do pęcznienia. Niektóre żele pęcznieją w sposób nieograniczony i mogą przechodzić w zol. Niektóre żele po pewnym czasie mogą wydzielić część ośrodka rozpraszającego w postaci osobnej fazy. Zjawisko to nosi nazwę synerazy (np. wydzielanie się serwatki z kwaśnego mleka). Niektóre roztwory koloidalne koloidów hydrofilowych po pewnym czasie przechodzą w postać miękkich, elastycznych ciał stałych. Proces taki zachodzi między innymi w przypadku roztworów żelatyny - stąd nazwa ogólna takich galaretowatych ciał - żele. Inne przykłady z życia codziennego to galaretki owocowe (pektyna) czy kisiele (skrobia). Tego typu substancja koloidalna rozpuszczona na gorąco, w celu uzyskania stosunkowo dużego stężenia, powoli chłodzona zaczyna tworzyć nieregularną sieć powiązań miedzy cząsteczkami, wewnątrz tej sieci zamykając fazę ciągłą. Przejście zolu (ciecz koloidalna) w żel jest niekiedy procesem odwracalnym, niektóre żele wykazują efekt tiksotropowy, przechodząc powtórnie w zol po mocnym wstrząśnięciu. W tych żelach siły wiązań sieci są bardzo słabe i niewielka energia mechaniczna wystarcza do ich zerwania. Prawdziwe żele tym się różnią od innych, podobnych ciał, np. galaretowatych osadów wodorotlenku glinu, że zawierają znacznie więcej rozpuszczalnika (często cały rozpuszczalnik zolu, z którego powstały).
Niektóre żele, najczęściej nieorganiczne, po wysuszeniu i ostrożnym wyprażeniu uzyskują postać ciała stałego, jednak ze względu na technologię otrzymywania maja bardzo rozwiniętą powierzchnie. Na przykład tak otrzymany 1 g tlenku glinu ma powierzchnię około 200 m2. W związku z tą powierzchnia posiadają silne właściwości adsorpcyjne, czyli są w stanie związać fizycznie i chemicznie ze swoja powierzchnia (np. z licznymi grupami OH w żelu krzemionkowym lub tlenku glinu) wiele związków chemicznych. Dzięki tym właściwościom znajdują zastosowanie w chromatografii adsorpcyjnej, a także używane są do suszenia lub jako środki zabezpieczające przed wilgocią (np. żywność, wewnątrz niektórych opakowań z żywnością można znaleźć niewielkie torebeczki ze środkiem suszącym - bardzo często jest to właśnie żel krzemionkowy).
Żele krzemionkowe stosowane jako środki suszące często barwi się solami kobaltu, by móc kontrolować stopień ich aktywności.

Emulsje, piany i aerozole
Własności tych układów zależą od zjawisk powierzchniowych a niektóre mają znaczenie biologiczne.
Emulsją jest układ koloidalny, w którym ośrodek rozpraszający i substancja rozproszona jest cieczą a wielkość kropelek cieczy rozproszonej dochodzi nawet do 10-3 cm. Są to układy termodynamiczne nietrwałe i odnoszą się do układów dwóch nie rozpuszczających się wzajemnie się cieczy. Emulsje łatwo ulegają koalescensji, czyli łączeniu się kropelek cieczy rozproszonej w większe krople. W celu zapobieżeniu koalescencji dodaje się emulgatorów.
Podstawowym warunkiem utworzenia emulsji w układzie dwóch cieczy jest całkowity brak lub bardzo mała ich wzajemna rozpuszczalność.
Jeżeli napięcie międzyfazowe pomiędzy składnikami emulsji jest bardzo małe (ok. 0,1 erg * cm-2), to możliwy jest samorzutny proces emulgowania.
Emulsję zdyspergowanego oleju (albo znanej substancji organicznej) w wodzie oznacza się krótko jako emulsję O/W. Odwrotnie emulsję zdyspergowananej wody w oleju oznacza się jako emulsję W/O.
Typ utworzonej emulsji zależy od emulgatora. Działanie emulgatorów polega na zmniejszaniu międzyfazowego napięcia powierzchniowego pomiędzy kropelkami substancji rozproszonej a cieczy rozpraszającej. Emulgatory hydrofilowe o małych cząsteczkach (mydła sodowe i potasowe, trójetanoloamina i inne) dają emulsje typu O/W. Emulgatory hydrofobowe (stearyniany magnezu, wapnia) dają emulsję typu W/O.
Jedną z codziennie spotykanych emulsji jest mleko, w którym kropelki tłuszczu rozproszone są w roztworze wodnym soli sodu, wapnia i potasu. Rolę emulgatora, odgrywa białko kazeina.
Emulsja fotograficzna jest to zawiesina halogenków srebra (najczęściej bromku i jodu) w żelatynie.
Piana jest to układ koloidalny uzyskany w wyniku zdyspergowania w cieczy substancji gazowej. Banieczki gazu rozdzielone są cieniutkimi warstwami cieczy. Istnieją także piany stałe. Trwałość pian zależy od wzmocnienia błonek oddzielających banieczki gazu cienkimi warstewkami substancji powierzchniowo-czynnej.
W technice piany wytwarza się zwykle przez doprowadzenie powietrza do cieczy przez małe otwory (np. szkło porowate) lub w wyniku mechanicznego wstrząsania i mieszania cieczy z powietrzem.
Trwałe piany znalazły zastosowanie między innymi w pożarnictwie i w procesach wzbogacania rud metodą flotacji.
Znane są także układy dyspersyjne, w których ośrodkiem dyspersyjnym jest ciało stałe, a fazą rozproszoną gaz. Są to tzw. piany stałe (pirozole). Znalazły one zastosowanie do produkcji materiałów izolacyjnych: izolacja cieplna - materiały ciepło ochronne, izolacja akustyczna - materiały dźwiękoszczelne np. pianobeton, pianogazosylikot, szkło piankowe, pianoplasty (np. styropian). Pianą stałą występującą w przyrodzie jest pumeks.
Aerozole otrzymuje się przez rozproszenie substancji stałej (dymy) albo cieczy (mgły) w gazie. Rozmiary cząstek w aerozolach wahają się w granicach 10Ao do 1000Ao i np. cząstki dymu papierosowego mają wymiary od 2 do 10Ao, a kropelki wody w chmurach posiadają średnice od 40 do 100Ao.

Roztwory koloidalne (koloidy) stanowią układy, w których cząstki substancji rozproszonej charakteryzują się rozmiarami od 1 do 500 nm. Cząstki o takich rozmiarach odpowiadają tzw. rozdrobnieniu koloidalnemu. Roztwory koloidalne są układami dwufazowymi, składają się z ośrodka rozpraszającego substancji rozproszonej.

Zależnie od fazy rozpraszającej noszą one nazwę hydrozoli (faza rozpraszająca - woda) i alkoholi (faza rozpraszająca - alkohol) itp. Największe znaczenie maja hydrozole.

Uwzględniając stosunek cząstek koloidalnych do fazy rozpraszającej wyróżnia się dwie grupy koloidów:

- liofilowe (hydrofile, gdy cieczą jest woda) - odznaczają się zdolnością do tworzenia na swojej powierzchni wielowarstwowej otoczki złożonej z cząsteczek wody - otoczka hydralizacyjna, chętnie łączą się z woda. Przykładami mogą być roztwory białka, skrobi, żelatyny, gumy arabskiej, kwasu krzemowego i innych.

- liofibowe (hydrofobowe) - roztwory zoli, które pozbawione są otoczki hydratacyjnej, ponieważ oddziaływanie pomiędzy fazą dyspresywna, a ośrodkiem rozpraszającym są bardzo słabe lub wcale nie występuje. Przykładami mogą być: zole wodorotlenków tlenków metali.

Według innej klasyfikacji rozróżniamy:

- koloidy cząsteczkowe - fazę rozproszoną stanowią pojedyncze makrocząsteczki, składające się z tysięcy atomów np. polimery, hemoglobina. Mimo rozdrobnienia cząsteczkowego są one zaliczane do koloidów ze względu na rozmiary cząsteczek. Należą do koloidów liofilowych.

- koloidy fazowe - powstają z rozdrobnienia większych cząsteczek lub stracenie roztworów właściwych odpowiednimi metodami chemicznymi. Są to koloidy liofobowe.

- koloidy asocjacyjne (micelarne) powstające samorzutnie skupienie się dużej liczby małych cząsteczek w małe agregaty, po przekroczeniu pewnego stężenia. Takie układy koloidalne występują w stężonych roztworach mydeł i innych detergentów.

Zjawiskiem charakterystycznym dla roztworów koloidalnych jest efekt Tyndalla, polegający na rozproszeniu światła. W roztworze takim można wyraźnie zaobserwować drogę wiązki światła przechodzącą przez ciecz. Rozproszone przez cząstki koloidalne światło tworzy jasny stożek, widoczny wyraźnie w zaciemnionym pomieszczeniu.

Efekt Tyndalla wykorzystywany jest przy określaniu stężeń zawiesin (nefelometria), jak również do określania ruchów cząstek koloidalnych (i wyznaczania mas cząsteczkowych koloidów) które w skutek zderzeń z cząsteczkami rozpuszczalnika poruszają się bezładnym ruchem (ruchy Browna). Po oświetleniu roztworu koloidalnego w ultramikroskopie widoczne są punkty świetlne odpowiadające poszczególnym cząstkom.

Koloidy pod wpływem ogrzewania, po dodaniu mocnych elektrolitów, odparowaniu, bądź wymrożeniu rozpuszczalnika ulęgają koagulacji - przechodzą w bezpostaciowe osady zwane żelami. Cząsteczki łącza się tworząc nieregularna siec przestrzenna z lukami, wypełnionymi częściowo lub całkowicie cząsteczkami rozpuszczalnika. Żele koloidów liofilowych wprowadzone do rozpuszczalnika maja zdolność do ponownego przejścia w zole, proces ten nosi nazwę peptyzacji.

Wszystkie koloidy liofobowe ulęgają nieodwracalnej koagulacji

Układy koloidalne da bardzo powszechna w przyrodzie. Koloidy znajdują dużo zastosowanie w przemyśle, np. włókien sztucznych, farb lakierów, mas plastycznych, w procesie wzbogacania rud i inne.
Przez roztwór koloidalny rozumiemy taki układ dyspersyjny, w którym wielkość zdyspergowanych cząstek mieści się w granicach od 1 nm do 1?m. Jak w przypadku wszelkich podziałów, i ten podział nie ma ostrych granic a podane wartości określają tylko z grubsza rząd wielkości zdyspergowanych cząstek. Roztwory koloidalne mogą być zarówno roztworami rzeczywistymi, tzn. ich cząstki są jednocześnie cząsteczkami w rozumieniu chemicznym (dyspersja molekularna związków wielkocząsteczkowych, np. białek lub polimerów) lub częściej są zawiesinami cząstek zwanych micelami, będących agregatami cząsteczek bądź jonów. Ze względu na wielkość zdyspergowanych cząstek roztwory wykazują zjawisko Tyndalla. Zjawisko to polega na powstawania smugi światła w roztworze koloidalnym (lub innym zolu o dyspersji koloidalnej, np. w mgle) w przypadku obserwacji z kierunku prostopadłego do kierunku przebiegu promienia. Szczególnie wyraźnie zjawisko to można obserwować, gdy za naczyniem umieścimy ciemne tło. Przy obserwacji na wprost roztwór koloidalny sprawia wrażenie zupełnej przezroczystości. Jeżeli cząstki fazy rozproszonej są większe od 1 mikrometra mówimy o zawiesinach, takie cząstki są widoczne pod mikroskopem a czasem nawet gołym okiem. Możemy zatem również uznać, że roztworami są układy dyspersyjne nie dające zjawiska Tyndalla, koloidy nie dają się obserwować pod mikroskopem ale występuje w nich zjawisko rozproszenia światła na cząstkach (efekt Tyndalla) a zawiesiny charakteryzuje wielkość cząstek fazy rozproszonej dająca się obserwować pod mikroskopem. Do dyspersji koloidalnych zaliczamy też mgły (ciecz rozproszona w gazie) i dymy (ciało stałe rozproszone w gazie). Także emulsje tzw. submikronowe (o średnicy kulek fazy rozproszonej poniżej 1 mikrometra) należy zaliczyć do układów koloidalnych. Wielkość cząstek koloidalnych powoduje, że nie można ich odsączyć od fazy ciągłej przepuszczając przez zwykłą bibułę do sączenia. Do tego celu należy używać ultra sączków o szczególnie małych otworach, co z kolei wymaga najczęściej sączenia pod ciśnieniem.
Budowa miceli
Roztwory koloidalne można otrzymywać bądź przez dyspersje większych cząstek (zawiesin) bądź, co znacznie częstsze, przez kondensację, agregacje mniejszych cząsteczek. Odpowiednie rozdrobnienie trzymuje się przez mielenie w tzw. młynach koloidalnych lub przez działanie ultradźwięków. Agregacyjny sposób otrzymywania roztworów koloidalnych polega na przeprowadzeniu odpowiedniej reakcji chemicznej w roztworze, powodującej powstanie nierozpuszczalnych cząsteczek, w danych warunkach łatwo tworzących cząstki koloidalne. Na przykład wytrącając z roztworu soli żelaza (III) wodorotlenek Fe(OH)3 przez zalkalizowanie środowiska często otrzymujemy roztwór koloidalny wodorotlenku żelaza.
Ze względu na swe właściwości chemiczne i fizyczne (adsorpcja i chemisorpcja) na powierzchni cząstek koloidalnych gromadzą się inne składniki fazy ciągłej - często są to jony - tworząc ochronną warstewkę zapobiegającą dalszej agregacji i stabilizującą układ koloidalny. Zaadsorbowane na powierzchni jony wytwarzają pole elektryczne stanowiące dodatkowe zabezpieczenie przed koagulacją (zlepianiem się cząstek koloidalnych).
Koloidy możemy również podzielić na koloidy liofilowe (hydrofilowe jeśli mowa o roztworach wodnych) i liofobowe (hydrofobowe). Stabilność miceli koloidu liofobowego praktycznie warunkuje wyłącznie ładunek elektryczny warstwy adsorpcyjnej. Micele koloidów liofilowych chronione są przed koagulacją przez warstwę cząsteczek rozpuszczalnika otaczającą cząstkę koloidalną.
Aby doprowadzić do koagulacji koloidu hydrofobowego należy zniszczyć jonową warstwę adsorpcyjną. Można to uczynić dodając do roztworu koloidalnego roztworu zawierającego jony, które będą skutecznie konkurować z cząstką koloidalną w procesie "wiązania" jonów warstwy adsorpcyjnej. Pozbawiona osłony cząstka (jądro miceli) łatwo połączy się w większe agregaty. Koloidy hydrofilowe są znacznie trwalszym układem. Do ich koagulacji doprowadzić może dopiero duży dodatek elektrolitu, którego jony ulegając hydratacji będą niszczyć solwatacyjną otoczkę chroniącą cząstkę koloidalną. Koloidami hydrofilnymi są najczęściej koloidy wielkocząsteczkowych związków - białek, skrobi itp.
Elektroforeza
Elektroforeza jest zjawiskiem wędrówki miceli pod wpływem przyłożonego pola elektrycznego. Ponieważ większość koloidów charakteryzuje obecność ładunku elektrycznego, elektroforeza może służyć do ich analizy. Największe zastosowanie elektroforeza znalazła do rozdzielania i charakteryzowania białek. Białka są co prawda koloidami hydrofilowymi i ich ładunek pochodzi nie tyle od zaadsorbowanych jonów co jest wywołany ich dysocjacją. Ze względu na pH roztworu białka dysocjują albo jako kwasy, tworząc cząstki koloidalne o ładunku ujemnym, albo jako zasady aminowe przyłączają proton tworząc dodatnio naładowane cząstki. pH roztworu w którym oba te zjawiska się równoważą dając obojętny elektrycznie jon obojnaczy nazywamy punktem izoelektrycznym. Jeżeli mieszaninę białek poddamy procesowi elektroforezy, to ładunek danej cząsteczki wyznaczy jej kierunek migracji pod wpływem pola elektrycznego (dodatnie cząsteczki do katody, ujemne do anody) zaś stosunek ciężaru cząsteczkowego do wielkości ładunku określi szybkość migracji. Zmuszając zatem cząsteczki do migracji w różnych kierunkach i z różna szybkością doprowadzamy do rozdzielenia mieszaniny na poszczególne frakcje.
Sedymentacja
Cząstki koloidalne są poddawane działaniu dwu przeciwstawnych sił - siły grawitacji, dążącej do usytuowania cząstek na dnie naczynia, i sił wynikających z energii translacji, a dokładniej ich części działających przeciwnie do sił grawitacyjnych. Siła grawitacji, w zależności od wielkości cząstek, a dokładniej ich masy i gęstości, po pewnym czasie doprowadza do sedymentacji. Sedymentacja jest zjawiskiem "odwrotnym" do dyfuzji, powoduje bowiem powstawanie gradientu stężeń w roztworze koloidalnym, który dyfuzja próbuje niwelować. Można zatem uznać, że dyfuzja w swoisty sposób także przeciwstawia się sedymentacji. Jeżeli słabą grawitację ziemska zamienimy na siłę odśrodkową w ultrawirówce, w krótkim czasie możemy doprowadzić do powstania w roztworze wirowanym wyraźnego gradientu stężenia. Na jego podstawie można obliczyć rzeczywistą masę cząstek koloidalnych, a jeżeli jest to roztwór o molekularnej dyspersji i cząstka koloidalna jest cząsteczką chemiczną, to także możemy obliczyć jej masę cząsteczkową.
Szybkość sedymentacji zależy nie tylko od wymienionych wcześniej czynników ale również od lepkości cieczy. Ten ostatni czynnik szczególną rolę odgrywa w zawiesinach, gdzie cząstki bardzo duże (w stosunku do cząstek koloidalnych) - a więc poddawane dość dużej sile grawitacji ziemskiej, stosunkowo szybko opadają na dno naczynia. Duża lepkość cieczy powoduje, że proces sedymentacji zostaje poważnie spowolniony. Stworzenie zawiesiny w sposób chroniący cząstki przed zlepianiem się w agregaty, nawet po opadnięciu na dno naczynia pozwala przywrócić równomierne rozproszenie cząstek zawieszonych przez wytrząsanie mieszaniny ("wstrząsnąć przed użyciem").
2. roztwory koloidalne :
średnica cząsteczek substancji rozproszonej jest większa od średnicy cząsteczek ośrodka rozpraszającego; jej wielkość waha się w granicach od 10-9 m do 10-7 m

3. zawiesiny :
średnica cząsteczek substancji rozproszonej jest większa od średnicy cząstek ośrodka rozpraszającego i wynosi powyżej 10-7 m.
Koloidy i zawiesiny zalicza się do układów heterogenicznych o rozdrobnieniu makroskopowym.

Podoba się? Tak Nie

Czas czytania: 24 minuty