Koagulacja roztworów koloidalnych

Roztwory koloidalne sa układami nietrwałymi. Proces przechodzenia zolu w żel nosi nazwę koagulacji
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 minimoli 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 10.3

Tablica 10.3

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.

10.7 Żele

Niektóre roztwory koloidalne np. roztwory wodne żelatyny, krochmalu, mydła, kauczuku w bezenie, itp. samorzutnie mogą przejść ze stanu ciekłego w stan zbliżony do ciała stałego. Osiąga sie go często przez obniżenie temperatury.
Ten stan układu koloidalnego od typowego przykładu - zelatyny - 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 charaktertyzują 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).

10.8 Emulsje, piany i areozole

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 nierozpuszczających 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) daja 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 cieńkimi 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 ciepłoochronne, izolacja akustyczna - materiały dźwiękoszczelne np. pianobeton, pianogazosylikot, szkło piankowe, pianoplasty (np. styropian). Pianą stałą występującą w przyrodzie jest pumeks.
Areozole otrzymuje się przez rozproszenie substancji stałej (dymy) albo cieczy (mgły) w gazie. Rozmiary cząstek w areozolach wahają się w granicach 10A^o do 1000A^o i np. cząstki dymu papierosowego mają wymiary od 2 do 10A^o, a kropelki wody w chmurach posiadają średnice od 40 do 100A^o.

 

---