CHEMIA FIZYCZNA- KOLOIDY

Koloidy

Układy, najczęściej 2składnikowe, w których wielkość cząstki mieści się w granicach 1mm do 500 mm. Są stanem pośrednim między roztworami rzeczywistymi, a zawiesinami i mieszaninami niejednorodnymi. Sprawiają wrażenie układów fizycznie jednorodnych, chociaż w rzeczywistości oba składniki nie SA zmieszane cząsteczkowo.

ROZDROBNIENIE I JEGO WPŁYW NA WŁAŚCIWOŚCI UKŁADU
Mechaniczne >500mm	Układ dwufazowy, cząstki fazy rozproszonej nie przechodzą przez błony półprzepuszczalne, nie dyfundują, nie wykazują ruchów Browna
Koloidalne 1-500 mm	Układ pozornie jednofazowy, cząstki fazy rozproszonej widoczne tylko w mikroskopie, przechodzą przez sączki z bibuły, nie dyfundują, wykazują ruchy Browna
Cząsteczkowe <1mm	1 fazowy układ, cząstki fazy rozproszonej przechodzą przez sączki z bibuły, dyfundują przez błony półprzepuszczalne, wykazują ruchy Browna

W koloidzie wyróżniamy:

- ośrodek dyspersyjny (rozpraszający)- część układu, tworzy fazę ciągłą

- faza zdyspergowana (rozproszona) - cząstki rozproszone

Podział koloidów ze względu na wielkość cząstek:

- monodyspersyjne - cząstki fazy rozproszonej mają jednakową wielkość

- polidyspersyjne - cz. Fazy rozproszonej maja różna wielkość

Podział ze względu na to, co rozprasza i jest rozpraszane:

FAZA ROZPRASZAJACA	FAZA ROZPROSZONA	PRZYKŁADY	NAZWA
GAZ	Gaz	-	-
		Ciecz	Mgły, chmury, dezodorant	GAZOZOLE AEROZOLE
		Ciało stałe	Kurz, dymy, pyły koloidalne	GAZOZOLE
	CIECZ	Gaz	Piany	PIANY
		Ciecz	Żelatyna, mleko, białka, emulsje olejów w wodzie	EMULSJE
		Ciało stałe	Zole Tl. I wodorotl. Metali	ZOLE
	CIAŁO STAŁE	Gaz	Pumeks, okluzje gaz. w miner.	PIANY ST.
		Ciecz	Kwarce mleczne, woda okludowała w kryształach	EMULSJE STAŁE
		Ciało stałe	Kryształy, ametyst, rubin	ZOLE STAŁE

Podział ze względu na budowę cząstki koloidalnej:

• Koloidy fazowe- cząstka koloidalna nie jest cząstka chemiczną fazy rozproszonej (AgCl, Agi)

• Koloidy cząsteczkowe- cząstka koloidalna jest cząstką chemiczną fazy rozproszonej (cz. białek, polimerów, hemoglobina)

• Koloidy asocjacyjne- powstają przez samorzutne skupienie się dużej liczby małych cząstek w agregaty o wymiarze koloidalnym po przekroczeniu pewnego stężenia (asocjaty oleinianu sodowego)

O tym czy dany koloid jest 0, +,- decyduje 1 warstwa adsorpcyjna

Micella- naładowana cząstka koloidalna np. micella Agi wytrącona z roztworu KI

-jony I^- +jony K⁺

Koloid fazowy

Podział w zależności od powinowactwa cząstki fazy rozproszonej do rozpuszczalnika:

- KOLOIDY LIOFILOWE - HYDROFILOWE - dla układów, gdzie ośrodkiem rozpraszającym jest woda, mające duże powinowactwo względem rozpuszczalnika BIAŁKA, Żelatyna, Tanina)

-KOLOIDY LIOFOBOWE - HYDROFOBOWE- dla układów, gdzie ośrodkiem rozpraszającym jest woda, mające małe powinowactwo względem rozpuszczalnika (Zole metali, soli, wodorotlenków)

Właściwość	LIOFILOWE		LIOFOBOWE
Otrzymywanie	Rozpuszczanie		Metody dyspersji i kondensacji
Struktura cząstek	Makrocząsteczki		Przeważnie zespoły zwykłych cząstek
Stężenie fazy rozproszonej	Może być duże		Nieznaczne
Ruchy Browna	Bardzo niewyraźne		Występują wyraźnie
Efekt Tyndalla	Niewyraźny		Wyraźny
Barwa układu	Bezbarwne		Często barwne
Ładunek elektryczny	Brak lub nieznaczny	Często/zawsze naładowane
Lepkość	Duża	Nieznaczna
Tworzenie pian	Łatwo tworzą piany	Nie tworzą pian
Pęcznienie	Pęcznieją znacznie zwiększając objętość	Nie pęcznieją
Tworzenie galaret	Łatwo tworzą galarety	Nie tworzą galaret
Wrażliwość na elektrolity	Mała wrażliwość, koagulacja przy dużych stężeniach elektrolitów	Koagulacja pod wpływem małych stężeń elektrolitów
Wrażliwość na odwadnianie	Przy dużych stężeniach znaczna	Nieznaczna
Charakter koagulacji	Odwracalna	Nieodwracalna

Właściwości kinetyczne ukł koloidalnych:

• Ruchy Browna

• Dyfuzja

• Sedymentacja

• Lepkość

• Ciśnienie osmotyczne

Cząstki koloidalne znajdują się w nieustannym ruchu będącym wynikiem zderzeń cząstek w fazie rozpraszającej

Δx- średnie przesunięcie cząsteczki w czasie Na- licz. Avogadra

r- promień pow. O okrągłym kształcie T- temperatura R- stała gazowa 8,31J/mol*K n-lepkość

Dyfuzja

Ruch cząstek substancji stanowiącej fazę rozproszona pod wpływem różnicy stężeń pomiędzy różnymi częściami układu. Miarą szybkości zachodzenia jest współczynnik zachodzenia dyfuzji, który podaje jaka masa substancji będącej fazą rozproszoną przedyfunduje przez pow. 1cm2 w czasie 1 s pod wpływem gradientu stężenia

Czynnik dyfuzji jest odwrotnie proporcjonalny do lepkości.

Współczynnik dyfuzj D

(Einsteina- Smoluchowskiego)

η t-lepkość ośrodka dyspersyjnego

r-promień cząstki

N-liczba Avogerda

R-stała gazowa

T-temperatura bezwzględna

Prawo Ficka

Szybkość dyfuzji , czyli ilość gramów substancji rozproszonej przeniesiona przez granicę zetknięcia w jednostce czasu, jest proporcjonalna do stężenia oraz powierzchni zetknięcia.

Sedymentacja

W wyniku działania sił ciężkości w układach koloidalnych następuje opadanie cząstek fazy rozproszonej, powodujące w konsekwencji zniszczenie struktury koloidu

f₁ = 4/3 * Πr³(d_r - d_oś)g

gdzie:

dr - gęstość fazy rozproszonej

d_oś - gęstość fazy rozpraszającej

g - przyspieszenie ziemskie

Turbidymetryczne wyznaczanie średniej wielkości cząstki koloidalnej

Wykorzystując absorpcję pozorną (technika analityczna), pozwala oznaczyć średnią wielkość cząstki koloidalnej według wzoru:

Ap= lg lo/lp= k b*c/ d*a *λ⁴

Gdzie:

b-natężenie światła padającego

lp-natężenie światła padającego

k,a-stałe zależne od rodzaju substancji

d-średni wymiar cząsteczki

λ⁴-długość fali

Układ	Śr.promień cząstki	Vopadania W cm/godz.	Czas opadania
Krople Deszczu	10^-2	10^-2	0,01 sekundy
Mgła	10^-4	10^-4	100 sekund
Emulsja	10^-4	10^-5	50 godzin
Zol	10^-6	10^-7	2 miesiące
Albumina w wodzie	10^-7	10^-10	90 lat

Sedymentacja wymuszona w ultradźwiękach

Wyznaczanie masy cząstek koloidalnych

dr/dt

S= ---------

rw²

s-współczynnik sedymentacji wymuszonej w wirówce o promieniu r

w-prędkość kątowa w wirówce

dr-zmiana stężenia w roztworze koloidalnym na drodze x

dr/dt- zmiana położenia cząstki koloidalnej dr, w czasie dt

Masę cząsteczki można oznaczyć uwzględniając lepkość roztworu koloidalnego, oraz promień cząstki wyliczonej na podstawie współczynnika dyfuzji D Einsteina- Smoluchowskiego.

KTS

M= -----------------

D(1-do/d)

K-stała

T-temperatura bezwzględna

Do-gęstość rozpuszczalnika

d-gęstość cząstki koloidalnej

Tworzenie pian

Niszczenie Pian (Wytrącanie)

2C₁₅H₃₁COONa + Ca ²⁺- (C₁₅H₃₁COO)₂ Ca↓ + 2Na⁺

Ruchy Browna

Ruchami Browna nazywamy zjawisko polegające na tym, że niewielkie cząsteczki, pyłki znajdujące się w gazie, lub w zawiesinie samorzutnie i pozornie bez powodu wykonują stałe chaotyczne ruchy w różne strony.

Metody oczyszczania koloidów:

To proces oddzielania subst. Rozpuszczających (najczęściej w postaci jonów) od układu koloidowego wykorzystującym dyfuzję tych subst. Przez błony półprzepuszczalne (błony zwierzęce, celofanowe, kuprofonowe)> Proces dializy przebiega bardzo powoli dlatego przyspiesza się go przykładając pole elektryczne (elektroliza).

W dializatorze po jednej stronie membrany znajduje się zanieczyszczony roztwór koloidalny a druga strona omywana jest czystym rozpuszczalnikiem. Subst. O rozdrobnieniu cząsteczkowym przechodzą przez membraną do zew. Cieczy i mogą być w ten sposób usunięte z koloidu, zwłaszcza gdy ciecz zew. Będzie wymieniana w sposób ciągły. W przypadku elektrolizy proces oczyszczania przeprowadzony jest w polu elektrycznym.

Ciśnienie osmotyczne- roztworu koloidalnego ma taki sam sens fizyczny jak dla roztworów rzeczywistych, miarą ciśnienia osmotycznego jest ciśnienie, które należy przyłożyć do membrany, półprzepuszczalnej od strony roztworu, aby zahamować przechodzenie czystego rozpuszczalnika do roztworu. Ciśnienie osmotyczne roztworu koloidalnego jest znacznie niższe niż dla roztworów rzeczywistych i wynosi:

Π= RT/V₁ * lnx₁

V₁-objętośc molowa rozpuszczalnika

x₁-ułamek molowy rozpuszczalnika

ciśnienie osmotyczne roztworu jest tym większe, im więcej cząsteczek znajduje się w określonej ilości płynu

Równowaga membranowa Donnana

Przez określoną membranę półprzepuszczalną mogą przejść jedynie jony o pewnej wielkości. Niektóre membrany mają właściwości selektywne, przepuszczają tylko ściśle określone jony, cząstki.

Ma to praktyczne zastosowanie w filtracji membranowej
Membrany stosowane w procesach filtracyjnych:
RO - odwrócona osmoza (hiperfiltracja) - otwory w membranie są najmniejsze co pozwala przejść przez nie tylko w wodzie;
NF - nanofiltracja - otwory są nieco większe niż w RO i pozwalają oprócz wody przejść przez nie także solom mineralnym;
Typowe zastosowanie RO i NF:

• zagęszczanie mleka, serwatki, soków owocowych, warzywnych;

• demineralizacja mleka, serwatki;

• oczyszczanie i zagęszczanie preparatów po ultrafiltracji (produkcja enzymów, antybiotyków, koncentratów białek);

• koncentracja i oczyszczanie enzymów, antybiotyków;

• oczyszczanie i zagęszczanie koncentratów białek, np.: jaj;

• oczyszczanie wody.

UF - ultrafiltracja - otwory są jeszcze większe, tak, że oprócz wody i soli przechodzą przez nie cukry, a w roztworze pozostają białka.
Typowe zastosowanie:

• zagęszczanie wszystkich białek mleka;

• koncentrcja białek serwatkowych;

• produkcja twarożków z mleka ukwaszonego;

• przygotowanie mleka w technologii serów, jogurtu;

• koncentracja i oczyszczanie enzymów;

• koncentracja i oczyszczanie antybiotyków;

• izolowanie enzymów, antybiotyków, białek;

• oczyszczanie octu;

• oczyszczanie soku jabłkowego i innych soków owocowych;

MF - mikrofiltracja - otwory są na tyle duże, że nie przechodzą przez nie jedynie koloidy, zawiesiny, bakterie i wirusy, a przepuszczane są substancje rozpuszczone jak białka.

Typowe zastosowania:

• filtracja sterylna mleka, solanki;

• oczyszczanie roztworów z zawiesin, będąca alternatywą dla wytrącania i odwirowania;

Lepkość

W wyniku działania sił kohezji (wzajemnego oddziaływania) między cząsteczkami cieczy występuje przy przemieszczaniu się jednych warstw cieczy względem drugich pewne tarcie wewnętrzne zwany lepkością.

Lepkość koloidu

Jest na ogół większa niż lepkość ośrodka dyspersyjnego, przy czym dla koloidów liofobowych różnice te są nieznaczne, a dla koloidów liofilowych mogą być bardzo duże. Układ, w którym cząstki fazy rozproszonej maja większy ładunek elektryczny, wykazują większą lepkość

Ciśnienie osmotyczne

Ciśnienie, jakie należy przyłożyć od strony roztworu koloidalnego, aby zahamować przechodzenie rozpuszczalnika (fazy rozpraszającej do koloidu). Ciśnienie o. koloidów wykazuje niższe wartości niż dla roztworów rzeczywistych

Właściwości optyczne koloidów:

Rozpraszanie światła

Zmętnienie roztworu

Efekt Tyndalla

to zjawisko fizyczne polegające na rozpraszaniu światła przez koloid z wytworzeniem charakterystycznego stożka świetlnego

Właściwości elektrokinetyczne koloidów:

• Elektroosmoza- ruch ośrodka dyspersyjnego pod wpływem pola elektrycznego, wykorzystuje się do odwadniania skór, oczyszczania żelatyny, demineralizacji wody, osuszania budynków (ciecz + przesuwa się do ośrodka -, - do +, kapilara naładowana odwrotnie do ładunku cieczy)

• Elektroforeza- ruch naładowanych cząstek koloidalnych pod wpływem pola elektrycznego wzdłuż nieruchomego ośrodka rozpraszającego (wykorzystuje się do rozdzielania białek, witamin, izomerów optycznych, w analityce chemicznej, przy oznaczaniu pestycydów (- do +, + do -, kapilara naładowana zgodnie z ładunkiem cieczy)

• Katoforeza- ruch cząstek w kierunku katody

• Anoforeza- ruch cząstek w kierunku anody

• Potencjał przepływu- potencjał elektryczny uzyskany na elektrodach przy wymuszonym przepływie cieczy (odwrócenie zjawiska elektroosmozy)

METODY OTRZYMYWANIA KOLOIDÓW

Rozdrobnienie mechaniczne koloidalne cząsteczkowe

Dyspersja -> KOLOID <- Kondensacja

Koagulacja <- ROZPAD KOLOIDÓW -> Rozpuszczanie

Metody dyspersyjne

Rozdrobnienie do wielkości rozdrobnienia koloidalnego, osiąga się mechanicznie, elektrycznie, przy pomocy ultradźwięków lub przy użyciu peptyzatorów, wyróżnia się

-dyspersje mechaniczną i ultra dźwiękową

-fotodyspersje

-termodyspersje

-rozpylanie w tzw. „Atomizerach”

-peptyzajcca (dyspersja chemiczna)

Metody kondensacyjne

Maja zapewnić połączenie małych cząstek w zespoły o rozmiarach koloidu. Do osiągnięciu efektu wykorzystuje się reakcje polimeryzacji, redukcji, utleniania, wymiany lub zmniejszenia rozpuszczalności.

Metody oczyszczania:

-dializa

-elektroliza

Koagulacja

Polega na zmniejszeniu stopnia dyspersji układów koloidalnych, a więc na łączeniu się cząstek fazy rozproszonej w większe zespoły. Dzielimy je na odwracalne (piana, żelatyna) i nieodwracalne (białko kurze, zole Tl. I wodorotl. Metali)

Można je wywołać:

Dodaniem elektrolitu- próg koagulacji - minimalna liczba milimoli elektrolitu potrzebna do skoagulowania 1dm3 r. koloid.

Zmiana temp. - płyn do kąpieli - ciepła woda- pieni się, zimna piana ucieka

Czynnikiem mechanicznym (mieszając, wytrącając- otrz. masła niszczenie struktur k) Dodatkiem nieelektrolitu- wlanie roztworu wodnego do alkoholu

Przepływem prądu, działalnością światła.

Przewodniki I rodzaju (metale i ich stopy)

W których przenoszenie prądu odbywa się poprzez przemieszczanie się elektrolitów tworzących gaz elektroosmozy w strukturze kryształu metalicznego wskutek przyłożonej różnicy potencjałów.

Przewodniki II rodzaju (wodne roztwory elektrolitów lub stopione)

W których nośnikami prądu są obecne w roztworze jony, a przepływ prądu zawsze jest związany z zajściem reakcji RED-OX.

Zawsze góruje przechodzenie z metalu roztworzonego na metal w postaci płytki i na odwrót. W przypadku Zn góruje przechodzenie do roztworu, zatem płytka ładuje się ujemnie. Miedź z roztworu osadza się na płytce/ ładuje się dodatnio. Taki sposób to półogniwa.

Ogniwa galwaniczne

są układami, z których można czerpać energię elektryczną. Ogniwo chemiczne, w którym źródłem prądu są reakcje chemiczne zachodzące między elektrodą, a elektrolitem. Dwie elektrody zanurzone w elektrolicie (półogniwa) tworzą ogniwo galwaniczne

Anoda Elektroda, na której zachodzą procesy utleniania

Katoda Elektroda, na której zachodzą procesy redukcji

METODY OTOCZENIA KOLOIDÓW

• Dializa (elektrodializa) Zdolność przechodzenia niektórych cząsteczek i jonów przez błonę półprzepuszczalną, rozdzielającą dwa roztwory; metoda badania składu niektórych roztworów zawiesin, oparta na zdolności przechodzenia niektórych ich składników przez błonę półprzepuszczalną.

• Filtracja (ultrafiltracja) metoda oddzielania substancji stałych od cieczy i gazów, poprzez mechaniczne zatrzymanie jednej z substancji (zwykle ciała stałego) w przegrodach porowatych (filtrach) przy użyciu odpowiednich aparatów. Ciecz lub gaz otrzymywane po filtracji nazywa się filtratem.

• Ultrafiltracja (filtracja molekularna) - to proces filtracji z użyciem sit molekularnych, membran i wszelkich materiałów porowatych, o porach których rozmiary są zbliżone do wielkości pojedynczych cząsteczek. Ultrafiltracja wymaga zwykle stosowania znacznych ciśnień i jest czasochłonna

• Wymiana jonowa (wykorzystywanie jonitów) to zjawisko i proces wymiany ruchliwych jonów (kationów lub anionów) na inne jony tego samego znaku zachodzący na ciele stałym lub polimerze zawierającym odpowiednie grupy funkcyjne.

Emulsja, układ koloidalny składający się z dwóch nierozpuszczalnych wzajemnie cieczy, z których jedna jest rozproszona w drugiej w postaci kropelek. Dwie ciecze mogą tworzyć różne emulsje w zależności od stosunku ilościowego fazy rozproszonej i rozpraszającej. Emulsja może być trwała wskutek obecności utrwalających ją emulgatorów.

Emulgatory hydrofilowe- o małych cząsteczkach (mydła sodowe i potasowe, trójenaoamina) dają emulsje typu O/W

Emulgatory hydrofobowe- magnezu, wapnia, dają emulsję typu W/O

Jedną z codziennie spotykanych emulsji jest mleko.

8

---