STAN KOLOIDALNY MATERII

1. Pojęcie i klasyfikacja koloidów

2. Koloidy liofobowe i liofilowe

3. Metody otrzymywania koloidów

4. Metody oczyszczania koloidów *

5. Właściwości układów koloidalnych

6. Pojęcia

7. Działanie ochronne koloidów

8. Pytania kontrolne (to NIE są oficjalne pytania)

1. Pojęcie i klasyfikacja koloidów

Stan koloidalny jest stanem skupienia materii równie powszechnym jak stan gazowy, ciekły

lub stały. Cechą charakterystyczną stanu koloidalnego jest niski stopień rozdrobnienia. Układy koloidalne lub krótko - koloidy, są to układy dyspersyjne, najczęściej dwuskładnikowe, o wyglądzie układów fizycznie jednorodnych, chociaż w rzeczywistości oba składniki nie są ze sobą zmieszane cząsteczkowo. Składnik tworzący fazę ciągłą układu nazywamy ośrodkiem dyspersyjnym lub rozpraszającym, drugi zaś fazą rozproszoną lub składnikiem rozproszonym. Faza rozproszona składa się z cząstek koloidalnych o wymiarach od 1 do 100 nm, a nawet do 500 nm. Należy tu jednak zaznaczyć, że do układów koloidalnych zaliczamy nie tylko te, które mają wszystkie trzy wymiary "koloidalne", lecz także i te, w których dwa a tylko nawet jeden wymiar jest koloidalny, czyli ma wartość od 1 do 500nm. W związku z tym układy koloidalne można podzielić na układy z cząstkami

trójwymiarowymi, układy z cząstkami blaszkowatymi i układy z cząstkami nitkowatymi. Jeżeli cząstki fazy rozproszonej mają jednakową wielkość, układ nazywamy mono lub izo-dyspersyjnym, jeżeli różną - polidyspersyjnym. Układy koloidalne, które spotykamy w przyrodzie czy laboratorium mają jednak najczęściej charakter polidyspersyjny.

Układy dyspersyjne o wymiarach cząstek większych od 500 nm nazywamy układami mechanicznymi (zawiesinami lub suspensjami, w których cząstki ulegają sedymentacji), zaś układy o wymiarach cząstek rozproszonych mniejszych od 1nm układami o rozdrobnieniu cząsteczkowym (roztworami rzeczywistymi).

Stan rozproszenia koloidalnego jest bardzo rozpowszechniony, zarówno w świecie przyrody ożywionej (różnorodne białka, pektyny, węglowodany) i nieożywionej (gliny, mgły, pył wulkaniczny), jak również wśród związków otrzymanych sztucznie w laboratorium chemicznym (mydła, niektóre barwniki, siarka koloidalna, tlenki metali itd.). 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. Podczas rozpuszczania eukoloidów powstają samorzutnie układy koloidalne.

Najbardziej rozpowszechnione są układy koloidalne o ciekłym ośrodku dyspersyjnym, zwane roztworami koloidalnymi, liozolami lub zolami. Jeżeli ośrodek dyspersyjny jest wodą, zwane

są hydrozolami, jeżeli alkoholem alkozolami, jeżeli benzenem - benzenozolami itd. Ogólnie, jeżeli ośrodek dyspersyjny jest cieczą organiczną, układy koloidalne nazywa się organozolami, jeżeli zaś gazem gazozolami (w przypadku powietrza - aerozolami).

Tabela 1. Podział koloidów wg stanu ośrodka dyspersyjnego i fazy rozproszonej

Ośrodek dyspersyjny	Faza rozproszona	Nazwa	Przykłady
gaz	ciecz	mgły	mgła, chmury, pary
gaz	ciało stałe	gazozole	kurz, dym
ciecz	gaz	piany, zole	piana mydlana
ciecz	ciecz	emulsje, emulsoidy	mleko, białko jaj
ciecz	ciało stałe	zawiesina koloidalna	mętne wody
suspensoidy
ciało stałe	gaz	piany stałe	pumeks
ciało stałe	ciecz	emulsja stała (?)	kwarc mleczny
ciało stałe	ciało stałe	zole stałe	kolorowe szkła

2. Koloidy liofobowe i liofilowe

Koloidy w zależności od powinowactwa do rozpuszczalnika (ośrodka rozpraszającego) dzielimy na liofilowe (duże powinowactwo względem rozpuszczalnika - emulsoidy), np. białka, tanina, żelatyna, Fe(OH)3, Al(OH)3 i liofobowe sunspensoidy, np. zole metali, wodorotlenków pewnych metali, sole metaliczne, np. As2S3, AgCl. Zjawisko łączenia się cząstek fazy rozproszonej z ośrodkiem dyspersyjnym nazywamy ogólnie solwatacją a w przypadku ośrodka wodnego - hydratacją.

W wyniku solwatacji koloidów liofilowych cząsteczki fazy rozproszonej ulegają stabilizacji.

Natomiast koloidy liofobowe nie ulegają solwatacji albo też ulegają tylko nieznacznie a czynnikiem stabilizującym je jest głównie ładunek elektryczny.

Tabela 2. Koloidy liofobowe i liofilowe

	Koloidy liofobowe	Koloidy liofilowe
Otrzymywanie	metodą dyspersji lub kondensacji	przez zwykłe rozpuszczanie
Struktura cząstek	zespoły cząsteczek	cząsteczki olbrzymy
Stężenie fazy rozproszonej	na ogół nieznaczne	może być duże
Ruchy Browna	występują wyraźnie	często bardzo niewyraźne
Efekt Tyndalla	wyraźny	niewyraźny
Barwa układu	często zabarwione	często bezbarwne
Ładunek elektryczny	cząstki są zawsze naładowane	ładunek nieznaczny lub brak
Lepkość	nieznaczna	znaczna
Tworzenie piany	nie tworzą piany	łatwo tworzą pianę
Tworzenie galaret	nie tworzą	tworzą łatwo
Wrażliwość na elektrolit	duża, zachodzi koagulacja	mała
Charakter koagulacji	nieodwracalna	odwracalna

3. Metody otrzymywania koloidów

W celu uzyskania rozdrobnienia koloidalnego stosowane są dwa rodzaje metod:

Metody dyspersyjne, polegające na rozdrabnianiu cząstek o wymiarach większych od 500nm aż do uzyskania wymiarów charakterystycznych dla roztworów koloidalnych. Należą tu głównie:

rozdrabnianie mechaniczne (rozcieranie), metoda Brediga, polegająca na rozpyleniu głównie czystych metali w łuku Volty, peptyzacja (polega na działaniu roztworem odpowiedniego elektrolitu na świeżo wytrącony trudno rozpuszczalny osad), rozpylanie za pomocą ultradźwięków, rozpylanie katodowe, termiczne itd.

Metody kondensacyjne, polegające na łączeniu cząsteczek lub jonów w większe zespoły aż do

osiągnięcia rozdrobnienia koloidalnego. Najważniejsze z tego typu metod to zmniejszenie

rozpuszczalności, redukcja, czasem utlenienie, hydroliza, polimeryzacja, metoda zarodnikowa i inne.

4. Metody oczyszczania koloidów*

Oczyszczanie koloidów od domieszek substancji tworzących roztwory rzeczywiste (ciała krystaliczne i elektrolity) ma duże znaczenie w zapewnieniu trwałości zolu. Do najczęściej

stosowanych do tego celu metod należą: dializa, elektroliza, ultrafiltracja, elektrodekantacja i adsorpcja wymienna na jonitach. Jedną z łatwiejszych metod jest dializa. W celu przeprowadzenia dializy woreczek z błony półprzepuszczalnej (kolodium, celofan lub naturalna błona zwierzęca) napełniamy czystym rozpuszczalnikiem (najczęściej wodą) i umieszczamy w naczyniu z zolem.

Substancje o rozdrobnieniu cząsteczkowym przechodzą przez membranę do wewnętrznej cieczy i mogą być w ten sposób usunięte z koloidu. Zmieniając stale ciecz wewnętrzną możemy koloid doprowadzić do żądanej czystości. Tak działające urządzenie do doczyszczania koloidów zwane jest dializatorem. Elektrodializa jest połączeniem dializy z elektrolizą a jej przewaga nad dializą polega głównie na większej szybkości oczyszczania (dializę należy prowadzić co najmniej przez kilkanaście dni, podczas gdy elektrodializa już po upływie 2-3 dni daje czysty zol).

5. Właściwości układów koloidalnych

Właściwości mechaniczne

Jedną z najbardziej charakterystycznych cech układów koloidalnych są ruchy Browna. (patrz pkt 6.)

Właściwości optyczne

Jedną z najbardziej charakterystycznych cech układów koloidalnych jest efekt Tyndalla.

Absorpcja światła

Niektóre układy koloidalne mają silniejszą absorpcję aniżeli rozproszenie światła. Pomiar absorpcji światła jest jedną z metod badania układów koloidalnych, pozwala on na oznaczanie stężenia fazy rozproszonej i na śledzenie przebiegu koagulacji. Barwa układów koloidalnych uwarunkowana jest zarówno przez absorpcję, jak i przez rozproszenie światła. Zależy ona od wielkości, kształtu i stopnia agregacji cząstek fazy rozproszonej. W świetle rozproszonym może być ona inna niż w świetle przechodzącym. Ten sam układ koloidalny może mieć różną barwę w zależności od stopnia rozproszenia.

Właściwości elektryczne

Na skutek adsorpcji jonów elektrolitu z roztworu na powierzchni cząstki koloidalnej powstaje ładunek elektryczny. W wyniku tej adsorpcji tworzy się podwójna warstwa elektryczna złożona z powłoki wewnętrznej, czyli adsorpcyjnej, przylegającej mocno do powierzchni zewnętrznej, będącej warstwą jonów przeciwnego znaku. Zależnie od tego jakie jony są adsorbowane na powierzchni, cząstka może być naładowana albo ujemnie albo dodatnio. Jednak znak ładunku elektrycznego nie jest ich cechą charakterystyczną. Ta sama bowiem cząstka koloidalna może mieć ładunek dodatni lub ujemny, zależnie od środowiska. Na przykład koloidalny jodek srebra AgJ w roztworze zawierającym jony srebra jest naładowany dodatnio, w roztworze zaś zawierającym jony jodkowe ujemne.

6. Pojęcia

Ruchy Browna

Zjawisko polega na ciągłych chaotycznych ruchach postępowych, obrotowych i drgających, fazy rozproszonej w ośrodku ciekłym lub gazowym. Ruchy Browna można zaobserwować przypatrując się np. cząstkom kurzu oświetlonym cienką wiązką światła w zaciemnionym pomieszczeniu.

Efekt Tyndalla

Polega on na tym, że jeżeli przez roztwór koloidalny przepuszczamy wiązkę światła, to wskutek uginania się promieni na cząstkach fazy rozproszonej, mniejszych od długości fali, światło staje się widoczne w postaci smugi świetlnej. Intensywność tego efektu jest tym większa im większa jest różnica między współczynnikami załamania fazy rozproszonej i ośrodka dyspersyjnego. Efekt Tyndalla został wykorzystany w konstrukcji ultramikroskopu, który ma duże zastosowanie w różnorodnych badaniach koloidów, np. liczenie cząsteczek, obserwacja ruchów Browna, pomiar szybkości koagulacji i inne. Kształty geometryczne cząstek fazy rozproszonej o wymiarach odpowiadających rozdrobnieniom koloidalnym możemy obserwować jedynie w mikroskopie elektronowym.

Koagulacja

Właściwości elektryczne układów koloidalnych decydują o ich zdolności do koagulacji.

Koagulacja polega na zmniejszeniu się stopnia dyspersji układów koloidalnych a więc na łączeniu się cząstek fazy rozproszonej w większe zespoły w wyniku obniżania ładunku elektrycznego powierzchni cząstki koloidalnej. Podczas koagulacji zole przechodzą w żele (usieciowane koloidy) lub osady . Koagulacja może być odwracalna i nieodwracalna. Odwracalna jest wówczas, gdy żel można z powrotem przeprowadzić w zol. Nosi ona wtedy nazwę peptyzacji. Koagulację koloidów mogą na ogół wywoływać następujące czynniki:

- dodatek elektrolitu,

- dodatek koloidu o ładunku przeciwnym, co powoduje rozładowanie cząstek,

- naświetlanie radiochemiczne (np. promieniowanie b powoduje koagulację zoli dodatnich),

- działanie mechaniczne (mieszanie, wytrząsanie),

- ogrzewanie (np. ścinanie się białka),

- dehydratacja lub desolwatacja przez dodanie środków odwadniających, np. alkoholu lub acetonu,

- odparowanie lub wymrażanie ośrodka dyspersyjnego.

Peptyzacja

zjawisko przechodzenia osadu koloidalnego lub (żelu) w koloid (odwrotność koagulacji).

Wysalanie *

Jest jednym ze sposobów koagulacji koloidów liofilowych. Polega ono na wydzielaniu się fazy rozproszonej pod wpływem większych stężeń elektrolitu. Elektrolit powoduje kompresję elektrycznej warstwy podwójnej wokół cząstki obniżając w jej pobliżu ładunek elektryczny. Do wysalania koloidów szczególnie dobrze nadają się sole o jonach ulegających silnej hydratacji, łatwo rozpuszczalne i wyższej wartościowości, np. MgSO4, ale także (NH)2SO4 i Na2SO4. Zdolność wysalająca zależy od charakteru zarówno kationu jak i anionu a także od ich promieni jonowych.

Synereza

Polega na wydzielaniu się z żeli ośrodka dyspersyjnego po dłuższym staniu i jest związana z procesami koagulacji, np. wydzielanie się serwatki z kwaśnego mleka. Zjawisko synerezy przejawia się często w ten sposób, że ze względu na wydzielanie się ośrodka dyspersyjnego objętość żelu staje się coraz mniejsza, zachowując jednak pierwotny kształt, np. kształt kolby, w której się znajduje.

Tiksotropia

Polega ona na tym, że pod wpływem bodźców mechanicznych (wytrząsanie, mieszanie) żele przechodzą w zole a po pewnym czasie z powrotem zastygają w żel. Zjawisko tiksotropii jest więc przemianą odwracalną zol - żel, przebiegającą pod wpływem czynników mechanicznych. Przykłady układów koloidalnych gdzie wykorzystuje się właściwości tiksotropowe to niektóre farby emulsyjne (żelowata farba nie spływa po pędzlu ale łatwo rozprowadza się po malowanej powierzchni gdyż przechodzi w zol podczas pocierania pędzlem), dyspersyjne masy asfaltowe (dysperbit), zawiesiny wodne niektórych glin.

Reopeksja

?! - prosiłbym o uzupełnienie, jeżeli ktoś jest w stanie

7. Działanie ochronne koloidów

Polega na tym, że pewne zole liofilowe wprowadzone do zoli liofobowych zwiększają ich odporność na działanie elektrolitów.

8. Pytania kontrolne (to NIE są oficjalne pytania)

1. Jakie są sposoby odróżniania roztworu koloidalnego, rzeczywistego i zawiesiny?

2. Co jest ośrodkiem rozpraszającym (dyspersyjnym) a co fazą rozproszoną w następujących

koloidach: emulsja, zol, mgła, aerozol?

3. Co to są koloidy liofobowe i liofilowe? Podaj przykład każdego z nich?

4. Co jest czynnikiem stabilizującym koloidy liofilowe a co liofobowe?

5. Podaj charakterystyczne właściwości roztworów koloidalnych:

a) mechaniczne, b) optyczne, c) elektryczne *.

6. Co nazywamy koagulacją a co sedymentacją?

7. W jaki sposób można wywołać koagulację roztworu koloidalnego?

8. Co oznaczają następujące pojęcia: dializa, elektrodializa, synereza, tiksotropia?*

9. Co to jest wysalanie i od czego zależy zdolność wysalająca?

10. Czy koagulacja jest procesem odwracalnym? Odpowiedź uzasadnij przykładami.

11. Na czym polega działanie ochronne koloidów?

12. Jakie właściwości cząstek koloidalnych powodują względną trwałość roztworu koloidalnego?

Tematy i pytania pisane kursywą oraz zaznaczone * są raczej po za zakresem materiału.

---