1. Wstęp Teoretyczny

W danym układzie wielofazowym zjawiska powierzchniowe odgrywają tym większą rolę, im bardziej jest rozwinięta powierzchnia stanowiąca granicę faz. Układy w których uzyskano znaczne rozwinięcie powierzchni wskutek rozdrobnienia jednej z faz, nazywamy układami dyspersyjnymi. W każdym układzie dyspersyjnym możemy wyróżnić fazę rozproszoną i fazę rozpraszającą (dyspersyjną), otaczającą i oddzielającą od siebie cząstki fazy rozproszonej. Obie fazy mogą występować w różnych stanach skupienia: stałym, ciekłym i gazowym. Biorąc pod uwagę rozmiary cząstek fazy rozproszonej wyróżniamy:

a) układy o rozdrobnieniu molekularnym (roztwory właściwe), odznaczające się rozmiarami cząstek mniejszymi od 1[ nm].

b) układy o rozdrobnieniu koloidalnym (układy koloidalne), odznaczjące się rozmiarami cząstek między 1[nm] a [200 nm],

c) układy grubo dyspersyjne (zawiesiny), odznaczające się rozmiarami cząstek większymi od 200 [nm].

Układy koloidalne zajmują więc pozycję pośrednią między roztworami właściwymi a zawiesinami. Zwykle zawiesinę uważa się za układ heterogeniczny, w którym cząstki fazy rozproszonej są jeszcze widoczne pod mikroskopem i ulegają sedymentacji w ziemskim polu grawitacyjnym. W przypadku roztworów właściwych mamy do czynienia z rozproszeniem molekularnym elementem budowy są atomy, jony, czy cząsteczki (zwykle solwatowane). Układy tego rodzaju uważamy za jednorodne.

Rozpatrując układy koloidalne z punktu widzenia jedności fizycznej, otrzymuje się następującą definicję:

"Układami koloidalnymi (koloidami) nazywamy układy dyspersyjne, najczęściej dwuskładnikowe, o wyglądzie układów fizycznie jednorodnych, chociaż w rzeczywistości oba składniki nie są ze sobą zmieszane cząsteczkowo."

Jeżeli cząstki fazy rozproszonej mają jednakową wielkość układ nazywamy monodyspersyjnym; jeżeli różną-polidyspersyjnym.

Stan rozproszenia koloidalnego jest bardzo rozpowszechniony zarówno w świecie przyrody ożywionej (białka, węglowodany, pektyny) i nieożywionej (gliny, mgły), jak i wśród związków otrzymywanych sztucznie. Zanieczyszczone wody i powietrze, to układy koloidalne różnych związków chemicznych. Dlatego nauka o koloidach ma duże znaczenie praktyczne.

Ze względu na stan skupienia fazy rozproszonej, jak i rozpraszającej, układy koloidalne można podzielić na osiem rodzajów (tabela 1). Najbardziej rozpowszechnione są układy koloidalne mające ciekłą fazę dyspersyjną. Nazywamy je roztworami koloidalnymi, liozolami lub zolami. Jeżeli fazą rozpraszającą jest woda, to układy takie nazywamy hydrozolami. Układy koloidalne z gazową fazą rozpraszającą nazywamy gazozolami (powietrze- aerozole).

Tabela. 1.

Ośrodek dyspersyjny	Faza rozproszona	Przykłady	Nazwa
	Gaz	układy tego rodzaju nie istnieją, gdyż gazy mieszają się cząsteczkowo	________
Gaz	Ciecz	mgła, chmury, kondensujące pary	mgły
	Ciało stałe	kurz, dym, cząstki węgla w płomieniu Bunsena	gazozole
	Gaz	pęcherzyki gazów w cieczy np. w krytycznym obszarze skraplania gazów, piana mydlana	piany, zole
Ciecz	Ciecz	mleko, emulsja tłuszczu w wodzie, roztwór żelatyny, białka	liozole (emulsoidy)
	Ciało stałe	zole metali, siarczków, tlenków i wodorotlenków metalicznych	liozole (zawiesiny koloidalne, suspensoidy)
	Gaz	pumeks,okluzje gazów w minerałach	piany stałe
Ciało stałe	Ciecz	kwarc mleczny, kryształy z okludowaną wodą hydratacyjną	piany stałe
	Ciało stałe	szkło rubinowe, perły fosforowe, kryształy chlorku sodowego zabarwione przez koloidalne cząstki metalicznego sodu	zole stałe

Według innej klasyfikacji wprowadzonej przez Lottermosera i Kruyta układy koloidalne dzieli się na liofilowe i liofobowe.

Układy liofiowe (hydrofilowe-gdy fazą dyspersyjną jest woda) są to układy, w których cząstki fazy rozproszonej ulegają silnej solwatacji (hydratacji) przez cząsteczki fazy rozpraszającej (roztwory białek, żelatyna, tanina).

Układy liofobowe (hydrofobowe) są układami, które nie ulegają solwatacji, a czynnikiem stabilizującym jest głównie ładunek elektryczny nadany przez zaadsorbowane jony (zole metali, wodorotlenków metali).

Najbardziej charakterystyczne własności koloidów liofilowych i liofobowych zestawiono w tabeli 2.

Własności	Koloidy liofobowe	Koloidy liofilowe
Otrzymywanie	metodami dyspersji lub kondensacji	można otrzymywać przez zwykłe rozpuszczanie
Struktura cząstek	przeważnie zespoły zwykłych cząsteczek	makrocząsteczki, czyli 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	najczęściej bezbarwne
Ładunek elektryczny	cząstki są zawsze naładowane	ładunek nieznaczny lub brak ładunku
Lepkość	nieznaczna, podlegająca prawu Einsteina	znaczna, często nie podlega prawu Einsteina
Tworzenie piany	nie tworzą piany	łatwo tworzą pianę
Pęcznienie	nie pęcznieją	pęcznieją zwiększając objętość
Tworzenie galaret	nie tworzą galaret	łatwo tworzą galarety
Wrażliwość na działanie elektrolitu	koagulacja pod wpływem małej ilości elektrolitu	mała wrażliwość; pod wpływem dużych stężeń elektrolitu następuje wysalanie
Wrażliwość na działanie środków dehydratujących	nieznaczna i dopiero przy dużych stężeniach	przy dużych stężeniach znaczna
Charakter koagulacji	nieodwracalny	odwracalny

Z przedstawionej definicji układów koloidalnych wynika, że są to układy zawierające co najmniej dwie fazy mimo, że mają wygląd układów jednorodnych. W koloidach liofobowych ta dwufazowość występuje wyraźnie, bowiem istnieje powierzchnia rozgraniczająca obie fazy, na której zachodzi adsorpcja warunkująca powstanie ładunku elektrycznego. Istnieją jednak koloidy, które nie odpowiadają wymaganiom dwufazowości. Są to substancje, które zgodnie ze swoją naturą chemiczną mają cząsteczki o wielkości odpowiadającej cząstkom koloidalnym (1-200 [nm]). Wynika stąd uzasadnienie podziału koloidów na dwie grupy: fazowe i cząsteczkowe.

W koloidach fazowych cząstka koloidalna nie jest pojedynczą cząsteczką związku chemicznego, ale agregatem cząstek małych o tym samym charakterze chemicznym. Jest to zatem układ fizycznie niejednorodny.

Koloidy cząsteczkowe (eukokoloidy) są to układy fizyczne jednorodne, a cząstką koloidalną jest tu cząsteczka związku chemicznego-makrocząsteczka. Charakter koloidalny jest w tym przypadku wynikiem budowy chemicznej, a nie agregacji.

Brunenberg de Jonga zaproponował podział koloidów na: liofobowe, wielkocząsteczkowe i asocjacyjne. Koloidy liofobowe odpowiadają koloidom o tej samej nazwie jak wg. podziału Lottermosera i Kruyta. Koloidy wielkocząsteczkowe są roztworami rzeczywistymi makrocząsteczek. Koloidy asocjacyjne powstają przez samorzutne skupienie większej liczby cząstek w agregaty ( asocjacja cząstek substancji rozpuszczonej). Ten typ układu koloidalnego występuje w stężonych roztworach mydeł i innych detergentów.

Istnieje więc wiele prób klasyfikacji koloidów opartych na różnych kryteriach. Poszczególne rodzaje układów koloidalnych często pokrywają się ze sobą np. liofobowe-fazowe; liofilowe-cząsteczkowe. Żadna z podanych klasyfikacji nie jest zupełnie ostra, gdyż zawsze istnieją układy o własnościach pośrednich między krańcowymi przykładami.

Fizykochemiczne badania zoli liofobowych wykazały, że poszczególne cząstki (miceleo) składają się z jądra o budowie krystalicznej oraz części jonogennej. Jony są albo chemicznie związane z powierzchnią jądra. tzn. wbudowane w sieć krystaliczną, albo najczęściej na nim zaadsorbowane i dlatego ta warstwa jonów nosi nazwę warstwy adsorpcyjnej Jony warstwy adsorpcyjnej przyciągają pewną liczbę jonów przeciwnego znaku, tworząc podwójną warstwę elektryczną, silnie związaną z centralnym jądrem, tzw. "warstwa sztywna" Sterna. Termiczne ruchy rozpraszające powodują, że pewna liczba jonów przeciwnego znaku znajduje się poza zasięgiem działania jonów warstwy adsorpcyjnej Warstwa tych jonów, o budowie rozmytej, nosi nazwę warstwy dyfuzyjnej.

Trwałość koloidów liofobowych zależy od stanu warstwy dyfuzyjnej, a mianowicie maleje ze zmniejszeniem się jej grubości i równocześnie ze zmniejszeniem potencjału między warstwą adsorbcyjną (sztywną) i warstwą dyfuzyjną.

Jedną z cech koloidów jest ich zdolność do koagulacji. Koagulacja jest to proces przejścia zolu w żel w wyniku agregacji cząstek koloidalnych.

Najlepiej jest zbadana koagulacja zoli liofobowych pod wpływem elektrolitów. Odporność zolu na koagulację, a więc trwałość koloidu, charakteryzuje tzw. wartość koagulacji. Wartością koagulacyjną nazywamy najmniejsze stężenie dodawanego elektrolitu wystarczające do tego, aby w określonym czasie nastąpiła całkowita koagulacja zolu (przejście w żel). Działanie koagulacyjne zależy przede wszystkim od wartościowości jonu o znaku przeciwnym niż znak cząstki koloidalnej. Wartość koagulacyjna jest tym mniejsza, im wyższa jest wartościowość jonu, który powoduje koagulację.

2. Obliczenia przykładowe i tabele pomiarowe

Seria 1

Nr probówki	1	2	3	4	5	Uwagi
Objętość elektrolitu [cm3]	1	3	5	7	9	koagulacja nastąpiła w probówkach: .
Objętość wody[cm3]	9	7	5	3	1	1,2,3,4,5
Objętość zolu [cm3]	10	10	10	10	10

Seria 2

Nr probówki	1	2	3	4	5	Uwagi
Objętość elektrolitu [cm3]	0,9	0,7	0,5	0,3	0,1	koagulacja nastąpiła w probówkach: .
Objętość wody[cm3]	9,1	9,3	9,5	9,7	9,9	1,2,3,4
Objętość zolu [cm3]	10	10	10	10	10

Seria 3

Nr probówki	1	2	3	Uwagi
Objętość elektrolitu [cm3]	0,15	0,20	0,25	koagulacja nastąpiła w probówkach: .
Objętość wody[cm3]	9,85	9,80	9,75	pomiędzy 0,25-0,3
Objętość zolu [cm3]	10	10	10

Obliczyć wartość koagulacyjną elektrolitu według wzoru:

gdzie: C - stężenie elektrolitu [mol/dm3],

Vx- objętość elektrolitu [cm3]

Porównać obliczone wartości koagulacyjne dla poszczególnych elektrolitów i wyciągnąć odpowiednie wnioski, biorąc pod uwagę wartościowość jonu powodującego koagulację oraz ładunek elektryczny cząstki koloidalnej.

3. Wnioski

Najmniejsza ilość elektrolitu (stężenie) wynosi 13,75
, co sugeruje że nastąpił proces przejścia zolu w żel czyli zaszedł proces koagulacji. Tego typu obliczenie ma praktyczne zastosowanie w procesie koagulacji stosowanych w oczyszczalniach ścieków, gdzie wykorzystuje się również elektrolity.

---