Prezentacja programu PowerPoint

Dr Ewa Więckowska-Bryłka

Katedra Chemii WNoŻ

p. 2036

Wykład VII.

Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego

Wydział Nauk o Żywności

CHEMIA FIZYCZNA

KOLOIDY

Konsultacje:
• Środa godz. 10-11

• Pon 11-12

• Wtorek (sala 2065)

UKŁADY DYSPERSYJNE

Mieszaniny otrzymane przez rozproszenie (zdyspergowanie) dowolnej
substancji (zw. fazą zdyspergowaną) w jakimkolwiek ośrodku (zw. ośrodkiem

rozpraszającym lub dyspersyjnym)
Podział układów dyspersyjnych ze względu na stopień rozdrobnienia fazy
zdyspergowanej (2r – średnica cząstek)

Układ dyspersyjny

Układ jednorodny

(roztwór właściwy,

homogeniczny)

2r < 1 nm

• rozdrobnienie

molekularne

• jednakowe

właściwości
fizykochemiczne

w każdym

elemencie układu

Układ niejednorodny

(heterogeniczny)

• w obrębie układu występują obszary o
odmiennych właściwościach

rozdrobnienie koloidowe

(układ koloidowy,

zol)

1nm ≤ 2r

< 100 nm

rozdrobnienie makroskopowe

≥ 100 nm

Mieszaniny

takie

można

stosunkowo

łatwo

rozdzielić

metodami fizycznymi, takimi jak:

• sączenie przez materiał porowaty

• sedymentacja

polu

grawitacyjnym ziemskim

• dekantacja, tzn. ostrożne zlanie

cieczy znad osadu

• segregacja mechaniczna (jeżeli

ziarna

poszczególnych

składników są dostatecznie duże)

Koloid – z grec. klej , Graham – XIX w.

 przepuszczał

rozpuszczone

związki

chemiczne przez błony półprzepuszczalne;

łatwo

przechodzące

zdolne

krystalizowania z roztworu

krystaloidy

 inne substancje trudno lub wcale nie przechodzące

przez błony półprzepuszczalne i stanowiące kleistą

maź po odparowaniu rozpuszczalnika

koloidy

 podział ten odrzucono, gdyż te same związki w zależności od

rozpuszczalnika mogą być koloidami lub krystaloidami.

Układ lub stan koloidowy

Specyficzny stan rozdrobnienia substancji w danym rozpuszczalniku

Podstawą do zaklasyfikowania danego układu są:

właściwości fizyczne i chemiczne

Cechy charakterystyczne układów dyspersyjnych:

Doświadczenie lub
zjawisko

Roztwór

Układ
koloidowy

Zawiesina

Obserwacja cząstek
fazy rozproszonej w
mikroskopie

niewidzialne

widzialne

Obserwacja w
ultramikroskopie

niewidzialne

widzialne

Ruchy Browna

nie występują

występują

nie występują

Efekt Tyndalla

nie występuje

występuje

Dializa

zachodzi

nie zachodzi

Dyfuzja

zachodzi

nie zachodzi

Przechodzenie fazy
rozdrobnionej przez
bibułę filtracyjną

przechodzi

nie przechodzi

Przechodzenie przez
ultrasączek

przechodzi

nie przechodzi

Typy układów koloidowych w zależności od stanu skupienia fazy
rozproszonej (faza zdyspergowana) i fazy rozpraszającej

(ośrodek rozpraszający)

Faza

rozproszona

Faza

rozpraszaj

Typ uk

adu

koloidowego

Przyk

ady

gaz

ciecz

piana

bita

mietana,

mydliny,

gaz

faza sta

piana sta

pumeks

ciecz

gaz

aerozol ciek

a, chmury

faza sta

gaz

aerozol sta

dym, kurz

ciecz

emulsja

majonez

ciecz

faza sta

emulsja sta

sery, mas

faza sta

zol sta

niekt

re stopy,

barwne szk

faza sta

ciecz

zol

farby

atrament

Faza

rozproszona

Faza

rozpraszaj

Typ uk

adu

koloidowego

Przyk

ady

gaz

ciecz

piana

bita

mietana,

mydliny,

gaz

faza sta

piana sta

pumeks

ciecz

gaz

aerozol ciek

a, chmury

faza sta

gaz

aerozol sta

dym, kurz

ciecz

emulsja

majonez

ciecz

faza sta

emulsja sta

sery, mas

faza sta

zol sta

niekt

re stopy,

barwne szk

faza sta

ciecz

zol

farby

atrament

Faza

rozproszona

Faza

rozproszona

Faza

rozpraszaj

Faza

rozpraszaj

Typ uk

adu

koloidowego

Typ uk

adu

koloidowego

Przyk

ady

Przyk

ady

gaz

ciecz

piana

bita

mietana,

mydliny,

bita

mietana,

mydliny,

gaz

faza sta

piana sta

pumeks

ciecz

gaz

aerozol ciek

a, chmury

faza sta

gaz

aerozol sta

dym, kurz

ciecz

emulsja

majonez

ciecz

faza sta

emulsja sta

sery, mas

faza sta

zol sta

niekt

re stopy,

barwne szk

niekt

re stopy,

barwne szk

faza sta

ciecz

zol

farby

atrament

farby

atrament

PRZYKŁADY UKŁADÓW KOLOIDOWYCH:

błoto – zawiesina gleby w wodzie

•

lekarstwa – czynnik aktywny rozproszony w

obojętnej matrycy

mleko – kropelki tłuszczu i białka w wodzie
mgła, chmury – kropelki wody rozproszone w
powietrzu

krew – krwinki, płytki, białe ciałka w osoczu

Naturalne:

Wytworzone sztucznie:

•

farby – barwniki, wypełniacze, substancje pokrywające
w wodzie

•

ciekłe kryształy – uporządkowane struktury

drobnych cząstek

•

kosmetyki – tłuszcze, witaminy, i to co
wymienione w reklamie, wszystko zawieszone w

wodzie lub tłuszczu

Metody otrzymywania układów koloidowych:

•

mechaniczne (w moździerzach,

młynach koloidalnych)

•

za pomocą strumienia gazu (w celu
uzyskania aerozolu)

•

za pomocą fal ultradźwiękowych

(metodą tą otrzymuje się np. roztwory

koloidowe barwników, krochmalu czy
gipsu)

•

termiczne – stosowane np. do
otrzymywania metali w stanie
koloidowym,

•

łuku

elektrycznym

–

otrzymywania  zoli  srebra,  platyny  i
innych  metali,  tlenków  niektórych
metali, koloidowego grafitu.

Stosowanie metod dyspersyjnych

wymaga dodawania stabilizatorów w

celu otrzymania trwałego układu
koloidowego (zapobiegają koagulacji

koloidów)

•

polimeryzacja addycyjna, np. butadienu do
kauczuku, chlorku winylu do polichlorku
winylu,

•

reakcje kondensacji i polikondensacji,

•

zmniejszenie rozpuszczalności związków
trudno rozpuszczalnych takich jak np. BaSO

AgCl, AgI poprzez dodatek drugiego
rozpuszczalnika

•

przeniesienie danej substancji do

rozpuszczalnika, w którym trudniej się
rozpuszcza (np. otrzymywanie koloidowego
roztworu siarki czy kalafonii przez wlanie do

wody ich nasyconych roztworów
alkoholowych),

•

redukcja, np. jonów metali szlachetnych,

•

utlenianie (np. koloidowa siarka powstaje
podczas utleniania H

S na powietrzu),

•

hydroliza wodorotlenków metali takich jak
np. Zr(OH)

•

reakcja wymiany, np. AgNO

+ KI



AgI↓+

KNO

Dyspersyjne -

Rozdrabnianie jednej fazy w celu
otrzymania

niej

cząstek o

wymiarach koloidowych

Kondensacyjne, polimeryzacyjne-

Łączenie mniejszych cząstek fazy w

większe o rozmiarach koloidowych

Metody oczyszczania układów koloidowych:

 zwykle od rozpuszczonych substancji krystalicznych i elektrolitów

 cząstki koloidów przenikają przez sączki z bibuły filtracyjnej

 są zatrzymywane przez naturalne (roślinne i zwierzęce) i sztuczne

(kolodium, celofan) błony półprzepuszczalne

 elektrodializa – dializator

umieszczony w polu elektrycznym o

niewielkim natężeniu; przyspieszenie

ruchu jonów

d o p r o w a d z e n i e
w o d y

o d p r o w a d z e n i e
w o d y

b ł o n a d i a l i z u j ą c a

z o l

d o p r o w a d z e n i e
w o d y

o d p r o w a d z e n i e
w o d y

b ł o n a d i a l i z u j ą c a

z o l

 elektrodekantacja – wykorzystuje się wędrówkę cząstek koloidowych w

kierunku błony, obok której umieszczono elektrodę (zagęszczenie cząstek

umożliwia odprowadzenie pozostałej części roztworu wraz z zanieczyszczeniami)

 ultrafiltracja

(ultrasączenie)

–

zastosowanie

błon

lub

sączków

przepuszczających wszystkie składniki układu oprócz cząstek koloidowych

 adsorpcja wymienna na jonitach – przepuszczanie zanieczyszczonego jonami

koloidu przez mieszaninę kationitu i anionitu; do zolu w miejsce jonów

zanieczyszczających przechodzą jony H

i OH

–

(tworzące wodę) z jonitów

 dializa – wykorzystuje dyfuzję

innych składników przez błony

półprzepuszczalne. Jony lub

rozpuszczone małe cząsteczki

przechodzą przez błonę z zolu do
wody

Właściwości kinetyczne układów koloidowych

Ruchy Browna

– cząstki w bezustannym, chaotycznym ruchu



 







Δx – średnia wartość długości

przesunięcia w czasie Δt na podstawie

dużej liczby pomiarów dla pojedynczej

cząstki koloidowej, r – promień

cząstki

koloidowej,

η –lepkość

ośrodka, R – stała gazowa, T –
temperatura, K, N

– liczba Avogadra,

(

Δt





Einstein 1879-1955

Smoluchowski 1872-1917

Pomiar wielkości cząstek ważny w produkcji: artykułów

spożywczych, kosmetyków, farmaceutyków, papieru,

cementu, farb i barwników, przeróbki kopalin
Sedymentacja – opadanie cząstek koloidowych na dno

naczynia pod wpływem siły ciężkości; prędkość opadania

cząstek koloidowych:



)

d – gęstość ośrodka rozpraszającego, d

–

gęstość cząstki koloidowej, g – przyspieszenie
ziemskie,



– lepkość

Właściwości optyczne układów koloidowych:

•

rozpraszanie światła na cząstkach o wielkości

porównywalnej z długością fali światła. Dzięki
rozpraszaniu światła w dzień niebo jest
niebieskie, a o świcie i zmierzchu czerwone.

Dzięki rozpraszaniu widzimy chmury i dym.

Zastosowanie w
ultramikroskopie:

Zjawisko Tyndalla -

strumień światła

przechodzący przez układ koloidowy ulega ugięciu i

częściowo rozproszeniu na cząstkach koloidowych;

z boku – jasna opalizująca smuga w postaci stożka

Właściwości elektrokinetyczne układów koloidowych:

Ze względu na zdolność oddziaływania cząstek koloidowych z

cząsteczkami ośrodka rozpraszającego:

Koloidy

Liofobowe

•

cząstki koloidowe trudno

ulegają solwatacji

cząsteczkami fazy

rozpraszającej

•

m. in. hydrofobowe (H

jako rozpuszczalnik)

•

rozdrobnione złoto w
wodzie

Liofilowe

•

cząstki koloidowe łatwo

ulegają solwatacji

•

m. in. hydrofilowe (H

jako rozpuszczalnik)

•

m. in. koloidy białkowe

Właściwości

Koloidy

liofobowe

Koloidy liofilowe

Otrzymywanie

Metodami dyspersji lub

kondensacji

Można otrzymać przez

rozpuszczenie

Struktura cząstek

Przeważnie zespoły cząstek

Często makrocząsteczki

Stężenie fazy

rozproszonej

Na ogół nieznaczne

Może być duże

Ruchy Browna

Wyraźne

Często bardzo niewyraźne

Efekt Tyndalla

Wyraźny

Niewyraźny

Barwa układu

Często zabarwione

Najczęściej bezbarwne

Ładunek elektryczny

Cząstki zawsze naładowane Ładunek może nie występować

Lepkość

Zbliżona do fazy

rozpraszającej

Większa niż fazy rozpraszającej

Tworzenie piany

Nie tworzą piany

Łatwo tworzą pianę

Pęcznienie

Nie pęcznieją

Pęczniejąc zwiększają objętość

Tworzenie galaret

Nie tworzą

Łatwo tworzą

Wrażliwość na działanie
elektrolitu

Koagulacja

pod wpływem

małych stężeń elektrolitu

Mało wrażliwe

, pod wpływem

dużych stężeń następuje
wysalanie lub koacerwacja

Wrażliwość na działanie

środków dehydratujących

Nieznaczna i dopiero przy

dużych stężeniach

Przy dużych stężeniach znaczna

Charakter koagulacji

Nieodwracalna

Odwracalna

Napięcie powierzchniowe

Zbliżone do fazy

rozpraszającej

Mniejsze od fazy rozpraszającej

Właściwości koloidów liofobowych i liofilowych

Micela koloidowa – cząstki zwykle obdarzone ładunkiem

elektrycznym wskutek:

•

adsorpcji jonów elektrolitu z układu

•

procesu dysocjacji elektrolitycznej koloidu cząsteczkowego

•

procesu dysocjacji cząsteczek tworzących cząstkę koloidową

Pozostałość – ośrodek międzymicelarny
Micela koloidu liofobowego:

icela

a) KI + AgNO

 AgI + KNO

b) AgNO

+ KI  AgI + KNO

Koloidy liofilowe – cząstki mogą być obdarzone ładunkiem, np.

cząstki białek

aminokwasy

jon
obojnaczy

– w środowisku H

jądro miceli otoczone
warstwą rozmytą
zawierającą jony OH

–

– w środowisku OH

–

jądro miceli otoczone
warstwą rozmytą
zawierającą jony H

•

stan, w którym ładunek cząstek koloidowych sprowadzi się do
zera przez adsorpcję jonów przeciwnego znaku (zarówno w
przypadku koloidu liofobowego, jak i liofilowego)

•

liofobowy [mAgI]nI

–

(ładunek ujemny)

Punkt izoelektryczny koloidu

dodatek Ag

(np. AgNO

) zobojętnia I

–

, nadmiar Ag

–

przeładowanie cząstek i powstanie układu [mAgI]nAg

•

stan tuż przed „przeładowaniem” – nietrwały zw. punktem
izoelektrycznym

•

koloid liofobowy – ulega koagulacji, liofilowy – pozostaje zolem

•

w przypadku amfoterycznych koloidów np. białek – punkt
izoelektryczny występuje przy wartości pH zw. wartością pH punktu
izoelektrycznego



najmniejsza rozpuszczalność (cząstki łatwo łączą się w większe

zespoły i ulegają koagulacji),



największa zdolność do wytrącania i krystalizacji,



najmniejsza tendencja do pęcznienia,



najmniejsze ciśnienie osmotyczne,



najmniejsza lepkość,



najmniejsze przewodnictwo elektryczne.

Właściwości koloidów w punkcie izoelektrycznym:

Potencjał elektrokinetyczny ξ

granicy

warstwy

adsorpcyjnej

dyfuzyjnej

różnica

potencjałów

zw.

potencjałem ξ (czyt. dzeta)

Elektroosmoza – przyłożenie pola
elektrycznego

powoduje

ruch

warstwy

dyfuzyjnej

jonów i

cząsteczek rozpuszczalnika. Jest to
jednokierunkowy ruch ośrodka
dyspersyjnego

przez

błonę

półprzepuszczalną

Ruchliwość elektroosmotyczna czyli prędkość przesuwania się
warstwy rozpuszczalnika podczas elektroosmozy:



stąd:

E – natężenie pola elektrycznego, równe
ilorazowi U/l (napięcia przez odległość

między elektrodami podłączonymi do źródła

prądu), ε – stała dielektryczna ośrodka,

η – lepkość ośrodka.



Elektroforeza – wędrówka cząstek koloidowych pod wpływem pola
elektrycznego względem nieruchomego ośrodka rozpraszającego

Cząstki (–) wędrują do anody

anaforeza

Cząstki (+) wędrują do katody

kataforeza

Elektroforeza
w kapilarze

Ruchliwość elektroforetyczna

prędkość przesuwania się miceli koloidowych w
polu elektrycznym o natężeniu E

Zastosowania elektroforezy:

— rozdzielanie i analiza białek, kwasów itp.; odpowiedni dobór

stężenia i pH ośrodka – składniki mieszaniny wędrują z różnymi

prędkościami i mogą być rozdzielone

Trwałość układów koloidowych



spowodowana ładunkiem na powierzchni cząstki koloidowej



solwatacją (wytworzenie wokół cząstki koloidowej otoczki

złożonej z cząsteczek rozpuszczalnika), zwłaszcza w przypadku

koloidów liofilowych

Zole – nietrwałe wskutek ruchów Browna i przechodzą w żele

Koagulacja – proces łączenia się mniejszych cząstek koloidu w

większe, przejście zolu w żel

Objawy koagulacji:

•

zmiana barwy,

•

zmętnienie lub wytrącenie osadu,

•

zmniejszenie

wartości

potencjału

elektrokinetycznego

•

zmniejszenie prędkości elektroforezy itp.

Koagulację przyspieszają:

•

podwyższenie temperatury,

•

bodźce mechaniczne (wstrząsanie układu),

•

przepływ prądu elektrycznego,

•

działanie światła,

•

dodatek nieelektrolitów,

•

dodatek elektrolitu (zwłaszcza w przypadku

koloidów hydrofobowych)

Wpływ elektrolitu:



wzrost mocy jonowej roztworu,



szybki zanik warstwy dyfuzyjnej



większa możliwość zbliżenia się dwóch miceli.



całkowity zanik warstwy dyfuzyjnej oznacza wartość potencjału
elektrokinetycznego równą zeru (punkt izoelektryczny).

Próg koagulacji – minimalna liczba milimoli danego elektrolitu

niezbędna do skoagulowania 1 dm

układu koloidowego

zależy od rodzaju dodanego elektrolitu, a zwłaszcza od wartościowości
dodawanych jonów

Im wyższa jest wartościowość jonu o znaku przeciwnym do ładunku

cząstek koloidowych, tym niższy jest próg koagulacji

Szeregi liotropowe Hofmeistera:

•

dla jednowartościowych kationów litowców zdolność do wywołania
koagulacji maleje w szeregu: Cs

< Rb

< K

< Na

< Li

•

podobnie w przypadku anionów:



< anion kwasu cytrynowego < CH

COO

–

< Br

–



–

< Br

–

< Cl

–

oraz:

Wysalanie

– koagulacja koloidów liofilowych pod wpływem
dużych ilości elektrolitu

elektrolit usuwa cząsteczki rozpuszczalnika stanowiące otoczkę
solwatacyjną

Zniszczenie otoczki solwatacyjnej:

 pod wpływem innych środków dehydratujących, np.

alkoholu, acetonu

 w przypadku białek – denaturacja (proces nieodwracalny).

Koacerwacja – proces powstawania agregatów w postaci kropelek
cieczy wskutek dodania elektrolitu do koloidu liofilowego

Koagulacja wzajemna – zobojętnienie ładunku cząstek koloidu

liofobowego po dodaniu innego koloidu liofobowego o cząstkach

przeciwnie naładowanych