Koloidy

Politechnika Gdańska, międzywydziałowy kierunek „INŻYNIERIA BIOMEDYCZNA”

CHEMIA, R. Pomećko

1. Wymagania wstępne

1.1.Ustawienia

Wymagania wstępne dotyczące uczestników/osób realizujących ćwiczenie:
Znajomość instrukcji. Znajomość różnych rodzajów układów koloidalnych i emulsji

Cele ćwiczenia:
Zapoznanie studentów z właściwościami chemiczno-fizycznymi układów koloidalnych.

Wykaz przyrządów, materiałów i aparatury niezbędnej do przeprowadzenia ćwiczenia

Roztwory: AgNO

, KI, FeCl

, NaCl, NaOH, Na

, Na

, H

Spodziewane efekty kształcenia - umiejętności i kompetencje:

Zrozumienie pojęcia układów koloidalnych oraz ich właściwości chemiczno-fizycznych. Znajomość

technologicznych zastosowań układów koloidalnych.

Metody dydaktyczne:

Otrzymywanie układów koloidalnych organicznych i nieorganicznych.

Zasady oceniania/warunek zaliczenia ćwiczenia

Poprawne wykonanie przewidzianych ćwiczeń, prawidłowa odpowiedź na pytanie związane z
tematem ćwiczenia.

Wykaz literatury podstawowej do ćwiczenia:

1. Praca zbiorowa (Red. E. Luboch, M. Bocheńska, J.F. Biernat). „Chemia ogólna. Ćwiczenia

laboratoryjne” Gdańsk: Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej 2003

2. Przebieg ćwiczenia

L.p. Zadanie

Sprawdzian

Realizacja zadań zgodnie z instrukcją do ćwiczenia

Omówienie obserwacji

UWAGI!

1. Wykonanie eksperymentów objętych instrukcją,

2. Sformułowanie wniosków.

Politechnika Gdańska, międzywydziałowy kierunek „INŻYNIERIA BIOMEDYCZNA”

CHEMIA, R. Pomećko

3. Wprowadzenie do ćwiczenia

Stan koloidalny to taki stan materii, w którym dyspersyjny układ dwóch lub więcej składników

zachowuje wygląd układu jednorodnego fizycznie, choć w rzeczywistości jest mieszaniną niejednorodną.

Koloidy są więc stanem pośrednim pomiędzy roztworami rzeczywistymi a zawiesinami i mieszaninami

niejednorodnymi.

Ośrodkiem dyspersyjnym (rozpraszającym) lub fazą ciągłą nazywamy składnik koloidu o rozproszeniu

cząsteczkowym. Drugi składnik (pozostałe składniki) nazywamy zdyspergowanym (rozproszonym), przy czym

wielkość jego cząsteczek waha się od 1 do ok. 200 nm. Jeżeli cząstki fazy rozproszonej mają jednakową wielkość

koloid nazywamy monodyspersyjnym, natomiast układy o zróżnicowanej wielkości cząsteczek fazy rozproszonej

nazywamy polidyspersyjnymi. Podział koloidów wg stanu ośrodka dyspersyjnego i fazy rozproszonej zawiera

tabela 1. W przyrodzie układy koloidalne występują bardzo często, a najczęściej występują koloidy z ciekłym

ośrodkiem dyspersyjnym (roztwory koloidalne).

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

Ośrodek dyspersyjny

Faza rozproszona

Nazwa

Przykłady

gaz

ciecz

mgły

mgła, chmury, pary

ciało stałe

gazozole

kurz, dym

ciecz

gaz

piany, zole

piana mydlana

ciecz

emulsje, emulsoidy

mleko, białko jaj

ciało stałe

sunspensje koloidalne

mętne wody

ciało stałe

gaz

piany stałe

pumeks

ciecz

emulsja stała

kwarc mleczny

ciało stałe

zole stałe

kolorowe szkła

Metody otrzymywania koloidów można podzielić na dwie grupy. Pierwszą stanowią metody

dyspersyjne, w których składnik dyspergowany jest rozdrabniany do wielkości właściwej układom koloidalnym.

Do metod takich zalicza się rozdrabnianie w młynach koloidalnych, rozpylanie termiczne czy rozpylanie w łuku

elektrycznym.

Drugą grupą metod są metody kondensacyjne prowadzące do skupiania cząsteczek i narastania

agregatów fazy rozproszonej aż do uzyskania rozdrobnienia koloidalnego. Większość metod kondensacyjnych

to metody chemiczne polegające na wydzieleniu trudno rozpuszczalnych substancji (o rozdrobnieniu

koloidalnym) w wyniku reakcji redukcji, utlenienia czy podwójnej wymiany. Inną metodą z tej grupy jest

stopniowa zmiana właściwości ośrodka dyspersyjnego, polegająca na przeniesieniu roztworu substancji

rozpraszanej do ośrodka, w którym substancja ta się nie rozpuszcza. Cząsteczki rozpuszczalnika pierwotnego

ulegają stopniowemu rozcieńczeniu przez fazę rozpraszającą, przez co substancja rozpraszana zostanie

otoczona molekułami fazy rozpraszającej, w której się nie rozpuszcza.

Cechy układów koloidalnych

Ze względu na małą wielkość cząstek fazy rozproszonej można w koloidach (ciekłych i gazowych)

obserwować ruchy Browna wynikające ze zderzeń fazy rozproszonej z cząsteczkami ośrodka dyspersyjnego.

Dlatego też w układach koloidalnych nie obserwujemy sedymentacji. Innym zjawiskiem wynikającym

bezpośrednio z budowy układów koloidalnych jest efekt Tyndalla, tj. rozpraszanie wiązki światła

przechodzącego przez koloid na cząstkach fazy rozproszonej.

Politechnika Gdańska, międzywydziałowy kierunek „INŻYNIERIA BIOMEDYCZNA”

CHEMIA, R. Pomećko

W zależności od powinowactwa fazy rozproszonej do ośrodka dyspersyjnego dzielimy koloidy na liofilowe i

liofobowe. Koloidami liofilowymi są np. białka, żelatyna, które wykazują duże powinowactwo do fazy ciągłej.

Układy koloidów liofilowych są stabilizowane dzięki zjawiskom solwatacji (hydratacji dla wodnej fazy ciągłej), w

wyniku której cząstki fazy rozproszonej zostają otoczone cząsteczkami ośrodka dyspersyjnego, a wytworzone

otoczki przeciwdziałają zlepianiu się cząstek przy zderzeniach.

Koloidami liofobowymi nazywamy koloidy o małym powinowactwie do cząsteczek ośrodka dyspergującego np.

zole metali, sole metaliczne (AgCl) w H

O. Koloidy liofobowe stabilizowane są głównie dzięki adsorpcji jonów

elektrolitu z roztworu.

W przypadku, gdy fazą ciągłą jest woda koloidy liofilowe (liofobowe) nazywamy hydrofilowymi

(hydrofobowymi).

Powinowactwo fazy rozproszonej koloidu do ośrodka dyspersyjnego ma duży wpływ na właściwości fizyczne

koloidu (tabela 2).

Tabela 2. Koloidy liofobowe i liofilowe

Koloidy liofobowe

Koloidy liofilowe

Otrzymywanie

metodą dyspersji lub kondensacji

przez zwykłe rozpuszczanie

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

Zjawiska zachodzące w układach koloidalnych

Koagulacją nazywamy proces polegający na łączeniu się pojedynczych cząstek roztworu koloidalnego w

większe skupienia – agregaty. Następstwem koagulacji może być sedymentacja i całkowite rozdzielenie się

ośrodka rozpraszającego i fazy zdyspergowanej. Proces koagulacji może objawiać się zmianą barwy (np.

roztwór koloidalnego złota ma barwę niebieską lub fioletową), zmętnieniem, wydzielaniem osadu lub

tworzeniem galaretowatej masy. Koagulacja koloidów liofobowych i liofilowych jest spowodowana

odmiennymi czynnikami i przebiega w inny sposób. Proces koagulacji następuje w wyniku osłabienia czynników

stabilizujących, czyli ładunku elektrycznego w przypadku zoli liofobowych, oraz solwatacji cząstek w przypadku

zoli liofilowych.

Rozpoczęty proces koagulacji koloidów liofobowych prowadzi zawsze do wypadania całej fazy rozproszonej,

ponieważ są one z reguły bardzo nietrwałe. W tym przypadku koagulacja może być wywołana: działaniem

elektrolitów, zmianami temperatury, zmianą stężenia, czy ultradźwiękami. Podczas ogrzewania koagulują np.

hydrozole: Cu[Fe(CN)

], AgCl, AgBr.

Politechnika Gdańska, międzywydziałowy kierunek „INŻYNIERIA BIOMEDYCZNA”

CHEMIA, R. Pomećko

Koagulacja koloidów liofilowych pod wpływem zwiększenia stężeń elektrolitu nazywana jest wysalaniem.

Dodatek elektrolitu powoduje rozładowanie cząstek oraz usuwa z koloidu warstewkę solwatacyjną na zasadzie

konkurencji, dlatego do wysalania koloidów nadają się szczególnie sole o jonach ulegających silnej hydratacji,

np. MgSO

i Na

. Koagulację wywołają także inne substancje zdolne do usunięcia solwatujących cząstek

rozpuszczalnika np. w roztworze wodnym – alkohol, aceton, sacharoza, w roztworze alkoholowym – woda.

Ze względu na działanie wysalające uszeregowano kationy i aniony w tzw. szereg liotropowy:

> Na

> K

> Rb

> Cs

; Mg

> Ca

> Sr

> Ba

> Cl

> Br

> NO

> I

> SCN

Procesem odwrotnym do koagulacji, a zachodzącym tylko w przypadku koloidów liofilowych jest peptyzacja,

może ją powodować dodatek elektrolitów, przemywanie lub dodatek substancji powierzchniowo-czynnych.

Peptyzacja może też sprawić problemy w laboratorium, np. kiedy podczas przemywania osadów wodą osad

przechodzi przez sączek. Dzieje się tak ponieważ osad wytrącany jest zazwyczaj przy dużym nadmiarze

elektrolitów, zapobiegających tworzeniu się roztworu koloidalnego, natomiast przy przemywaniu osadu wodą

dochodzi do rozcieńczenia elektrolitu i powstania hydrozolu.

Niektóre roztwory koloidalne mogą samorzutnie przejść ze stanu ciekłego w stan zbliżony do ciała stałego np.

roztwory żelatyny, krochmalu, mydła, kauczuku w benzenie, itp. Ten stan układu koloidalnego typowego dla

żelatyny - nosi nazwę żelu. Żele mogą być organiczne (przykłady powyżej), jak i nieorganiczne, np.

wodorotlenek żelaza, silikażel. Zjawisko żelowania polega na wytworzeniu przez cząstki fazy rozproszonej

szkieletu zamykającego w sobie fazę ciekłą. Żel na skutek właściwości adsorpcyjnych może dodatkowo

pochłaniać cząsteczki fazy rozpraszającej, w wyniku czego zwiększa swą objętość, co nosi nazwę pęcznienia

żelu.

Emulsje

Układ koloidalny (rys.1), w którym zarówno ośrodek rozpraszający, jak i substancja rozproszona jest cieczą

nazywamy emulsją, przy czym warunkiem utworzenia emulsji jest całkowity brak lub bardzo mała ich wzajemna

rozpuszczalność. Średnica kropelek cieczy rozproszonej w takim układzie może dochodzić nawet do 10

-3

cm. Są

to układy termodynamiczne nietrwałe i łatwo ulegają koalescensji, czyli łączeniu się kropelek cieczy

rozproszonej w większe krople. Zjawisku koalescencji zapobiegać może dodatek emulgatorów. Działanie

emulgatorów polega na zmniejszaniu międzyfazowego

napięcia powierzchniowego pomiędzy kropelkami cieczy

zdyspergowanej

fazy

rozpraszającej.

Przykładem

powszechnie znanej emulsji jest mleko, w którym kropelki

tłuszczu zawieszone są w wodnym roztworze soli sodu,

wapnia i potasu. W strukturze emulgatora znajdują się

zarówno grupy hydrofilowe np. –OH, -COOH, -NH

, jak i

hydrofobowe tj. łańcuchy węglowodorowe. Taka budowa

emulgatora sprawia, że umiejscawia się on na granicy

pomiędzy fazą rozproszoną a ośrodkiem dyspersyjnym i

stabilizuje układ w sposób analogiczny do solwatacji.

Rys. 1. Emulsja stabilizowana emulgatorem

Politechnika Gdańska, międzywydziałowy kierunek „INŻYNIERIA BIOMEDYCZNA”

CHEMIA, R. Pomećko

Część doświadczalna

Ćwiczenie 1. Otrzymywanie koloidalnego roztworu wodorotlenku żelaza(III)

Do zlewki o pojemności 50 cm

wlać 30 cm

wody destylowanej, a następnie umieścić zlewkę na płytce metalowej i ogrzewać

do wrzenia. Ogrzewanie przerwać i wkroplić 2,5 cm

0,1 M roztworu FeCl

mieszając zawartość zlewki bagietką i ponownie

ogrzać roztwór do wrzenia, pozostawiając go w tym stanie przez 2 – 3 min. Otrzymany zol Fe(OH)

zachować do następnych

ćwiczeń. Dla porównania powtórnie wykonać opisywane doświadczenie nie ogrzewając roztworu. Porównać otrzymane

roztwory zwracając uwagę na barwę zolu Fe(OH)

. Podać zachodzące reakcje i postacie w jakich występuje Fe(OH)

poszczególnych doświadczeniach.

Ćwiczenie 2. Koagulacja zolu Fe(OH)

w wyniku działania elektrolitów

Do czterech próbówek nalać po 5 cm

otrzymanego wcześniej i ostudzonego koloidu Fe(OH)

. Wprowadzić do kolejnych

próbówek roztwory 0,5 M NaCl (0,5 cm

), 0,5 M Na

(0,5 cm

), nasycony roztwór NaCl, oraz polielektrolit aż do wystąpienia

zmętnienia. Określić wpływ jonu i jego stężenia na proces koagulacji.

Ćwiczenie 3. Termiczna koagulacja jonów siarki

Do próbówki wprowadzić 1 – 2 cm

0,5 M roztworu Na

i taką samą objętość 0,5 M H

. Zaobserwować stopniowe

zmętnienie roztworu wskutek tworzenia koloidalnej siarki. Przeprowadzić koagulację koloidu, przez ogrzewanie próbówki nad

płomieniem palnika. Opisać obserwowane zjawiska. Omówić wpływ temperatury na koagulację siarki.

Ćwiczenie 4. Otrzymywanie żelu kwasu krzemowego

Do małego cylindra miarowego wlać 1 cm

szkła wodnego (stężony roztwór Na

SiO

lub K

SiO

) i 4 – 5 cm

wody destylowanej.

Przenieść zawartość cylindra do małej zlewki, dodać parę kropli błękitu bromotymolowego, który powoduje powstanie

intensywnej niebieskiej barwy. Wymieszać roztwór bagietką szklaną, a następnie wkraplać 3,5 M roztwór HCl do zmiany barwy

na kolor zielono–niebieski. Dodatek kwasu solnego powoduje tworzenie kwasu krzemowego i jego kondensację do kwasu

polikrzemowego. Zol kwasu przechodzi w żel z wytworzeniem sztywnej, galaretowatej masy. Napisać reakcje przebiegające w

roztworze. Jak zmienia się pH roztworu podczas reakcji.

Literatura:

Praca zbiorowa (Red. E. Luboch, M. Bocheńska J.F. Biernat). „Chemia ogólna. Ćwiczenia laboratoryjne” Gdańsk:
Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej 2003

Pajdowski L.: Chemia ogólna. Warszawa: PWN 1993

Bielański A.: Podstawy Chemii nieorganicznej. Cz 2. Warszawa: PWN 2010

Erndt A.: Podstawy chemii ogólnej i nieorganicznej. Warszawa: PWN 1986