003koloid

Barbara Wróbel

STAN KOLOIDALNY MATERII

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 nawet tylko 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

Przykłady Nazwa

gaz ciecz mgła, chmury, pary

mgły

gaz ciało stałe kurz,

dym

gazozole

ciecz

gaz

piana mydlana

piany, zole

ciecz ciecz mleko,

roztwór

żelatyny, białko jaj

emulsje, emulsoidy

ciecz ciało stałe mętne wody

zawiesina
koloidalna,
suspensoidy

ciało stałe gaz

pumeks,

okluzje

gazowe

piany stałe

ciało stałe ciecz

kwarc

mleczny

ciało stałe ciało stałe kolorowe

szkła zole

stałe

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)

, Al(OH)

i liofobowe - sunspensoidy,

np. zole metali, wodorotlenków pewnych metali, sole metaliczne, np. As

, 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. Właściwości charakterystyczne koloidów liofobowych i liofilowych

Właściwości

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

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.

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).

WŁAŚCIWOŚCI UKŁADÓW KOLOIDALNYCH
Właściwości mechaniczne

Jedną z najbardziej charakterystycznych cech układów koloidalnych są 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.
Właściwości optyczne

Jedną z najbardziej charakterystycznych cech układów koloidalnych jest 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.
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 AgI w
roztworze zawierającym jony potasu jest naładowany dodatnio, w roztworze zaś
zawierającym jony jodkowe ujemnie (patrz rysunek).

ziarno AgI

elektryczna warstwa podwójna

AgI

Zwarta część elektrycznej
warstwy podwójnej

Rozmyta część elektrycznej
warstwy podwójnej

Rys. 1 Schemat budowy cząsteczki koloidalnej AgI wytrąconej z roztworu AgNO

nadmiarem KI

a. 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

β 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.

b. 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.
MgSO

, ale także (NH)

i Na

. Zdolność wysalająca zależy od charakteru

zarówno kationu jak i anionu a także od ich promieni jonowych.

c. 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.

d. 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.

DZIAŁANIE OCHRONNE KOLOIDÓW

Polega na tym, że pewne zole liofilowe wprowadzone do zoli liofobowych

zwiększają ich odporność na działanie elektrolitów.

CZĘŚĆ DOŚWIADCZALNA

Doświadczenie 1. (Otrzymywanie zawiesiny koloidalnej przez dyspergowanie i jej stabilność).
Do dwóch probówek zawierających 5 cm

wody destylowanej dodaj około 0.1g hematytu i silnie

potrząśnij probówkami. Do pierwszej probówki dodaj parę kropel wody a do drugiej parę kropel
0.1 kmol/m

NaOH i silnie nimi wstrząśnij. Zwróć uwagę na barwę i stabilność obu zawiesin

koloidalnych. Obejrzyj je pod mikroskopem i opisz ich strukturę. Czym się one różnią i
dlaczego? Narysuj elektryczna warstwę wokół cząstki hematytu dla obu przypadków.
Doświadczenie 2. (Otrzymywanie emulsji oleju w wodzie. Koloidy ochronne). Do dwóch
probówek o objętości 10 cm

każda, zawierających 1/2 objętości wody dodaj po 8-10 kropli

oleju jadalnego. Do pierwszej probówki dodaj jeszcze 10 kropli jedno-procentowego roztworu
płynu do mycia naczyń (środka powierzchniowo czynnego). Roztwór ten dodaje się w celu
zwiększenia trwałości emulsji, tworzy on bowiem warstwę ochronną na powierzchni kropel oleju
utrudniając tym sposobem ich łączenie się. Silnie wielokrotnie wstrząśnij probówkami z
zawartością. Zwróć uwagę na trwałość i barwę emulsji a także szybkość jej rozwarstwiania.
Doświadczenie 3. (Otrzymywanie roztworów koloidalnych przez kondensację).
3.1. Otrzymywanie roztworu koloidalnego wodorotlenku żelazowego w wyniku hydrolizy jego
soli. Do zlewki o pojemności 50 cm

zawierającej 20 cm

wody destylowanej, ogrzanej do

wrzenia, dodaj kroplami ciągle mieszając roztwór 0.1 kmol/m

FeCl

(około 30 kropli).

Otrzymany roztwór ponownie ogrzej do wrzenia i gotuj około 2 minut. Zwróć uwagę na barwę
zolu wodorotlenku żelazowego. Zlewkę z osadem zachowaj do doświadczenia 4.1.
3.2. Otrzymywanie koloidalnego roztworu siarki. Do probówki zawierającej 1 cm

roztworu

tiosiarczanu sodu Na

dodaj 1 cm

roztworu kwasu siarkowego (oba roztwory o stężeniu 1

kmol/m

). Podgrzej probówkę wraz z zawartością w zlewce z gotującą się wodą. Zwróć uwagę

na barwę otrzymanej koloidalnej siarki i jej koagulację prowadzącą do utworzenia żelu lub osadu
S.
Doświadczenie 4. (Koagulacja roztworów koloidowych).
4.1. Koagulacja zolu wodorotlenku żelaza wskutek działania elektrolitów. Do czterech probówek
zawierających po 2 cm

zolu wodorotlenku żelaza otrzymanego w doświadczeniu 3.1 dodaj

kolejno: do pierwszej 2 cm

roztworu NaCl, do drugiej 2 cm

roztworu Na

(oba roztwory o

stężeniu 0,5 kmol/m

), do trzeciej 2 cm

nasyconego roztworu NaCl, a czwartą zachowaj do

celów porównawczych. Probówki wraz z zawartością zachowaj do dalszych eksperymentów
(doświadczenie 6). Zwróć uwagę na wystąpienie zmętnienia. Porównaj natężenie zmętnienia w
poszczególnych probówkach. Dlaczego w probówkach wystąpiła zróżnicowana mętność i czy
ma to związek ze stężeniem jonów w roztworze?
4.2. Koagulacja zolu siarczku miedzi pod wpływem ogrzewania. Do probówki zawierającej 1cm

roztworu siarczanu miedzi CuSO

o stężeniu 0,05 kmol/m

dodaj 3 cm

roztworu AKT (amidu

kwasu tiooctowego) i 3 krople roztworu HCl o stężeniu 2 kmol/m

. Następnie probówkę tę

umieść we wrzącej łaźni wodnej i ogrzewaj przez 3 min. Zwróć uwagę na postać siarczku miedzi
przed i po ogrzaniu.
Doświadczenie 5. (Powstawanie żelu kwasu krzemowego). Do probówki zawierającej 2 cm

kwasu solnego o stężeniu 2 kmol/m

dodaj wstrząsając jednocześnie probówką 2cm

10-

procentowego roztworu krzemianu sodu. Zwróć uwagę na powstający zol kwasu krzemowego,
który stopniowo przechodzi w galaretowaty żel.
Doświadczenie 6. (Właściwości mechaniczne koloidów i koloidów skoagulowanych). Roztwór
koloidalny wodorotlenku żelaza (probówka 4 z doświadczenia 4.1) i skoagulowaną zawiesinę
wodorotlenku żelaza z doświadczenia 4.1 (probówka 3) poddaj sączeniu przez bibułę filtracyjną
umieszczoną w lejku. Porównaj barwy otrzymanych przesączy. Jakie właściwości filtracyjne ma
zol a jakie skoagulowany osad?

PYTANIA KONTROLNE
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. Otrzymano koloidowy roztwór chlorku srebra dodając 2cm

roztworu NaCl i 3 cm

roztworu

AgNO

. Stężenia obu roztworów były jednakowe. Podaj równanie tworzenia się chlorku srebra

AgCl oraz skład i postać podwójnej wartwy elektrycznej wokół cząstki AgCl. Jakie jony będzie
adsorbować cząstka koloidalna AgCl, jeżeli w celu otrzymania tego roztworu koloidalnego doda
się nadmiaru NaCl?
7. Co nazywamy koagulacją a co sedymentacją?
8. W jaki sposób można wywołać koagulację roztworu koloidalnego ?
9. Co oznaczają następujące pojęcia: dializa, elektrodializa, synereza, tiksotropia ?
10. Co to jest wysalanie i od czego zależy zdolność wysalająca ?
11. Czy koagulacja jest procesem odwracalnym ? Odpowiedź uzasadnij przykładami.
12. Na czym polega działanie ochronne koloidów?
13. Jakie właściwości cząstek koloidalnych powodują względną trwałość roztworu
koloidalnego?

Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
003koloid
003koloid

więcej podobnych podstron