Układy
koloidal
ne

Tomasz Jezierski, WB I,
Gr. 4

CHEMIA

Co to takiego układy

koloidalne?

Układ koloidalny (inaczej: koloid, układ

koloidowy, roztwór koloidalny) to

niejednorodna mieszanina, zwykle

dwufazowa, tworząca układ dwóch

substancji, w którym jedna z substancji

jest rozproszona w drugiej. Rozdrobnienie

(czyli dyspersja) substancji rozproszonej

jest tak duże, że fizycznie mieszanina

sprawia wrażenie substancji jednorodnej,

jednak nie jest to wymieszanie na

poziomie pojedynczych cząsteczek.

Koloidy są stanem pośrednim pomiędzy

roztworami rzeczywistymi, które są

układami fizycznie jednorodnymi o

rozdrobnieniu cząsteczkowym a

zawiesinami i mieszaninami

niejednorodnymi.

Pojęcie koloidu do chemii po raz pierwszy

wprowadził Graham, dla określenia

substancji o właściwościach zbliżonych do

kleju.

Do koloidów należą zarówno:

• układy fizycznie jednorodne
• roztwory substancji

wielkocząsteczkowych

• układy fizycznie niejednorodne o dużym

stopniu rozdrobnienia - koloidy fazowe.

Część układu tworzącą fazę ciągłą

stanowi ośrodek dyspersyjny

(rozpraszający), a drugą stanowi fazę

zdyspergowaną (rozproszoną).

Cząstki fazy rozproszonej dla kolidów

mają rozmiary od 1nm do 100nm,

czyli od 10

-7

do 10

-5

cm.

Cząstki fazy rozproszonej mogą mieć

kształty blaszkowate, nitkowate oraz

kuliste.

Wyróżnia się układy monodyspersyjne

- koloidy w których cząstki fazy

rozproszonej mają jednakową wielkość

oraz - polidyspersyjne, w których

cząstki mają różne wymiary.

W zależności od wartości dyspergowania

koloidy dzieli się na:

• koloidy asocjacyjne

-

układy w których

substancja rozproszona samorzutnie przechodzi w

stan koloidalny.

• koloidy dyspersyjne

- układy, w których

substancję rozproszoną otrzymuje się przez

wymuszone rozdrobnienie.
W zależności od powinowactwa do

rozpuszczalnika, koloidy dzieli się na:

• koloidy liofilowe

(hydrofilowy dla układów, gdzie

ośrodkiem rozpraszającym jest woda) mające duże

powinowactwo do rozpuszczalnika, dzięki czemu

cząstki koloidalne otaczają się cząsteczkami

rozpuszczalnika, co nadaje im trwałość.

• koloidy liofobowe

(hydrofobowe) posiadające

małe powinowactwo do rozpuszczalnika i na swojej

powierzchni gromadzące ładunek elektryczny.

Podział koloidów ze

względu na stan

skupienia:

Układy koloidowe i związane z nimi zjawiska posiadają specyficzną dla
siebie nomenklaturę.

Rozpowszechnienie

koloidów

Koloidy są bardzo powszechne w przyrodzie. Między

innymi koloidami są;

• wszelkiego rodzaju zanieczyszczenia znajdujące

się w wodzie. Mogą być pochodzenia

organicznego i nieorganicznego i powodują wzrost

mętności wody. Mogą wpływać na pracę zaworów

oraz czujników znajdujących się na przewodach a

jako substancje mogą być szkodliwe dla

człowieka,

• to różnego rodzaju naturalne produkty

spożywcze, takie jak; śmietana - koloid tłuszczu w

mleku, masło - koloid wody w tłuszczu, mleko -

składa się z kropelek białek i tłuszczu

rozproszonych w wodzie.

• galarety, żelatyna,

• dym, który jest uwalniany podczas

spalania drewna, węgla. Zawiera cząstki

fazy stałej o rozmiarach rzędu 1 ľm

rozproszone w fazie gazowej.

• mgła, która jest zawiesiną bardzo małych

kropel wody (o średnicy poniżej 0,05 mm)

lub lodu w powietrzu

• smog, który jest mieszaniną mgły i dymu,

• białka kurze,

• 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.

Należy tutaj wspomnieć o koloidach, które

odgrywają dużą rolę w biologicznym

funkcjonowania organizmów żywych a w tym i

człowieka. Koloidami w organizmie człowieka

są różnego rodzaju substancje białkowe, jak i

również włosy, paznokcie, skóra, wiązadła, itp.

Osocze krwi, które jest mieszaniną kilkunastu

rozpuszczonych białek, jest również roztworem

koloidowym (zol). Z osocza, drogą

frakcjonowanego wysalania, możemy wydzielić

poszczególne białka. Żółć - emulgator dla

tłuszczy - jest również roztworem koloidalnym.

Z tego wynika, że organizm ludzki

rozpatrywany z punktu widzenia pewnych jego

właściwości jest roztworem koloidalnym o

różnych stanach skupienia.

Metody otrzymywania i

oczyszczania układów

koloidalnych

Metody otrzymywania zależą od stanu

skupienia ośrodka rozpraszającego i
substancji rozproszonej. Wyróznia się
dwie podstawowe metody otrzymywania
układów koloidalnych:

• dyspersyjna
• kondensacyjna

Metody dyspersyjne

Rozdrobnienie aż do uzyskania rozdrobnienia

koloidalnego osiąga się albo mechanicznie (np.

młyn koloidalny), albo elektrycznie (łuk

elektryczny).

Ten ostani spoób szczególnie stosuje się do

otrzymania zoli metali, tlenków metali,

koloidalnego grafitu itp.

W metodach dyspersyjnych wykorzystuje się

również ultradzwięki (drgania akustyczne o

częstości rzędu 20000 Hz). Otrzymuje się w ten

sposób m.in. zole barwników, krochmalu, gipsu

itp.)

Do tej grupy metod można zaliczyć peptyzację.

Stosuje się tutaj peptyzatory (substancje o

silnych własnościach adsorbcyjnych), które

rozdzielają złączone cząstki koloidalne.

Metody kondensacyjne

W metodach tej grupy rozdrobnienie

koloidalne osiąga się w wyniku łączenia

pojedyńczych cząsteczek chemicznych.

Stosuje się w tym celu takie procesy

chemiczne jak:

• polimeryzacja
• zmniejszenie rozpuszczalności (np.

otrzymywanie koloidalnego roztworu siarki

w wodzie przez wlewanie do wody

nasyconego roztworu siarki w alkoholu)

• redukcja
• utlenianie (np. H

2

S --> S koloidalna)

• wymiana (AgNO

3

+ KI --> AgI + AgNO

3

)

Metody oczyszczania

• Do oczyszczania roztworów koloidów

stosuje się wiele metod. najważniejszymi
są;

• dializa (elektrodializa)
• filtracja (ultrafiltracja)
• wymiana jonowa (wykorzystanie jonitów)

W metodach tych stosuje się błony

półprzepuszczalne (membrana), przez
które przechodzą zanieczyszczenia
(elektrolity), a które są nieprzepuszczalne
dla cząstek o rozdrobnieniu koloidalnym.

Dializa.

W dializatorze po jednej stronie membrany

znajduje się zanieczyszczony roztwór

koloidalny, a druga strona omywana jest

czystym rozpuszczalnikiem. Substancje o

rozdrobnieniu cząsteczkowym przechodzą

przez memebranę do zewnętrznej cieczy i

mogą być w ten sposób usunięte z koloidu,

zwłaszcza gdy ciecz zewnętrzna bedzie

wymieniana w sposób ciągły.

Elektrodializa. Jest to proces dializy

przeprowadzony w polu elektrycznym,

panującym między dwiema elektrodami z

siatki platynowej, umieszczonymi w

bocznych częściach aparatu, w pobliżu

membran półprzepuszczalnych.

Dializat
or

Elektrodi
ali-zator

Ultrafiltracja, jest to

ultrasączenie zolu przez
sączki o odpowiednich
porach pod
zmniejszonym
ciśnieniem.

WŁAŚCIWOŚCI

UKŁADÓW

KOLOIDALNYCH

 Właściwości mechaniczne

 Właściwości optyczne

 Absorpcja światła

 Właściwości elektryczne

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 AgJ w roztworze

zawierającym jony srebra jest naładowany

dodatnio, w roztworze zaś zawierającym jony

jodkowe ujemne

Roztwory koloidalne są układami

nietrwałymi. Proces przechodzenia zolu w

żel nosi nazwę koagulacji.

Na trwałość roztworów koloidalnych

liofobowych (wodorotlenki metali, halogenki

srebra) a także liofilowych (białko) wpływa

występowanie ładunku elektrycznego na

powierzchni cząstki koloidalnej oraz

solwatacja cząstek.

Cząstka dowolnego koloidu posiadająca

ładunek nosi nazwę miceli. Przykładem

miceli może być cząstka jodku potasu:

KOAGULACJA UKŁADÓW

KOLOIDALNYCH

SCHEM
AT
BUDOW
Y
MICELI
AgI
WYTRĄ-
CONEG
O
NADMIA
-REM KI

Micela składa się z jądra, w skład

którego wchodzą obojętne

cząsteczki. Na powierzchni jądra

absorbowane są z roztworu wspólne

jony w przypadku KI jony jodkowe I-.

Warstwa ta nosi nazwę warstwy

adsorbcyjnej i wiąże się ona luźno z

warstwą rozmytą albo dyfuzyjną

zawierającą jony K+.

Jadro razem z warstwą adsorpcyjną

nosi nazwę granuli.

Na granicy faz jądro cząstki

koloidalnej - roztwór, powstaje

podwójna warstwa elektryczna.

Podwójna warstwa elektryczna

Podwójna warstwa elektryczna składa się z

dwóch części (rys.9), warstwy

adsorbcyjnej i dyfuzyjnej. Istnienie

dwóch warstw jest powodem, że cząstka

taką możemy przedstawić jako

kondensator, którego jedną okładką jest

powierzchnia cząstki, a druga okładka

rozciąga się na pewną odległość w głąb

cieczy.

W zjawiskach elektrokinetycznych ważną

rolę odgrywa wartość potencjału na granicy

pomiędzy warstwą adsorpcyjną a dyfuzyjną

względem głębi roztworu.

Nosi on nazwę potencjału

elektrokinetycznego. Istnienie

potencjału elektrokinetycznego

odgrywa zasadniczą rolę w

zjawiskach elektrokinetycznych.

Zjawiska elektrokinetyczne obejmują:

elektroosmozę, elektroforezę,

potencjał sedymentacji i

potencjał przepływu (powstanie

różnicy potencjałów na końcach

kapilary, przez którą przepływa

ciecz).

Podwójna warstwa elektryczna i potencjał

elektrokinetyczny.

Koagulację można wywołać

następującymi czynnikami:

• dodatek elektrolitu
• zmianę temperatury
• czynniki mechaniczne
• dodatek nieelektrolitu

(odwadniającego)

• przepływ prądu
• działanie światła

Natomiast trwałość roztworów

koloidalnych warunkują dwa

podstawowe czynniki:

• ładunek na powierzchni cząstki

koloidalnej (głównie dotyczy to
koloidów liofobowych)

• solwatacja (głównie koloidy

liofilowe)

Największy wpływ na koagulacje

wywiera dodanie elektrolitu. Minimalna

liczba minimoli danego elektrolitu

niezbędna do skoagulowania 1 cm3

roztworu koloidalnego, nosi nazwę

progu koagulacji. Ten ostatni zależy

od rodzaju dodawanego elektrolitu i

wartościowości dodawanych jonów.

Dla zoli o znaku dodatnim wartość

progu koagulacji zależy od

wartościowości anionu.

Wartości progów koagulacji

dla zoli As

2

O

3

oraz Fe

2

O

3

Znaczenie koloidów w

budownictwie

Rozpowszechnienie i znaczenie układów

koloidalnych w budownictwie jest ogromne

Szczególnie rozpowszechnione są kwasoodporne

zaprawy i kity krzemianowe oparte na szkle

wodnym, które stanowi układ częściowo

zdysocjowanych krzemianów sodu lub potasu oraz

koloidalnego roztworu kwasu krzemowego. Asfalty

stanowiące podstawowy surowiec w budowie dróg,

pod względem fizykochemicznym są układami

koloidalnymi. Fazę rozproszoną stanowią

wielkocząsteczkowe asfalteny zaś fazę

rozpraszającą niskocząsteczkowe oleje zwane

maltenami.

Minerały ilaste ( gliny ) szeroko stosowane w

przemyśle ceramicznym stanowią koloidalny
układ cząstek mineralnych w wodzie.

Większość klejów i lakierów zarówno
naturalnych i syntetycznych , to układy
koloidalne np. klej kazeinowy jest koloidalnym
roztworem kazeiny w wodzie.

Układy koloidalne ( roztwory mydła, bitumity,
szkło wodne i in. ) stosuje się jako dodatki do
gipsu, polepszając jego właściwości i regulujące
czas wiązania. Poprzez dodanie do odpowiednio
przygotowanych mas betonowych emulgatorów
( mydeł, białek ) pianobetony.