ROZTWORY KOLOIDALNE

W układzie wielofazowym zjawiska powierzchniowe odgrywają tym większą rolę, im bardziej rozwinięta jest powierzchnia stanowiąca granicę faz. Układy, w których uzyskano znaczne rozwinięcie powierzchni wskutek rozdrobnienia jednej z faz, nazywamy układami dyspersyjnymi. W każdym układzie możemy wyróżnić fazę rozproszoną i fazę rozpraszającą, otaczającą i oddzielającą od siebie cząstki fazy rozproszonej. Obie fazy mogą występować w różnych stanach skupienia: stałym, ciekłym i gazowym. A więc może być rozproszone w cieczy, gazie lub innym ciele stałym; ciecz może być rozproszona w gazie, ciele stałym lub innej cieczy nie mieszającej się z nią; gaz może być rozproszony w cieczy lub w ciele stałym. Nie jest oczywiście możliwe rozproszenie fazy gazowej w innej fazie gazowej, gdyż jakiekolwiek dwa gazy mieszają się z sobą dając roztwór homogeniczny.

Biorąc pod uwagę rozmiary cząstek fazy rozproszonej wyróżniamy:

• układy o rozdrobieniu molekularnym, o rozmiarach cząstek pomiędzy 1 a 200nm,

• układy o rozdrobnieniu koloidalnym, o rozmiarach cząstek pomiędzy 1 a 200nm,

• układy grubodyspersyjne, o rozmiarach cząstek większych od 200nm.

Układy o rozdrobnieniu molekularnym zostały włączone do klasyfikacji dla uzyskania pełniejszego obrazu, mimo że w tym przypadku mamy do czynienia po prostu ze zwykłymi (rzeczywistymi) roztworami. W tym przypadku nie możemy mówić o istnieniu fazy rozproszonej i istnieniu granicy faz. Granica pomiędzy rozproszeniem koloidalnym a rozproszeniem molekularnym jest granicą wybraną w pewnym stopniu dowolnie. W istocie rzeczy istnieje raczej stopniowe przejście do układów o rozdrobieniu molekularnym do układów o rozdrobnieniu koloidalnym. Podobnie przejście od układów rozdrobnionych koloidalnie do układów grubodyspersyjnych, np. zawiesin, ma charakter ciągły. Granicę 200nm wybrano z tego powodu, że jest to granica, poniżej której cząstek rozproszonych nie można obserwować przy użyciu zwykłego mikroskopu optycznego. Bezpośrednią obserwację cząstek o rozmiarach koloidalnych umożliwiło dopiero wynalezienie mikroskopu elektronowego.

W układach dyspersyjnych cząstki fazy rozproszonej mogą być całkowicie od siebie izolowane przez fazę rozpraszającą. W przypadku cząstek koloidalnych mówimy wtedy o roztworze koloidalnym czyli zolu. Roztwory koloidalne, w których faza rozpraszająca jest cieczą lub gazem, zachowują swoją płynność. W układach dyspersyjnych, które tutaj nazwiemy układami spoistymi cząstki rozproszone stykają się z sobą bezpośrednio i tworzą układ mniej lub bardziej sztywny. Przykładem tego rodzaju układów spoistych są żele, a także ciała stałe otrzymywane w stanie dużego rozdrobnienia, np. węgiel aktywny.

Faza rozproszona Faza rozpraszająca	gaz	ciecz	Substancja stała
gaz	_______	aerozole	aerozole
				mgła, chmury	dym, kurz
ciecz	piana (mydlana, białko jaja kurzego)	emulsja (mleko, margaryna, majonez, farby)	zole (kleje, krochmal, żelatyna)
Substancja stała	stała piana (pumeks)	stała emulsja (opal, skały gipsowe)	stałe zole (szkło, rubin, szafir)

Podział koloidów wynika z tego, jaką wielkość mają cząsteczki:

• jednakowa wielkość - monodyspersyjne,

• różne substancje, o różnych wielkościach - polidyspersyjne.

Roztwory koloidalne, zole, zależnie od środka rozpraszającego określa się bardziej szczegółowymi nazwami, np. alkozole, w przypadku gdy fazą rozpraszającą jest alkohol, lub aerozole, gdy funkcję tę spełnia powietrze. Najczęściej jednak mamy do czynienia z hydrozolami, w których ośrodkiem rozpraszającym jest woda. Zole pod względem swego wyglądu pozornie nie różnią się od roztworów rzeczywistych. Jedne i drugie są przezroczyste i klarowne. W przypadku roztworu koloidalnego natomiast obserwator dostrzeże smugę światła w cieczy, analogiczną do smugi światła widocznej w powietrzu, gdy do mrocznego pokoju wpada wąski promień słoneczny. Powstawanie takiej smugi polega na rozproszeniu światła przez cząstki koloidalne, podobnie jak smuga widoczna w pokoju. Zjawisko rozproszenia światła przez roztwory koloidalne nazywa się efektem Tyndalla. Nie udaje się również rozróżnić kształtu, barwy ani rozmiarów cząstek koloidalnych, można natomiast śledzić ich bezładne, chaotyczne ruchy, zwane ruchami Browna. Stwierdził on, że drobne pyłki kwiatowe zawieszone w wodzie znajdują się w ustawicznym, bezładnym, zygzakowatym ruchu. Podobnym ruchem obdarzone są również cząstki zawiesin, emulsji, a także cząstki koloidalne. Ruchy ich są najszybsze, gdyż szybkość ruchów Browna wzrasta w miarę jak maleje masa cząstki. Nie ulegają samorzutnej sedymentacji, opadają na dno (podlegają zawiesiny grawitacji), układy koloidalne nie podlegają prawu grawitacji, ulegają koagulacji (łączenie w większe skupiska)

Czynniki koagulacji

• dodatek elektrolitu

• podwyższona temperatura

• czynniki mechaniczne

• promieniowanie jonizujące

• przepływ prądu elektrycznego

• promieniowanie krótkofalowe

• liofobowe - dodatek koloidu o przeciwnym ładunku cząstek

wartość koagulacyjna - najmniejsza ilość elektrolitu, która jest niezbędna do całkowitego skoagulowania koloidu i jest miarą jego trwałości.

Otrzymywanie koloidów

METODY DYSPERSYJNE: polega na zmniejszeniu rozmiarów cząstek koloidalnych.

Najprostsza metoda dyspersyjna polega na mieleniu rozdrabnianych substancji w specjalnych młynach koloidalnych o bardzo dużej liczbie obrotów.

Metoda rozpylania katodowego (metoda Brediga) - polega na wytworzeniu, za pomocą prądu stałego łuku elektrycznego pomiędzy dwiema elektrodami metalowymi zanurzonymi w wodzie, z których jedną, katodę, stanowi metal poddawany rozdrobnieniu. Pary metalu wydzielające się w tych warunkach są gwałtownie chłodzone w wodzie i zestalają się tworząc cząstki koloidalne.

Zawiesiny można niekiedy przeprowadzić w stan koloidalny, działając falami ultradźwiękowymi. Wiele ciał, np. żelatyna lub niektóre białka, wykazują zdolność samorzutnego tworzenia roztworów koloidalnych w zetknięciu z wodą. Są to substancje o bardzo dużej masie cząsteczkowej, substancje makromolekularne, w których pojedyncze cząsteczki chemiczne mają rozmiary cząstek koloidalnych.

METODY KONDENSACYJNE: polegają na wydzieleniu trudno rozpuszczalnej substancji z roztworu silnie rozcieńczonego w trakcie różnego rodzaju reakcji chemicznych, np. podwójnej wymiany, utlenienia, redukcji, hydrolizy itp. Warunki panujące w roztworze są przy tym tak dobrane, że nierozpuszczalny produkt reakcji nie może wytworzyć agregatów większych niż o rozmiarach cząstek koloidalnych. Nie wydziela się on wówczas w formie osadu, lecz tworzy roztwór koloidalny. Np. hydroliza rozcieńczonego FeCl3 w temp. Wrzenia prowadzi do powstania roztworu koloidalnego wodorotlenku żelaza (III), a redukcja chlorku złota taniną lub formaldehydem - do powstania koloidalnego roztworu złota metalicznego..

Oczyszczanie roztworu koloidalnego przeprowadzić można za pomocą dializy.

Trwałość koloidy zawdzięczają albo elektrostatycznemu odpychaniu się cząstek, które zyskują jednoimienny ładunek elektryczny w skutek selektywnej adsorpcji jednego z jonów zawartych w roztworze, albo utworzeniu się na powierzchni cząstek otoczek z cząsteczek rozpuszczalnika. Pierwszy przypadek mówi o koloidach liofobowych, drugi o liofilowych. Jeżeli fazą rozpraszającą jest woda to nazywają się: hydrofobowe i hydrofilowe.

LIOFOBOWE

Cząstki koloidalne odznaczają się duża zdolnością adsorpcyjną. Jeżeli adsorpcja ma charakter selektywny, czyli ulega jej tylko jeden rodzaj jonów zawartych w roztworze, to wszystkie cząstki zyskują ten sam ładunek elektryczny, a ich wzajemne odpychanie przeciwstawia się tendencji do koagulacji. Adsorpcji na cząstkach koloidalnych mogą ulegać zarówno jony wody, jak i inne jony obecne w roztworze. Znak ładunku elektrycznego cząstek koloidalnych możemy określić, jeżeli w roztworze koloidalnym umieścimy dwie elektrody, pomiędzy którymi istnieje różnica potencjałów. Zjawisko wędrówki pod wpływem pola elektrycznego nosi nazwę elektroforezy. Jeżeli pragniemy doprowadzić do koagulacji koloidu liofobowego, to musimy zobojętnić ładunek elektryczny nagromadzony na powierzchni cząstek (np. dodając pewną ilość elektrolitu zawierającego dobrze adsorbujące się jony przeciwnego znaku). Procesem odwrotnym do koagulacji jest peptyzacja. Jest to zjawisko przechodzenia skoagulowanego osadu z powrotem w stan roztworu koloidalnego. Cząstki koloidalne odzyskują swój pierwotny ładunek i ponownie zaczynają się odpychać.

AgNO₃ + KJ AgJ + KNO₃

1 - otoczony powinowatymi jonami do agregatu

2 - jądro cząsteczki koloidalnej, ładunek +, otoczone jonami przeciwnego znaku, ale w ilości nie wysycającej znak jądra

3 - cząstka koloidalna - granulla, może być warstwa ruchoma, stabilizująca granulle, zaiwierająca resztę jonów NO₃^-, nie jest na stałe przyporządkowana cząsteczce

4 - granulla z warstwą ruchomą - micella

LIOFILOWE

Są to najczęściej roztwory substancji wielocząsteczkowych: białka, skrobi, dekstryn, niektórych barwników itd. Roztwory te zawdzięczają swoją trwałość zdolności cząsteczek do tworzenia na swej powierzchni wielowarstwowej otoczki złożonej z cząstek wody lub jonów obecnych w roztworze. Otoczka chroni cząstki koloidalne od bezpośredniego zetknięcia się i w ten sposób uniemożliwia ich koagulację. Cząstki niektórych zoli białek wykazują pewien ładunek elektryczny, którego obecność przyczynia się do zwiększenia trwałości zolu. Ładunek ten powstaje wskutek dysocjacji grup kwasowych lub zasadowych wchodzących w skład białka.

Koloidy liofilowe różnią się od liofobowych swoim zachowaniem wobec dodatków elektrolitów. Ulegają one mianowicie koagulacji dopiero pod wpływem dużej ilości dodanych soli. Uważa się, że jony obecne w elektrolicie, ulegając silnej hydratacji, powodują równoczesne zmniejszenie liczby cząstek wody lub innych jonów znajdujących się w roztworze, wchodzących w skład otoczki cząstek koloidalnych, a co za tym idzie zmniejszenie trwałości układu koloidalnego i jego koagulacji. Liofilowe odznaczają się na ogół większą trwałością, a ich dodatek do zolów liofobowych może znacznie zwiększyć trwałość tych zoli (koloid ochronny).

2 - jądro znak -

anaforez - ładunek ujemny jądra

kataforeza - ładunek dodatni jądra

ładunki jednoimienne się odpychają, nie zachodzi samorzutnie sedymentacja.

Liczne zole koloidów np. żelatyny, przygotowane na gorąco, zastygają podczas chłodzenia w jednolitą, galaretowatą masę zwaną żelem. Można je także otrzymać dodając odpowiednią ilość elektrolitu. W czasie odwadniania, np. poprzez ogrzanie, żele nieorganiczne przechodzą zwykle w ciała stałe o bardzo znacznie rozwiniętej powierzchni, określane często kserożelami.

38

---