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 tylko nawet 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)₃, Al(OH)₃ i liofobowe sunspensoidy, np. zole metali, wodorotlenków pewnych metali, sole metaliczne, np. As₂S₃, 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 ujemne (patrz rysunek).

Rys. 1 Schemat budowy cząsteczki koloidalnej AgI wytrąconej z roztworu AgNO₃ 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  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. MgSO₄, ale także (NH)₂SO₄ i Na₂SO₄. 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 cm³ 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/m³ 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 cm³ 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 ono 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 cm³ zawierającej 20 cm³ wody destylowanej, ogrzanej do wrzenia, dodaj kroplami ciągle mieszając roztwór 0.1 kmol/m³ FeCl₃ (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 cm³ roztworu tiosiarczanu sodu Na₂S₂O₃ dodaj 1 cm³ roztworu kwasu siarkowego (oba roztwory o stężeniu 1 kmol/m³). Podgrzej probówkę wraz z zawartością w zlewce z gotującą się wodą. Zwróć uwagę na barwę otrzymanej koloidalnej siarki i jej koagulację prowadzącą do utworzeniem żelu lub osadu S.

Doświadczenie 4. (Koagulacja roztworów koloidowych). 4.1. Koagulacja zolu wodorotlenku żelaza wskutek działania elektrolitów. Do czterech probówek zawierających po 2 cm³ zolu wodorotlenku żelaza otrzymanego w doświadczeniu 3.1 dodaj kolejno: do pierwszej 2 cm³ roztworu NaCl, do drugiej 2 cm³ roztworu Na₂ SO₄ (oba roztwory o stężeniu 0,5 kmol/m³ ), do trzeciej 2 cm³ 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 1cm³ roztworu siarczanu miedzi CuSO₄ o stężeniu 0,05 kmol/m³ dodaj 3 cm³ roztworu AKT (amidu kwasu tiooctowego) i 3 krople roztworu HCl o stężeniu 2 kmol/m³ . Następnie tę probówkę należy umieścić we wrzącej łaźni wodnej i ogrzewać przez 3 min. Zwróć uwagę na postać siarczku miedzi przed i po ogrzaniu.

Doświadczenie 5. (Powstawanie żelu kwasu krzemowego). Do probówki zawierającej 2 cm³ kwasu solnego o stężeniu 2 kmol/m³ dodaj wstrząsając jednocześnie probówką 2cm³ 10-procentowego roztworu krzemianu sodu. Zwróć uwagę na powstający zol kwasu krzemowego, który stopniowo przechodzi w galaretowaty w 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)

podaj 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 2cm³ roztworu NaCl i 3 cm³ roztworu AgNO₃ . 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?

---