Koloidy (zole) są to układy o dużym stopniu rozdrobnienia. 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, jak i układy fizycznie niejednorodne o dużym stopniu rozdrobnienia - koloidy fazowe.
Część układu tworzącą fazę ciągłą stanowi ośrodek dyspersyjny (rozpraszający), a drugą stanowi fazę zdyspergowaną (rozproszoną).
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

Metody otrzymywania zależą od stanu skupienia ośrodka rozpraszającego i substancji rozproszonej. Wyróżnia się dwie podstawowe metody otrzymywania układów koloidalnych:

-dyspersyjna

-kondensacyjna

Do właściwości kinetycznych układów koloidalnych należą:

-ruchy Browna

-dyfuzja

-sedymentacja

-lepkość

-ciśnienie osmotyczne

Do układów koloidalnych stosuje się te same prawa fizykochemiczne i podobne metody badawcze jak dla roztworów rzeczywistych.

Do własności optycznych układów koloidalnych zalicza się:

-rozpraszanie światła

-zmętnienie roztworu

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.

Micela składa się z jądra, w skład, którego wchodzą obojętne cząsteczki. Na powierzchni jądra absorbowane są z roztworu wspólne jony. Warstwa ta nosi nazwę warstwy adsorpcyjnej i wiąże się ona luźno z warstwą rozmytą albo dyfuzyjną. Jadro razem z warstwą adsorpcyjną nosi nazwę granuli.

Roztwory koloidalne są układami nietrwałymi. Proces przechodzenia zolu w żel nosi nazwę koagulacji
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 milimoli danego elektrolitu niezbędna do skoagulowania 1 cm³ roztworu koloidalnego, nosi nazwę progu koagulacji. Ten ostatni zależy od rodzaju dodawanego elektrolitu i wartościowości dodawanych jonów.

Niektóre roztwory koloidalne np. roztwory wodne żelatyny, krochmalu, mydła, kauczuku w benzenie, itp. samorzutnie mogą przejść ze stanu ciekłego w stan zbliżony do ciała stałego. Osiąga sie go często przez obniżenie temperatury.
Ten stan układu koloidalnego od typowego przykładu - żelatyny - nosi nazwę żelu. Żele mogą być organiczne, są bardziej elastyczne i nieorganiczne, mniej elastyczne np. wodorotlenek żelaza, silikażel.

Emulsją jest układ koloidalny, w którym ośrodek rozpraszający i substancja rozproszona jest cieczą a wielkość kropelek cieczy rozproszonej dochodzi nawet do 10^-3 cm. Są to układy termodynamiczne nietrwałe i odnoszą się do układów dwóch nierozpuszczających się wzajemnie się cieczy. Emulsje łatwo ulegają koalescensji, czyli łączeniu się kropelek cieczy rozproszonej w większe krople. W celu zapobieżeniu koalescencji dodaje się emulgatorów.
Podstawowym warunkiem utworzenia emulsji w układzie dwóch cieczy jest całkowity brak lub bardzo mała ich wzajemna rozpuszczalność.

Piana jest to układ koloidalny uzyskany w wyniku zdyspergowania w cieczy substancji gazowej. Banieczki gazu rozdzielone są cieniutkimi warstwami cieczy. Istnieją także piany stałe. Trwałość pian zależy od wzmocnienia błonek oddzielających banieczki gazu cienkimi warstewkami substancji powierzchniowo-czynnej.

Areozole otrzymuje się przez rozproszenie substancji stałej (dymy) albo cieczy (mgły) w gazie. Rozmiary cząstek w aerozolach wahają się w granicach 10A^o do 1000A^o i np. cząstki dymu papierosowego mają wymiary od 2 do 10A^o, a kropelki wody w chmurach posiadają średnice od 40 do 100A^o.

Do układów koloidalnych stosuje się te same prawa fizykochemiczne i podobne metody badawcze jak dla roztworów rzeczywistych.

Ruchy Browna

Ruchy Browna są charakterystyczne szczególnie dla koloidów fazowych. Zostały zaobserwowane przez angielskiego botanika, Browna (1827), który stwierdził za pomocą mikroskopu, że koloidalne cząstki znajdują się w nieustannym chaotycznym ruchu. Wyjaśnienie istoty ruchów Browna podali Einstein i Smoluchowski (1905). Stwierdzili oni, że obserwowane przesunięcia translacyjne cząstek koloidalnych stanowią wypadkową bardzo wielu przesunięć zachodzących w najrozmaitszych kierunkach

Każde przesunięcie wynika stąd, że wypadkowy moment pędu związany ze zderzeniami cząstki koloidalnej z wieloma cząsteczkami ośrodka rozpraszającego nie równa się zeru.
Dla cząstki koloidalnej w kształcie kuli o promieniu r kwadrat średniego przesunięcia cząstki koloidalnej (delta)x2 w czasie t wynosi.

gdzie: (eta) - lepkość ośrodka, NA - liczba Avogadra

Dyfuzja

Pod pojęciem dyfuzji rozumie się ruch cząsteczek substancji pod wpływem różnicy stężeń pomiędzy różnymi częściami roztworu.
Rozpatrzmy granicę zetknięcia się rozpuszczalnika (ośrodek rozpraszający) z roztworem koloidalnym o stężeniu gramowym Cg (g * Cm-3).

W wyniku różnicy stężeń następuje przechodzenie cząstek koloidalnych z roztworu do rozpuszczalnika. Spadek stężenia na jednostkę długości x w kierunku od roztworu do rozpuszczalnika, nosi nazwę gradientu stężenia

dcg / dx

Zgodnie z prawem Ficka szybkość dyfuzji, czyli ilość gramów substancji rozproszonej przeniesiona przez granicę zetknięcia w jednostce czasu jest proporcjonalna do gradientu stężenia dcg / dx oraz do powierzchni zetknięcia A.

dm / dt = -DA dcg / dx

przy czym D oznacza współczynnik dyfuzji, który podaje, jaka masa substancji rozpuszczonej przedyfunduje przez powierzchnię 1 cm2 w ciągu 1s pod wpływem gradientu stężenia równego 1g * cm3. Znak "-" oznacza w równaniu, że gradient stężenia (jako wektor) jest w tym przypadku wielkością ujemną, dla otrzymania dodatniej wartości D, w równaniu należało postawić znak "-".
Współczynnik dyfuzji dla danego rozpuszczalnika zależy od wielkości i kształtu cząsteczki koloidalnej i charakteryzuje podatność cząstki koloidalnej do dyfuzji.
Współczynnik dyfuzji D z wielkością cząstek r i lepkością (eta) opisuje równanie Einsteina-Smoluchowskiego.

Wartość współczynnika dyfuzji podaje tablica 10.2.

Współczynnik dyfuzji w niektórych roztworach

Rozpuszczalnik	Substancja rozpuszczona	Dw cm2 * s-1
Woda	NaCl	1,39 * 10-5
Woda	maltoza	0,42 * 10-5
Woda	białko osocza	0,061 * 10-5
Woda	ureaza	0,035 * 10-5

Sedymentacja

W układach koloidalnych w wyniku działania sił ciężkości następuje sedymentacja. W celu zwiększenia działania tych sił stosuje się ultrawirówki o 10000 do 100000 obr/min. Występująca siła ciężkości określona jest równaniem:

f1 = 4/3 * r3(d - do)g

gdzie: r - promień cząstki koloidalnej, d - gęstość cząstki koloidalnej, do - gęstość ośrodka, g - przyspieszenie ziemskie.

Jak widać, siła f1 jest ciężarem kulistej cząstki pomniejszonym o siłę wyporu. Gdyby stale działająca siła f1 była jedyną stałą działającą w tym układzie, cząstka opadałaby ruchem jednostajnie przyspieszonym. Ale wraz z rozpoczęciem swego ruchu cząstka zostaje poddana działaniu siły przeciwnie skierowanej, przedstawiającej opór ośrodka. Opór ten rośnie wraz z szybkością opadania cząstki i w pewnym momencie staje się równy sile grawitacji f1. Od tej chwili cząstka porusza się ruchem jednostajnym ze stałą prędkością v, a równoważąca siłę grawitacji f1 siła oporu f2 wynosi zgodnie z prawem Stokesa:

gdzie: (eta) - lepkość ośrodka.

Od momentu zrównoważenia się obu sił mamy:

gdzie v - prędkość opadania cząstki.

Proces opadania cząstek można przyspieszyć przez zastosowanie wirówki.
Przy dużych predkościach kątowych, a więc dużych przyspieszeniach odśrodkowych, wzór na prędkość opadania cząstek przyjmie postać:

Zastosowanie ultrawirówek, wyposażonych w układy optyczne pozwalają mierzyć szybkość przemieszczania się cząstek koloidów pod działaniem siły odśrodkowej, umożliwia oznaczenie promienia tych cząstek, a stąd ich mas cząsteczkowych.

Ciśnienie osmotyczne

Ciśnienie osmotyczne roztworu koloidalnego ma taki sam sens fizyczny jak dla roztworów rzeczywistych. Miarą ciśnienia osmotycznego jest ciśnienie, które należy przyłożyć do membrany, półprzepuszczalnej od strony roztworu koloidalnego, aby zahamować przechodzenie czystego rozpuszczalnika do roztworu.. Ciśnienie osmotyczne roztworów koloidalnych jest znacznie niższe niż dla roztworów rzeczywistych i wynosi:

gdzie: V1 - objętość molowa rozpuszczalnika, x1 - jego ułamek molowy

Ciśnienie osmotyczne jest wyrazem stężenia cząsteczkowego. Oznacza to, że ciśnienie osmotyczne roztworu jest tym większe, im więcej cząsteczek znajduje się w określonej ilości płynu.
Jeżeli dwa roztwory posiadają to samo ciśnienie osmotyczne, mówimy wówczas, że są one względem siebie izotoniczne. Roztwór, który posiada wyższe ciśnienie osmotyczne od porównawczego, nazywa się hipertonicznym, a o niższym ciśnieniu osmotycznym od porównawczego hipotonicznym

Koloidy- układy dyspersyjne o odpowiednio małych cząstkach fazy rozproszonej (tzw. cząstkach koloidalnych). Koloidy (zole) są to układy o dużym stopniu rozdrobnienia.
Są stanem pośrednim pomiędzy roztworami rzeczywistymi a zawiesinami (mieszaninami).
Pojęcie koloidu do chemii po raz pierwszy wprowadził Graham, dla określenia substancji o właściwościach zbliżonych do kleju.
Roztwory koloidalne (koloidy) stanowią układy, w których cząstki substancji rozproszonej charakteryzują sie rozmiarami od 1 do 500 nm. Cząstki o takich rozmiarach odpowiadają tzw. rozdrobnieniu koloidalnemu. Roztwory koloidalne są układami dwufazowymi, składają, sie z ośrodka rozpraszającego substancji rozproszonej.
PODZIAŁ Zależnie od fazy rozpraszającej noszą one nazwę hydrozoli (faza rozpraszająca - woda) i alkozoli (faza rozpraszająca - alkohol) itp. Największe znaczenie maja hydrozole.
1. Uwzględniając stosunek cząstek koloidalnych do fazy rozpraszającej wyróżnia sie dwie grupy koloidów:- liofilowe (hydrofile, gdy cieczą jest woda) - odznaczają sie zdolnością do tworzenia na swojej powierzchni wielowarstwowej otoczki złożonej z cząsteczek wody - otoczka hydratacyjna, chętnie łącza sie z woda. Przykładami mogą być roztwory białka, skrobi, żelatyny, gumy arabskiej, kwasu krzemowego i innych.
- liofobowe (hydrofobowe) - roztwory zoli, które pozbawione są otoczki hydratacyjnej, ponieważ oddziaływanie pomiędzy faza dyspresywna, a ośrodkiem rozpraszajacym są bardzo słabe lub wcale nie występuje. Przykładami mogą być: zole wodorotlenków tlenków metali.
2.Wedlug innej klasyfikacji rozróżniamy:
- koloidy cząsteczkowe - fazę rozproszona stanowią pojedyncze makrocząsteczki, składające sie z tysięcy atomów np. polimery, hemoglobina. Mimo rozdrobnienia cząsteczkowego są one zaliczane do koloidów ze względu na rozmiary cząsteczek. Należą do koloidów liofilowych.
- koloidy fazowe - powstają z rozdrobnienia większych cząsteczek lub stracenie roztworów właściwych odpowiednimi metodami chemicznymi. Sa to koloidy liofobowe.
- koloidy asocjacyjne (micelarne) powstające samorzutnie skupienie sie dużej liczby małych cząsteczek w małe agregaty, po przekroczeniu pewnego stężenia. Takie układy koloidalne występują w stężonych roztworach mydeł i innych detergentów.
3. Ze względu na metodę otrzymywania rozróżnia się układy koloidalne: dyspersyjne (rozdrobnienie fazy stałej np. w generatorach ultradźwiękowych lub przez peptyzację), asocjacyjne, czyli micelarne (łączenie się cząsteczek w agregaty), cząsteczkowe, czyli eukoloidy (rozpuszczenie związku wysokocząsteczkowego, np. białka, w wodzie).
Otrzymywanie Metody otrzymywania zależą od stanu skupienia ośrodka rozpraszającego i substancji rozproszonej. Wyróżnia się dwie podstawowe metody otrzymywania układów koloidalnych:
• dyspersyjna
• kondensacyjna
a) Metody dyspersyjne. Rozdrobnienie aż do uzyskania rozdrobnienia koloidalnego osiąga się albo mechanicznie (np. młyn koloidalny), albo elektrycznie (łuk elektryczny).
Ten ostatni sposób szczególnie stosuje się do otrzymania zoli metali, tlenków metali, koloidalnego grafitu itp.
W metodach dyspersyjnych wykorzystuje się również ultradźwięki (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 adsorpcyjnych), które rozdzielają złączone cząstki koloidalne. b) Metody kondensacyjne. W metodach tej grupy rozdrobnienie koloidalne osiąga się w wyniku łączenia pojedynczych 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. H2S --> S koloidalna)
• wymiana (AgNO3 + KI --> AgI + AgNO3)
Zjawiskiem charakterystycznym dla roztworów koloidalnych jest efekt Tyndalla, polegający na rozproszeniu światła. W roztworze takim można wyraźnie zaobserwować drogę wiązki światła przechodząca przez ciecz. Rozproszone przez cząstki koloidalne światło tworzy jasny stożek, widoczny wyraźnie w zaciemnionym pomieszczeniu.

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).

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 AgJ w roztworze zawierającym jony srebra jest naładowany dodatnio, w roztworze zaś zawierającym jony jodkowe ujemne (patrz rysunek).

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.

PYTANIA KONTROLNE

1. Jakie są sposoby odróżniania roztworu koloidalnego, rzeczywistego i zawiesiny?

- efekt Tyndalla miedzy r-rem właściwym a koloidalnym

- zawiesiny tworza osad

2. Co jest ośrodkiem rozpraszającym (dyspersyjnym) a co fazą rozproszoną w następujących koloidach: emulsja( cz-cz), zol(cz-g), mgła(g-cz), aerozol(g-cs) ?

3. Co to są koloidy liofobowe i liofilowe? Podaj przykład każdego z nich?

Liofobowe- bez otoczki hydratacyjnej, ponieważ małe oddziaływania miedzy fazami np. Zole metali, wodorotl. Metali AgCl, As2S3; liofilowe- zdolność do tworzenia otoczki hydratacyjnej, np. roztwory białka, skrobi, żelatyny, gumy arabskiej, kwasu krzemowego.

4. Co jest czynnikiem stabilizującym koloidy liofilowe a co liofobowe? Liofilowe- solwatacja, liofobowe- ładunek elektryczny.

5. Podaj charakterystyczne właściwości roztworów koloidalnych:

a) mechaniczne, b) optyczne, c) elektryczne. A) ruch Browna, sedymentacja B) efekt Tyndalla, adsorpcja światła, C) absorpcja ładunków z roztworu- koagulacja

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 warstwy 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?

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. Sedymentacja, w chemii opadanie cząstek zawiesiny lub układu koloidalnego pod wpływem siły ciężkości lub sił odśrodkowych w ultrawirówkach. Pomiary szybkości sedymentacji służą do wyznaczania średniej masy cząsteczkowej substancji koloidalnej (M).

8. W jaki sposób można wywołać koagulację roztworu koloidalnego?

9. Co oznaczają następujące pojęcia: dializa, elektrodializa, synereza, tiksotropia?

Dializa - jest to metoda oczyszczania roztworów koloidalnych z elektrolitów przy użyciu błony półprzepuszczalnej. Elektrodializa - migracja jonów w polu elektrycznym. Ważną rolę w tym procesie odgrywają przepony o własnościach aniono-kationo-wymiennych. Przepony te przepuszczają aniony i kationy a zatrzymują selektywne jony przeciwne.

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?  

1. Jakie układy nazywamy koloidalnymi?
2. Jakie znasz metody uzyskiwania rozproszenia koloidalnego?
3. Scharakteryzuj metody oczyszczania koloidów
4. Przedstaw właściwości kinetyczne układów koloidalnych i scharakteryzuj ilościowo proces sedymentacji.
7. Przedstaw na przykładzie budowę granuli i miceli koloidalnej.
8. Wyjaśnij zjawisko powstawania potencjału elektrokinetycznego koloidu
9. Opisz proces koagulacji koloidów liofobowych i liofilowych

Turbidymetria to jedna z metod spektrofotometrycznych w chemii analitycznej; służy do pomiaru mętności zawiesin. Istota metody jest analogiczna, jak w przypadku innych metod spektrofotometrycznych i opiera się na pomiarze relacji pomiędzy ilością światła emitowanego przez źródło, a ilością światła docierającą do detektora spektrofotometru, po przejściu przez komórkę (kuwetę) z badaną próbką. Relacja ta zależy głównie od stężenia cząstek zawiesiny, na których zachodzi dyspersja światła. Turbidymetria należy do metod analitycznych o stosunkowo niewielkiej precyzji. Bywa wykorzystywana m.in. w konstrukcji bioreaktorów, gdzie służy do badania ilości utworzonej biomasy mikroorganizmów (jest to tzw. turbidostat). Turbidymetria, metoda chemicznej analizy instrumentalnej wykorzystująca zjawisko rozproszenia światła widzialnego przez cząstki bardzo rozcieńczonej zawiesiny lub roztworu koloidalnego (układu dyspersyjnego). Dokonując pomiarów w wiązce promieniowania przechodzącego przez układ dyspersyjny, otrzymuje się wielkość charakteryzującą rozproszenie (tzw. turbidancję), która jest proporcjonalna do stężenia cząstek zawiesiny. Pomiary mogą być wykonane za pomocą zwykłych spektrofotometrów.
S=log(I0/It)=k·l·c
S - turbidancja, I0 - natężenie wiązki światła padającego (o danej długości fali), It - natężenie wiązki światła przechodzącego, k - stała pomiaru, l - grubość warstwy ośrodka rozpraszającego, c - stężenie cząsteczek stałych.
Nefelometria - metoda analizy stężenia roztworu na podstawie pomiaru natężenia światła rozproszonego przez zawiesinę, wykorzystująca efekt Tyndalla. Wiązka światła przechodząc przez roztwór koloidalny pod określonym kątem względem wiązki padającej, staje się widoczna w postaci tzw. Stożka Tyndalla. Na tej podstawie oznacza się stężenie tej zawiesiny lub rozmiary tworzących ją cząstek. Nefelometr - przyrząd optyczny służący do pomiaru natężenia światła rozproszonego przez zawiesiny w cieczach lub gazach. Umożliwia oznaczenie stężenia zawiesiny w roztworze oraz rozmiarów i masy jej cząstek. Używany jest także do badania atmosfery. Głównymi elementami przyrządu są źródło światła i fotodetektor ustawione w stosunku do siebie pod pewnym kątem różnym od 180° (najczęściej 90°).

Punkt izoelektryczny i izojonowy

Punkt izoelektryczny (pI) jest to takie pH środowiska, przy którym cząsteczka aminokwasu w danych warunkach jest obojętna, bez względu na to czy jednakowa ilość ładunków dodatnich i ujemnych w cząsteczce wynika z dysocjacji grup polarnych, czy obecności związanych jonów. W punkcie izoelektrycznym cząsteczka nie ma zdolności wędrowania w polu elektrycznym (np. podczas elektroforezy). W roztworze o pH większym od punku izoelektrycznego cząsteczka występuje w formie anionu, a poniżej punktu izoelektrycznego w formie kationu. W punkcie izoelektrycznym aminokwas tworzy sól wewnętrzną tzw. jon obojniaczy, wtedy cząsteczka jest najsłabiej rozpuszczalna. Wykorzystuje się to do wytrącenia aminokwasów z roztworu. Punkt izojonowy jest to taka wartość pH, przy której liczba protonów związanych z grupami -NH₂ jest równy ilości protonów odczepionych od grupy -COOH. W punkcie izojonowym przeciętny ładunek równy jest zeru. Punkt izojonowy odnosi się do czystych aminokwasów lub białek i ma wartość stałą i charakterystyczną, ponieważ zależy od jego składu aminokwasowego. Punkt izoelektryczny, pI - wartość pH, przy której populacja cząsteczek posiadających grupy funkcyjne mogące przyjmować jednocześnie dodatni i ujemny ładunek elektryczny (np. aminokwasy) zawiera średnio tyle samo ładunków dodatnich co ujemnych, na skutek czego ładunek całkowity całej populacji wynosi zero. Stężenie jonu obojnaczego przyjmuje wtedy maksymalną wartość, a stężenia form anionowej i kationowej mają jednakowe, minimalne stężenie. W przypadku związków słabo rozpuszczalnych występują wtedy też niezdysocjowane cząsteczki.

Sytuacja taka może mieć miejsce w dwóch przypadkach:

-w roztworze istnieją wyłącznie jony obojnacze (tzw. zwitterjony)

-w roztworze istnieje taka sama liczba anionów i kationów

Wartość ta jest oznaczana najczęściej w odniesieniu do białek i aminokwasów, metodami polarymetrycznymi, chromatograficznymi i elektroforetycznymi. Ponadto istnieje możliwość wyznaczenia wartości teoretycznej dla białek na podstawie równania Hendersona- Hasselbacha.

Dla aminokwasu zawierającego jedną grupę aminową i jedną grupę karboksylową wartość pI można obliczyć w prosty sposób na podstawie wartości pKa1 i pKa2 danej cząsteczki:

W pH poniżej pI białka mają ładunek dodatni, zaś powyżej ich ładunek jest ujemny. Ma to duże znaczenie w czasie rozdziału metodą elektroforezy. pH żelu elektroforetycznego zależy od użytego buforu. Jeżeli pH buforu jest wyższe od pI białka, to będzie ono migrować w kierunku anody (ujemny ładunek jest przyciągany do niej). Z drugiej strony jeśli pH buforu jest niższe od pI białka będzie ono się poruszać w kierunku ujemnie naładowanej stronie żelu. Białko nie będzie migrować jeśli pH buforu i pI danego białka będą sobie równe.

Właściwości kwasowo zasadowe

Ze względu na dwufunkcyjność aminokwasów ich dysocjacja zależy silnie od pH środowiska. Tylko w środowisku o różnym pH aminokwasy są jonami obojniaczymi. W silnie kwaśnym środowisku dysocjacja jonów -COOH jest zahamowana, aminokwasy tworzą kationy H₃N⁺- i w przeciwieństwie do zwykłych kwasów karboksylowych, migrują w polu elektrycznym do katod. Odpowiednio w środowisku alkalicznym tworzą się aniony grupy -COO^-, który migrują w polu elektrycznym do anody, kontrastując z zachowaniem się prostych amin.
Glicyna jest silniejszym kwasem niż kwas octowy ze względu na efekt indukcyjny grupy aminowej. W miarę wzrostu odległości między grupą aminową, a karboksylową efekt ten słabnie. W kwasach monokarboksylowych grupa -karboksylowa ma charakter bardziej kwasowy i głównie ona bierze udział w tworzeniu jonu obojnaczego. Zasadowy charakter grupy aminowej jest osłabiony przez obecność grupy -COO^-. Tak, więc glicyna jest mniej zasadowa niż porównywalna z nią etyloamina. Grupa aminowa w kwasach diaminokarboksylowych jest bardziej zasadowa niż grupa -aminowa, dlatego odgrywa też główną rolę w tworzeniu jonu obojnaczego.
Najbardziej zasadowym aminokwasem jest arginina, ponieważ jej cząsteczka po protonowaniu przybiera formę rezonansową stabilizowanej grupy guanidynowej. Białka, ze względu na obecność zasadowych grup NH₂ oraz kwasowych COOH mają charakter obojnaczy - w zależności od pH roztworu będą zachowywały się jak kwasy (w roztworze zasadowym) lub jak zasady (w roztworze kwaśnym). Dzięki temu białka mogą pełnić rolę bufora stabilizującego pH, np. krwi. Różnica pH nie może być jednak znaczna, gdyż białko może ulec denaturacji. Wypadkowy ładunek białka zależy od ilości aminokwasów kwaśnych i zasadowych w cząsteczce. Wartość pH, w której ładunki dodatnie i ujemne aminokwasów równoważą się nazywany jest punktem izoelektrycznym białka.

---