Układy koloidalne

Pod względem wielkości cząstek rozproszonych koloidy zajmują miejsce pośrednie pomiędzy roztworami rzeczywistymi (cząstki o rozmiarach kilku do kilkunastu nm) i zawiesinami (cząstki o rozmiarach powyżej 500 nm).

Układy: monodyspersyjne polidyspersyjne

cząstki rozproszone mają taką samą wielkość cząstki mają rożną wielkość

jednopostaciowe wielopostaciowe

cząstki rozproszone mają taki sam kształt cząstki mają różny kształt

Roztwór koloidalny (zol) - ośrodek rozpraszający jest cieczą.

Podział koloidów:

♦asocjacyjne - substancja przechodzi w stan koloidalny samorzutnie;

♦dyspersyjne - otrzymywane przez wymuszone rozdrabnianie fazy

rozproszonej w fazie rozpraszającej;

♦liofilowe - mają duże powinowactwo do rozpuszczalnika, z którym łączą

się przez solwatację, która stabilizuje układ, np. roztwory wodne

białka, taniny, żelatyny, gumy arabskiej.

Zwykle są to koloidy odwracalne - ich sucha pozostałość po

odparowaniu ciekłej fazy rozpraszającej tworzy układ koloidalny po

ponownym zmieszaniu z tą cieczą;

♦liofobowe - nie wykazują tendencji do wiązania cząsteczek fazy

rozproszonej i rozpraszającej, a czynnikiem stabilizującym układ jest

ładunek elektryczny na powierzchni cząstek koloidalnych, np. roztwory

koloidalne - zole metali, ich siarczków i wodorotlenków.

Zwykle są to koloidy nieodwracalne.

♦wielkocząsteczkowe - roztwory makrozwiązków, jak np. skrobia,

białko, tworzywa sztuczne.

Ze względu na stan skupienia fazy rozpraszającej i rozpraszanej:

Faza rozpraszająca	Faza rozproszona	Rodzaj koloidu	Przykłady	Nazwa szczegółowa koloidu
Gaz	Gaz Ciecz Ciało stałe	Aerozole (gazozole)	- Mgła, chmury Dym, kurz	Nie istnieje Aerozole ciekłe (mgły) Aerozole stałe (dymy)
Ciecz	Gaz Ciecz Ciało stałe	Zole, roztwory koloidalne	Piana Mleko, białko Zole tlenków metali, wodorotlenków	Piany Lizole, emulsje (emulsoidy) Zawiesiny koloidalne(suspensoidy)
Ciało stałe	Gaz Ciecz Ciała stałe	Pirozole	Pumeks Kwarc mleczny Szkło rubinowe, perły fosforowe	Piany stałe Emulsje stałe Zole stałe

Rozpowszechnienie koloidów

Pojęcie koloidu do chemii po raz pierwszy wprowadził Graham, dla określenia substancji o właściwościach zbliżonych do kleju. 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 μm 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

Koloidy odgrywają dużą rolę w biologicznym funkcjonowania organizmów żywych, w tym i człowieka. Koloidami w organizmie człowieka są różnego rodzaju substancje białkowe, jak również włosy, paznokcie, skóra, wiązadła, itp. Osocze krwi, które jest mieszaniną kilkunastu rozpuszczonych białek, żółć - emulgator dla tłuszczy - to również roztwory koloidalne. Z tego wynika, że organizm ludzki rozpatrywany z punktu widzenia pewnych jego właściwości jest roztworem koloidalnym o różnych stanach skupienia.

Masę cząsteczkową substancji rozproszonej w układach koloidalnych wyznacza się jako tzw. średnią masę cząsteczkową:

M_n uzyskuje się w wyniku pomiarów krioskopowych, ebuliometrycznych, osmotycznych i przy zastosowaniu chromatografii żelowej.

Średnia wagowa masa cząsteczkowa M_w:

podaje stężenie substancji rozproszonej w 1 cm³

Wielkość konieczna do określenia pewnych

właściwości koloidu, np. rozproszenia światła.

Cząstka rozproszona o dużej masie (M~10⁵ )

wnosi bardzo niewielki wkład do średniej liczbowo masy cząsteczkowej, ale ma bardzo duży udział w średniej masie wagowej.

Otrzymywanie koloidów

metody dyspersyjne:

• rozdrabnianie mechaniczne, np. w moździerzu lub w młynach kulowych; podczas rozdrabniania dodaje się środka rozpraszającego i niewielkich ilości stabilizatora układu koloidalnego. Taką metodą otrzymuje się, np. smary grafitowe, preparaty farmaceutyczne, ma zastosowanie w przemyśle ceramicznym;

• za pomocą ultradźwięków, np. roztwory koloidalne barwników, krochmalu itp.

• rozdrabnianie termiczne lub w łuku elektrycznym - głownie do otrzymywania zoli metali: srebra, platyny, złota oraz w cieczach organicznych.

• peptyzacja - przeprowadzanie skoagulowanego koloidu w stan zolu po dodaniu elektrolitów, wody lub związków powierzchniowo-aktywnych.

metody kondensacyjne:

polegają na przejściu z rozdrobnienia cząsteczkowego do rozdrobnienia koloidalnego i są metodami chemicznymi; np.

♦ przeniesienie składnika rozpraszanego do ośrodka, w którym jest on nierozpuszczalny - tak powstają roztwory koloidalne trudno rozpuszczalnych osadów: AgJ, BaSO₄, AgCl,

♦hydrolizę - np. zol Fe(OH)₃,

♦redukcję (np. chlorek złota formaldehydem-powstaje purpurowo zabarwiony zol złota),

♦polimeryzację, polikondensację - koloidy związków organicznych (butadien→kauczuk, chlorek winylu→PCV).

Oczyszczanie koloidów

Układy koloidalne, zarówno naturalne jak i sztuczne zawsze są zanieczyszczone przez domieszki elektrolitów. Zupełne ich usunięcie jest niemożliwe, gdyż zapewniają trwałość zoli. Koloidy oczyszcza się przez:

dializę - oddzielanie zanieczyszczeń od roztworu koloidalnego przy wykorzystaniu ich różnej zdolności przenikania przez błony półprzepuszczalne w porównaniu z roztworem koloidalnym. Urządzenie do dializy - dializator

Przebieg dializy przyśpiesza umieszczenie dializatora w polu elektrycznym - tzw. elektrodializa.

ultrafiltracja - sączenie zolu przez sączki o odpowiednim rozmiarze porów pod zmniejszonym ciśnieniem;

wymiana jonowa - bardzo efektywne oczyszczanie.

Właściwości kinetyczne koloidów

Ruchy Browna - nieustanne charakterystyczne ruchy postępowe, obrotowe i drgające cząstek fazy rozproszonej w ośrodku ciekłym lub gazowym; natężenie ruchów Browna charakteryzuje się za pomocą rzutu na jedna z osi współrzędnych średniej drogi przebytej przez cząstkę w ruchu prostoliniowym:

Z ruchem kinetycznym cząstek związany jest proces dyfuzji , czyli ruchu cząstek pod wpływem różnicy stężeń pomiędzy różnymi obszarami roztworu; szybkość dyfuzji zależy od wielkości cząstek i w układach koloidalnych dyfuzja przebiega wolniej niż w roztworach rzeczywistych. Z tego powodu ciśnienie osmotyczne w układach koloidalnych jest małe.

Eistein i Smoluchowski podali zależność określającą współczynnik dyfuzji:

który jest wprost proporcjonalny do T,

a odwrotnie proporcjonalny do lepkości

środowiska i promienia cząstek. Pomiar

współczynnika D jest jedną z metod wyznaczania promienia cząstek koloidalnych.

Pod wpływem sił grawitacji następuje opadanie cząstek koloidalnych i układy koloidalne ulegają rozwarstwieniu - proces ten, zwany sedymentacją zależy od rozmiarów cząstek i od różnicy gęstości ośrodka zdyspergowanego i dyspergującego. Sedymentacje przyśpiesza się stosując wirówkę. Szczególnie łatwo sedymentacji ulegają zawiesiny.

Właściwości optyczne koloidów

Rozmiary cząstek koloidalnych powodują, że światło przez nie przepuszczone ulega rozproszeniu. Wskutek tego zjawiska powstaje smuga świetlna w kształcie stożka, tzw. efekt Faraday'a - Tyndalla.

Jest to rozproszenie światła przez drobne cząstki zawieszone w ośrodku ciekłym, względnie gazowym, czyli w tzw. ośrodku mętnym (np. kurz czy mgła w powietrzu, roztwór białka kurzego).

Zjawisko Faraday'a - Tyndalla wykorzystuje się między innymi w nefelometrii do ilościowego oznaczania substancji na podstawie pomiaru stopnia zmętnienia roztworu, zawierającego drobną zawiesinę trudno rozpuszczalnego związku oznaczanej substancji. Stopień zmętnienia określa się przez porównanie zmętnień zawiesiny substancji oznaczanej i roztworów wzorcowych metodą wizualną (w cylindrach), albo za pomocą nefelometru. Metodę tę stosuje się między innymi w chemii koloidów, biochemii, chemii polimerów (oznaczanie ciężarów cząsteczkowych).

Pomiary zmniejszenia natężenia promieniowania przechodzącego przez koloid wskutek rozpraszania wykorzystuje się w metodzie zwanej turbidymetrią.

Badanie układów koloidalnych współcześnie prowadzi się przy użyciu mikroskopu elektronowego (powiększenie o. 500 000 razy). Jego zasada działania jest analogiczna jak mikroskopu optycznego, tylko zamiast światła białego stosuje się strumień szybkich elektronów, skupianych przez soczewki elektromagnetyczne. Pomiary wykonuje się w próżni, można obserwować cząstki o średnicy ok. 10Å.

Właściwości elektrokinetyczne koloidów

Czynnikami stabilizującymi układy koloidalne są:

• ładunek elektryczny na powierzchni cząstki koloidalnej - koloidów liofobowych (wodorotlenki metali, halogenki srebra) a także liofilowych (białko)

• solwatacja cząstek - koloidów liofilowych.

Cząstka dowolnego koloidu posiadająca ładunek nosi nazwę miceli. Ładunek elektryczny miceli powstaje najczęściej wskutek adsorpcji jonów elektrolitu z roztworu. Przykładem miceli może być cząstka jodku potasu.

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 adsorpcyjnej i wiąże się ona luźno z warstwą rozmytą albo dyfuzyjną zawierającą jony K⁺.
Jądro razem z warstwą adsorpcyjną nosi nazwę granuli.
Na granicy faz jądro cząstki koloidalnej - roztwór, powstaje podwójna warstwa elektryczna.

warstwa rozmyta (dyfuzyjna)

Cząstki koloidalne białek mają ładunek elektryczny, którego wielkość i znak zależą od pH roztworu. W środowisku kwaśnym grupa -COO^- ulega zobojętnieniu do -COOH, a jonu obojnaczego aminokwasu powstaje dodatni jon z grupami -NH₃⁺ . W warstwie rozmytej będą się gromadziły jony -OH^-, odwrotna sytuacja jest przy pH > 7.

Podwójna warstwa elektryczna

Podwójna warstwa elektryczna składa się z dwóch części 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 (dzeta ς). 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).

Elektroosmoza jest to ruch ośrodka dyspersyjnego pod wpływem pola elektrycznego.

Elektroforeza jest to poruszanie się naładowanych cząstek koloidalnych pod wpływem pola elektrycznego względem nieruchomego ośrodka rozpraszającego.

Wyróżnia się katoforezę - ruch odbywa się w kierunku katody i anodoforezę - ruch odbywa się w kierunku anody.
Zjawisko elektroforezy, czyli migracji cząstek obdarzonych ładunkiem w polu elektrycznym w kierunku elektrody o przeciwnym znaku, znane było już pod koniec XIX wieku. Pierwszym, który zastosował w 1937 roku elektroforezę jako metodę rozdzielania, był A. W. Tiselius, a jego prace, dotyczące rozdzielenia białek, uhonorowane zostały Nagrodą Nobla.
Elektroforeza ma duże zastosowanie w analizie. Między innymi stosowana jest do identyfikacji i rozdzielania białek, aminokwasów, fragmentów DNA oraz RNA.
Połączenie elektroforezy kapilarnej ze spektrometrią masową, umożliwia nie tylko ilościowe oznaczenia, ale także identyfikację oznaczanych substancji. Stosowana jest w oznaczeniach aminokwasów, peptydów, białek, nukleotydów, DNA, węglowodanów, amin i witamin w próbkach biologicznych i płynach ustrojowych w analizie biochemicznej i biomedycznej. Istotne zastosowanie znalazła w farmacji w analizie czystości leków i do rozdzielania izomerów optycznych oraz w badaniach farmakokinetycznych. W ochronie środowiska metoda jest najczęściej stosowana do oznaczeń fenoli, pestycydów i herbicydów.
W skali technicznej za pomocą elektroforezy można nakładać powłoki ochronne na mokrą powierzchnię metalu, co stanowi o specyfice tej metody. Służy także do utwardzania gruntów, garbowania skór, usuwania cząstek koloidalnych z roztworów.
Odwrócone zjawisko elektroosmozy (ruch cieczy względem nieruchomego układu kapilar pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego) połączone z mechanicznym wymuszeniem przepływu cieczy przez układ kapilar (odpowiednia różnica ciśnień), powoduje, że na elektrodach przyłożonych po obu stronach membrany pojawia się pewien potencjał elektryczny, zwany potencjałem przepływu.

Przez określoną membranę półprzepuszczalną mogą przejść jedynie jony o pewnej wielkości. Niektóre membrany mają właściwości selektywne, przepuszczają tylko ściśle określone jony lub cząstki.

Ma to praktyczne zastosowanie w filtracji membranowej.

Membrany stosowane w procesach filtracyjnych:
RO - odwrócona osmoza (hiperfiltracja) - otwory w membranie są takie małe,że mogą przez nie przejść tylko cząsteczki wod;
NF - nanofiltracja - otwory są nieco większe niż w RO i oprócz wody przepuszczają również cząsteczki soli mineralnych;
Typowe zastosowanie RO i NF:

• zagęszczanie mleka, serwatki, soków owocowych, warzywnych;

• demineralizacja mleka, serwatki;

• oczyszczanie i zagęszczanie preparatów po ultrafiltracji (produkcja enzymów, antybiotyków, koncentratów białek);

• koncentracja i oczyszczanie enzymów, antybiotyków;

• oczyszczanie i zagęszczanie koncentratów białek, np.: jaj;

• oczyszczanie wody.

UF - ultrafiltracja - otwory są jeszcze większe, tak, że przechodzą przez nie oprócz wody i soli również cukry, a w roztworze pozostają białka.

Typowe zastosowanie:

• zagęszczanie wszystkich białek mleka;

• koncentracja białek serwatkowych;

• produkcja twarożków z mleka ukwaszonego;

• przygotowanie mleka w technologii serów, jogurtu;

• koncentracja i oczyszczanie enzymów;

• koncentracja i oczyszczanie antybiotyków;

• izolowanie enzymów, antybiotyków, białek;

• oczyszczanie octu;

• oczyszczanie soku jabłkowego i innych soków owocowych;

MF - mikrofiltracja - otwory są na tyle duże, że nie przechodzą przez nie zawiesiny, bakterie i wirusy, a przepuszczane są koloidalne substancje rozpuszczone, jak np. białka;

Typowe zastosowania:

• filtracja sterylna mleka, solanki;

• oczyszczanie roztworów z zawiesin, będąca alternatywą dla wytrącania i odwirowania;

Stan równowagi powstający w układzie po obu stronach membrany nazywa się równowagą Donnana - w układach biologicznych reguluje procesy przenikania jonów przez błony komórkowe. Potencjał membranowy może przyjmować znaczne wartości, nawet do kilkuset mV.

Elektroosmoza - wymuszony przepływem prądu jednokierunkowy przepływ rozpuszczalnika przez membranę.

Potencjał przepływu - przepływ cieczy przez membranę wymuszony przez siłę zewnętrzną. Potencjał sedymentacji, tzw. efekt Dorna - powstaje wskutek ruchu cząstek zawiesiny z warstw górnych w dół.

KOAGULACJA I PEPTYZACJA

Koagulacja - łączenie się cząstek koloidalnych w większe zespoły, przechodzenie zolu w żel.

Koagulacja może być odwracalna - gdy żel można ponownie przeprowadzić w zol (np. przez rozcieńczanie).

W układach koloidów liofobowych koagulacja następuje przede wszystkim wskutek zobojętnienia ładunku cząstek koloidalnych, w koloidach liofilowych - gdy zostaje zniszczona warstwa solwatacyjna rozpuszczalnika.

Czynniki powodujące koagulację:

♦ dodatek elektrolitu ♦ dodatek koloidu o ładunku przeciwnym

♦ naświetlanie radiochemiczne (promieniowanie α , β)

♦ ogrzewanie (np. ścinanie się białka)

♦ działanie mechaniczne (mieszanie, wytrząsanie)

♦ dehydratacja lub desolwatacja (przez dodanie środków odwadniających)

♦ odparowanie lub wymrożenie środka dyspergującego

Spośród tych czynników najważniejsze jest działanie elektrolitów.

Próg koagulacji - minimalna ilość milimoli danego elektrolitu niezbędna do skoagulowania 1 dm³ zolu.

Reguła Hardy - Schultza:

W przypadku koloidów liofilowych dodatek elektrolitu powoduje tzw. wysolenie koloidu, to znaczy nie tylko zobojętnienie, ale też odwodnienie. Do tego celu najlepiej nadają się jony ulegające silnej hydratacji, np. w solach (NH₄)₂SO₄, Na₂SO₄, MgSO₄.

Szeregi liotropowe Hofmeistera: jony uszeregowane według zdolności do koagulacji:

Li⁺ > Na⁺ > K⁺ > Rb⁺ > Cs⁺

Mg⁺² > Ca⁺² > Sr⁺² > Ba⁺²

SO₄^-2 > Cl^- > NO₃^- > ClO₃^- > J^- > CNS^-

Wysalanie koloidu liofilowego nie zawsze prowadzi do koagulacji; często w wyniku wysalania powstają agregaty w stanie ciekłym pod postacią kropelek o różnej wielkości. Jest to koacerwacja (bardzo ważny proces w produkcji dodatków do żywności).

Koagulacja wzajemna - zachodząca w przypadku koloidów liofobowych pod wpływem innego koloidu liofobowego o przeciwnie naładowanych cząstkach.

Działanie ochronne koloidów - podwyższenie odporności koloidu liofobowego na koagulację działaniem elektrolitów spowodowane dodaniem koloidu liofilowego. Ilościowo ujmuje to tzw. liczba złota, która podaje najmniejszą liczbę mg koloidu ochronnego wystarczającą do zabezpieczenia 10 cm³ 0,1% formaldehydowego roztworu zolu złota przed zmianą barwy z czerwonej na fioletową wskutek dodania 1 cm³ 10% roztworu NaCl.

Do koloidów ochronnych zalicza się: białko, agar-agar, gumę arabską. Mają one bardzo duże znaczenie dla przetwórstwa żywności.

Żele są galaretowatymi elastycznymi układami zawierającymi pewne ilości rozpuszczalnika w postaci otoczek solwatacyjnych, tak zwanych liosfer.

Powstawanie żelu następuje w pewnym zakresie temperatury (np. 1% żelatyny żeluje dopiero poniżej 25°C), który zależy od obecności elektrolitów.

Aniony: siarczanowe, winianowe i octanowe - podnoszą, natomiast: chlorkowe, bromkowe, azotanowe - obniżają temperaturę powstawania żeli.

Żele nie wykazują płynności, wysuszone żele liofilowe mają zdolność znacznego pochłaniania cieczy. Można je podzielić na: żele pęczniejące i niepęczniejące.

Przykładem żelu niepęczniejącego jest żel krzemionkowy, który pochłania wodę zachowując stałą objętość - adsorbuje wodę na powierzchni i nie zmienia swojej struktury.

Żele pęczniejące chłonąc ciecz znacznie zwiększają swoją objętość (np. żelatyna, globulina, agar-agar). Podczas pęcznienia ciecz wnika do wnętrza koloidu i zostaje unieruchomiona w postaci liosfer, proces ten zależy od obecności elektrolitów. Minimum pęcznienia zachodzi w punkcie izoelektrycznym koloidu, czyli wtedy gdy zmniejszenie ładunku cząstek ułatwia ich agregację. Żele pęczniejące są elastyczne.

Do nich należą produkty żywnościowe, jak: galaretki, dżemy, budynie. Żelatyna pęcznieje w sposób ograniczony, przeciwnie albumina - aż do przejścia w zol.

Synereza - zjawisko odwrotne do pęcznienia, następuje podczas „starzenia się” żelu, który tracąc rozpuszczalnik kurczy się (np. serowacenie zsiadłego mleka i oddzielenie serwatki).

Podwyższenie potencjału elektrokinetycznego cząstek żelu wskutek dodania elektrolitu prowadzi do przejścia żelu w zol, co nazywa się peptyzacją.

Tiksotropia - zjawisko izotermicznego przeprowadzenia żelu w zol wskutek mechanicznego wytrząsania, które niszczy liosfery i powoduje uwolnienie cząstek koloidowych. Jest to przemiana odwracalna i po pewnym czasie układ znowu przechodzi w żel (nawet wielokrotnie).

Dylatancja - zjawisko usztywniania struktury żelu podczas wytrząsania.

W strukturze żelu oprócz elementów bezpostaciowych można wyróżnić też elementy krystaliczne, np. w celulozie lub w skrobi ⇒ tzw. krystality.

PIANY I EMULSJE

Piany powstają podczas wstrząsania cieczy z nierozpuszczalnym w niej gazem. Są układami nietrwałymi, gdyż banieczki gazu unoszą się w górę i oddzielają od cieczy. Procesowi temu zapobiega dodanie substancji powierzchniowo-aktywnych (mydło, białko), które nazywa się substancjami pianotwórczymi. Substancje powierzchniowo-aktywne gromadząc się na granicy faz ciecz (woda)-gaz obniżają napięcie powierzchniowe cieczy; są zorientowane częściami liofilowymi w kierunku cieczy, a końcami liofobowymi - na zewnątrz. Trwałość pian zależy od napięcia powierzchniowego cieczy i jej lepkości.

Powstawanie piany może być zjawiskiem korzystnym (np. pranie, mycie) lub niepożądanym (np. przy barwieniu tkanin). Niekiedy celowo zapobiega się powstawaniu piany (np. w pralkach automatycznych, przy przepływie cieczy przez rury itp.).

Tworzenie pian i ich trwałość mają istotne znaczenie w procesie zwanym flotacją stosowanym do wzbogacania rud metali (np. ołowiu, żelaza, miedzi) i przy oczyszczaniu ścieków.

W procesie flotacji substancje powierzchniowo-aktywne dodawane do wodnej zawiesiny drobno zmielonej rudy tworzą z wtłaczanym powietrzem drobne banieczki, które oddziałując selektywnie z rudą wynoszą ją w postaci piany na powierzchnię roztworu. Dobrze zwilżone cząstki skały towarzyszącej rudzie opadają na dno zbiornika w postaci szlamu.

W zależności od warunków dana ciecz może być składnikiem rozproszonym lub rozpraszającym.

Rozróżnia się emulsje dwu typów:

• woda w oleju (typ W/O), np. kremy;

• olej w wodzie (typ O/W), np. mleko.

Emulsje O/W przewodzą prąd elektryczny, emulsje W/O - nie przewodzą.

Emulsje są układami nietrwałymi, gdyż małe kropelki łączą się w większe krople o mniejszej energii powierzchniowej co powoduje rozdzielenie emulsji na dwie fazy ciekłe. Proces ten nazywa się koalescencją. Dodanie do emulsji substancji zwanych emulgatorami zapobiega koalescencji.

Emulgator - elektrolit działa poprzez adsorpcję jonów na powierzchni kropelek, co utrudnia ich agregację; Emulgator - substancja powierzchniowo- czynna obniża napięcie międzyfazowe kropelek; emulgator będący substancją wielkocząsteczkową poprawia trwałość mechaniczną emulsji.

W budowie cząsteczek emulgatorów będących substancjami powierzchniowo-aktywnymi można wyróżnić fragment hydrofilowy i część hydrofobową (lipofilową):

fragment hydrofilowy

fragment hydrofobowy (lipofilowy)

Cząsteczki takiego emulgatora ustawiają się w określony sposób na powierzchni kropel emulsji, np.:

woda w oleju (typ W/O)

w przypadku emulsji typu O/W (olej w wodzie) ułożenie cząsteczek emulgatora jest odwrotne: część lipofilowa do wnętrza kropel, a część hydrofilowa - na zewnątrz

Emulgatorami mogą być związki:

anionowe - mydła sodowe i potasowe (aniony kwasów tłuszczowych), aniony monoestrów kwasu siarkowego (np. laurylosiarczan Na), aniony alkilosulfonowe;

kationowe - czwartorzędowe sole amoniowe lub czwartorzędowe heterocykliczne związki amoniowe (pochodne pirydyny);

niejonowe - fragment hydrofilowy cząsteczki to najczęściej ugrupowanie alkoholu wielowodorotlenowego lub łańcuch polioksymetylenowy;

amfolityczne - wykazują charakter kationowy lub anionowy w zależności od pH, sole wewnętrzne.

Emulsje utrwala się również przez homogenizację (np. mleka, śmietany) czyli rozbicie kropel tłuszczu na bardzo małe, trudniej oddzielające się od reszty emulsji.

Popularnymi emulsjami są: śmietana, mleko, masło, majonez, margaryna, kremy itp.

KOLOIDY ASOCJACYJNE

Do tej grupy należą substancje, których pojedyncze cząsteczki nie mają rozmiarów cząstek koloidalnych, ale w pewnych rozpuszczalnikach ulegają asocjacji do większych agregatów (tzw. miceli) i wówczas tworzą roztwór koloidalny.

Agregacja cząsteczek następuje przy określonym stężeniu, zwanym krytycznym stężeniem micelizacji CMC. Dla roztworu o stężeniu CMC obserwuje się gwałtowne zmiany właściwości fizykochemicznych, jak np. przewodnictwo właściwe, napięcie powierzchniowe, rozpraszanie światła itp.

Przykładem koloidów asocjacyjnych są roztwory mydeł, barwników, fosfolipidy.

Micele mogą mieć kształt okrągły, płaski lub elipsoidalny. Wnętrze ich jest wypełnione fragmentami hydrofobowymi, a jony i grupy hydrofilowe na zewnątrz miceli nadają im ładunek powierzchniowy.

Rozpuszczanie oleju czy brudu (też ma zwykle charakter lipidowy) w wodnych roztworach substancji powierzchniowo-czynnych polega na jego wnikaniu w głąb miceli. Proces ten ma duże znaczenie zarówno przy myciu, jak też w procesie powstawania emulsji.

Aerozole

D y m y powstają wskutek rozdrobnienia ciała stałego w gazie lub w wyniku reakcji chemicznej, np. NH₃ + HC l → NH₄Cl;

M g ł a jest skutkiem kondensacji przesyconej pary wodnej (lub pary innej cieczy).

Właściwości aerozoli i ich trwałość zależą od wielkości cząstek fazy rozproszonej, które mogą wynosić od ok. 2 -10 Å (dla dymu tytoniowego) do ok. 40 - 100 Å (kropelki wody w chmurach). Aerozole o większych cząstkach rozpraszają światło i są nieprzeźroczyste. Substancje powierzchniowo-czynne nie wpływają na trwałość aerozoli.

Koloidy są układami dyspersyjnymi, które rozumie się jako ośrodek rozpraszający (fazę rozpraszającą) wraz z zawartą w nim substancją rozproszoną o wielkości cząstek od 1 - 500 nm

Stosunek całkowitej masy cząsteczek koloidalnych do ich liczby daje tzw. średnią liczbowo masę cząsteczkową M_n:

m Σn_i M_i

M_n == ----------- == ----------------

n Σ n_i

Σn_i M_i²

M_w == -----------------

Σn_i M_i

RT 1

D == ----- ----------

N_A 6Πη r

!

Działanie elektrolitu jest tym silniejsze im większa jest wartościowość jonu o znaku przeciwnym względem ładunku cząstek fazy rozproszonej

Zdolności koagulacyjne jonów w zależności od ich wartościowości mają się do siebie jak:

Me⁺ : Me⁺² : Me⁺³ = 1 : 50 : 10 000

!

Ż e l e - układy koloidalne, w których fazą rozpraszającą jest ciecz, a fazą rozproszoną - koloid liofilowy.

Na przykład: żelatyna w wodzie, krzemionka w wodzie, kauczuk w benzenie itp.

P i a n a - układ, w którym fazą rozproszoną jest gaz, a ośrodkiem rozpraszającym - ciecz

E m u l s j a - układ koloidalny złożony z dwu niemieszających się cieczy, z których jedna jest rozproszona w drugiej

+ -

Są to układy, w których fazą rozpraszającą jest gaz, a fazą rozproszoną ciecz lub ciało stałe

---