Układy koloidalne

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

  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:

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 mm 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:

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

                m                    Sni  Mi

Mn     ==   -----------    ==   ----------------

              n                      S ni

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

Średnia wagowa masa cząsteczkowa Mw:

                                                podaje stężenie substancji rozproszonej w 1 cm3

                   Sni Mi2

Mw  ==  -----------------

                    Sni Mi

                                                           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:

            RT           1

D ==   -----        ----------

            NA        6Ph r

                                                                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 V). Is...