SUBSTANCJE - koloidy

Wstęp

Przez roztwór koloidalny rozumiemy taki układ dyspersyjny, w którym wielkość zdyspergowanych cząstek mieści się w granicach od 1 nm do 1µm. Jak w przypadku wszelkich podziałów, i ten podział nie ma ostrych granic a podane wartości określają tylko z grubsza rząd wielkości zdyspergowanych cząstek. Roztwory koloidalne mogą być zarówno roztworami rzeczywistymi, tzn. ich cząstki są jednocześnie cząsteczkami w rozumieniu chemicznym (dyspersja molekularna związków wielkocząsteczkowych, np. białek lub polimerów) lub częściej są zawiesinami cząstek zwanych micelami, będących agregatami cząsteczek bądź jonów. Ze względu na wielkość zdyspergowanych cząstek roztwory wykazują zjawisko Tyndalla. Zjawisko to polega na powstawania smugi światła w roztworze koloidalnym (lub innym zolu o dyspersji koloidalnej, np. w mgle) w przypadku obserwacji z kierunku prostopadłego do kierunku przebiegu promienia. Szczególnie wyraźnie zjawisko to można obserwować, gdy za naczyniem umieścimy ciemne tło. Przy obserwacji na wprost roztwór koloidalny sprawia wrażenie zupełnej przezroczystości.

Jeżeli cząstki fazy rozproszonej są większe od 1 mikrometra mówimy o zawiesinach, takie cząstki są widoczne pod mikroskopem a czasem nawet gołym okiem. Możemy zatem również uznać, że roztworami są układy dyspersyjne nie dające zjawiska Tyndalla, koloidy nie dają się obserwować pod mikroskopem ale występuje w nich zjawisko rozproszenia światła na cząstkach (efekt Tyndalla) a zawiesiny charakteryzuje wielkość cząstek fazy rozproszonej dająca się obserwować pod mikroskopem. Do dyspersji koloidalnych zaliczamy też mgły (ciecz rozproszona w gazie) i dymy (ciało stałe rozproszone w gazie). Także emulsje tzw. submikronowe (o średnicy kulek fazy rozproszonej poniżej 1 mikrometra) należy zaliczyć do układów koloidalnych. Wielkość cząstek koloidalnych powoduje, że nie można ich odsączyć od fazy ciągłej przepuszczając przez zwykłą bibułę do sączenia. Do tego celu należy używać ultra sączków o szczególnie małych otworach, co z kolei wymaga najczęściej sączenia pod ciśnieniem.

Budowa miceli

Roztwory koloidalne można otrzymywać bądź przez dyspersje większych cząstek (zawiesin) bądź, co znacznie częstsze, przez kondensację, agregacje mniejszych cząsteczek. Odpowiednie rozdrobnienie trzymuje się przez mielenie w tzw. młynach koloidalnych lub przez działanie ultradźwięków. Agregacyjny sposób otrzymywania roztworów koloidalnych polega na przeprowadzeniu odpowiedniej reakcji chemicznej w roztworze, powodującej powstanie nierozpuszczalnych cząsteczek, w danych warunkach łatwo tworzących cząstki koloidalne. Na przykład wytrącając z roztworu soli żelaza (III) wodorotlenek Fe(OH)₃ przez zalkalizowanie środowiska często otrzymujemy roztwór koloidalny wodorotlenku żelaza.

Ze względu na swe właściwości chemiczne i fizyczne (adsorpcja i chemisorpcja) na powierzchni cząstek koloidalnych gromadzą się inne składniki fazy ciągłej - często są to jony - tworząc ochronną warstewkę zapobiegającą dalszej agregacji i stabilizującą układ koloidalny. Zaadsorbowane na powierzchni jony wytwarzają pole elektryczne stanowiące dodatkowe zabezpieczenie przed koagulacją (zlepianiem się cząstek koloidalnych).

Koloidy możemy również podzielić na koloidy liofilowe (hydrofilowe jeśli mowa o roztworach wodnych) i liofobowe (hydrofobowe). Stabilność miceli koloidu liofobowego praktycznie warunkuje wyłącznie ładunek elektryczny warstwy adsorpcyjnej. Micele koloidów liofilowych chronione są przed koagulacją przez warstwę cząsteczek rozpuszczalnika otaczającą cząstkę koloidalną.

Aby doprowadzić do koagulacji koloidu hydrofobowego należy zniszczyć jonową warstwę adsorpcyjną. Można to uczynić dodając do roztworu koloidalnego roztworu zawierającego jony, które będą skutecznie konkurować z cząstką koloidalną w procesie "wiązania" jonów warstwy adsorpcyjnej. Pozbawiona osłony cząstka (jądro miceli) łatwo połączy się w większe agregaty. Koloidy hydrofilowe są znacznie trwalszym układem. Do ich koagulacji doprowadzić może dopiero duży dodatek elektrolitu, którego jony ulegając hydratacji będą niszczyć solwatacyjną otoczkę chroniącą cząstkę koloidalną. Koloidami hydrofilnymi są najczęściej koloidy wielkocząsteczkowych związków - białek, skrobi itp.

Elektroforeza

Elektroforeza jest zjawiskiem wędrówki miceli pod wpływem przyłożonego pola elektrycznego. Ponieważ większość koloidów charakteryzuje obecność ładunku elektrycznego, elektroforeza może służyć do ich analizy. Największe zastosowanie elektroforeza znalazła do rozdzielania i charakteryzowania białek. Białka są co prawda koloidami hydrofilowymi i ich ładunek pochodzi nie tyle od zaadsorbowanych jonów co jest wywołany ich dysocjacją. Ze względu na pH roztworu białka dysocjują albo jako kwasy, tworząc cząstki koloidalne o ładunku ujemnym, albo jako zasady aminowe przyłączają proton tworząc dodatnio naładowane cząstki. pH roztworu w którym oba te zjawiska się równoważą dając obojętny elektrycznie jon obojnaczy nazywamy punktem izoelektrycznym. Jeżeli mieszaninę białek poddamy procesowi elektroforezy, to ładunek danej cząsteczki wyznaczy jej kierunek migracji pod wpływem pola elektrycznego (dodatnie cząsteczki do katody, ujemne do anody) zaś stosunek ciężaru cząsteczkowego do wielkości ładunku określi szybkość migracji. Zmuszając zatem cząsteczki do migracji w różnych kierunkach i z różna szybkością doprowadzamy do rozdzielenia mieszaniny na poszczególne frakcje.

Żele

Niektóre roztwory koloidalne koloidów hydrofilowych po pewnym czasie przechodzą w postać miękkich, elastycznych ciał stałych. Proces taki zachodzi między innymi w przypadku roztworów żelatyny - stąd nazwa ogólna takich galaretowatych ciał - żele. Inne przykłady z życia codziennego to galaretki owocowe (pektyna) czy kisiele (skrobia). Tego typu substancja koloidalna rozpuszczona na gorąco, w celu uzyskania stosunkowo dużego stężenia, powoli chłodzona zaczyna tworzyć nieregularną sieć powiązań miedzy cząsteczkami, wewnątrz tej sieci zamykając fazę ciągłą. Przejście zolu (ciecz koloidalna) w żel jest niekiedy procesem odwracalnym, niektóre żele wykazują efekt tiksotropowy, przechodząc powtórnie w zol po mocnym wstrząśnięciu. W tych żelach siły wiązań sieci są bardzo słabe i niewielka energia mechaniczna wystarcza do ich zerwania. Prawdziwe żele tym się różnią od innych, podobnych ciał, np. galaretowatych osadów wodorotlenku glinu, że zawierają znacznie więcej rozpuszczalnika (często cały rozpuszczalnik zolu, z którego powstały).

Niektóre żele, najczęściej nieorganiczne, po wysuszeniu i ostrożnym wyprażeniu uzyskują postać ciała stałego, jednak ze względu na technologię otrzymywania mają bardzo rozwiniętą powierzchnie. Na przykład tak otrzymany 1 g tlenku glinu ma powierzchnię około 200 m². W związku z tą powierzchnia posiadają silne właściwości adsorpcyjne, czyli są w stanie związać fizycznie i chemicznie ze swoja powierzchnia (np. z licznymi grupami OH w żelu krzemionkowym lub tlenku glinu) wiele związków chemicznych. Dzięki tym właściwościom znajdują zastosowanie w chromatografii adsorpcyjnej, a także używane są do suszenia lub jako środki zabezpieczające przed wilgocią (np. żywność, wewnątrz niektórych opakowań z żywnością można znaleźć niewielkie torebeczki ze środkiem suszącym - bardzo często jest to właśnie żel krzemionkowy).

Żele krzemionkowe stosowane jako środki suszące często barwi się solami kobaltu, by móc kontrolować stopień ich aktywności.

Sedymentacja

Cząstki koloidalne są poddawane działaniu dwu przeciwstawnych sił - siły grawitacji, dążącej do usytuowania cząstek na dnie naczynia, i sił wynikających z energii translacji, a dokładniej ich części działających przeciwnie do sił grawitacyjnych. Siła grawitacji, w zależności od wielkości cząstek, a dokładniej ich masy i gęstości, po pewnym czasie doprowadza do sedymentacji. Sedymentacja jest zjawiskiem "odwrotnym" do dyfuzji, powoduje bowiem powstawanie gradientu stężeń w roztworze koloidalnym, który dyfuzja próbuje niwelować. Można zatem uznać, że dyfuzja w swoisty sposób także przeciwstawia się sedymentacji. Jeżeli słabą grawitację ziemska zamienimy na siłę odśrodkową w ultrawirówce, w krótkim czasie możemy doprowadzić do powstania w roztworze wirowanym wyraźnego gradientu stężenia. Na jego podstawie można obliczyć rzeczywistą masę cząstek koloidalnych, a jeżeli jest to roztwór o molekularnej dyspersji i cząstka koloidalna jest cząsteczką chemiczną, to także możemy obliczyć jej masę cząsteczkową.

Szybkość sedymentacji zależy nie tylko od wymienionych wcześniej czynników ale również od lepkości cieczy. Ten ostatni czynnik szczególną rolę odgrywa w zawiesinach, gdzie cząstki bardzo duże (w stosunku do cząstek koloidalnych) - a więc poddawane dość dużej sile grawitacji ziemskiej, stosunkowo szybko opadają na dno naczynia. Duża lepkość cieczy powoduje, że proces sedymentacji zostaje poważnie spowolniony. Stworzenie zawiesiny w sposób chroniący cząstki przed zlepianiem się w agregaty, nawet po opadnięciu na dno naczynia pozwala przywrócić równomierne rozproszenie cząstek zawieszonych przez wytrząsanie mieszaniny ("wstrząsnąć przed użyciem").

do strony głównej