Koloidni sistemi so izjemno pomembni v življenju vsakega človeka. To ni samo posledica dejstva, da skoraj vse biološke tekočine v živem organizmu tvorijo koloide. Toda številni naravni pojavi (megla, smog), tla, minerali, hrana, zdravila so tudi koloidni sistemi.
Enota takšnih tvorb, ki odraža njihovo sestavo in posebne lastnosti, se šteje za makromolekulo ali micelo. Struktura slednjega je odvisna od številnih dejavnikov, vendar je vedno večplasten delec. Sodobna molekularno-kinetična teorija obravnava koloidne raztopine kot poseben primer resničnih raztopin z večjimi delci topljenca.
Metode za pridobivanje koloidnih raztopin
Struktura micele, ki nastane ob pojavu koloidnega sistema, je deloma odvisna od mehanizma tega procesa. Metode za pridobivanje koloidov so razdeljene v dve bistveno različni skupini.
Metode disperzije so povezane z mletjem precej velikih delcev. Glede na mehanizem tega procesa se razlikujejo naslednje metode.
- Rafiniranje. Lahko se naredi suho ozmokra pot. V prvem primeru trdno snov najprej zdrobimo in šele nato dodamo tekočino. V drugem primeru se snov zmeša s tekočino in šele nato se spremeni v homogeno zmes. Mletje se izvaja v posebnih mlini.
- Oteklina. Mletje se doseže zaradi dejstva, da delci topila prodrejo v dispergirano fazo, kar spremlja širjenje njenih delcev do ločitve.
- Disperzija z ultrazvokom. Material, ki ga je treba mleti, damo v tekočino in obdelamo z ultrazvokom.
- Razpršitev električnega udara. Zahtevan pri proizvodnji kovinskih solov. Izvaja se tako, da se elektrode iz disperzibilne kovine vstavijo v tekočino, čemur sledi visoka napetost. Posledično nastane voltaični lok, v katerem se kovina razprši in nato kondenzira v raztopino.
Te metode so primerne tako za liofilne kot za liofobne koloidne delce. Micelna struktura se izvaja hkrati z uničenjem prvotne strukture trdne snovi.
Kondenzacijske metode
Druga skupina metod, ki temeljijo na povečanju delcev, se imenuje kondenzacija. Ta proces lahko temelji na fizikalnih ali kemičnih pojavih. Metode fizične kondenzacije vključujejo naslednje.
- Zamenjava topila. Gre za prenos snovi iz enega topila, v katerem se zelo dobro raztopi, v drugo, v katerem je topnost precej manjša. Kot rezultat, majhni delcise bo združilo v večje agregate in pojavila se bo koloidna raztopina.
- Kondenzacija hlapov. Primer so megle, katerih delci se lahko usedejo na hladne površine in postopoma rastejo.
Kemične kondenzacijske metode vključujejo nekatere kemične reakcije, ki jih spremlja obarjanje kompleksne strukture:
- Ionska izmenjava: NaCl + AgNO3=AgCl↓ + NaNO3.
- Redoks procesi: 2H2S + O2=2S↓ + 2H2O.
- Hidroliza: Al2S3 + 6H2O=2Al(OH) 3↓ + 3H2S.
Pogoji za kemično kondenzacijo
Struktura micel, ki nastanejo med temi kemičnimi reakcijami, je odvisna od presežka ali pomanjkanja snovi, ki so vključene v njih. Tudi za pojav koloidnih raztopin je treba upoštevati številne pogoje, ki preprečujejo obarjanje težko topne spojine:
- vsebnost snovi v mešanih raztopinah mora biti nizka;
- njihova hitrost mešanja mora biti nizka;
- eno od rešitev je treba vzeti v presežku.
Micelna struktura
Glavni del micele je jedro. Tvori ga veliko število atomov, ionov in molekul netopne spojine. Običajno je za jedro značilna kristalna struktura. Površina jedra ima rezervo proste energije, ki omogoča selektivno adsorbiranje ionov iz okolja. Ta processpoštuje pravilo Peskova, ki pravi: na površini trdne snovi so pretežno adsorbirani tisti ioni, ki so sposobni dokončati lastno kristalno mrežo. To je mogoče, če so ti ioni sorodni ali podobni po naravi in obliki (velikosti).
Med adsorpcijo se na micelnem jedru oblikuje plast pozitivno ali negativno nabitih ionov, imenovanih ioni, ki določajo potencial. Zaradi elektrostatičnih sil nastali nabiti agregat privlači protiione (ione z nasprotnim nabojem) iz raztopine. Tako ima koloidni delec večplastno strukturo. Micela pridobi dielektrično plast, zgrajeno iz dveh vrst nasprotno nabitih ionov.
Hydrosol BaSO4
Kot primer je primerno razmisliti o strukturi micele barijevega sulfata v koloidni raztopini, pripravljeni v presežku barijevega klorida. Ta postopek ustreza reakcijski enačbi:
BaCl2(p) + Na2SO4(p)=BaSO 4(t) + 2NaCl(p).
Rahlo topen v vodi, barijev sulfat tvori mikrokristalni agregat, zgrajen iz m-tega števila molekul BaSO4. Površina tega agregata adsorbira n-to količino ionov Ba2+. 2(n - x) Cl- ioni so povezani s plastjo ionov, ki določajo potencial. In preostali protiioni (2x) se nahajajo v difuznem sloju. To pomeni, da bo zrnca te micele pozitivno nabita.
Če se natrijev sulfat vzame v presežku, potemioni, ki določajo potencial, bodo SO42- ioni, protiioni pa Na+. V tem primeru bo naboj zrnca negativen.
Ta primer jasno dokazuje, da je predznak naboja micelne granule neposredno odvisen od pogojev za njeno pripravo.
Snemanje micel
Prejšnji primer je pokazal, da kemično strukturo micel in formulo, ki jo odraža, določa snov, ki jo zaužijemo v presežku. Razmislimo o načinih zapisovanja imen posameznih delov koloidnega delca na primeru hidrosola bakrovega sulfida. Za njegovo pripravo raztopino natrijevega sulfida počasi vlijemo v presežno količino raztopine bakrovega klorida:
CuCl2 + Na2S=CuS↓ + 2NaCl.
Struktura micele CuS, dobljena s presežkom CuCl2, je zapisana kot sledi:
{[mCuS]·nCu2+·xCl-}+(2n-x)·(2n-x)Cl-.
Strukturni deli koloidnega delca
V oglatih oklepajih napišite formulo težko topne spojine, ki je osnova celotnega delca. Običajno se imenuje agregat. Običajno je število molekul, ki sestavljajo agregat, zapisano z latinsko črko m.
Ioni, ki določajo potencial, so v presežku v raztopini. Nahajajo se na površini agregata, v formuli pa so zapisani takoj za oglatimi oklepaji. Število teh ionov je označeno s simbolom n. Ime teh ionov kaže, da njihov naboj določa naboj zrnca micele.
Grno tvorita jedro in delprotiioni v adsorpcijski plasti. Vrednost naboja zrnca je enaka vsoti nabojev potencialno-determinirajočih in adsorbiranih protiionov: +(2n – x). Preostali del protiionov je v difuznem sloju in kompenzira naboj zrnca.
Če bi Na2S vzeli presežek, bi za nastalo koloidno micelo strukturna shema izgledala takole:
{[m(CuS)]∙nS2–∙xNa+}–(2n – x) ∙(2n – x)Na+.
Micele površinsko aktivnih snovi
V primeru, da je koncentracija površinsko aktivnih snovi (površinsko aktivnih snovi) v vodi previsoka, se lahko začnejo tvoriti agregati njihovih molekul (ali ionov). Ti povečani delci imajo obliko krogle in se imenujejo Gartley-Rebinder micele. Opozoriti je treba, da te sposobnosti nimajo vse površinsko aktivne snovi, temveč le tiste, pri katerih je razmerje hidrofobnih in hidrofilnih delov optimalno. To razmerje se imenuje hidrofilno-lipofilno ravnovesje. Pomembno vlogo igra tudi sposobnost njihovih polarnih skupin, da zaščitijo ogljikovodikovo jedro pred vodo.
Agregati površinsko aktivnih molekul nastanejo v skladu z določenimi zakoni:
- za razliko od nizkomolekularnih snovi, katerih agregati lahko vključujejo različno število molekul m, je obstoj micel površinsko aktivne snovi možen pri strogo določenem številu molekul;
- če je za anorganske snovi začetek micelizacije določen z mejo topnosti, potem je za organske površinsko aktivne snovi določen z doseganjem kritičnih koncentracij micelizacije;
- najprej se poveča število micel v raztopini, nato pa se poveča njihova velikost.
Učinek koncentracije na obliko micele
Na strukturo micel površinsko aktivne snovi vpliva njihova koncentracija v raztopini. Ko koloidni delci dosežejo nekaj svojih vrednosti, začnejo medsebojno delovati. To povzroči, da se njihova oblika spremeni na naslednji način:
- krogla se spremeni v elipsoid in nato v cilinder;
- visoka koncentracija valjev vodi do tvorbe heksagonalne faze;
- v nekaterih primerih se pojavi lamelarna faza in trdni kristal (delci mila).
Vrste micel
Glede na posebnosti organizacije notranje strukture ločimo tri vrste koloidnih sistemov: suspenzoidi, micelarni koloidi, molekularni koloidi.
Suspenzoidi so lahko ireverzibilni koloidi, pa tudi liofobni koloidi. Ta struktura je značilna za raztopine kovin, pa tudi za njihove spojine (različni oksidi in soli). Struktura dispergirane faze, ki jo tvorijo suspenzije, se ne razlikuje od strukture kompaktne snovi. Ima molekularno ali ionsko kristalno mrežo. Razlika od suspenzij je višja disperzija. Nepovratnost se kaže v sposobnosti njihovih raztopin po izhlapevanju, da tvorijo suho oborino, ki je ni mogoče pretvoriti v sol s preprostim raztapljanjem. Imenujejo jih liofobni zaradi šibke interakcije med dispergirano fazo in disperzijskim medijem.
Micelarni koloidi so raztopine, katerih koloidni delci nastanejopri lepljenju difilnih molekul, ki vsebujejo polarne skupine atomov in nepolarnih radikalov. Primeri so mila in površinsko aktivne snovi. Molekule v takih micelah držijo disperzijske sile. Oblika teh koloidov je lahko ne le sferična, ampak tudi lamelna.
Molekularni koloidi so precej stabilni brez stabilizatorjev. Njihove strukturne enote so posamezne makromolekule. Oblika koloidnega delca se lahko razlikuje glede na lastnosti molekule in znotrajmolekulske interakcije. Torej lahko linearna molekula tvori palico ali tuljavo.
