12.13: Kolloide

Spielende Kinder stellen oft Suspensionen her, wie z. B. Mischungen aus Schlamm und Wasser, Mehl und Wasser oder eine Suspension aus festen Pigmenten in Wasser, die als Temperafarbe bekannt ist. Bei diesen Suspensionen handelt es sich um heterogene Gemische, die aus relativ großen Partikeln bestehen, die mit bloßem Auge sichtbar sind oder mit einer Lupe gesehen werden können. Sie sind trüb und die Schwebstoffe setzen sich nach dem Mischen ab. Auf der anderen Seite ist eine Lösung ein homogenes Gemisch, in dem keine Absetzung stattfindet und in dem die gelösten Spezies Moleküle oder Ionen sind. Lösungen zeigen ein völlig anderes Verhalten als Suspensionen. Eine Lösung kann gefärbt sein, aber sie ist transparent, die Moleküle oder Ionen sind unsichtbar und sie setzen sich nicht stehend ab. Eine andere Klasse von Gemischen, die als Kolloide (oder kolloidale Dispersionen) bezeichnet werden, weisen Eigenschaften auf, die zwischen denen von Suspensionen und Lösungen liegen. Die Partikel in einem Kolloid sind größer als die meisten einfachen Moleküle; Kolloidale Partikel sind jedoch klein genug, dass sie sich beim Aufstehen nicht absetzen.

Präparation von kolloidalen Systemen

Kolloide werden hergestellt, indem Partikel kolloidaler Dimension hergestellt und diese Partikel in einem Dispersionsmedium verteilt werden. Partikel kolloidaler Größe werden nach zwei Methoden gebildet:

• Dispergiermethoden: Zerkleinerung größerer Partikel. So werden z.B. Farbpigmente hergestellt, indem große Partikel durch Mahlen in speziellen Mühlen dispergiert werden.
• Kondensationsmethoden: Wachstum aus kleineren Einheiten wie Molekülen oder Ionen. Wolken bilden sich zum Beispiel, wenn Wassermoleküle kondensieren und sehr kleine Tröpfchen bilden.

Einige feste Substanzen verteilen sich, wenn sie mit Wasser in Berührung kommen, spontan und bilden kolloidale Systeme. Gelatine, Klebstoff, Stärke und dehydriertes Milchpulver verhalten sich auf diese Weise. Die Partikel haben bereits kolloidale Größe; Das Wasser zerstreut sie einfach. Milchpulverpartikel kolloidaler Größe werden durch dehydrierendes Milchspray hergestellt. Einige Zerstäuber erzeugen kolloidale Dispersionen einer Flüssigkeit an der Luft.

Eine Emulsion kann durch Schütteln oder Mischen von zwei nicht mischbaren Flüssigkeiten hergestellt werden. Dadurch wird eine Flüssigkeit in Tröpfchen kolloidaler Größe zerlegt, die sich dann in der anderen Flüssigkeit verteilen. Ölverschmutzungen im Meer können schwierig zu beseitigen sein, zum Teil, weil Wellenbewegungen dazu führen können, dass das Öl und das Wasser eine Emulsion bilden. In vielen Emulsionen neigt die dispergierte Phase jedoch dazu, zu verschmelzen, große Tropfen zu bilden und sich zu trennen. Daher werden Emulsionen in der Regel durch ein Emulgator stabilisiert, eine Substanz, die die Koaleszenz der dispergierten Flüssigkeit hemmt. Zum Beispiel stabilisiert ein wenig Seife eine Emulsion aus Kerosin in Wasser. Milch ist eine Emulsion aus Butterfett in Wasser, wobei das Protein Kasein als Emulgator dient. Mayonnaise ist eine Emulsion aus Öl und Essig mit Eigelbbestandteilen als Emulgatoren.

Kondensationsverfahren bilden kolloidale Partikel durch Aggregation von Molekülen oder Ionen. Wenn die Partikel über den kolloidalen Größenbereich hinaus wachsen, bilden sich Tropfen oder Ausfällungen, und es entsteht kein kolloidales System. Wolken entstehen, wenn sich Wassermoleküle zusammenballen und kolloidgroße Partikel bilden. Wenn sich diese Wasserpartikel zu ausreichend großen Wassertropfen aus flüssigem Wasser oder Kristallen aus festem Wasser zusammenschließen, setzen sie sich als Regen, Graupel oder Schnee vom Himmel ab. Viele Kondensationsmethoden beinhalten chemische Reaktionen. Eine rote kolloidale Suspension von Eisen(III)-hydroxid kann hergestellt werden, indem eine konzentrierte Lösung von Eisen(III)-chlorid mit heißem Wasser gemischt wird:

Ein kolloidales Goldsol entsteht durch die Reduktion einer sehr verdünnten Lösung von Gold(III)-chlorid durch ein Reduktionsmittel wie Formaldehyd, Zinn(II)-chlorid oder Eisen(II)-sulfat:

Einige Goldsole, die 1857 hergestellt wurden, sind noch intakt (die Partikel sind nicht zusammengewachsen und haben sich abgesetzt), was die Langzeitstabilität vieler Kolloide verdeutlicht.

Seifen und Waschmittel

Pioniere stellten Seife her, indem sie Fette mit einer stark basischen Lösung kochten, die durch Auslaugung von Kaliumcarbonat, K₂CO₃, aus Holzasche mit heißem Wasser hergestellt wurde. Tierische Fette enthalten Polyester von Speisefettsäuren (langkettige Carbonsäuren). Wenn tierische Fette mit einer Base wie Kaliumcarbonat oder Natriumhydroxid behandelt werden, entstehen Glycerin und Salze von Fettsäuren wie Palmitin-, Öl- und Stearinsäure. Die Salze der Fettsäuren werden Seifen genannt. Das Natriumsalz der Stearinsäure, Natriumstearat, enthält eine ungeladene unpolare Kohlenwasserstoffkette, die Einheit C₁₇H₃₅, und eine ionische Carboxylatgruppe, die COO⁻-Einheit.

Die reinigende Wirkung von Seifen und Reinigungsmitteln lässt sich anhand der Strukturen der beteiligten Moleküle erklären. Das (unpolare) Kohlenwasserstoffende eines Seifen- oder Waschmittelmoleküls löst sich in unpolaren Substanzen wie Öl-, Fett- oder Schmutzpartikeln auf oder wird von diesen angezogen. Das ionische Ende wird von Wasser angezogen (polar). Dadurch orientieren sich die Seifen- oder Waschmittelmoleküle an der Grenzfläche zwischen den Schmutzpartikeln und dem Wasser und wirken so als eine Art Brücke zwischen zwei verschiedenen Arten von Materie, der unpolaren und der polaren. Moleküle wie dieses werden als amphiphil bezeichnet, da sie sowohl einen hydrophoben ("wasserscheuen") als auch einen hydrophilen ("wasserliebenden") Teil haben. In der Folge werden Schmutzpartikel als kolloidale Partikel suspendiert und leicht weggespült.

Dieser Text ist eine Adaption von >Openstax, Chemie 2e, Abschnitt 11.5: Kolloide.

Wenn Salz dem Wasser zugesetzt wird, löst es sich zu einer Lösung auf. Umgekehrt, wenn Sand zu Wasser gegeben und gerührt wird, verteilen sich die Sandpartikel in der Flüssigkeit, um eine Suspension zu bilden, und setzen sich schließlich am Boden ab.

Wenn jedoch Mehl dem Wasser zugesetzt wird, trübt sich das Wasser. Dies liegt daran, dass Mehl und Wasser eine kolloidale Dispersion oder ein Kolloid bilden.

Ein Kolloid ist ein Gemisch, bei dem Partikel einer gelösten Substanz in einem lösungsmittelähnlichen Medium fein dispergiert werden.

Die dispergierten Partikel und das Dispergiermedium können eine beliebige Kombination aus fest und flüssig sein, wie Opal, flüssig und flüssig, wie Milch, flüssig und gasförmig, wie Schlagsahne, mit der Ausnahme, dass sie nicht beide Gase sein können.

Die Eigenschaften eines Kolloids liegen zwischen denen von Suspensionen und Lösungen.

Kolloide sind heterogene Gemische wie Suspensionen, im Gegensatz zu Lösungen, die homogen sind.

Mit einer Größe von 5 bis 1000 Nanometern sind kolloidale Partikel viel größer als die üblichen gelösten Moleküle, die etwa 1 Nanometer oder weniger groß sind, und kleiner als suspendierte Partikel, die 10.000 Nanometer oder größer sind.

Ein Laserstrahl, der eine Lösung durchdringt, ist unsichtbar, aber in einer kolloidalen Dispersion leicht zu erkennen. Dies liegt daran, dass die kolloidalen Partikel groß genug sind, um das Licht zu streuen, während die gelösten Partikel zu klein sind, um dies zu tun.

Diese Streuung des Lichts durch kolloidale Teilchen wird als Tyndall-Effekt bezeichnet.

Kolloidale Partikel können stabil im Medium verteilt bleiben, indem sie mit anderen Molekülen kollidieren und sich ständig auf einer zufälligen Bahn bewegen. Diese Bewegung wird als Brownsche Bewegung bezeichnet.

Werden eine Suspension, eine Lösung und ein Kolloid zentrifugiert, trennt sich nur die Suspension.

Kolloide auf Wasserbasis können hydrophil, wasserliebend oder hydrophob und wasserfürchtend sein.

Wenn zum Beispiel Agar, ein Algenextrakt, zu heißem Wasser gegeben wird, bildet er ein hydrophiles Kolloid.

Hydrophobe Kolloide wie Öl und Essig sind in Wasser instabil und neigen dazu, sich zu trennen.

Solche kolloidalen Dispersionen können durch Zugabe anderer Substanzen, die sich an die Oberflächen der kolloidalen Partikel anlagern, stabilisiert werden. Bei diesen Additiven kann es sich um Ionen handeln, die andere Ionen auf benachbarten kolloidalen Partikeln abstoßen, um dispergiert zu bleiben.

Andere Additive können die Oberfläche der Kolloidpartikel mit hydrophilen Gruppen überziehen. Zum Beispiel hat Natriumstearat, eine Art Seife, ein Natriumion zusammen mit einem polaren Kopf und einem langen unpolaren Fettsäureschwanz

In Wasser aggregieren die Seifenmoleküle in Kugeln, so dass ihre hydrophoben Schwänze nach innen zeigen, während ihre geladenen hydrophilen Köpfe nach außen zeigen. Diese kugelförmigen Strukturen werden Mizellen genannt.

Die hydrophoben Schwänze schließen das unpolare Öl in den Mizellen ein, während die hydrophile Außenseite mit Wasser interagiert. Dies erklärt die Phänomene, die auftreten, wenn Seife mit Wasser gewaschen und Öl entfernt wird.