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 <a href="https://openstax.org/books/chemistry-2e/pages/11-5-colloids">Openstax, Chemie 2e, Abschnitt 11.5: Kolloide.