12.13: קולואידים

ילדים שמשחקים עושים לעתים קרובות תרחיפים כמו תערובות של בוץ ומים, קמח ומים, או תרחיף של פיגמנטים מוצקים במים המכונה צבע טמפרה. תרחיפים אלו הם תערובות הטרוגניות המורכבות מחלקיקים גדולים יחסית הנראים לעין בלתי מזוינת או שניתן לראותם בזכוכית מגדלת. הם עכורים, והחלקיקים המרחפים מתיישבים לאחר הערבוב. מצד שני, תמיסה היא תערובת הומוגנית שבה לא מתרחשת שקיעה ובה המינים המומסים הם מולקולות או יונים. תמיסות מפגינות התנהגות שונה לחלוטין מהתרחיפים. תמיסה עשויה להיות צבעונית, אך היא שקופה, המולקולות או היונים בלתי נראים, והם אינם עוצרים במקום. סוג אחר של תערובות הנקרא קולואידים (או פיזור קולואידי) מציג תכונות ביניים בין אלו של תרחיפים ותמיסות. החלקיקים בקולואיד גדולים יותר מרוב המולקולות הפשוטות; עם זאת, חלקיקים קולואידים קטנים מספיק כדי שהם לא יעצרו במקום.

הכנת מערכות קולואידיות

קולואידים מוכנים על ידי ייצור חלקיקים של ממדים קולואידים והפצת חלקיקים אלה בכל תווך פיזור. חלקיקים בגודל קולואידי נוצרים בשתי שיטות:

• שיטות פיזור: פירוק חלקיקים גדולים יותר. לדוגמה, פיגמנטים של צבע מיוצרים על ידי פיזור חלקיקים גדולים על ידי טחינה בטחנות מיוחדות.
• שיטות עיבוי: גידול מיחידות קטנות יותר, כמו מולקולות או יונים. לדוגמה, עננים נוצרים כאשר מולקולות מים מתעבות ויוצרות טיפות קטנות מאוד.

כמה חומרים מוצקים, כשהם באים במגע עם מים, מתפזרים באופן ספונטני ויוצרים מערכות קולואידיות. ג'לטין, דבק, עמילן ואבקת חלב מיובשת מתנהגים בצורה זו. החלקיקים כבר בגודל קולואידי; המים פשוט מפזרים אותם. חלקיקי אבקת חלב בגודל קולואידי מיוצרים על ידי התייבשות של תרסיס החלב. חלק מהמרססים מייצרים פיזור קולואידי של נוזל באוויר.

ניתן להכין תחליב על ידי ניעור או ערבוב של שני נוזלים בלתי ניתנים לערבוב. זה מפרק נוזל אחד לטיפות בגודל קולואידי, אשר לאחר מכן מתפזרות בנוזל השני. דליפת שמן באוקיינוס עשויה להיות קשה לניקוי, בין השאר מכיוון שפעולת הגלים עלולה לגרום לנפט ולמים ליצור תחליב. אולם בתחליבים רבים, הפאזה המפוזרת נוטה להתלכד, ליצור טיפות גדולות ולהיפרד. לכן, תחליבים לרוב מיוצבים על ידי חומר מתחלב, חומר המעכב את התאחדות הנוזל המפוזר. לדוגמה, מעט סבון ייצב תחליב של נפט במים. חלב הוא תחליב של שומן חמאה במים, כאשר החלבון קזאין משמש כחומר מתחלב. מיונז הוא תחליב של שמן בחומץ, עם רכיבי חלמון ביצה כחומרי התחליב.

שיטות עיבוי יוצרות חלקיקים קולואידים על ידי צבירה של מולקולות או יונים. אם החלקיקים גדלים מעבר לטווח הגודל הקולואידי, נוצרות טיפות או משקעים, ולא נוצרת מערכת קולואידית. עננים נוצרים כאשר מולקולות מים מתחברות ויוצרות חלקיקים בגודל קולואיד. אם חלקיקי המים הללו מתלכדים ויוצרים טיפות מים גדולות במידה מספקת של מים נוזליים או קריסטלים של מים מוצקים, הם שוקעים מהשמיים כגשם, גשם או שלג. שיטות עיבוי רבות כוללות תגובות כימיות. ניתן להכין תרחיף קולואיד אדום של הידרוקסיד ברזל(III) על ידי ערבוב תמיסה מרוכזת של ברזל(III) כלוריד עם מים חמים:

סול זהב קולואידי נובע מהפחתה של תמיסה מדוללת מאוד של זהב(III) כלוריד על ידי חומר מפחית כגון פורמלדהיד, בדיל(II) כלוריד או ברזל(II) סולפט:

כמה סולי זהב שהוכנו ב-1857 עדיין שלמים (החלקיקים לא התאחדו והתיישבו), מה שממחיש את היציבות ארוכת הטווח של קולואידים רבים.

סבונים וחומרי ניקוי

חלוצים הכינו סבון על ידי הרתחת שומנים עם תמיסה בסיסית חזקה שנעשתה על ידי שטיפת אשלגן פחמתי, K₂CO₃, מאפר של עצים עם מים חמים. שומנים של חיות מכילים פוליאסטרים של חומצות שומן (שרשראות ארוכות של חומצות קרבוקסיליות) כאשר שומנים של החיות מטופלים בבסיס כמו אשלגן קרבונט או נתרן הידרוקסיד, נוצרים גליצרול ומלחים של חומצות שומן כגון פלמיטית, אולאית וחומצה סטארית. המלחים של חומצות השומן נקראים סבונים. מלח הנתרן של חומצה סטארית, נתרן סטאראט, מכיל שרשרת פחמימנים לא טעונה ולא קוטבית, יחידת C₁₇H₃₅, וקבוצת קרבוקסילטים יוניים, יחידת COO⁻.

ניתן להסביר את פעולת הניקוי של סבונים וחומרי ניקוי במונחים של מבני המולקולות המעורבות. הקצה הפחמימני (הלא קוטבי) של מולקולת סבון או דטרגנט מתמוסס או נמשך לחומרים לא קוטביים, כגון שמן, גריז או חלקיקי לכלוך. הקצה היוני נמשך על ידי מים (קוטבי). כתוצאה מכך, מולקולות הסבון או חומרי הניקוי הופכות לכיוון בממשק שבין חלקיקי הלכלוך למים, ולכן הן פועלות כמעין גשר בין שני סוגים שונים של חומר, לא קוטבי וקוטבי. מולקולות כגון זו נקראות אמפיפיליות מכיוון שיש להן גם חלק הידרופובי ("חושש מים") וגם חלק הידרופילי ("אוהב מים"). כתוצאה מכך, חלקיקי הלכלוך נעשים תלויים כחלקיקים קולואידים ונשטפים בקלות.

טקסט זה מותאם מ Openstax, Chemistry 2e, Section 11.5: Colloids.