12.13: Colloidi

I bambini che giocano spesso realizzano sospensioni come miscele di fango e acqua, farina e acqua, o una sospensione di pigmenti solidi in acqua nota come pittura a tempera. Queste sospensioni sono miscele eterogenee composte da particelle relativamente grandi visibili ad occhio nudo o osservabili con una lente di ingrandimento. Sono torbide e le particelle sospese si depositano dopo la miscelazione. D'altra parte, una soluzione è una miscela omogenea in cui non si verifica alcuna sedimentazione e in cui le specie disciolte sono molecole o ioni. Le soluzioni mostrano un comportamento completamente diverso dalle sospensioni. Una soluzione può essere colorata, ma è trasparente, le molecole o gli ioni sono invisibili e non si depositano stando in piedi. Un'altra classe di miscele chiamate colloidi (o dispersioni colloidali) presentano proprietà intermedie tra quelle delle sospensioni e delle soluzioni. Le particelle in un colloide sono più grandi della maggior parte delle molecole semplici; tuttavia, le particelle colloidali sono abbastanza piccole da non depositarsi stando in piedi.

Preparazione di sistemi colloidali

I colloidi vengono preparati producendo particelle di dimensioni colloidali e distribuendo queste particelle attraverso un mezzo di dispersione. Le particelle di dimensione colloidale si formano con due metodi:

1. Metodi di dispersione: scomposizione delle particelle più grandi. Ad esempio, i pigmenti delle vernici vengono prodotti disperdendo particelle di grandi dimensioni mediante macinazione in mulini speciali.
2. Metodi di condensazione: crescita da unità più piccole, come molecole o ioni. Ad esempio, le nuvole si formano quando le molecole d'acqua si condensano e formano goccioline molto piccole.

Alcune sostanze solide, messe a contatto con l'acqua, si disperdono spontaneamente e formano sistemi colloidali. La gelatina, la colla, l'amido e il latte in polvere disidratato si comportano in questo modo. Le particelle hanno già dimensione colloidale; l'acqua semplicemente li disperde. Le particelle di latte in polvere di dimensione colloidale vengono prodotte mediante disidratazione del latte spray. Alcuni atomizzatori producono dispersioni colloidali di un liquido nell'aria.

Un'emulsione può essere preparata agitando insieme o miscelando due liquidi immiscibili. Questo rompe un liquido in goccioline di dimensione colloidale, che poi si disperdono nell'altro liquido. Le fuoriuscite di petrolio nell’oceano possono essere difficili da ripulire, in parte perché l’azione delle onde può far sì che il petrolio e l’acqua formino un’emulsione. In molte emulsioni, tuttavia, la fase dispersa tende a confluire, a formare gocce di grandi dimensioni e a separarsi. Pertanto le emulsioni vengono solitamente stabilizzate da un emulsionante, una sostanza che inibisce la coalescenza del liquido disperso. Ad esempio, un po' di sapone stabilizzerà un'emulsione di cherosene in acqua. Il latte è un'emulsione di grasso di burro in acqua, con la proteina caseina che funge da agente emulsionante. La maionese è un'emulsione di olio in aceto, con componenti di tuorlo d'uovo come agenti emulsionanti.

I metodi di condensazione formano particelle colloidali mediante aggregazione di molecole o ioni. Se le particelle crescono oltre l'intervallo di dimensioni colloidali, si formano gocce o precipitati e non si forma alcun sistema colloidale. Le nuvole si formano quando le molecole d'acqua si aggregano e danno origine a particelle di dimensioni colloidali. Se queste particelle d'acqua si uniscono per formare gocce sufficientemente grandi di acqua liquida o cristalli di acqua solida, si depositano dal cielo sotto forma di pioggia, nevischio o neve. Molti metodi di condensazione implicano reazioni chimiche. Una sospensione colloidale rossa di idrossido di ferro (III) può essere preparata mescolando una soluzione concentrata di cloruro di ferro (III) con acqua calda:

Un sol d'oro colloidale risulta dalla riduzione di una soluzione molto diluita di cloruro d'oro (III) mediante un agente riducente come formaldeide, cloruro di stagno (II) o solfato di ferro (II):

Alcuni sol d'oro preparati nel 1857 sono ancora intatti (le particelle non si sono coalizzate né depositate), illustrando la stabilità a lungo termine di molti colloidi.

Saponi e Detergenti

I pionieri producevano il sapone facendo bollire i grassi con una soluzione fortemente basica ottenuta lisciviando il carbonato di potassio, K_2CO_3, dalle ceneri di legno con acqua calda. I grassi animali contengono poliesteri di acidi grassi (acidi carbossilici a catena lunga). Quando i grassi animali vengono trattati con una base come carbonato di potassio o idrossido di sodio, si formano glicerolo e sali di acidi grassi come l’acido palmitico, oleico e stearico. I sali degli acidi grassi sono chiamati saponi. Il sale sodico dell'acido stearico, lo stearato di sodio, contiene una catena idrocarburica non polare priva di carica, l'unità C_17H_35, e un gruppo carbossilato ionico, l'unità COO−.

L'azione pulente di saponi e detergenti può essere spiegata in termini di strutture delle molecole coinvolte. L'estremità idrocarburica (non polare) di una molecola di sapone o detergente si dissolve o è attratta da sostanze non polari, come olio, grasso o particelle di sporco. L'estremità ionica è attratta dall'acqua (polare). Di conseguenza, le molecole di sapone o detersivo si orientano nell’interfaccia tra le particelle di sporco e l’acqua, fungendo quindi da sorta di ponte tra due diversi tipi di materia, non polare e polare. Molecole come questa sono chiamate anfifiliche e hanno sia una parte idrofobica (“timorosa dell'acqua”) che una parte idrofila (“amante dell'acqua”). Di conseguenza, le particelle di sporco vengono sospese come particelle colloidali e vengono facilmente lavate via.

Questo testo è adattato da Openstax, Chemistry 2e, Section 11.5: Colloids.

Quando il sale viene aggiunto all'acqua, si dissolve per formare una soluzione. Al contrario, quando la sabbia è aggiunta all'acqua e agitata, le particelle di sabbia vengono sparse in tutto il liquido per formare una sospensione e infine si depositano sul fondo. Tuttavia, quando la farina è aggiunta all'acqua, l'acqua diventa torbida.

Questo perché farina e acqua formano una dispersione colloidale o colloide. Un colloide è una miscela in cui particelle di una sostanza simile ad un soluto sono finemente disperse in un mezzo simile a un solvente. Le particelle disperse e il mezzo disperdente possono essere qualsiasi combinazione di solido e liquido, come opale, liquido e liquido, come latte, liquido e gas, come la panna montata, ma non possono essere entrambi gas.

Le proprietà di un colloide sono intermedie fra quelle delle sospensioni e quelle delle soluzioni. I colloidi sono miscele eterogenee, come le sospensioni, in contrasto con le soluzioni, che sono omogenee. Con una dimensione da 5 a 1000 nanometri, le particelle colloidali sono molto più grandi delle solite molecole di soluto, che sono circa 1 nanometro o meno, e sono più piccole delle particelle sospese, che sono 10.000 nanometri o più grandi.

Un raggio laser che passa attraverso una soluzione è invisibile, ma può essere facilmente visto in una dispersione colloidale. Questo perché le particelle colloidali sono abbastanza grandi da disperdere la luce mentre le particelle di soluto sono troppo piccole per farlo. Questa dispersione della luce da parte delle particelle colloidali è detta effetto Tyndall.

Le particelle colloidali possono rimanere stabilmente disperse nel mezzo entrando in collisione con altre molecole e muovendosi costantemente in un percorso casuale. Questo movimento è detto moto browniano. Se una sospensione, una soluzione e un colloide vengono centrifugati, solo la sospensione si separa.

I colloidi a base d'acqua possono essere idrofili, amanti dell'acqua o idrofobici, timorosi dell'acqua. Per esempio, quando l'agar, un estratto di alghe, viene aggiunto all'acqua calda, forma un colloide idrofilo. I colloidi idrofobici, come l'olio e l'aceto, sono instabili in acqua e tendono a separarsi.

Tali dispersioni colloidali possono essere stabilizzate aggiungendo altre sostanze che si attaccano alle superfici delle particelle colloidali. Questi additivi possono essere ioni che respingono altri ioni sulle particelle colloidali vicine per rimanere dispersi. Altri additivi possono coprire la superficie delle particelle colloidali con gruppi idrofili.

Per esempio, lo stearato di sodio, un tipo di sapone, ha uno ione di sodio insieme ad una testa polare ed una lunga coda non polare di acido grasso. In acqua, le molecole di sapone si aggregano in sfere in modo che le loro code idrofobiche puntino verso l'interno mentre le loro teste idrofile cariche sono all'esterno. Queste strutture sferiche sono chiamate micelle.

Le code idrofobe intrappolano l'olio non polare all'interno delle micelle mentre l'esterno idrofilo interagisce con l'acqua. Questo spiega i fenomeni che si verificano quando il sapone viene lavato con acqua e l'olio viene rimosso.