12.13: 콜로이드

놀고 있는 아이들은 종종 진흙과 물, 밀가루와 물의 혼합물이나 템페라 페인트로 알려진 물에 고체 안료를 섞은 현탁액을 만듭니다. 이러한 현탁액은 육안으로 보이거나 돋보기로 볼 수 있는 비교적 큰 입자로 구성된 불균일 혼합물입니다. 그것들은 흐리고, 부유 입자들은 혼합 후에 가라앉습니다. 반면, 용액은 침전이 일어나지 않고 용해된 종이 분자나 이온인 균질한 혼합물입니다. 용액은 정지와 완전히 다른 동작을 나타냅니다. 용액은 색깔이 있을 수 있지만 투명하고, 분자나 이온이 눈에 보이지 않으며, 가만히 있어도 안정되지 않습니다. 콜로이드(또는 콜로이드 분산액)라고 불리는 또 다른 종류의 혼합물은 현탁액과 용액의 중간 특성을 나타냅니다. 콜로이드의 입자는 대부분의 단순 분자보다 큽니다. 그러나 콜로이드 입자는 충분히 작아서 방치해도 가라앉지 않습니다.

콜로이드 시스템의 준비

콜로이드는 콜로이드 크기의 입자를 생성하고 이러한 입자를 분산 매질 전체에 분산시켜 제조됩니다. 콜로이드 크기의 입자는 두 가지 방법으로 형성됩니다.

1. 분산 방법: 더 큰 입자를 분해합니다. 예를 들어, 페인트 안료는 특수 분쇄기에서 분쇄하여 큰 입자를 분산시켜 생산됩니다.
2. 응축 방법: 분자나 이온과 같은 더 작은 단위에서 성장합니다. 예를 들어, 물 분자가 응축되어 매우 작은 물방울을 형성할 때 구름이 형성됩니다.

몇몇 고체 물질은 물과 접촉하면 자발적으로 분산되어 콜로이드 시스템을 형성합니다. 젤라틴, 풀, 전분, 탈수 분유는 이러한 방식으로 작용합니다. 입자는 이미 콜로이드 크기입니다. 물은 단순히 그것들을 분산시킵니다. 콜로이드 크기의 분유 입자는 우유 스프레이를 탈수하여 생성됩니다. 일부 분무기는 공기 중 액체의 콜로이드 분산을 생성합니다.

에멀젼은 섞이지 않는 두 액체를 함께 흔들거나 혼합하여 제조할 수 있습니다. 이는 한 액체를 콜로이드 크기의 작은 물방울로 분해한 다음 다른 액체 전체에 분산시킵니다. 바다에 유출된 기름은 청소하기 어려울 수 있는데, 그 이유 중 하나는 파도의 작용으로 인해 기름과 물이 에멀젼을 형성할 수 있기 때문입니다. 그러나 많은 에멀젼에서는 분산된 상이 합쳐져 큰 방울을 형성하고 분리되는 경향이 있습니다. 따라서 에멀젼은 일반적으로 분산된 액체의 유착을 억제하는 물질인 유화제에 의해 안정화됩니다. 예를 들어, 약간의 비누는 물 속의 등유 에멀젼을 안정화시킵니다. 우유는 버터지방이 물에 녹아 있는 유화액으로, 카제인 단백질이 유화제 역할을 합니다. 마요네즈는 식초에 기름을 섞은 유화제로 계란 노른자 성분을 유화제로 사용합니다.

응축 방법은 분자나 이온의 응집에 의해 콜로이드 입자를 형성합니다. 입자가 콜로이드 크기 범위를 넘어 성장하면 방울이나 침전물이 형성되고 콜로이드 시스템이 형성되지 않습니다. 구름은 물 분자가 응집되어 콜로이드 크기의 입자를 형성할 때 형성됩니다. 이러한 물 입자가 합쳐져서 적당히 큰 액체 물의 물방울이나 고체 물의 결정을 형성하면 비, 진눈깨비 또는 눈이 되어 하늘에서 내려앉습니다. 많은 응축 방법에는 화학 반응이 포함됩니다. 수산화철(III)의 적색 콜로이드 현탁액은 염화철(III)의 농축 용액을 뜨거운 물과 혼합하여 제조할 수 있습니다.

Colloidal gold sol은 포름알데히드, 염화 주석(II) 또는 황산 철(II)과 같은 환원제에 의해 매우 묽은 염화금(III) 용액이 환원되어 생성됩니다.

1857년에 제조된 일부 gold sols는 여전히 손상되지 않았으며(입자가 합쳐지거나 침전되지 않음), 이는 많은 콜로이드의 장기 안정성을 보여줍니다.

비누와 세제

개척자들은 뜨거운 물로 나무 재에서 탄산칼륨(K_2CO_3)을 침출시켜 만든 강염기성 용액으로 지방을 끓여서 비누를 만들었습니다. 동물성 지방에는 지방산의 폴리에스테르(장쇄 카르복실산)가 포함되어 있습니다. 동물성 지방을 탄산칼륨이나 수산화나트륨과 같은 염기로 처리하면 글리세롤과 팔미트산, 올레산, 스테아르산과 같은 지방산의 염이 형성됩니다. 지방산의 염을 비누라고 합니다. 스테아르산의 나트륨 염인 스테아르산 나트륨은 전하를 띠지 않은 비극성 탄화수소 사슬인 C_17_H35 단위와 이온성 카르복실레이트 그룹인 COO^- 단위를 포함합니다.

비누와 세제의 세척 작용은 관련된 분자의 구조로 설명할 수 있습니다. 비누 또는 세제 분자의 탄화수소(무극성) 끝은 기름, 그리스 또는 먼지 입자와 같은 비극성 물질에 용해되거나 끌립니다. 이온 말단은 물(극성)에 끌립니다. 결과적으로 비누나 세제 분자는 먼지 입자와 물 사이의 경계면에 위치하게 되어 비극성과 극성이라는 서로 다른 두 종류의 물질 사이를 연결하는 일종의 다리 역할을 합니다. 이와 같은 분자는 소수성("물을 싫어하는") 부분과 친수성("물을 좋아하는") 부분을 모두 갖고 있기 때문에 양친매성이라고 불립니다. 결과적으로 먼지 입자는 콜로이드 입자로 부유되어 쉽게 씻겨 나가게 됩니다.

이 문서는 에서 발췌되었습니다 Openstax, Chemistry 2e, Section 11.5: Colloids.

소금을 물에 첨가하면 용해되어 용액을 형성합니다. 반대로 모래를 물에 넣고 저으면 모래 입자들이 액체 전체에 퍼져 현탁액을 형성하고 나중에 바닥에 가라앉습니다. 하지만 밀가루를 물에 첨가하면 물은 흐려집니다.

밀가루와 물이 콜로이드 분산계나 콜로이드를 형성하기 때문입니다. 콜로이드는 용질 상태의 물질의 입자들이 용매와 같은 매개체에 미세하게 분산되어 있는 혼합물입니다. 흩어진 입자와 흩어지는 매개체는 오팔과 같은 고체 액체 결합, 우유와 같은 액체 액체 결합, 휘프드 크림과 같은 액체 기체 결합일 수 있지만 둘 다 기체가 될 수는 없습니다.

콜로이드의 특성은 현탁액과 용액의 특성 간의 중간 특성을 가집니다. 콜로이드는 동질의 용액과는 대조적으로 현탁액과 같은 이질적인 혼합입니다. 5~1000나노미터 크기의 콜로이드 입자는 1나노미터 이하의 일반적인 용질 분자보다 훨씬 크고 10, 000 나노미터 이상의 부유 입자보다는 작습니다.

용액을 통과하는 레이저 빔은 보이지 않지만 콜로이드 현탁엑에서는 쉽게 볼 수 있습니다. 이것은 콜로이드 입자가 빛을 산란시킬 만큼 큰 반면 용질 입자는 빛을 산란하기에는 너무 작기 때문입니다. 콜로이드 입자에 의한 빛의 산란을 틴들 효과라고 합니다.

콜로이드 입자는 다른 분자와 충돌하고 무작위 경로로 끊임없이 이동함으로써 매개체 전체에 안정적으로 분산되어 있을 수 있습니다. 이 이동을 브라운 운동이라고 합니다. 현탁액과 용액, 콜로이드를 원심분리하면 현탁액만 분리됩니다.

수성 콜로이드는 물을 좋아하는 친수성일 수도 있고 물을 싫어하는 소수성일 수도 있습니다. 예를 들어 해초 추출물인 한천을 뜨거운 물에 넣으면 친수성 콜로이드를 형성합니다. 기름과 식초와 같은 소수성 콜로이드들은 물에서 불안정하고 물과 분리되는 경향이 있습니다.

이러한 콜로이드 분산은 콜로이드 입자 표면에 부착되는 다른 물질을 첨가함으로써 안정화시킬 수 있습니다. 이러한 첨가제로는 인접한 콜로이드 입자의 다른 이온을 밀어내어 산란 상태를 유지하는 이온이 될 수 있습니다. 콜로이드 입자 표면을 친수성 그룹으로 덮을 수 있는 다른 첨가제도 있습니다.

예를 들어 비누의 일종인 스테아르산 나트륨은 지방산의 극성 머리부분과 긴 비극성 꼬리 부분과 함께 나트륨 이온을 가지고 있습니다. 물 속에서 비누 분자들은 소수성 꼬리가 안쪽으로 향하고 전하를 띤 친수성 머리가 바깥을 항햐도록 구형으로 모입니다. 이 구형 구조를 마이셀이라고 불립니다.

소수성 꼬리는 외부의 친수성이 물과 상호작용하는 동안 무극성 기름을 마이셀 안에 가두어 놓습니다. 이것은 비누를 물로 씻고 기름을 제거했을 때 나타나는 현상을 설명합니다.