12.13: Koloidów

Bawiące się dzieci często tworzą zawiesiny, takie jak mieszaniny błota i wody, mąki i wody lub zawiesinę stałych pigmentów w wodzie, znaną jako farba temperowa. Zawiesiny te są niejednorodnymi mieszaninami złożonymi ze stosunkowo dużych cząstek, które są widoczne gołym okiem lub można je zobaczyć za pomocą szkła powiększającego. Są mętne, a zawieszone cząstki osiadają po wymieszaniu. Z drugiej strony roztwór jest jednorodną mieszaniną, w której nie dochodzi do osiadania i w której rozpuszczonymi gatunkami są cząsteczki lub jony. Rozwiązania wykazują zupełnie inne zachowanie niż zawieszenia. Roztwór może być barwiony, ale jest przezroczysty, cząsteczki lub jony są niewidoczne i nie osiadają na pozycji stojącej. Inna klasa mieszanin zwana koloidami (lub dyspersjami koloidalnymi) wykazuje właściwości pośrednie między właściwościami zawiesin i roztworów. Cząstki w koloidzie są większe niż większość prostych cząsteczek; Jednak cząstki koloidalne są na tyle małe, że nie osiadają po staniu.

Przygotowanie układów koloidalnych

Koloidy są otrzymywane poprzez wytwarzanie cząstek o wymiarach koloidalnych i rozprowadzanie tych cząstek w ośrodku dyspersyjnym. Cząstki o wielkości koloidalnej powstają dwiema metodami:

• Metody dyspersji: rozbijanie większych cząstek. Na przykład pigmenty do farb są wytwarzane przez dyspersję dużych cząstek przez mielenie w specjalnych młynach.
• Metody kondensacji: wzrost z mniejszych jednostek, takich jak cząsteczki lub jony. Na przykład chmury powstają, gdy cząsteczki wody kondensują się i tworzą bardzo małe kropelki.

Kilka substancji stałych w kontakcie z wodą rozprasza się samoistnie i tworzy układy koloidalne. Żelatyna, klej, skrobia i odwodnione mleko w proszku zachowują się w ten sposób. Cząstki mają już rozmiar koloidalny; Woda po prostu je rozprasza. Cząsteczki mleka w proszku o wielkości koloidalnej są wytwarzane przez odwadnianie mleka w sprayu. Niektóre atomizery wytwarzają koloidalne dyspersje cieczy w powietrzu.

Emulsję można przygotować przez wstrząśnięcie lub zmieszanie dwóch niemieszających się cieczy. Powoduje to rozbicie jednej cieczy na kropelki o wielkości koloidalnej, które następnie rozpraszają się w drugiej cieczy. Wycieki ropy naftowej w oceanie mogą być trudne do usunięcia, częściowo dlatego, że działanie fal może spowodować utworzenie emulsji oleju i wody. Jednak w wielu emulsjach faza zdyspergowana ma tendencję do łączenia się, tworzenia dużych kropli i oddzielania się. Dlatego emulsje są zwykle stabilizowane przez środek emulgujący, substancję, która hamuje koalescencję zdyspergowanej cieczy. Na przykład odrobina mydła ustabilizuje emulsję nafty w wodzie. Mleko jest emulsją tłuszczu maślanego w wodzie, a kazeina białkowa służy jako środek emulgujący. Majonez to emulsja oleju w occie, której składnikami emulgującymi są żółtka jaja.

Metody kondensacji tworzą cząstki koloidalne przez agregację cząsteczek lub jonów. Jeśli cząstki wyrosną poza zakres wielkości koloidu, tworzą się krople lub osady i nie powstaje układ koloidalny. Chmury powstają, gdy cząsteczki wody agregują się i tworzą cząstki wielkości koloidu. Jeśli owe cząsteczki wody zjednoczą się w odpowiednio duże krople wody w stanie ciekłym lub kryształy wody stałej, wówczas osiadają one z nieba w postaci deszczu, deszczu ze śniegiem lub śniegu. Wiele metod kondensacji obejmuje reakcje chemiczne. Czerwoną koloidalną zawiesinę wodorotlenku żelaza(III) można przygotować przez zmieszanie stężonego roztworu chlorku żelaza(III) z gorącą wodą:

Koloidalny zol złota powstaje w wyniku redukcji bardzo rozcieńczonego roztworu chlorku złota(III) przez środek redukujący, taki jak formaldehyd, chlorek cyny(II) lub siarczan żelaza(II):

Niektóre złote zole przygotowane w 1857 roku są nadal nienaruszone (cząstki nie połączyły się i nie osiadły), co ilustruje długoterminową stabilność wielu koloidów.

Mydła i detergenty

Pionierzy wytwarzali mydło przez gotowanie tłuszczów z silnie zasadowym roztworem powstałym przez wypłukiwanie węglanu potasu,_K2CO3, z popiołu drzewnego gorącą wodą. Tłuszcze zwierzęce zawierają poliestry kwasów tłuszczowych (długołańcuchowych kwasów karboksylowych). Kiedy tłuszcze zwierzęce są traktowane zasadą, taką jak węglan potasu lub wodorotlenek sodu, powstaje glicerol i sole kwasów tłuszczowych, takich jak kwas palmitynowy, oleinowy i stearynowy. Sole kwasów tłuszczowych nazywane są mydłami. Sól sodowa kwasu stearynowego, stearynian sodu, zawiera nienaładowany niepolarny łańcuch węglowodorowy, jednostkę C₁₇H₃₅ i jonową grupę karboksylaową, jednostkę ^COO−.

Działanie czyszczące mydeł i detergentów można wyjaśnić pod względem struktury zaangażowanych cząsteczek. Węglowodorowy (niepolarny) koniec cząsteczki mydła lub detergentu rozpuszcza się w substancjach niepolarnych, takich jak olej, tłuszcz lub cząsteczki brudu, lub jest przez nie przyciągany. Koniec jonowy jest przyciągany przez wodę (polarny). W rezultacie cząsteczki mydła lub detergentu orientują się na granicy faz między cząsteczkami brudu a wodą, dzięki czemu działają jak rodzaj pomostu między dwoma różnymi rodzajami materii, niepolarną i polarną. Cząsteczki takie jak ta są określane jako amfifilowe, ponieważ mają zarówno część hydrofobową (“bojącą się wody”), jak i hydrofilową (“kochającą wodę”). W konsekwencji cząsteczki brudu zostają zawieszone w postaci cząstek koloidalnych i są łatwo zmywane.

Ten tekst jest adaptacją z Openstax, Chemia 2e, Sekcja 11.5: Koloidy.