12.13: Коллоиды

Дети во время игры часто делают суспензии, такие как смеси грязи и воды, муки и воды, или суспензию твёрдых пигментов в воде, известной как краска темпера. Эти суспензии представляют собой разнородные смеси, состоящие из относительно крупных частиц, видимых невооруженным глазом или видимых с помощью увеличительного стекла. Они мутны, и взвешенные частицы оседают после смешивания. С другой стороны, раствор представляет собой однородную смесь, в которой не происходит осаживания и в которой растворенные виды являются молекулами или ионами. Решения демонстрируют совершенно иное поведение, чем суспензии. раствор может быть окрашен, но он прозрачен, молекулы или ионы невидимы, и они не оседают на стоя. Другой класс смесей, называемых коллоидными (или коллоидными дисперсиями), обладает промежуточными свойствами суспензий и растворов. Частицы в коллоидном виде крупнее большинства простых молекул; однако коллоидные частицы достаточно малы, чтобы они не оседли на стоячем.

Подготовка коллоидных систем

Коллоиды получают путем производства частиц коллоидных размеров и распределения этих частиц по дисперсионной среде. Частицы коллоидного размера образуются двумя способами:

• методы дисперсии: Дробление крупных частиц. Например, пигменты краски производятся путем рассеивания крупных частиц путем шлифования на специальных мельницах.
• методы конденсации: Рост от небольших единиц, таких как молекулы или ионы. Например, облака образуются, когда молекулы воды конденсируются и образуют очень маленькие капли.

Несколько твердых веществ, при контакте с водой, разгоняются спонтанно и образуют коллоидные системы. Таким образом ведут себя желатин, клей, крахмал и сухое молоко. Частицы уже коллоидные, вода просто рассеивает их. Порошковые молочные частицы коллоидного размера вырабатываются путем обезвоживания спрея для молока. Некоторые распылители производят коллоидные дисперсии жидкости в воздухе.

Эмульсию можно приготовить, перемешивая вместе или смешивая две несмешиваемые жидкости. Это разбивает одну жидкость на капли коллоидного размера, которые затем расходятся по всей другой жидкости. Разливы нефти в океане могут быть затруднены, отчасти потому, что волновое действие может привести к образованию эмульсии нефтью и водой. Однако во многих эмульсиях дисперсионная фаза обычно сливаются, образуя крупные капли и разделяются. Таким образом, эмульсии обычно стабилизируются эмульгирующим веществом, которое препятствует слипанию дисперсной жидкости. Например, небольшое мыло стабилизирует эмульсию керосина в воде. Молоко является эмульсией пахты в воде, а протеиновый казеин служит эмульгирующим веществом. Майонез — это эмульсия масла в уксусе с компонентами яичного желтка в качестве эмульгирующего средства.

Методы конденсации образуют коллоидные частицы путем агрегации молекул или ионов. Если частицы растут за пределами диапазона коллоидных размеров, они образуют капли или осадок, и коллоидная система не дает результатов. Облака образуют, когда молекулы воды собираются и образуют коллоидные частицы. Если эти частицы воды сливаются для образования достаточно крупных капель жидкой воды или кристаллов твердой воды, они оседают с неба, как дождь, снег или снег. Многие методы конденсации включают химические реакции. Смесь концентрированного раствор хлорида железа(III) с горячей водой может быть приготовленной красной коллоидной суспензии гидроксида железа(III):

коллоидный золотой соль является результатом сокращения очень разбавленного раствор хлорида золота(III) восстановителем, таким как формальдегид, хлорид олова(II) или сульфат железа(II):

Некоторые золотые соли, приготовленные в 1857 году, по-прежнему остаются нетронутыми (частицы не слились и не осели), что свидетельствует о долгосрочной стабильности многих коллоидов.

Мыло и сны

Первопроходцы изготовили мыло кипящими жирами с сильно базовым раствор, изготовляемым выщелачиванием карбоната калия, K2CO₃, из древесного пепла с горячей водой. Животные жиры содержат полиэфиры жирных кислот (длинноцепочечные карбоновые кислоты). При обработке животных жиров образуется основание, например карбонат калия или гидроксид натрия, глицерин и соли жирных кислот, таких как палмитическая, олеиновая и стеариновая кислота. Соли жирных кислот называются мылом. Натриевая соль стеарной кислоты, стеарат натрия, содержит незаряженную неполярную углеводородную цепь, блок C17H35 и ионную карбоксилатную группу, блок COO⁻.

Действия по очистке мыла и моющих средств можно объяснить структурой соответствующих молекул. Углеводородный (неполярный) конец молекулы мыла или моющего средства растворяется в неполярных веществах, таких как масло, смазка или частицы грязи. Ионная сторона притягивается водой (полярной). В результате молекулы мыла или моющих средств становятся ориентированными на взаимодействие частиц грязи с водой, поэтому они выступают в качестве своеобразного моста между двумя различными видами материи, неполярными и полярными. Такие молекулы называются амфифифильными, поскольку они имеют как гидрофобную («боязнную воду»), так и гидрофическую («водолюбящую») часть. Как следствие, частицы грязи приостанавливаются, как коллоидные частицы, и их легко смыть.

Этот текст адаптирован из Openstax, Химия 2е изд., раздел 11.5: Коллоиды.

При добавлении соли в воду она растворяется с образованием раствора. И наоборот, при добавлении песка в воду и его перемешивании, частицы песка распределяются по жидкости, образуя суспензию, и, наконец, оседают на дно. Однако при добавлении муки в воду вода становится мутной.

Это происходит потому, что мука и вода образуют коллоидную дисперсию или коллоид. Коллоид это смесь, в которой частицы растворенного вещества тонко диспергированы в среде, подобной растворителю. Диспергированные частицы и диспергирующая среда могут быть любой комбинацией твердого вещества и жидкости, как в минерале опал, жидкости и жидкости, такой как молоко, жидкость и газ, например взбитые сливки, за исключением того, что они не могут быть одновременно газами.

Коллоид по своим свойствам занимает промежуточное положение между суспензиями и растворами. Коллоиды представляют собой гетерогенные смеси, подобные суспензии, в отличие от растворов, которые являются однородными. Коллоидные частицы размером от 5 до 1000 нанометров намного больше, чем обычные молекулы растворенных веществ, которые имеют размер около 1 нанометра или меньше, и мельче, чем взвешенные частицы, которые имеют размер 10 000 нанометров или больше.

Лазерный луч, проходящий через раствор, невидим, но его легко увидеть в коллоидной дисперсии. Это потому, что коллоидные частицы достаточно велики, чтобы рассеивать свет, а частицы растворенного вещества слишком малы для этого. Это рассеяние света коллоидными частицами называется эффектом Тиндаля.

Коллоидные частицы могут оставаться стабильно рассредоточенными по среде, сталкиваясь с другими молекулами и постоянно перемещаясь по случайной траектории. Это движение называется броуновским движением. Если центрифугировать суспензию, раствор и коллоид, отделяется только суспензия.

Коллоиды на водной основе могут быть гидрофильными, водолюбивыми или гидрофобными, водобоязненными. Например, при добавлении агара, экстракта морских водорослей, в горячую воду, он образует гидрофильный коллоид. Гидрофобные коллоиды, такие как масло и уксус, нестабильны в воде и имеют тенденцию к разделению.

Такие коллоидные дисперсии можно стабилизировать, добавляя другие вещества, которые прикрепляются к поверхности коллоидных частиц. Эти добавки могут быть ионами, которые отталкивают другие ионы на соседних коллоидных частицах, чтобы оставаться диспергированными. Другие добавки могут покрывать поверхность коллоидных частиц гидрофильными группами.

Например, стеарат натрия, тип мыла, содержит ион натрия вместе с полярной головкой и длинным неполярным хвостом жирной кислоты. В воде молекулы мыла собираются в сферы, так что их гидрофобные хвосты направлены внутрь, а заряженные гидрофильные головки находятся снаружи. Эти сферические структуры называются мицеллами.

Гидрофобные хвосты связывают неполярное масло внутри мицелл, в то время как гидрофильные головки снаружи взаимодействуют с водой. Этим объясняются явления, наблюдаемые при промывании мыла водой и удалении масла.