12.13: Kolloidler

Oyun oynayan çocuklar genellikle çamur ve su, un ve su karışımları gibi süspansiyonlar veya tempera boya olarak bilinen suda katı pigmentler süspansiyonu yaparlar. Bu süspansiyonlar, çıplak gözle görülebilen veya büyüteçle görülebilen nispeten büyük parçacıklardan oluşan heterojen karışımlardır. Bulanıktırlar ve asılı partiküller karıştırıldıktan sonra çöker. Öte yandan çözelti, içinde hiçbir çökelme meydana gelmeyen ve çözünmüş türlerin molekül veya iyon olduğu homojen bir karışımdır. Çözümler, süspansiyonlardan tamamen farklı davranışlar sergiler. Bir çözelti renkli olabilir, ancak şeffaftır, moleküller veya iyonlar görünmezdir ve ayakta durmazlar. Kolloidler (veya kolloidal dispersiyonlar) olarak adlandırılan başka bir karışım sınıfı, süspansiyonlar ve çözeltiler arasında orta düzeyde özellikler sergiler. Bir kolloiddeki parçacıklar, çoğu basit molekülden daha büyüktür; bununla birlikte, koloidal parçacıklar, ayakta durmayacakları kadar küçüktür.

Kolloid Sistemlerin Hazırlanışı

Kolloidler, koloidal boyutlarda partiküller üreterek ve bu partikülleri bir dispersiyon ortamı boyunca dağıtarak hazırlanır. Koloidal boyuttaki parçacıklar iki yöntemle oluşturulur:

• Dağılım yöntemleri: daha büyük parçacıkları parçalamak. Örneğin boya pigmentleri, büyük partiküllerin özel değirmenlerde öğütülerek dağıtılmasıyla üretilir.
• Yoğunlaştırma yöntemleri: moleküller veya iyonlar gibi daha küçük birimlerden büyüme. Örneğin bulutlar, su molekülleri yoğunlaştığında ve çok küçük damlacıklar oluşturduğunda oluşur.

Birkaç katı madde su ile temas ettiğinde kendiliğinden dağılır ve koloidal sistemler oluşturur. Jelatin, tutkal, nişasta ve kurutulmuş süt tozu bu şekilde davranır. Parçacıklar halihazırda koloidal boyuttadır; su onları basitçe dağıtır. Koloidal boyutta süt tozu parçacıkları, süt spreyi dehidre edilerek üretilir. Bazı atomizörler, havada bir sıvının koloidal dağılımlarını üretir.

Bir emülsiyon, iki karışmayan sıvının birlikte çalkalanması veya karıştırılmasıyla hazırlanabilir. Bu, bir sıvıyı koloidal boyutta damlacıklara böler ve daha sonra diğer sıvı boyunca dağılır. Okyanusa dökülen petrolün temizlenmesi zor olabilir, çünkü kısmen dalga hareketi petrol ve suyun bir emülsiyon oluşturmasına neden olabilir. Bununla birlikte, birçok emülsiyonda, dağılmış faz, birleşme, büyük damlalar oluşturma ve ayrılma eğilimindedir. Bu nedenle, emülsiyonlar genellikle, dağılmış sıvının birleşmesini engelleyen bir madde olan bir emülsiyonlaştırıcı ajan ile stabilize edilir. Örneğin, biraz sabun sudaki gazyağı emülsiyonunu stabilize edecektir. Süt, sudaki bir tereyağı emülsiyonudur ve kazein proteini, emülsifiye edici ajan olarak hizmet eder. Mayonez, emülsifiye edici maddeler olarak yumurta sarısı bileşenleri içeren, sirke içindeki bir yağ emülsiyonudur.

Yoğunlaştırma yöntemleri, moleküllerin veya iyonların bir araya toplanmasıyla koloidal partiküller oluşturur. Parçacıklar koloidal boyut aralığının ötesinde büyürse, damlalar veya çökeltiler oluşur ve koloidal sistem oluşmaz. Bulutlar, su molekülleri bir araya geldiğinde ve kolloid boyutlu parçacıklar oluşturduğunda oluşur. Bu su parçacıkları bir araya gelerek yeterince büyük su damlaları veya katı su kristalleri oluştururlarsa, gökten yağmur, karla karışık yağmur veya kar olarak yerleşirler. Çoğu yoğunlaştırma yöntemi kimyasal reaksiyonları içerir. Kırmızı bir demir (III) hidroksit süspansiyonu, konsantre bir demir (III) klorür çözeltisinin sıcak su ile karıştırılmasıyla hazırlanabilir:

Koloidal bir altın solüsyonu, formaldehit, kalay (II) klorür veya demir (II) sülfat gibi bir indirgeme ajanıyla çok seyreltilmiş bir altın (III) klorür solüsyonunun indirgenmesinden kaynaklanır:

1857'de hazırlanan bazı altın solları hala sağlamdır (parçacıklar birleşmemiş ve yerleşmemiş), bu da birçok kolloidin uzun vadeli kararlılığını göstermektedir.

Sabun ve Deterjanlar

Öncüler, odun küllerinden potasyum karbonatın sıcak suyla süzülmesiyle elde edilen güçlü bazik bir çözelti ile yağları kaynatarak sabun yaptılar. Hayvansal yağlar, yağ asitlerinin (uzun zincirli karboksilik asitler) polyesterlerini içerir. Hayvansal yağlar, potasyum karbonat (K₂CO₃) veya sodyum hidroksit gibi bir baz ile muamele edildiğinde, gliserol ve palmitik, oleik ve stearik asit gibi yağ asitlerinin tuzları oluşur. Yağ asitlerinin tuzlarına sabun denir. Stearik asidin sodyum tuzu olan sodyum stearat, yüksüz polar olmayan bir hidrokarbon zinciri (C₁₇H₃₅) ve bir iyonik karboksilat grubu, yani COO⁻ birimi içerir.

Sabun ve deterjanların temizleme etkisi, ilgili moleküllerin yapıları ile açıklanabilir. Bir sabun veya deterjan molekülünün hidrokarbon (polar olmayan) ucu, yağ, gres veya kir parçacıkları gibi polar olmayan maddeler içinde çözünür veya bunlara çekilir. İyonik uç su (polar) tarafından çekilir. Sonuç olarak, sabun veya deterjan molekülleri, kir parçacıkları ile su arasındaki arayüzde yönlendirilir, böylece polar olmayan ve polar olmak üzere iki farklı madde türü arasında bir tür köprü görevi görürler. Bunun gibi moleküller, hem hidrofobik (sudan korkan ve) hem de hidrofilik (su seven) bir parçaya sahip oldukları için amfifilik olarak adlandırılır. Sonuç olarak, kir partikülleri koloidal partiküller olarak askıda kalır ve kolayca yıkanır.

Bu metin bu kaynaktan uyarlanmıştır Openstax, Chemistry 2e, Section 11.5: Colloids.

Suya tuz eklendiğinde çözelti oluşturmak üzere çözülür. Tersine, suya kum eklendiğinde ve karıştırıldığında, kum parçacıkları bir süspansiyon oluşturmak için sıvı boyunca yayılır ve son olarak dibe çöker. Ancak suya un eklendiğinde su bulanıklaşır.

Bunun nedeni, un ve suyun bir koloidal dispersiyon veya bir kolloid oluşturmasıdır. Bir kolloid, çözünen benzeri bir maddenin parçacıklarının çözücü benzeri bir ortamda ince bir şekilde dağıldığı karışımdır. Dağılmış parçacıklar ve dağıtma ortamı, her ikisinin de gaz olamaması dışında, süt, sıvı ve gaz gibi opal, sıvı ve sıvı gibi herhangi bir katı ve sıvı kombinasyonu olabilir.

Bir kolloidin özellikleri, süspansiyonlar ve çözeltiler arasında orta düzeydedir. Kolloidler, homojen olan çözeltilerin aksine, süspansiyonlar gibi heterojen karışımlardır. 5 ila 1000 nanometre boyutundaki koloidal parçacıklar, yaklaşık 1 nanometre veya daha küçük olan ve 10.000 nanometre veya daha büyük olan asılı parçacıklardan daha küçük olan normal çözünen moleküllerden çok daha büyüktür.

Bir çözeltiden geçen bir lazer ışını görünmezdir, ancak koloidal bir dispersiyonda kolayca görülebilir. Bunun nedeni, kolloid parçacıklarının ışığı dağıtacak kadar büyük olmasına karşın çözünen parçacıkların bunu yapamayacak kadar küçük olmasıdır. Işığın koloidal parçacıklar tarafından bu şekilde dağılmasına Tyndall etkisi denir.

Kolloidal parçacıklar, diğer moleküllerle çarpışarak ve sürekli olarak rastgele bir yolda hareket ederek ortam boyunca kararlı bir şekilde dağılmış halde kalabilir. Bu harekete Brownian hareketi denir. Bir süspansiyon, bir çözelti ve bir kolloid santrifüjlenirse, yalnızca süspansiyon ayrılır.

Su bazlı kolloidler hidrofilik, su seven veya hidrofobik, sudan kaçan olabilir. Örneğin, bir deniz yosunu özü olan agar sıcak suya eklendiğinde hidrofilik bir kolloid oluşturur. Yağ ve sirke gibi hidrofobik kolloidler suda kararsızdır ve ayrılma eğilimindedir.

Bu tür koloidal dispersiyonlar, koloidal partiküllerin yüzeylerine yapışan başka maddeler eklenerek stabilize edilebilir. Bu katkı maddeleri, diğer iyonları komşu koloidal parçacıklar üzerinde dağılmış halde kalmaya iten iyonlar olabilir. Diğer katkı maddeleri, kolloid parçacık yüzeyini hidrofilik gruplarla kaplayabilir.

Örneğin, bir tür sabun olan sodyum stearat, bir polar baş ve uzun bir polar olmayan yağ asidi kuyruğu ile birlikte bir sodyum iyonuna sahiptir. Suda, sabun molekülleri küreler halinde toplanır, böylece hidrofobik kuyrukları, yüklü hidrofilik başları dışarıdayken içe doğru bakarlar. Bu küresel yapılara miseller denir.

Hidrofobik kuyruklar polar olmayan yağı misellerin içinde tutarken, hidrofilik dış kısım suyla etkileşime girer. Bu, sabunun suyla yıkandığında yağı uzaklaştırması olgusunu açıklar.