STAN KOLOIDALNY MATERII

Barbara Wróbel
STAN KOLOIDALNY MATERII
1. Pojęcie i klasyfikacja koloidów
Stan koloidalny jest stanem skupienia materii równie powszechnym jak stan gazowy,
ciekły lub stały. Cechą charakterystyczną stanu koloidalnego jest niski stopień rozdrobnienia.
Układy koloidalne lub krótko – koloidy, są to układy dyspersyjne, najczęściej
dwuskładnikowe, o wyglądzie układów fizycznie jednorodnych, chociaż w rzeczywistości oba
składniki nie są ze sobą zmieszane cząsteczkowo. Składnik tworzący fazę ciągłą układu
nazywamy ośrodkiem dyspersyjnym lub rozpraszającym, drugi zaś fazą rozproszoną lub
składnikiem rozproszonym. Faza rozproszona składa się z cząstek koloidalnych o wymiarach
od 1 do 100 nm, a nawet do 500 nm. Należy tu jednak zaznaczyć, że do układów koloidalnych
zaliczamy nie tylko te, które mają wszystkie trzy wymiary "koloidalne", lecz także i te,
w których dwa a nawet tylko jeden wymiar jest koloidalny, czyli ma wartość od 1 do 500 nm.
W związku z tym układy koloidalne można podzielić na układy z cząstkami
trójwymiarowymi, układy z cząstkami blaszkowatymi i układy z cząstkami nitkowatymi.
Jeżeli cząstki fazy rozproszonej mają jednakową wielkość, układ nazywamy mono lub izodyspersyjnym, jeżeli różną - polidyspersyjnym. Układy koloidalne, które spotykamy
w przyrodzie czy laboratorium mają jednak najczęściej charakter polidyspersyjny. Układy
dyspersyjne o wymiarach cząstek większych od 500 nm nazywamy układami mechanicznymi
(zawiesinami lub suspensjami, w których cząstki ulegają sedymentacji), zaś układy
o wymiarach cząstek rozproszonych mniejszych od 1 nm układami o rozdrobnieniu
cząsteczkowym (roztworami rzeczywistymi).
Stan rozproszenia koloidalnego jest bardzo rozpowszechniony, zarówno w świecie
przyrody ożywionej (różnorodne białka, pektyny, węglowodany) i nieożywionej (gliny, mgły,
pył wulkaniczny), jak również wśród związków otrzymanych sztucznie w laboratorium
chemicznym (mydła, niektóre barwniki, siarka koloidalna, tlenki metali itd.). Oprócz tego
w przyrodzie występuje dużo związków, których cząsteczki mają wymiary charakterystyczne
dla układów koloidalnych, zwane są one eukoloidami (np. skrobia, celuloza, kauczuk,
keratyna, kolagen, glikogen itd.), znane są również syntetyczne eukoloidy, jak polistyreny
i inne tworzywa sztuczne. Podczas rozpuszczania eukoloidów powstają samorzutnie układy
koloidalne. Najbardziej rozpowszechnione są układy koloidalne o ciekłym ośrodku
dyspersyjnym, zwane roztworami koloidalnymi, liozolami lub zolami. Jeżeli ośrodek
dyspersyjny jest wodą, zwane są hydrozolami, jeżeli alkoholem – alkozolami, jeżeli
benzenem – benzenozolami itd. Ogólnie, jeżeli ośrodek dyspersyjny jest cieczą organiczną,
układy koloidalne nazywa się organozolami, jeżeli zaś gazem - gazozolami (w przypadku
powietrza – aerozolami).
Tabela 1. Podział koloidów wg stanu ośrodka dyspersyjnego i fazy rozproszonej
Ośrodek
dyspersyjny
gaz
gaz
ciecz
Faza
rozproszona
ciecz
ciało stałe
gaz
ciecz
ciecz
ciecz
ciało stałe
ciało stałe
gaz
ciało stałe
ciało stałe
ciecz
ciało stałe
Przykłady
Nazwa
mgła, chmury, pary
kurz, dym
piana mydlana
mleko, roztwór
żelatyny, białko jaj
mgły
gazozole
piany, zole
emulsje, emulsoidy
mętne wody
zawiesina koloidalna,
suspensoidy
pumeks, okluzje
gazowe
kwarc mleczny
kolorowe szkła
piany stałe
zole stałe
2. Koloidy liofilowe i liofobowe
Koloidy w zależności od powinowactwa do rozpuszczalnika (ośrodka
rozpraszającego) dzielimy na liofilowe (duże powinowactwo względem rozpuszczalnika emulsoidy), np. białka, tanina, żelatyna, Fe(OH)3, Al(OH)3, i liofobowe - sunspensoidy,
np. zole metali, wodorotlenków pewnych metali, sole metaliczne, np. As2S3, AgCl. Zjawisko
łączenia się cząstek fazy rozproszonej z ośrodkiem dyspersyjnym nazywamy ogólnie
solwatacją, a w przypadku ośrodka wodnego - hydratacją. W wyniku solwatacji koloidów
liofilowych cząsteczki fazy rozproszonej ulegają stabilizacji. Natomiast koloidy liofobowe nie
ulegają solwatacji albo też ulegają tylko nieznacznie, a czynnikiem stabilizującym je jest
głównie ładunek elektryczny.
Tabela 2. Właściwości charakterystyczne koloidów liofobowych i liofilowych
Właściwości
Otrzymywanie
Struktura cząstek
Stężenie fazy rozproszonej
Ruchy Browna
Efekt Tyndalla
Barwa układu
Ładunek elektryczny
Lepkość
Tworzenie piany
Tworzenie galaret
Wrażliwość na elektrolit
Charakter koagulacji
Koloidy liofobowe
metodą dyspersji lub
kondensacji
zespoły cząsteczek
na ogół nieznaczne
występują wyraźnie
wyraźny
często zabarwione
cząstki są zawsze naładowane
nieznaczna
nie tworzą piany
nie tworzą
duża, zachodzi koagulacja
nieodwracalna
Koloidy liofilowe
przez zwykłe rozpuszczanie
cząsteczki olbrzymy
może być duże
często bardzo niewyraźne
niewyraźny
często bezbarwne
ładunek nieznaczny lub brak
znaczna
łatwo tworzą pianę
tworzą łatwo
mała
odwracalna
3. Metody otrzymywania koloidów
W celu uzyskania rozdrobnienia koloidalnego stosowane są dwa rodzaje metod:
 metody dyspersyjne, polegające na rozdrabnianiu cząstek o wymiarach większych od
500 nm aż do uzyskania wymiarów charakterystycznych dla roztworów koloidalnych.
Należą tu głównie: rozdrabnianie mechaniczne (rozcieranie), metoda Brediga, polegająca
na rozpyleniu głównie czystych metali w łuku Volty, peptyzacja (polega na działaniu
roztworem odpowiedniego elektrolitu na świeżo wytrącony trudno rozpuszczalny osad),
rozpylanie za pomocą ultradźwięków, rozpylanie katodowe, termiczne itd.
 metody kondensacyjne, polegające na łączeniu cząsteczek lub jonów w większe zespoły
aż do osiągnięcia rozdrobnienia koloidalnego. Najważniejsze z tego typu metod to
zmniejszenie rozpuszczalności, redukcja, czasem utlenienie, hydroliza, polimeryzacja,
metoda zarodnikowa i inne.
4. Metody oczyszczania koloidów
Oczyszczanie koloidów od domieszek substancji tworzących roztwory rzeczywiste
(ciała krystaliczne i elektrolity) ma duże znaczenie w zapewnieniu trwałości zolu.
Do najczęściej stosowanych do tego celu metod należą: dializa, elektroliza, ultrafiltracja,
elektrodekantacja i adsorpcja wymienna na jonitach. Jedną z łatwiejszych metod jest dializa.
W celu przeprowadzenia dializy woreczek z błony półprzepuszczalnej (kolodium, celofan lub
naturalna błona zwierzęca) napełniamy czystym rozpuszczalnikiem (najczęściej wodą)
i umieszczamy w naczyniu z zolem. Substancje o rozdrobnieniu cząsteczkowym przechodzą
przez membranę do wewnętrznej cieczy i mogą być w ten sposób usunięte z koloidu.
Zmieniając stale ciecz wewnętrzną możemy koloid doprowadzić do żądanej czystości. Tak
działające urządzenie do doczyszczania koloidów zwane jest dializatorem. Elektrodializa jest
połączeniem dializy z elektrolizą, a jej przewaga nad dializą polega głównie na większej
szybkości oczyszczania (dializę należy prowadzić co najmniej przez kilkanaście dni, podczas
gdy elektrodializa już po upływie 2-3 dni daje czysty zol).
5. Właściwości układów koloidalnych
Właściwości mechaniczne
Jedną z najbardziej charakterystycznych cech układów koloidalnych są ruchy Browna.
Zjawisko polega na ciągłych chaotycznych ruchach postępowych, obrotowych i drgających
fazy rozproszonej w ośrodku ciekłym lub gazowym. Ruchy Browna można zaobserwować
przypatrując się np. cząstkom kurzu oświetlonym cienką wiązką światła w zaciemnionym
pomieszczeniu.
Właściwości optyczne
Jedną z najbardziej charakterystycznych cech układów koloidalnych jest efekt
Tyndalla. Polega on na tym, że jeżeli przez roztwór koloidalny przepuszczamy wiązkę
światła, to wskutek uginania się promieni na cząstkach fazy rozproszonej, mniejszych od
długości fali, światło staje się widoczne w postaci smugi świetlnej. Intensywność tego efektu
jest tym większa im większa jest różnica między współczynnikami załamania fazy
rozproszonej i ośrodka dyspersyjnego. Efekt Tyndalla został wykorzystany w konstrukcji
ultramikroskopu, który ma duże zastosowanie w różnorodnych badaniach koloidów,
np. liczenie cząsteczek, obserwacja ruchów Browna, pomiar szybkości koagulacji i inne.
Kształty geometryczne cząstek fazy rozproszonej o wymiarach odpowiadających
rozdrobnieniom koloidalnym możemy obserwować jedynie w mikroskopie elektronowym.
Absorpcja światła
Niektóre układy koloidalne mają silniejszą absorpcję aniżeli rozproszenie światła.
Pomiar absorpcji światła jest jedną z metod badania układów koloidalnych, pozwala on
na oznaczanie stężenia fazy rozproszonej i na śledzenie przebiegu koagulacji. Barwa układów
koloidalnych uwarunkowana jest zarówno przez absorpcję, jak i przez rozproszenie światła.
Zależy ona od wielkości, kształtu i stopnia agregacji cząstek fazy rozproszonej. W świetle
rozproszonym może być ona inna niż w świetle przechodzącym. Ten sam układ koloidalny
może mieć różną barwę w zależności od stopnia rozproszenia.
Właściwości elektryczne
Na skutek adsorpcji jonów elektrolitu z roztworu na powierzchni cząstki koloidalnej
powstaje ładunek elektryczny. W wyniku tej adsorpcji tworzy się podwójna warstwa
elektryczna złożona z powłoki wewnętrznej, czyli adsorpcyjnej, przylegającej mocno
do powierzchni zewnętrznej, będącej warstwą jonów przeciwnego znaku. Zależnie od tego
jakie jony są adsorbowane na powierzchni, cząstka może być naładowana albo ujemnie albo
dodatnio. Jednak znak ładunku elektrycznego nie jest ich cechą charakterystyczną. Ta sama
bowiem cząstka koloidalna może mieć ładunek dodatni lub ujemny, zależnie od środowiska.
Na przykład koloidalny jodek srebra AgI w roztworze zawierającym jony potasu jest
naładowany dodatnio, w roztworze zaś zawierającym jony jodkowe ujemnie (patrz rys. 1.).
Rys. 1 Schemat budowy cząsteczki koloidalnej AgI wytrąconej z roztworu
AgNO3 nadmiarem KI
6. Działanie ochronne koloidów
Polega na tym, że pewne zole liofilowe wprowadzone do zoli liofobowych zwiększają
ich odporność na działanie elektrolitów.
7. Ważne terminy
a. Koagulacja. Właściwości elektryczne układów koloidalnych decydują o ich
zdolności do koagulacji. Koagulacja polega na zmniejszeniu się stopnia dyspersji układów
koloidalnych, a więc na łączeniu się cząstek fazy rozproszonej w większe zespoły w wyniku
obniżania ładunku elektrycznego powierzchni cząstki koloidalnej. Podczas koagulacji zole
przechodzą w żele (usieciowane koloidy) lub osady. Koagulacja może być odwracalna
i nieodwracalna. Odwracalna jest wówczas, gdy żel można z powrotem przeprowadzić w zol.
Nosi ona wtedy nazwę peptyzacji. Koagulację koloidów mogą na ogół wywoływać
następujące czynniki:
- dodatek elektrolitu
- dodatek koloidu o ładunku przeciwnym, co powoduje rozładowanie cząstek
- naświetlanie radiochemiczne (np. promieniowanie  powoduje koagulację zoli dodatnich)
- działanie mechaniczne (mieszanie, wytrząsanie)
- ogrzewanie (np. ścinanie się białka)
- dehydratacja lub desolwatacja przez dodanie środków odwadniających, np. alkoholu lub
acetonu
- odparowanie lub wymrażanie ośrodka dyspersyjnego.
b. Wysalanie. Jest jednym ze sposobów koagulacji koloidów liofilowych. Polega ono
na wydzielaniu się fazy rozproszonej pod wpływem większych stężeń elektrolitu. Elektrolit
powoduje kompresję elektrycznej warstwy podwójnej wokół cząstki obniżając w jej pobliżu
ładunek elektryczny. Do wysalania koloidów szczególnie dobrze nadają się sole o jonach
ulegających silnej hydratacji, łatwo rozpuszczalne i o wyższej wartościowości, np. MgSO4,
ale także (NH)2SO4 i Na2SO4. Zdolność wysalająca zależy od charakteru zarówno kationu jak
i anionu a także od ich promieni jonowych.
c. Synereza. Polega na wydzielaniu się z żeli ośrodka dyspersyjnego po dłuższym
staniu i jest związana z procesami koagulacji, np. wydzielanie się serwatki z kwaśnego mleka.
Zjawisko synerezy przejawia się często w ten sposób, że ze względu na wydzielanie się
ośrodka dyspersyjnego objętość żelu staje się coraz mniejsza, zachowując jednak pierwotny
kształt, np. kształt kolby, w której się znajduje.
d. Tiksotropia. Polega ona na tym, że pod wpływem bodźców mechanicznych
(wytrząsanie, mieszanie) żele przechodzą w zole, a po pewnym czasie z powrotem zastygają
w żel. Zjawisko tiksotropii jest więc przemianą odwracalną zol - żel, przebiegającą pod
wpływem czynników mechanicznych. Przykłady układów koloidalnych, gdzie wykorzystuje
się właściwości tiksotropowe to niektóre farby emulsyjne (żelowata farba nie spływa po
pędzlu, ale łatwo rozprowadza się po malowanej powierzchni, gdyż przechodzi w zol podczas
pocierania pędzlem), dyspersyjne masy asfaltowe (dysperbit), zawiesiny wodne niektórych
glin.
CZĘŚĆ DOŚWIADCZALNA
1. Otrzymywanie roztworów koloidalnych przez kondensację
1.1. Otrzymywanie roztworu koloidalnego wodorotlenku żelazowego w wyniku
hydrolizy jego soli
Metodyka: Do zlewki o pojemności 50 cm3 zawierającej 20 cm3 wody destylowanej,
ogrzanej do wrzenia, dodaj kroplami ciągle mieszając 0,1 kmol/m3 roztwór chlorku żelaza(III)
FeCl3 (około 20 kropli). Otrzymany roztwór ponownie ogrzej do wrzenia i gotuj około
2 minuty. Zwróć uwagę na barwę zolu wodorotlenku żelazowego. Zlewkę z osadem zachowaj
do doświadczenia 2.1.
1.2. Otrzymywanie koloidalnego roztworu siarki
Metodyka: Do probówki zawierającej 1 cm3 roztworu tiosiarczanu sodu Na2S2O3
dodaj 1 cm3 roztworu kwasu siarkowego(VI) (oba roztwory o stężeniu 1 kmol/m3). Podgrzej
probówkę wraz z zawartością w zlewce z gotującą się wodą. Zwróć uwagę na barwę
otrzymanej koloidalnej siarki i jej koagulację prowadzącą do utworzenia żelu lub osadu S.
2. Koagulacja roztworów koloidalnych
2.1. Koagulacja zolu wodorotlenku żelaza wskutek działania elektrolitów
Metodyka: Do czterech probówek zawierających po 2 cm3 zolu wodorotlenku żelaza
otrzymanego w doświadczeniu 1.1 dodaj kolejno: do pierwszej 2 cm3 roztworu chlorku sodu
NaCl, do drugiej 2 cm3 roztworu siarczanu(VI) sodu Na2SO4 (oba roztwory o stężeniu
0,5 kmol/m3), do trzeciej 2 cm3 nasyconego roztworu chlorku sodu NaCl, a czwartą zachowaj
do celów porównawczych. Probówki wraz z zawartością zachowaj do dalszych
eksperymentów (doświadczenie 4.). Zwróć uwagę na wystąpienie zmętnienia. Porównaj
natężenie zmętnienia w poszczególnych probówkach. Dlaczego w probówkach wystąpiła
zróżnicowana mętność i czy ma to związek ze stężeniem jonów w roztworze?
2.2. Koagulacja zolu siarczku miedzi pod wpływem ogrzewania
Metodyka: Do probówki zawierającej 1 cm3 roztworu siarczanu(VI) miedzi CuSO4
o stężeniu 0,05 kmol/m3 dodaj 3 cm3 roztworu amidu kwasu tiooctowego (AKT) i 3 krople
roztworu kwasu solnego HCl o stężeniu 2 kmol/m3. Następnie probówkę tę umieść we
wrzącej łaźni wodnej i ogrzewaj przez 3 minuty. Zwróć uwagę na postać siarczku miedzi
przed i po ogrzaniu.
3. Powstawanie żelu kwasu krzemowego
Metodyka: Do probówki zawierającej 2 cm3 kwasu solnego HCl o stężeniu 2 kmol/m3
dodaj wstrząsając jednocześnie probówką 2 cm3 10% roztworu krzemianu sodu. Zwróć uwagę
na powstający zol kwasu krzemowego, który stopniowo przechodzi w galaretowaty żel.
4. Badanie właściwości mechanicznych koloidów i koloidów skoagulowanych
Metodyka: Roztwór koloidalny wodorotlenku żelaza (probówka nr 4 z doświadczenia
2.1) i skoagulowaną zawiesinę wodorotlenku żelaza z doświadczenia 2.1 (probówka nr 3)
poddaj sączeniu przez bibułę filtracyjną umieszczoną w lejku. Porównaj barwy otrzymanych
przesączy. Jakie właściwości filtracyjne ma zol a jakie skoagulowany osad?
5. Otrzymywanie zawiesiny koloidalnej przez dyspergowanie i jej stabilność
Metodyka: Do dwóch probówek zawierających 5 cm3 wody destylowanej dodaj 1/4
łyżeczki hematytu i silnie potrząśnij probówkami. Do pierwszej probówki dodaj parę kropel
wody a do drugiej parę kropel 0,1 kmol/m3 wodorotlenku sodu NaOH i silnie nimi wstrząśnij.
Zwróć uwagę na barwę i stabilność obu zawiesin koloidalnych. Obejrzyj je pod mikroskopem
i opisz ich strukturę. Czym się one różnią i dlaczego? Narysuj elektryczna warstwę wokół
cząstki hematytu dla obu przypadków.
6. Otrzymywanie emulsji oleju w wodzie. Koloidy ochronne
Metodyka: Do dwóch probówek o objętości 10 cm3 każda, zawierających
1/3 objętości wody dodaj po 2–3 krople oleju jadalnego. Do pierwszej probówki dodaj jeszcze
1 kroplę płynu do mycia naczyń (środka powierzchniowo-czynnego). Roztwór ten dodaje się
w celu zwiększenia trwałości emulsji, tworzy on bowiem warstwę ochronną na powierzchni
kropel oleju utrudniając tym sposobem ich łączenie się. Silnie wielokrotnie wstrząśnij
probówkami z zawartością. Zwróć uwagę na trwałość i barwę emulsji, a także na szybkość jej
rozwarstwiania.