Koloid - chemia

Jeżeli średnica cząsteczek substancji rozpuszczonej lub rozproszonej jest rzędu 10-7 – 10 –5 cm, to układ taki nazywamy układem koloidowym, a cząstki substancji rozpuszczonej lub rozproszonej nazywamy cząstkami koloidowymi.
W każdym układzie koloidowym rozróżniamy ośrodek rozpraszający oraz substancję rozproszoną. Badania wykazały, że ta sama substancja może tworzyć zarówno roztwory rzeczywiste (jeśli wielkość cząstek nie przekracza 10-7 cm), jak i roztwory koloidowe, czyli zole, a zależy to tylko od stopnia jej rozdrobnienia. Na przykład chlorek sodowy (NaCl) w roztworze wodnym tworzy roztwór rzeczywisty, a w benzynie (C6H6) daje roztwór koloidowy. Dlatego też nie dzielimy substancji na koloidy i niekoloidy, a jedynie mówimy o stanie koloidowym jako o pewnym określonym stopniu rozdrobnienia substancji.
Cząstki fazy rozproszonej w układzie koloidowym są zbyt małe, aby można je było zobaczyć pod zwykłym mikroskopem optycznym, natomiast można je obserwować w ultramikroskopie.
Zależnie od zachowania się cząstek koloidowych w stosunku do cząsteczek rozpuszczających podzielono koloidy na dwie zasadnicze grupy.
Układy, w których cząstki koloidowe niechętnie łączą się z rozpuszczalnikiem, nazwano koloidami liofobowymi, a jeżeli w takich układach rozpuszczalnikiem jest woda, to – hydrofobowymi. Do tej grupy koloidów należą między innymi niektóre metale szlachetne w stanie rozdrobnienia koloidowego, niektóre siarczki itp.
Układy, w których cząstki koloidowe łatwo łączą się z cząsteczkami rozpuszczalnika, nazwano koloidami liofilowymi, a jeśli rozpuszczalnikiem jest woda – hydrofilowymi. Na przykład układ koloidowy otrzymany w wyniku rozpuszczenia białka w wodzie, np. żelatyny w wodzie, jest układem hydrofilowym.

Podstawową wspólną cechą stanu koloidowego substancji, związaną z dużym rozdrobnieniem tej substancji, jest ogromne zwiększenie ich ogólnej powierzchni.
Dla zilustrowania tego problemu wyobraźmy sobie, iż z jednego grama ciała stałego o gęstości 1g/cm3 uformowaliśmy sześcian o krawędzi 1 cm. Powierzchnia tego sześcianu wyniesie 6 cm2, zaś objętość 1 cm3, czyli stosunek jego powierzchni do objętości wynosi 6:1.
Jeżeli 1 gram tej substancji rozproszymy do wymiarów cząstek koloidowych, to znaczy do sześcianów o boku 10-5cm każdy, to otrzymamy 1015 takich sześcianów. Powierzchnia każdego takiego sześcianu wynosi: 10-5cm x 10-5cm x 6 = 10-10cm2 x 6, czyli 6 x 10-10cm2. Ponieważ takich sześcianików jest 1015, to całkowita powierzchnia wynosi 6 x 10-10 x 1015 = 6 x 105cm2, całkowita zaś objętość wszystkich sześcianików wynosi nadal 1cm3. Oznacza to, iż stosunek powierzchni do objętości wynosi 6 x 105:1. Dzięki tak ogromnej powierzchni cząstek układu koloidowego mają one dużą zdolność adsorpcji, czyli gromadzenia i zagęszczania na swej powierzchni różnych substancji.
Cząstki koloidowe adsorbują między innymi jony z roztworów wodnych elektrolitów i tą drogą uzyskują ładunki elektryczne. Zależnie od tego, jakie jony są adsorbowane na powierzchni, cząstka koloidowa może być naładowana dodatnio lub ujemnie. Znak ładunku cząstek koloidowych nie stanowi jednak ich cechy specyficznej. Znamy wiele przykładów, kiedy te same cząstki koloidowe w zależności od środowiska przybierają ładunek dodatni lub ujemny.
Znak ładunku cząstki koloidowej można ustalić w doświadczalnie, ponieważ w polu elektrycznym cząstki koloidowe obdarzone ładunkiem dodatnim wędrują do katody, a cząstki obdarzone ładunkiem ujemnym - do anody. Zjawisko to nazywamy elektroforezą.
Cząstki koloidowe znajdują się w stanie stałego, nieuporządkowanego ruchu i zderzając się ze sobą mogą łączyć się w większe zespoły. Powstawanie większych cząstek przez łączenie się cząstek koloidowych prowadzi do wytrącenia osadów. W takim przypadku mówimy, że nastąpiła koagulacja koloidu.
Najważniejszym czynnikiem przeciwdziałającym koagulacji są ładunki elektryczne cząstek koloidowych. Wskutek jednoimienności ładunków cząstki koloidowe odpychają się elektrostatycznie i z tego względu mogą nie ulegać koagulacji podczas dłuższego przechowywania. Koagulację koloidu można przyspieszyć przez ogrzanie roztworu koloidowego. Wyższa temperatura przyspiesza ruch cząstek koloidowych, dzięki czemu łatwiej mogą być pokonane siły odpychania pomiędzy jednoimiennie naładowanymi cząstkami. Koagulację koloidu można przeprowadzić przez dodanie do roztworu koloidowego odpowiedniego elektrolitu. Szczególnie wrażliwe na działanie niewielkich ilości elektrolitu są koloidy hydrofobowe. Koloidy hydrofilowe są mniej wrażliwe na działanie elektrolitu od koloidów hydrofobowych. Wynika to z tego, że cząstki koloidu hydrofilowego otoczone są cząsteczkami wody, które przeszkadzają jonom elektrolitu w zobojętnianiu ładunków elektrycznych na cząstkach koloidowych.
Koagulację koloidów hydrofilowych pod wpływem dużych stężeń elektrolitu nazywamy wysalaniem . w procesie wysalania elektrolit działa głównie jako środek odwadniający cząstki koloidowe, a następnie dopiero powoduje ich rozładowywanie i koagulację. Dlatego też do wysalania nadają się sole łatwo rozpuszczalne w wodzie, jak np. siarczany: sodowy, amonowy, magnezowy itp. Koagulacja koloidu spowodowana wysoleniem (przy użyciu soli amonowej lub soli metalu lekkiego) jest zazwyczaj procesem odwracalnym; tzn., że wytrącony koloid po rozcieńczeniu wodą przechodzi zazwyczaj w roztwór koloidowy, czyli w zol.
Jeżeli na przykład skoagulowany pod wpływem siarczanu sodowego roztwór koloidowy białka jaja kurzego rozcieńczymy wodą destylowaną, to wytrącony, czyli skoagulowany osad białka przejdzie ponownie w stan rozproszenia koloidowego. Przechodzenie koloidu ze stanu skoagulowanego w stan zolu nazywamy peptyzacją. Koloidy tego typu nazywamy odwracalnymi, koloidy, których przeprowadzenie ze stanu skoagulowanego w stan rozproszenia koloidowego jest niemożliwe, nazywamy koloidami nieodwracalnymi.
Ładunek elektryczny cząstki koloidowej może pochodzić nie tylko z adsorpcji jonów, lecz również wynikać z odpowiedniej budowy samej cząstki koloidowej.

Przy bliższym zbadaniu zachowania się cząstek koloidowych w roztworze stwierdzono, że pomiędzy świeżo powstałą cząstką koloidową a rozpuszczalnikiem tworzy się podwójna warstwa elektryczna, podobnie jak po zanurzeniu metalu w roztworze wodnym jego soli. Cząstka koloidowa wraz ze znajdującymi się wokół niej jonami roztworu tworzy micelę koloidową. Cząstkę koloidową łącznie z zaadsorbowaną przez jej powierzchnię warstwę jonów nazywamy jądrem miceli. Wokół jądra miceli gromadzą się jony przeciwnego znaku, które stanowią warstwę adsorpcyjną. Jądro miceli z warstwą adsorpcyjną stanowi tzw. granulę. Jony warstwy adsorpcyjnej są stosunkowo silnie związane z jądrem cząstki koloidowej. Jednak w miarę wzrostu odległości jonów tej warstwy od jądra cząstki koloidowej maleje siła elektrostatycznego przyciągania i jony te dyfundują na zewnątrz miceli. W tej warstwie odbywa się ruch jonów, dyfuzja jonów i dlatego nazywamy ją warstwą dyfuzyjną. Jądro miceli wraz z warstwami adsorpcyjną i dyfuzyjną jonów tworzy wspomnianą już micelę koloidową.

Frakcje koloidowe gleb składają się przeważnie z rozdrobnionych minerałów ilastych, substancji bezpostaciowych organicznych (związki próchniczne połączone z minerałami ilastymi) oraz niektórych uwodnionych wodorotlenków, np. żelaza czy glinu.
Fizykochemiczne właściwości gleb w wysokim stopniu zależą od zawartości frakcji koloidowej oraz od charakteru tych koloidów.
W glebach jest przewaga koloidów o ładunku ujemnym. Do tej grupy koloidów zalicza się minerały ilaste, związki próchniczne, krzemionkę koloidową i inne. Koloidy o ładunku ujemnym odgrywają ważną rolę, gdyż sorbują kationy potasu, wapnia, magnezu, amonu i inne. Koloidy o ładunku dodatnim sorbują aniony – głównie fosforanowe. Do tego typu koloidów zalicza się m. in. wodorotlenki żelaza i glinu oraz węglany.
Koagulacja koloidów glebowych może być wywołana odpowiednim stężeniem jonów w roztworze glebowym, które zobojętniając ładunki cząstek koloidowych mogą prowadzić do zlepiania się tych cząstek w większe agregaty, czyli powodować koagulację. Stwierdzono np., że chlorek potasowy (KCl) wprowadzony do gleby lessowej powodował częściowe zmniejszenie się wielkości cząstek koloidowych.
Pod pojęciem zdolności sorpcyjnej gleb rozumiemy zdolność gleb do adsorbowania z roztworów glebowych niektórych, barwników, gazów, rozproszonych cząstek stałych itp.
Zdolność sorpcyjna gleby, czyli tzw. wielkość kompleksu sorpcyjnego gleby, uzależniona jest głównie od zawartości w niej koloidów organicznych, mineralnych i organiczno-minerlanych. Dużą zdolność sorpcyjną mają gleby zasobne w próchnicę oraz gleby gliniaste i ilaste. Bardzo słabe zdolności sorpcyjne wykazują gleby piaszczyste.
Zdolność sorpcyjna zależy od szeregu właściwości gleby, a jej mechanizm jest różny. Z tych też względów wyróżnia się odpowiednie rodzaje sorpcji.
Sorpcja mechaniczna polega na zatrzymywaniu w przestrzeniach między cząstkami glebowymi i w kapilarach glebowych mikroorganizmów i zawiesin zawartych w roztworze glebowym. Gleba dzięki porowatej budowie spełnia w stosunku do zawiesin rolę filtru. Dlatego też sorpcja mechaniczna zależy od składu mechanicznego gleby, a zwłaszcza od zawartości w niej koloidowych cząstek ilastych.
Sorpcja fizyczna polega na zdolności gleb do zatrzymywania przez nie – dzięki napięciu powierzchniowemu – rozpuszczonych substancji. Sorbowane w ten sposób substancje mogą gromadzić się na powierzchni cząstek sorbujących, albo też mogą przenikać w głąb takich cząstek. Stąd też rozróżnia się sorpcję fizyczną powierzchniową i objętościową.
Jeżeli stężenie określonej substancji lub jonu jest większe na powierzchni cząstek sorbujących niż w otaczającym roztworze glebowym, to mówimy, że zachodzi dodatnia sorpcja fizyczna. Jeżeli zaś w roztworze glebowym jest większe stężenie jonów niż na powierzchni cząstek sorbujących, to występuje ujemna sorpcja fizyczna. Ujemna sorpcja fizyczna odnosi się m. in. do anionów Cl- i NO3-, które – praktycznie biorąc- nie są sorbowane przez glebę.
Sorpcja biologiczna jest wynikiem działalności życiowej mikro- i makroorganizmów glebowych. Organizmy żywe znajdujące się w glebie pobierają z roztworu glebowego te same składniki, którymi odżywiają się rośliny. Konkurencja ta nie jest jednak szkodliwa, gdyż życie roślin jest znacznie dłuższe niż mikroorganizmów glebowych, które szybko obumierają dostarczając roślinom odpowiednich składników pokarmowych. Sorpcji biologicznej podlegają również aniony azotowe NO3-. Rywalizacja ta może okazać się szkodliwa dla roślin w przypadku wprowadzenia do gleby dużej ilości słabo rozłożonego obornika. Następuje wówczas intensywny rozwój bakterii celulozowych, które pochłaniają składniki pokarmowe i w ten sposób rywalizują z roślinami. W takim wypadku można nie uzyskać efektu dodatniego, a wręcz obniżkę plonów.
Sorpcję biologiczną dokonywaną przez korzenie roślin uważamy za korzystną, gdyż w ten sposób znaczne ilości składników pokarmowych mogą być pobierane z głębszych warstw gleby.
Sorpcji biologicznej podlegają wszystkie kationy i aniony znajdujące się w roztworach wodnych.
Sorpcja chemiczna w glebie zachodzi wtedy, kiedy sorbowana substancja reaguje chemicznie z sorbującymi ją cząstkami gleby lub jonami znajdującymi się w roztworze glebowym. Sorpcja chemiczna może przebiegać albo tylko na powierzchni cząstek koloidowych, albo w całej ich objętości.
Dla sorpcji chemicznej charakterystyczne jest tworzenie się w glebie nierozpuszczalnych w wodzie związków, które powstają w wyniku zetknięcia się jonów soli rozpuszczalnych z jonami znajdującymi się w roztworze glebowym.
Chemicznie sorbowane są głównie aniony fosforanowe, które z kationami wapnia, magnezy, żelaza i glinu tworzą nierozpuszczalne w wodzie fosforany.
Sorpcja wymienna jest najważniejszym rodzajem sorpcji z punktu widzenia odżywiania roślin. Istota tej sorpcji polega na wymianie jonów znajdujących się w roztworze glebowym z jonami warstwy dyfuzyjnej koloidów glebowych. Między jonami znajdującymi się w roztworze glebowym a jonami warstwy dyfuzyjnej istnieje stan równowagi dynamicznej. Oznacza to, że zmniejszenie się stężeń odpowiednich jonów w roztworze glebowym na skutek pobrania ich przez roślinę prowadzi do wyrównywania tego stężenia kosztem jonów warstwy dyfuzyjnej.