Koloidy

Koloidy (zole) są to układy o dużym stopniu rozdrobnienia. Są stanem pośrednim pomiędzy roztworami rzeczywistymi, które są układami fizycznie jednorodnymi o rozdrobnieniu cząsteczkowym a zawiesinami i mieszaninami niejednorodnymi.
Pojęcie koloidu do chemii po raz pierwszy wprowadził Graham, dla określenia substancji o właściwościach zbliżonych do kleju.

Do koloidów należą zarówno:
- układy fizycznie jednorodne
- roztwory substancji wielkocząsteczkowych
- układy fizycznie niejednorodne o dużym stopniu rozdrobnienia - koloidy fazowe.

Część układu tworzącą fazę ciągłą stanowi ośrodek dyspersyjny (rozpraszający), a drugą stanowi fazę zdyspergowaną (rozproszoną). Cząstki fazy rozproszonej dla kolidów mają rozmiary od 1nm do 100nm, czyli od 10-7 do 10-5 cm.

Cząstki fazy rozproszonej mogą mieć kształty blaszkowate, nitkowate oraz kuliste.
Wyróżnia się układy monodyspersyjne - koloidy w których cząstki fazy rozproszonej mają jednakową wielkość oraz - polidyspersyjne, w których cząstki mają różne wymiary.

W zależności od wartości dyspergowania koloidy dzieli się na:
- koloidy asocjacyjne - układy w których substancja rozproszona samorzutnie przechodzi w stan koloidalny.
- koloidy dyspersyjne - układy, w których substancję rozproszoną otrzymuje się przez wymuszone rozdrobnienie.

W zależności od powinowactwa do rozpuszczalnika, koloidy dzieli się na:
- koloidy liofilowe (hydrofilowy dla układów, gdzie ośrodkiem rozpraszającym jest woda) mające duże powinowactwo do rozpuszczalnika, dzięki czemu cząstki koloidalne otaczają się cząsteczkami rozpuszczalnika, co nadaje im trwałość.
- koloidy liofobowe (hydrofobowe) posiadające małe powinowactwo do rozpuszczalnika i na swojej powierzchni gromadzące ładunek elektryczny

Inny rodzaj koloidów to koloidy cząsteczkowe, gdzie fazą rozproszoną są makrocząsteczki, np. polimery (np. żelatyna, skrobia, białka) – nie występuje wówczas wyraźna granica fazowa, bo cząsteczki rozpuszczalnika mogą wnikać do wewnątrz makrocząsteczki – większość koloidów cząsteczkowych powstaje w sposób samorzutny w wyniku rozpuszczania w rozpuszczalniku (koloidy liofilowe, hydrofilowe). Niektóre ich właściwości są inne niż właściwości koloidów fazowych.

Metody otrzymywania zależą od stanu skupienia ośrodka rozpraszającego i substancji rozproszonej. Wyróżnia się dwie podstawowe metody otrzymywania układów koloidalnych:
- dyspersyjna
- kondensacyjna

Metody dyspersyjne
Rozdrobnienie aż do uzyskania rozdrobnienia koloidalnego osiąga się albo mechanicznie (np. młyn koloidalny), albo elektrycznie (łuk elektryczny).

Ten ostatni sposób szczególnie stosuje się do otrzymania zoli metali, tlenków metali, koloidalnego grafitu itp.

W metodach dyspersyjnych wykorzystuje się również ultradźwięki (drgania akustyczne o częstości rzędu 20000 Hz). Otrzymuje się w ten sposób m.in. zole barwników, krochmalu, gipsu itp.)

Do tej grupy metod można zaliczyć peptyzację. Stosuje się tutaj peptyzatory (substancje o silnych własnościach adsorbcyjnych), które rozdzielają złączone cząstki koloidalne.

Metody kondensacyjne
W metodach tej grupy rozdrobnienie koloidalne osiąga się w wyniku łączenia pojedynczych cząsteczek chemicznych. Stosuje się w tym celu takie procesy chemiczne jak:
- polimeryzacja
- zmniejszenie rozpuszczalności (np. otrzymywanie koloidalnego roztworu siarki w wodzie przez wlewanie do wody nasyconego roztworu siarki w alkoholu)
- redukcja
- utlenianie (np. H2S --> S koloidalna)
- wymiana (AgNO3 + KI --> AgI + AgNO3)

Metody oczyszczania
Do oczyszczania roztworów koloidów stosuje się wiele metod. najważniejszymi są;
- dializa (elektrodializa)
- filtracja (ultrafiltracja)
- wymiana jonowa (wykorzystanie jonitów)

W metodach tych stosuje się błony półprzepuszczalne (membrana), przez które przechodzą zanieczyszczenia (elektrolity), a które są nieprzepuszczalne dla cząstek o rozdrobnieniu koloidalnym.

Układ koloidalny, inaczej koloid to niejednorodna mieszanina dwu substancji tworząca układ, w którym jedna z substancji jest rozproszona (zawieszona) w drugiej. Stopień rozdrobnienia substancji rozproszonej jest bardzo duży – tak duży, że fizycznie układ sprawia wrażenie substancji jednorodnej, jednak rozdrobnienie to jest mniejsze niż na poziomie pojedynczych cząsteczek. O układzie koloidalnym możemy mówić wtedy, gdy wielkość cząstek fazy rozproszonej sprawia, że ważne są zarówno oddziaływania pomiędzy fazą zdyspergowaną i dyspergującą, jak i oddziaływania wewnątrz obu faz.

Nie występują układy koloidalne, w których gaz rozproszony jest w gazie (gazy tworzą wyłącznie roztwory rzeczywiste). Ponadto większość układów koloidalnych nazywana jest zolami, przy czym pojęcie zolu jest niejednoznaczne. Podobnie niejednoznaczne jest pojęcie aerozolu.

Zjawiskiem charakterystycznym dla roztworów koloidalnych jest efekt Tyndalla, polegajacy na rozproszeniu swiatla. W roztworze takim mozna wyraznie zaobserwowac droge wiazki swiatla przechodzaca przez ciecz. Rozproszone przez czastki koloidalne swiatlo tworzy jasny stozek, widoczny wyraznie w zaciemnionym pomieszczeniu.

Układ koloidalny (koloidy fazowe) jest układem składającym się z dwu faz:
- faza ciągła – czyli substancja rozpraszająca, zwana też ośrodkiem dyspersyjnym albo dyspergującym
- faza rozproszona – czyli substancja rozproszona (zdyspergowana), nierozpuszczalna w ośrodku dyspersyjnym (liofobowa, hydrofobowa)

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 AgJ w roztworze zawierającym jony srebra jest naładowany dodatnio, w roztworze zaś zawierającym jony jodkowe ujemne.

Rozpowszechnienie koloidów
Pojęcie koloidu do chemii po raz pierwszy wprowadził Graham, dla określenia substancji o właściwościach zbliżonych do kleju. Koloidy są bardzo powszechne w przyrodzie.

Między innymi koloidami są:
- wszelkiego rodzaju zanieczyszczenia znajdujące się w wodzie. Mogą być pochodzenia organicznego i nieorganicznego i powodują wzrost mętności wody. Mogą wpływać na pracę zaworów oraz czujników znajdujących się na przewodach a jako substancje mogą być szkodliwe dla człowieka,
- to różnego rodzaju naturalne produkty spożywcze, takie jak: śmietana - koloid tłuszczu w mleku, masło - koloid wody w tłuszczu, mleko - składa się z kropelek białek i tłuszczu rozproszonych w wodzie.
- galarety, żelatyna,
- dym, który jest uwalniany podczas spalania drewna, węgla. Zawiera cząstki fazy stałej o rozmiarach rzędu 1 m rozproszone w fazie gazowej.
- mgła, która jest zawiesiną bardzo małych kropel wody (o średnicy poniżej 0,05 mm) lub lodu w powietrzu
- smog, który jest mieszaniną mgły i dymu,
- białka kurze,
- 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

Należy tutaj wspomnieć o koloidach, które odgrywają dużą rolę w biologicznym funkcjonowania organizmów żywych a w tym i człowieka. Koloidami w organizmie człowieka są różnego rodzaju substancje białkowe, jak i również włosy, paznokcie, skóra, wiązadła, itp. Osocze krwi, które jest mieszaniną kilkunastu rozpuszczonych białek, jest również roztworem koloidowym (zol). Z osocza, drogą frakcjonowanego wysalania, możemy wydzielić poszczególne białka. Żółć - emulgator dla tłuszczy - jest również roztworem koloidalnym. Z tego wynika, że organizm ludzki rozpatrywany z punktu widzenia pewnych jego właściwości jest roztworem koloidalnym o różnych stanach skupienia.