Kolloidijärjestelmät ovat erittäin tärkeitä jokaisen ihmisen elämässä. Tämä ei johdu vain siitä, että melkein kaikki elävän organismin biologiset nesteet muodostavat kolloideja. Mutta monet luonnonilmiöt (sumu, savusumu), maaperä, mineraalit, ruoka, lääkkeet ovat myös kolloidisia järjestelmiä.
Tällaisten muodostumien yksikkönä, joka kuvastaa niiden koostumusta ja erityisiä ominaisuuksia, katsotaan olevan makromolekyyli tai miselli. Jälkimmäisen rakenne riippuu useista tekijöistä, mutta se on aina monikerroksinen hiukkanen. Nykyaikainen molekyylikineettinen teoria pitää kolloidisia liuoksia todellisten liuosten erikoistapauksena, jossa on suurempia liuenneen aineen hiukkasia.
Menetelmät kolloidisten liuosten saamiseksi
Kolloidisen järjestelmän ilmaantuessa muodostuvan misellin rakenne riippuu osittain tämän prosessin mekanismista. Kolloidien hankintamenetelmät on jaettu kahteen pohjimmiltaan erilaiseen ryhmään.
Dispersiomenetelmät liittyvät melko suurten hiukkasten jauhamiseen. Tämän prosessin mekanismista riippuen erotetaan seuraavat menetelmät.
- Jalostus. Voidaan tehdä kuivana taimärkä tapa. Ensimmäisessä tapauksessa kiinteä aine ensin murskataan ja vasta sitten lisätään neste. Toisessa tapauksessa aine sekoitetaan nesteeseen, ja vasta sen jälkeen se muutetaan homogeeniseksi seokseksi. Jauhatus tehdään erikoismyllyillä.
- Turvotus. Jauhatus saadaan aikaan, koska liuotinhiukkaset tunkeutuvat dispergoituneeseen faasiin, mihin liittyy sen hiukkasten laajeneminen erottumiseen asti.
- Dispergointi ultraäänellä. Jauhettava materiaali asetetaan nesteeseen ja sonikoidaan.
- Sähköiskun hajonta. Tarvitaan metallisoolien valmistuksessa. Se suoritetaan asettamalla dispergoituvasta metallista valmistetut elektrodit nesteeseen ja kohdistamalla niihin sitten korkea jännite. Tämän seurauksena muodostuu jännitekaari, jossa metalli ruiskutetaan ja tiivistyy sitten liuokseksi.
Nämä menetelmät sopivat sekä lyofiilisille että lyofobisille kolloidisille hiukkasille. Misellirakenne suoritetaan samanaikaisesti kiinteän aineen alkuperäisen rakenteen tuhoamisen kanssa.
Kondensaatiomenetelmät
Toista ryhmää hiukkasten suurentamiseen perustuvia menetelmiä kutsutaan kondensaatioksi. Tämä prosessi voi perustua fysikaalisiin tai kemiallisiin ilmiöihin. Fyysisiä kondensaatiomenetelmiä ovat seuraavat.
- Liuottimen vaihto. Se johtuu aineen siirtymisestä yhdestä liuottimesta, jossa se liukenee erittäin hyvin, toiseen, jossa liukoisuus on paljon pienempi. Tämän seurauksena pieniä hiukkasiayhdistyy suuremmiksi aggregaatteiksi ja muodostuu kolloidinen liuos.
- Höyryn tiivistymistä. Esimerkkinä ovat sumut, joiden hiukkaset pystyvät laskeutumaan kylmille pinnoille ja kasvamaan vähitellen suuremmaksi.
Kemiallisiin kondensaatiomenetelmiin kuuluu joitain kemiallisia reaktioita, joihin liittyy monimutkaisen rakenteen saostuminen:
- Ioninvaihto: NaCl + AgNO3=AgCl↓ + NaNO3.
- Redox-prosessit: 2H2S + O2=2S↓ + 2H2O.
- Hydrolyysi: Al2S3 + 6H2O=2Al(OH) 3↓ + 3H2S.
Kemiallisen kondensaation olosuhteet
Näiden kemiallisten reaktioiden aikana muodostuneiden misellien rakenne riippuu niihin osallistuvien aineiden yli- tai puutteesta. Lisäksi kolloidisten liuosten ilmaantumiseksi on tarpeen noudattaa useita olosuhteita, jotka estävät niukkaliukoisen yhdisteen saostumisen:
- seosliuoksissa olevien aineiden pitoisuuden tulee olla alhainen;
- niiden sekoitusnopeuden tulee olla alhainen;
- yksi ratkaisuista tulisi ottaa liikaa.
Misellerakenne
Miselin pääosa on ydin. Se muodostuu suuresta määrästä liukenemattoman yhdisteen atomeja, ioneja ja molekyylejä. Yleensä ytimelle on ominaista kiderakenne. Ytimen pinnalla on vapaan energian reservi, mikä mahdollistaa ionien selektiivisen adsorboinnin ympäristöstä. Tämä prosessinoudattaa Peskovin sääntöä, jonka mukaan kiinteän aineen pinnalla adsorboituvat pääasiassa ne ionit, jotka pystyvät täydentämään oman kidehilansa. Tämä on mahdollista, jos nämä ionit ovat sukulaisia tai samank altaisia luonteeltaan ja muodoltaan (koon).
Adsorption aikana misellin ytimeen muodostuu kerros positiivisesti tai negatiivisesti varautuneita ioneja, joita kutsutaan potentiaalin määrääviksi ioneiksi. Sähköstaattisten voimien vuoksi muodostuva varautunut aggregaatti vetää puoleensa vastaioneja (ioneja, joilla on vastakkainen varaus) liuoksesta. Siten kolloidisella hiukkasella on monikerroksinen rakenne. Miselli saa dielektrisen kerroksen, joka on rakennettu kahdesta vastakkaisesti varautuneesta ionista.
Hydrosol BaSO4
Esimerkkinä on kätevää tarkastella bariumsulfaattimisellin rakennetta kolloidisessa liuoksessa, joka on valmistettu ylimäärässä bariumkloridia. Tämä prosessi vastaa reaktioyhtälöä:
BaCl2(p) + Na2SO4(p)=BaSO 4(t) + 2NaCl(p).
Liukoinen veteen, bariumsulfaatti muodostaa mikrokiteisen aggregaatin, joka muodostuu BaSO-molekyylien m:nnestä lukumäärästä4. Tämän aggregaatin pinta adsorboi n:nnen määrän Ba2+ ioneja. 2(n - x) Cl- ioneja on kytketty potentiaalin määräävien ionien kerrokseen. Ja loput vastaioneista (2x) sijaitsevat diffuusikerroksessa. Tämä tarkoittaa, että tämän misellin rake on positiivisesti varautunut.
Jos natriumsulfaattia otetaan ylimäärä, niinpotentiaalin määräävät ionit ovat SO42- ioneja ja vastaionit ovat Na+. Tässä tapauksessa rakeen varaus on negatiivinen.
Tämä esimerkki osoittaa selvästi, että misellirakeen varauksen merkki riippuu suoraan sen valmistusolosuhteista.
Misellejä tallennetaan
Edellinen esimerkki osoitti, että misellien kemiallinen rakenne ja sitä heijastava kaava määräytyvät ylimääräisen aineen mukaan. Tarkastellaan tapoja kirjoittaa kolloidisen hiukkasen yksittäisten osien nimet kuparisulfidihydrosolin esimerkin avulla. Sen valmistamiseksi natriumsulfidiliuos kaadetaan hitaasti ylimäärään kuparikloridiliuosta:
CuCl2 + Na2S=CuS↓ + 2NaCl.
CuS-misellin rakenne, joka on saatu yli CuCl2, kirjoitetaan seuraavasti:
{[mCuS]·nCu2+·xCl-}+(2n-x)·(2n-x)Cl-.
Kolloidipartikkelin rakenneosat
Kirjoita hakasulkeisiin niukkaliukoisen yhdisteen kaava, joka on koko hiukkasen perusta. Sitä kutsutaan yleisesti aggregaatiksi. Yleensä aggregaatin muodostavien molekyylien lukumäärä kirjoitetaan latinalaisella kirjaimella m.
Mahdollisia määrittäviä ioneja on liuoksessa ylimäärin. Ne sijaitsevat aggregaatin pinnalla, ja kaavassa ne kirjoitetaan välittömästi hakasulkeiden jälkeen. Näiden ionien lukumäärä on merkitty symbolilla n. Näiden ionien nimi osoittaa, että niiden varaus määrittää misellirakeen varauksen.
Rakeen muodostavat ydin ja osavastaionit adsorptiokerroksessa. Raevarauksen arvo on yhtä suuri kuin potentiaalin määräävien ja adsorboituneiden vastaionien varausten summa: +(2n – x). Loput vastaioneista on diffuusikerroksessa ja kompensoivat rakeen varauksen.
Jos Na2S otetaan ylimäärä, muodostuneen kolloidisen misellin rakennekaavio näyttäisi tältä:
{[m(CuS)]∙nS2–∙xNa+}–(2n – x) ∙(2n – x)Na+.
Pinta-aktiivisten aineiden misellit
Jos pinta-aktiivisten aineiden (pinta-aktiivisten aineiden) pitoisuus vedessä on liian korkea, niiden molekyylien (tai ionien) aggregaatteja voi alkaa muodostua. Nämä suurentuneet hiukkaset ovat pallon muotoisia, ja niitä kutsutaan Gartley-Rebinder-miselleiksi. On huomattava, että kaikilla pinta-aktiivisilla aineilla ei ole tätä kykyä, vaan vain niillä, joissa hydrofobisten ja hydrofiilisten osien suhde on optimaalinen. Tätä suhdetta kutsutaan hydrofiilis-lipofiiliseksi tasapainoksi. Niiden polaaristen ryhmien kyvyllä suojata hiilivetyydintä vedeltä on myös merkittävä rooli.
Purfaktanttimolekyylien aggregaatteja muodostuu tiettyjen lakien mukaan:
- toisin kuin pienimolekyyliset aineet, joiden aggregaatit voivat sisältää eri määrän molekyylejä m, pinta-aktiivisten aineiden misellien olemassaolo on mahdollista tiukasti määritellyllä määrällä molekyylejä;
- jos epäorgaanisille aineille misellisoitumisen alkamisen määrää liukoisuusraja, niin orgaanisille pinta-aktiivisille aineille se määräytyy kriittisten misellipitoisuuksien saavuttamisen perusteella;
- ensin misellien määrä liuoksessa kasvaa ja sitten niiden koko kasvaa.
Keskittymisen vaikutus misellin muotoon
Purfaktanttimisellien rakenteeseen vaikuttaa niiden pitoisuus liuoksessa. Saavuttuaan jotkin arvoistaan kolloidiset hiukkaset alkavat olla vuorovaikutuksessa toistensa kanssa. Tämä saa niiden muodon muuttumaan seuraavasti:
- pallo muuttuu ellipsoidiksi ja sitten sylinteriksi;
- sylintereiden suuri pitoisuus johtaa kuusikulmainen faasin muodostumiseen;
- joissakin tapauksissa ilmaantuu lamellifaasi ja kiinteä kide (saippuapartikkeleita).
Misellityypit
Sisäisen rakenteen rakenteen mukaan erotetaan kolme tyyppiä kolloidisia järjestelmiä: suspensoidit, misellikolloidit, molekyylikolloidit.
Suspensoidit voivat olla palautumattomia kolloideja sekä lyofobisia kolloideja. Tämä rakenne on tyypillinen metallien liuoksille sekä niiden yhdisteille (eri oksidit ja suolat). Suspensoidien muodostaman dispergoidun faasin rakenne ei eroa tiiviin aineen rakenteesta. Siinä on molekyyli- tai ionikidehila. Ero suspensioista on suurempi dispersio. Palautumattomuus ilmenee niiden liuosten kyvyssä muodostaa haihdutuksen jälkeen kuivaa sakkaa, jota ei voida muuttaa sooliksi yksinkertaisella liuotuksella. Niitä kutsutaan lyofobisiksi dispergoidun faasin ja dispersioväliaineen välisen heikon vuorovaikutuksen vuoksi.
Misellikolloidit ovat liuoksia, joissa muodostuu kolloidisia hiukkasiakiinnitettäessä difiilisiä molekyylejä, jotka sisältävät polaarisia atomiryhmiä ja ei-polaarisia radikaaleja. Esimerkkejä ovat saippuat ja pinta-aktiiviset aineet. Tällaisissa miselleissä olevia molekyylejä pitävät dispersiovoimat. Näiden kolloidien muoto voi olla paitsi pallomainen, myös lamellaarinen.
Molekylaariset kolloidit ovat melko vakaita ilman stabilointiaineita. Niiden rakenneyksiköt ovat yksittäisiä makromolekyylejä. Kolloidipartikkelin muoto voi vaihdella riippuen molekyylin ominaisuuksista ja molekyylin sisäisistä vuorovaikutuksista. Joten lineaarinen molekyyli voi muodostaa sauvan tai käämin.
