Roztwory koloidalne: metody przygotowania i stosowania

Wiele osób, które nie mają do czynienia z chemią, słysząc wyrażenie "roztwory koloidalne", przedstawia coś w rodzaju żelu, lepkiej mieszaniny. Faktem jest, że początkowo nazwa ta pochodzi od greckiego słowa, przetłumaczonego jako "lepki". Kiedy układ balansowy nie jest zrównoważony, zole wytrącają się, przypominając galaretkę.

Z reguły roztwory koloidalne są całkowicie przezroczystą cieczą. W zależności od składu może być bezbarwny lub kolorowy. Na pierwszy rzut oka, zole nie różnią się od prawdziwych rozwiązań. Badanie tego rodzaju substancji odbywa się w całej sekcji - chemia koloidalna.

Ogólna charakterystyka

Każde rozwiązanie jest układem jednofazowym składającym się z dwóch lub więcej składników. W przeciwieństwie do tego zawiesina lub emulsja jest mniej stabilna. W ciekłych roztworach podczas przechowywania mogą się wytrącać, jeśli na przykład zostaną umieszczone w szczelnie zamkniętym pojemniku i nastąpi parowanie cieczy. W innych przypadkach jest to układ obojętny, w którym składniki nie reagują ze sobą, a zatem mogą pozostać niezmienione przez długi czas.

Właściwości roztworów koloidalnych

Cząsteczki substancji są równomiernie rozmieszczone w rozpuszczalniku, ale stale powodują ruchy Browna (oscylacyjne). W wyniku tego następuje całkowite wymieszanie składników systemu. Właściwości roztworów koloidalnych w tym procesie są nieco inne. Cząstki takiego układu nazywane są micelami. Dyfundują z jednej warstwy cieczy na drugą wolniej (100 razy). Powodem niskiej prędkości jest większa objętość miceli w porównaniu z molekułami prawdziwych roztworów.

W zależności od wielkości cząstek, ich ilości, roztwory koloidalne różnią się lepkością. Często są systemy, które przechodzą w stan żelu ze spadkiem temperatury. Obecność zbyt dużych miceli i przekroczenie granicy rozpuszczalności prowadzi do zmętnienia.

Cząstki koloidu, w przeciwieństwie do cząsteczek, mają większe rozmiary i dlatego są w stanie rozpraszać światło. W ten sposób można odróżnić te rozwiązania od prawdziwych. Podczas przechodzenia przez taki system widoczna będzie wiązka światła.

Struktura miceli

Wytwarzanie roztworów koloidalnych opiera się na tworzeniu miceli, które muszą pozostać, aby zachować właściwości układu w stanie stabilnym. Cząstka ma złożoną strukturę, składa się z jądra, które jest utworzone przez substancję słabo rozpuszczalną. Wokół niej rozmieszczona jest warstwa jonów określających potencjał. Zwykle są one takie same jak w substancji o niskiej rozpuszczalności znajdującej się w centrum miceli (paneth - zasada Faelena). Takie jony determinują ładunek jądra.

Na przykład w interakcji jodek potasu i azotan srebra powstają micele. Rdzeniem takich cząstek jest jodek srebra (AgI). Jeśli drugi składnik przeważa, wówczas jony określające potencjał będą Ag ⁺ , jeśli pierwszym jest I ^- . Następną warstwą są przeciwjony substancji, które zostały pobrane w nadmiarze. Tworzą dwie strefy. Pierwszy znajduje się blisko powierzchni jądra, jest częścią zaadsorbowanej warstwy. Drugi jest częścią warstwy dyfuzyjnej, składa się z jonów poruszających się swobodnie w pobliżu powierzchni.

Cząstka koloidalna jest jądrem z zaadsorbowaną warstwą, która obejmuje jony i przeciwjony determinujące potencjał. Ta formacja ma ładunek. Micela zawiera cząstkę koloidalną i warstwę dyfuzyjną przeciwjonów i jest obojętna.

Jak powstaje micele

Wszelkie metody otrzymywania roztworów koloidalnych opierają się na oddziaływaniu słabo rozpuszczalnych związków z elektrolitem. Na przykład AgNO ₃ (azotan srebra) z KI (jodek potasu). W wyniku reakcji otrzymuje się AgI i KNO3 (azotan potasu). Strukturę miceli można przedstawić schematycznie. Istnieją 2 opcje tworzenia koloidalnych cząstek powyższych związków:

1. Z nadmiarem AgNO ₃ - {n (AgI) mAg ⁺ (mx) NO ₃ ¯} xNO ₃ ¯.
2. Z nadmiarem KI - {n (AgI) mI¯ (mx) K ⁺ } xK ⁺ .

Najpierw wskazuje się jądro, następnie jony determinujące potencjał i przeciwjony zaadsorbowanej i dyfuzyjnej warstwy. Potencjał elektrokinetyczny, który determinuje ładunek cząstki koloidalnej, jest oznaczony literą "x". Powstaje w wyniku różnicy energii powierzchniowej jądra cząstki z jonami determinującymi potencjał.

Stabilność

Roztwory koloidalne są w stanie pozostać niezmienione przez długi czas. Stabilność takich układów jest następstwem ładunków miceli o tej samej nazwie, co prowadzi do ich odpychania od siebie. Jednak przy zbyt dużych rozmiarach i wysokim stężeniu cząstki mogą zderzać się i łączyć. Trwałość roztworów koloidalnych jest pojęciem względnym. Mogą być przechowywane niezmienione przez wystarczająco długi czas.

Koagulacja roztworów koloidalnych to proces przyklejania miceli do siebie. Przy stabilnym stanie systemu zjawisko to zachodzi powoli, co pozwala mu utrzymywać się przez długi czas (do 100 lat) w stanie jednofazowym. Zjawisko to nazywane jest niestabilnością agregacyjną.

Wskaźnik krzepnięcia

Szybkość agregacji cząstek i, w rezultacie, rozdzielanie faz zależy od wielu czynników, w tym od wielkości i stężenia miceli, temperatury przechowywania. Przyspieszenie procesu koagulacji wynika z dodania elektrolitu. Zjawisko to obserwuje się w układach hydrofilowych. Znane metody spowalniania procesu agregacji cząstek. Na przykład, mieszanie lipofilowego koloidu z hydrofilowym. Na utratę stabilności zoli może wpływać ogrzewanie lub chłodzenie, naprężenia mechaniczne.

Koagulacja roztworów koloidalnych za pomocą elektrolitów

Istnieją pewne wzorce wpływu elektrolitów na roztwór koloidalny. Tak więc, aby rozpocząć proces, potrzebujesz pewnej koncentracji tego ostatniego, nie poniżej określonego poziomu - progu krzepnięcia. Elektrolit to substancja zdolna do przewodzenia prąd elektryczny w wyniku dysocjacji w roztworze lub roztopienia w jony. Na stan roztworu koloidalnego wpływa jon, którego ładunek jest przeciwny do tego w miceli. Działanie zwiększa się wraz ze stopniem obciążenia (zasada Schulze-Gardy).

Kolejnym czynnikiem, który określa stopień oddziaływania jonów, jest ich hydrofilność. Cząstki o tym samym ładunku mają inny poziom działania w procesie koagulacji. Przy oddzielaniu roztworu koloidalnego jony koagulacyjne występują w osadzie. Podczas dodawania mieszaniny elektrolitów jej składniki mogą osłabiać efekt wzajemny (antagonizm) lub odwrotnie, wzmacniać (synergizm). Rzadko obserwowany efekt niezależny (addytywny).

Sposoby na zdobycie

Metody otrzymywania roztworów koloidalnych zredukowano do dwóch. Jedną z opcji jest dyspersja (rozdrobnienie) dużych cząstek do rozmiarów odpowiadających koloidalnym. Taki proces może być przeprowadzony, na przykład, za pomocą urządzeń ultradźwiękowych (szlifowanie mechaniczne). Różnorodne metody zdyspergowane to tworzenie koloidalnych cząstek w wyniku dodania elektrolitów, które są adsorbowane na powierzchni koloidalnych zarodków i przenoszone do stanu rozpuszczonego.

Przeciwieństwem metody dyspersyjnej jest metoda kondensacji, polegająca na agregacji małych cząstek w większe. Zjawisko to występuje na przykład podczas wymiany rozpuszczalnika. Jak można osiągnąć ten efekt? Występuje gwałtowny spadek rozpuszczalności spowodowany zmianami środowiskowymi. Ponadto substancja tworzy cząstkę koloidalną. Cząsteczki rozpuszczalnika biorą udział w jego tworzeniu, dzięki czemu lepiej się mieszają. Efekt ten osiąga się na przykład poprzez stopniowe dodawanie kalafonii rozpuszczonej w etanolu do wody.

Różne reakcje kondensacji, w tym te opisane powyżej, dotyczą również metod agregacji. Mogą to być inne przykłady hydroliza solna metale, w szczególności chlorek żelazowy (FeCl3), reakcja zobojętniania wynikająca z oddziaływania wodorotlenku baru (Ba (OH) ₂ ) z kwasem siarkowym (H2SO4).

Solubilizacja

Wartość roztworów koloidalnych w życiu człowieka jest duża ze względu na zdolność środków powierzchniowo czynnych do zwiększania rozpuszczalności związków hydrofobowych w wodzie. Zjawisko to nazywa się "solubilizacją". Rdzeń ten proces reprezentuje rozpuszczanie związków w micelach. Z powodu tego zjawiska proszki są zdolne do usuwania zanieczyszczeń z tkanin, dając stabilne emulsje węglowodorów i barwników w wodzie.

Solubilizacja może odbywać się na różne sposoby. Tak więc, niepolarne węglowodory wnikają w rdzeń miceli, podczas gdy związki z częściami hydrofilowymi i hydrofobowymi (aminy, alkohole) są osadzone tak, że pierwszy znajduje się na zewnątrz, a drugi wnika głęboko w cząstkę koloidalną. Istnieje również zjawisko odwrotnej solubilizacji, polegającej na rozpuszczaniu wody w olejach. W przypadku niejonowych środków powierzchniowo czynnych identyfikuje się inną metodę zwiększania rozpuszczalności związków hydrofobowych - przyłączając się do powierzchni miceli poprzez wiązania chemiczne (w szczególności wodór).

Wszechobecna dystrybucja

Roztwory koloidalne są zawsze obecne wewnątrz i wokół osoby. Należą do nich krew, limfa, kleje i farby często stosowane w różnych pracach budowlanych i wykończeniowych. Żele są otrzymywane z roztworów koloidalnych w wyniku koagulacji i strącania. Należą do nich na przykład galaretka, marmolada, agar-agar, żelatyna, karageniny. Te ostatnie służą do poprawy struktury produktów, w szczególności past. Wszędzie w ludzkim ciele znajdują się roztwory koloidalne wzbogacone białkami.

Używaj w medycynie

W medycynie wszędzie stosuje się roztwory koloidalne. Oto kilka przykładów ich użycia. Srebro koloidalne, które jest małą cząstką metalu zdyspergowaną w wodzie, jest stosowane w leczeniu oparzeń, wrzody żołądka i dwunastnicy, do mycia błon śluzowych nosa, aby zapobiec rozprzestrzenianiu się infekcji wirusowych.

Przemysł farmaceutyczny oferuje duży wybór roztworów koloidalnych do różnych celów. Wśród nich są uniwersalne środki, które mogą być stosowane jako leczenie ran na oparzenia, hemoroidy; przeciwzapalne - z przeziębieniem, bólem gardła, zapaleniem zatok; środki przeciwbólowe - w celu złagodzenia bólu zęba i nie tylko. Należą do nich koloidalne rozwiązanie Millennium. Żel zawiera aloes, białko pszenicy, żeń-szeń, witaminę E i inne przydatne dodatki. Wiele farmaceutyków do użytku zewnętrznego jest w rzeczywistości roztworem koloidalnym. W przypadku stawów stosuje się na przykład kompleks Artro, który zawiera tak użyteczny składnik jak chrząstka rekina.

Zastosowanie w życiu i przemyśle

Roztwory koloidalne stanowią podstawę do mycia i czyszczenia środków powierzchniowo czynnych. Zanieczyszczenia wnikają do miceli i są w ten sposób usuwane z powierzchni.

Innym ważnym aspektem stosowania tworzących micele środków powierzchniowo czynnych jest wytwarzanie polimerów, w szczególności lateksów, alkoholu poliwinylowego i klejów pochodzenia roślinnego. Różne tworzywa sztuczne, substytuty skóry są oparte na emulsji. Środki powierzchniowo czynne są również używane podczas czyszczenia ścieki i wodę pitną.

Zaletą kosmetyków opartych na roztworach koloidalnych jest przenikanie substancji aktywnych przez skórę ludzką i strukturę włosów. Takie środki są skutecznie stosowane przeciwko starzeniu. Należą do nich w szczególności żel Millennium Neo. Roztwór koloidalny pomaga składnikom zawartym w nim dotrzeć do głębszych warstw skóry, omijając naskórek.