Что такое коллоиды или коллоидный раствор?

| 12 октября, 2021 | Химия

Коллоидный раствор, также известный как коллоиды или коллоидная суспензия, можно определить как смесь частиц веществ. Эти частицы микроскопически диспергированы и растворимы / нерастворимы, которые регулярно взвешиваются в жидкости.

Обычно они представляют собой систему раствора, в которой частицы, составляющие эту систему, имеют промежуточный размер частиц, чем у истинного раствора, и крупной дисперсии, примерно в диапазоне от 1 нм до 500 нм (или от 1 нм до 0,5 мкм). Коллоидный раствор можно рассматривать как двухфазную (гетерогенную) систему при некоторых обстоятельствах, тогда как при других обстоятельствах он может рассматриваться как однофазная (гомогенная) система.

Примеры коллоидного раствора

Не все смеси известны как коллоиды. Смеси, в которых взвешенные частицы не оседают на кнопке и равномерно диспергируются в другом веществе, называются коллоидами. Вот некоторые примеры коллоидных растворов:

  • Кровь
  • Взбитые сливки
  • Краски
  • Огнестойкий материал
  • Духи

Классификация коллоидов

Коллоиды классифицируются на основе следующего:

  1. На основе их физического состояния. 

Аэрозоль (воздух как дисперсионная среда), гели (твердая дисперсионная среда) и эмульсия (жидко-жидкие растворы, в которых дисперсная фаза является жидкой)

  1. На основе их дисперсионной среды.

Hydrosol (вода действует как дисперсионная среда), Alcosol (спирт действует как дисперсионная среда и Acrosol (содержит частицы дисперсной фазы в воздухе).

  1. На основе сил взаимодействия

Ниже рассмотрены типы коллоидных растворов, основанные на взаимодействии сил дисперсной среды и дисперсной фазы:

 

  • Лиофильные коллоиды

 

Коллоидные системы, в которых коллоидные частицы в значительной степени взаимодействуют с дисперсионной средой, называются лиофильными коллоидами. Термин лиофильный означает любящий растворитель. Благодаря своему сродству к дисперсионной среде такие материалы образуют коллоидные золи.

Лиофильные коллоидные золи обычно получают простым растворением требуемого материала (золь которого должен быть получен) в используемом растворителе. Наиболее распространенными примерами образования золей являются растворение акации в воде, растворение желатина в воде или растворение целлулоида в амилацетате. Различные свойства этого класса коллоидов обусловлены притяжением между дисперсной фазой и дисперсионной средой, что приводит к спасению; присоединение молекул растворителя к молекулам дисперсной фазы. Если в качестве дисперсионной среды использовать воду, полученные коллоиды известны как гидрофильные коллоиды. Большинство лиофильных коллоидов представляют собой органические молекулы, например желатин, гуммиарабик, инсулин, альбумин, каучук и полистирол. Из них инсулин, альбумин, желатин и гуммиарабик образуют лиофильные или гидрофильные золи. Резина и полистирол образуют лиофильные коллоиды в неводных органических растворителях. Соответственно, эти материалы называются липофильными коллоидами. Эти примеры иллюстрируют важный момент, заключающийся в том, что термин «лиофильный» имеет значение только при применении к материалу, диспергированному в конкретной дисперсионной среде. Материал, который образует лиофильную коллоидную систему в одной жидкости (например, воде), может не образовывать этого в другой жидкости (например, бензоле).

 

  • Лиофобные коллоиды

 

Лиофобные коллоиды состоят из веществ, которые, если и существуют, обладают очень слабым притяжением к дисперсионной среде. Это лиофобные (ненавидящие растворитель) коллоиды, и, как и следовало ожидать, их свойства отличаются от свойств лиофильных коллоидов. В первую очередь это связано с отсутствием оболочки из растворителя вокруг частицы. Эти типы коллоидов обычно образуются, когда неорганические частицы диспергированы в воде. Примерами таких материалов являются золото, серебро, сера, сульфид мышьяка и йодид серебра. В отличие от лиофильных коллоидов, лиофобные коллоиды требуют специальных методов приготовления. К ним относятся два типа методов. Во-первых, методы диспергирования, при которых происходит измельчение крупных частиц, и, во-вторых, метод конденсации.

 

  • Ассоциация коллоидов

 

Ассоциативные или амфифильные коллоиды — это третий тип коллоидных систем. В этих типах коллоидов определенные молекулы или ионы, называемые амфифилами или поверхностно-активными агентами, характеризуются наличием двух различных областей противоположного сродства к раствору внутри одной и той же молекулы или иона. У них есть одна полярная область, которая притягивается к полярному растворителю и находится внутри одной и той же молекулы; они имеют неполярную область, которая притягивается к неполярному растворителю. Эти амфифилы могут располагаться в зависимости от типа раствора (полярного или неполярного), в который они помещены. Когда их помещают в полярный раствор, они открывают свои полярные области по направлению к растворителю, закрывая свои неполярные области по направлению к внутреннему ядру, и наоборот. Когда присутствует в жидкой среде в низких концентрациях, амфифилы существуют отдельно и имеют такой размер, что они являются субколлоидными. По мере увеличения концентрации амфифилов они начинают быстрее агрегироваться. Эти агрегаты могут состоять из 50 или более амфифилов и называются мицеллами.

Приготовление коллоидного раствора

Существует два основных способа приготовления коллоидного раствора: метод конденсации (химические методы) и метод диспергирования (физические методы).

  1. Метод конденсации: для приготовления коллоидного раствора методом конденсации используются следующие химические методы:
  • Окисление
  • Двойное разложение
  • Гидролиз
  • Чрезмерное охлаждение
  • Обмен растворителя
  • Изменение физического состояния
  1. Метод диспергирования. Метод диспергирования для приготовления коллоидов в основном включает следующие физические методы:
  • Механическое диспергирование
  • Метод дуги Бредига или электрическая дисперсия
  • Пептизация

Свойства коллоидных растворов

Коллоидный раствор проявляет широкий спектр свойств, которые подразделяются на три основных типа, обсуждаемых ниже:

  1. Оптические свойства коллоидных растворов.

  • Эффект Фарадея-Тиндаля: когда сильный луч света проходит через коллоидный золь, образуется видимый конус, возникающий в результате рассеяния света коллоидными частицами. Это эффект Фарадея – Тиндаля.
  • Выявление в электронном микроскопе: электронный микроскоп, способный давать изображения реальных частиц, даже приближающихся к молекулярным размерам, в настоящее время широко используется для наблюдения за размером, формой и структурой коллоидных частиц. Успех электронного микроскопа обусловлен его высокой разрешающей способностью, которую можно определить через «d», наименьшее расстояние, на которое два объекта разделены, но при этом остаются различимыми. Чем меньше длина волны используемого излучения, тем меньше d и больше разрешающая способность. Источником излучения для оптического микроскопа является видимый свет, который может разрешить только две частицы одновременно с размером около 20 нм (200 Å). Источником излучения электронного микроскопа является пучок электронов высокой энергии с длинами волн в диапазоне 0,01 нм (0,1 Å).
  • Рассеяние света: свойство светорассеяния частиц коллоидного раствора основано на эффекте Фарадея-Тиндаля, описанном выше. Прекрасным примером этого является голубой цвет неба, видимый нашими глазами из-за рассеяния света синей длины волны коллоидными частицами, присутствующими в атмосфере. Это свойство коллоидных частиц используется для определения их молекулярной массы.

  1. Кинетические свойства коллоидных растворов.

  • Броуновское движение: броуновское движение описывает случайное движение коллоидных частиц. Неустойчивое движение, которое можно наблюдать с частицами размером около 5 мкм, было объяснено как результат бомбардировки частиц молекулами дисперсионной среды. Движение молекул невозможно наблюдать, потому что они слишком малы, чтобы их можно было увидеть. Скорость частиц увеличивается с уменьшением размера частиц. Увеличение вязкости среды, которое может быть достигнуто добавлением глицерина, снижает и, наконец, останавливает броуновское движение.
  • Распространение: Коллоидные частицы самопроизвольно диффундируют из области с более высокой концентрацией в область с более низкой концентрацией, пока концентрация системы не станет однородной во всем. Распространение — прямой результат броуновского движения. Диффузия коллоидных частиц регулируется законом, известным как первый закон диффузии Фика, который гласит, что количество вещества, диффундирующего в определенный момент времени через плоскость площади, прямо пропорционально изменению концентрации с обеих сторон.
  • Осмотическое давление: Осмотическое давление коллоидных частиц описывается уравнением Вант-Гоффа, π = cRT, где π — осмотическое давление, c — концентрация растворенного вещества в системе, R — универсальная газовая постоянная и T это температура. Согласно этому уравнению, осмотическое давление коллоидных частиц прямо пропорционально всем этим компонентам.
  • Осаждение: коллоидные частицы не имеют тенденции к осаждению, потому что частицы постоянно находятся в броуновском движении, как уже обсуждалось. Этого броуновского движения в коллоидных частицах достаточно, чтобы противостоять действующей на них гравитационной силе. Следовательно, необходимо приложить более сильную силу, чтобы вызвать осаждение коллоидных частиц количественным и измеримым образом. Это достигается за счет использования ультрацентрифуги, которая может создавать силу, в миллион раз превышающую силу тяжести.
  • Вязкость: Вязкость — это выражение сопротивления потоку системы под действием приложенного напряжения. Если жидкость более вязкая, требуется большее усилие, чтобы инициировать ее течение и регулировать его с определенной скоростью. Вязкость коллоидного раствора определяется уравнением, разработанным Эйнштейном, η = ηo (1 + 2,5ϕ), где y, ηo — вязкость дисперсионной среды, η — вязкость дисперсии, а φ — объемная доля.

  1. Электрические свойства коллоидных растворов.

  • Электрокинетические явления: движение заряженной поверхности по отношению к соседней жидкой фазе является основным принципом, лежащим в основе четырех электрокинетических явлений: электрофореза, электроосмоса, седиментационного потенциала и потенциала течения. Электрофорез — это явление движения заряженных частиц в жидкой среде под действием разности потенциалов. Электроосмос — это явление, при котором приложение потенциала заставляет заряженную частицу перемещаться относительно жидкости, которая является неподвижной. Седиментационный потенциал — это создание разности потенциалов, когда заряженные частицы подвергаются седиментации. Потенциал потока отличается от электроосмоса тем, что при принудительном протекании жидкости через пробку или слой частиц создается потенциал.
  • Равновесие мембраны Доннана: если хлорид натрия помещен в раствор с одной стороны полупроницаемой мембраны, а отрицательно заряженный коллоид вместе с его противоионами R-Na + помещен с другой стороны, ионы натрия и хлорида могут свободно проходить через барьер. но не коллоидные анионные частицы.

Важные вопросы

  1. Что такое пена? Приведите примеры. 

Ответ Пена — это газожидкостный раствор, в котором дисперсной средой является газ. Пример — крем для бритья, взбитые сливки.

  1. В чем разница между лиофильными коллоидами и лиофобными коллоидами?

Ответ Лиофильные коллоиды — это обратимые растворы с сильным взаимодействием между дисперсной фазой и дисперсионной средой. Они обладают высокой стабильностью и устойчивы к коагуляции. В то время как лиофобные коллоиды являются необратимыми растворами, они нестабильны и обладают слабыми силами Ван-дер-Ваальса притяжения между дисперсной фазой и дисперсионной средой. В результате они легко коагулируются.

  1. Что такое гели? Приведите пример.

Ответ Гели представляют собой тип золей, состоящих из двух или более фаз, где твердое вещество диспергировано в жидкой среде.

  1. Какой физический метод используется для получения металлических золей? 

Ответ Метод диспергирования Бредига используется для получения металлических золей, таких как золь золота, где частицы золота разрушаются так, что они приобретают размер частиц золя. Затем эти частицы погружают в необходимую дисперсионную среду для образования золей.

  1. Что вызывает эмульсию?

Ответ Когда две нерастворимые жидкости смешиваются вместе (в форме капель) для диспергирования одной жидкости в другой, это приводит к образованию эмульсии. Они могут быть масло-в-воде или вода-в-масле в зависимости от непрерывной фазы.