A kolloid rendszerek rendkívül fontosak minden ember életében. Ez nem csak annak a ténynek köszönhető, hogy egy élő szervezetben szinte minden biológiai folyadék kolloidot képez. De sok természeti jelenség (köd, szmog), talaj, ásványok, élelmiszerek, gyógyszerek is kolloid rendszer.
Az ilyen képződmények egysége, amely tükrözi összetételüket és sajátos tulajdonságaikat, makromolekulának vagy micellának tekinthető. Ez utóbbi szerkezete számos tényezőtől függ, de mindig többrétegű részecske. A modern molekuláris kinetikai elmélet a kolloid oldatokat a valódi oldatok speciális esetének tekinti, ahol az oldott anyag nagyobb részecskéi vannak.
Módszerek kolloid oldatok előállítására
A kolloid rendszer megjelenésekor kialakuló micella szerkezete részben ennek a folyamatnak a mechanizmusától függ. A kolloidok előállításának módszerei két alapvetően különböző csoportra oszthatók.
A diszperziós módszerek meglehetősen nagy részecskék őrléséhez kapcsolódnak. A folyamat mechanizmusától függően a következő módszereket különböztetjük meg.
- Finomítás. Elkészíthető szárazon illnedves módon. Az első esetben a szilárd anyagot először összetörik, és csak ezután adják hozzá a folyadékot. A második esetben az anyagot folyadékkal keverik, és csak ezután alakítják homogén keverékké. Az őrlés speciális malmokban történik.
- Duzzanat. Az őrlés annak köszönhető, hogy az oldószer részecskék behatolnak a diszpergált fázisba, ami a részecskék szétválásig történő tágulásával jár együtt.
- Diszperzió ultrahanggal. Az őrölendő anyagot folyadékba helyezzük, és ultrahanggal kezeljük.
- Elektromos sokk diszperzió. Igényes a fémszolok gyártásában. Ezt úgy hajtják végre, hogy diszpergálható fémből készült elektródákat helyeznek folyadékba, majd nagy feszültséget kapcsolnak rájuk. Ennek eredményeként feszültségív képződik, amelyben a fém permetezve, majd oldattá kondenzálódik.
Ezek a módszerek liofil és liofób kolloid részecskékre egyaránt alkalmasak. A micellaszerkezet kialakítása a szilárd anyag eredeti szerkezetének megsemmisítésével egyidejűleg történik.
Kondenzációs módszerek
A részecskenagyításon alapuló módszerek második csoportját kondenzációnak nevezik. Ez a folyamat fizikai vagy kémiai jelenségeken alapulhat. A fizikai kondenzációs módszerek a következők:
- Az oldószer cseréje. Ez abból adódik, hogy egy anyagot az egyik oldószerből, amelyben nagyon jól oldódik, átvisznek egy másikba, amelyben az oldhatóság sokkal kisebb. Ennek eredményeként kis részecskéknagyobb aggregátumokká egyesül, és kolloid oldat jelenik meg.
- Gõzkondenzáció. Példa erre a köd, amelynek részecskéi képesek leülepedni a hideg felületeken, és fokozatosan megnőnek.
A kémiai kondenzációs módszerek közé tartozik néhány kémiai reakció, amelyet összetett szerkezetű kicsapódás kísér:
- Ioncsere: NaCl + AgNO3=AgCl↓ + NaNO3.
- Redox folyamatok: 2H2S + O2=2S↓ + 2H2O.
- Hidrolízis: Al2S3 + 6H2O=2Al(OH) 3↓ + 3H2S.
A vegyi kondenzáció feltételei
A kémiai reakciók során keletkező micellák szerkezete a bennük résztvevő anyagok feleslegétől vagy hiányától függ. Ezenkívül a kolloid oldatok megjelenéséhez számos olyan körülmény betartása szükséges, amelyek megakadályozzák a nehezen oldódó vegyület kicsapódását:
- a kevert oldatok anyagtartalmának alacsonynak kell lennie;
- keverési sebességük alacsony legyen;
- az egyik megoldást túl kell venni.
Micella szerkezet
A micella fő része a mag. Egy oldhatatlan vegyület nagyszámú atomja, ionja és molekulája alkotja. Általában a magot kristályos szerkezet jellemzi. Az atommag felszínén szabadenergia-tartalék van, ami lehetővé teszi az ionok szelektív adszorbeálását a környezetből. Ez a folyamatengedelmeskedik a Peszkov-szabálynak, amely szerint a szilárd test felületén túlnyomórészt azok az ionok adszorbeálódnak, amelyek képesek saját kristályrácsot kiépíteni. Ez akkor lehetséges, ha ezek az ionok rokonok vagy hasonlóak természetükben és alakjukban (méretükben).
Az adszorpció során a micellamagon pozitív vagy negatív töltésű ionokból álló réteg képződik, úgynevezett potenciálmeghatározó ionok. Az elektrosztatikus erők hatására a keletkező töltött aggregátum ellenionokat (ellentétes töltésű ionokat) vonz ki az oldatból. Így a kolloid részecskék többrétegű szerkezettel rendelkeznek. A micella egy dielektromos réteget vesz fel, amely kétféle ellentétes töltésű ionból épül fel.
Hydrosol BaSO4
Példaként célszerű megvizsgálni egy bárium-szulfát-micella szerkezetét egy bárium-klorid feleslegében előállított kolloid oldatban. Ez a folyamat megfelel a következő reakcióegyenletnek:
BaCl2(p) + Na2SO4(p)=BaSO 4(t) + 2NaCl(p).
Vízben enyhén oldódó bárium-szulfát mikrokristályos aggregátumot képez, amely m-edik számú BaSO-molekulából épül fel4. Ennek az aggregátumnak a felülete adszorbeálja az n-edik mennyiségű Ba2+ iont. 2(n - x) Cl- ion kapcsolódik a potenciál meghatározó ionok rétegéhez. A többi ellenion (2x) pedig a diffúz rétegben található. Ez azt jelenti, hogy ennek a micellának a szemcséje pozitív töltésű lesz.
Ha nátrium-szulfátot feleslegben veszünk be, akkora potenciált meghatározó ionok SO42- ionok, az ellenionok pedig Na+. Ebben az esetben a szemcse töltése negatív lesz.
Ez a példa egyértelműen bizonyítja, hogy a micella granulátum töltésének előjele közvetlenül függ az előállítás körülményeitől.
Micellák rögzítése
Az előző példa azt mutatta, hogy a micellák kémiai szerkezetét és az azt tükröző képletet a feleslegben vett anyag határozza meg. Tekintsük a kolloid részecskék egyes részeinek nevének felírásának módjait a réz-szulfid-hidroszol példáján. Elkészítéséhez nátrium-szulfid-oldatot lassan öntsünk fölös mennyiségű réz-klorid oldatba:
CuCl2 + Na2S=CuS↓ + 2NaCl.
A CuCl-t meghaladó mennyiségben kapott CuS-micella szerkezete2 a következőképpen van felírva:
{[mCuS]·nCu2+·xCl-}+(2n-x)·(2n-x)Cl-.
A kolloid részecske szerkezeti részei
Szögletes zárójelbe írja be egy nehezen oldódó vegyület képletét, amely a teljes részecske alapja! Általában aggregátumnak nevezik. Általában az aggregátumot alkotó molekulák számát latin m betűvel írjuk.
A potenciálisan meghatározó ionok feleslegben vannak az oldatban. Az aggregátum felületén helyezkednek el, és a képletben közvetlenül a szögletes zárójelek után vannak írva. Ezen ionok számát n jellel jelöljük. Ezeknek az ionoknak a neve arra utal, hogy töltésük határozza meg a micella granulátum töltését.
A granulátumot egy mag és egy rész alkotjaellenionok az adszorpciós rétegben. A szemcsetöltés értéke megegyezik a potenciált meghatározó és adszorbeált ellenionok töltéseinek összegével: +(2n – x). Az ellenionok fennmaradó része a diffúz rétegben van, és kompenzálja a granulátum töltését.
Ha a Na2S-t feleslegben vennénk, akkor a kialakult kolloid micellára a szerkezeti séma így nézne ki:
{[m(CuS)]∙nS2–∙xNa+}–(2n – x) ∙(2n – x)Na+.
felületaktív anyagok micellái
Abban az esetben, ha a felületaktív anyagok (felületaktív anyagok) koncentrációja a vízben túl magas, molekuláik (vagy ionjaik) aggregátumok képződhetnek. Ezek a megnagyobbodott részecskék gömb alakúak, és Gartley-Rebinder micelláknak nevezik. Meg kell jegyezni, hogy nem minden felületaktív anyag rendelkezik ezzel a képességgel, hanem csak azok, amelyekben a hidrofób és hidrofil részek aránya optimális. Ezt az arányt hidrofil-lipofil egyensúlynak nevezzük. Szintén jelentős szerepet játszik poláris csoportjaik azon képessége, hogy megvédjék a szénhidrogénmagot a víztől.
A felületaktív anyag molekulák aggregátumai bizonyos törvények szerint képződnek:
- ellentétben a kis molekulatömegű anyagokkal, amelyek aggregátumai eltérő számú molekulát tartalmazhatnak, a felületaktív micellák létezése szigorúan meghatározott számú molekulával lehetséges;
- ha szervetlen anyagoknál a micellizáció kezdetét az oldhatósági határ határozza meg, akkor a szerves felületaktív anyagoknál a micellizáció kritikus koncentrációinak elérése;
- először megnő a micellák száma az oldatban, majd a méretük nő.
A koncentráció hatása a micella alakjára
A felületaktív micellák szerkezetét az oldatban való koncentrációjuk befolyásolja. Egyes értékeinek elérésekor a kolloid részecskék kölcsönhatásba lépnek egymással. Ennek következtében alakjuk a következőképpen változik:
- a gömb ellipszoiddá, majd hengerré változik;
- a hengerek nagy koncentrációja hatszögletű fázis kialakulásához vezet;
- egyes esetekben lamellás fázis és szilárd kristály (szappanszemcsék) jelennek meg.
Micellák típusai
A belső szerkezet felépítésének sajátosságai szerint háromféle kolloid rendszert különböztetnek meg: szuszpenzoidok, micellás kolloidok, molekuláris kolloidok.
A szuszpenzoidok lehetnek irreverzibilis kolloidok, valamint liofób kolloidok. Ez a szerkezet jellemző a fémek, valamint vegyületeik (különböző oxidok és sók) oldataira. A szuszpenzoidok által alkotott diszpergált fázis szerkezete nem különbözik a tömör anyag szerkezetétől. Molekuláris vagy ionos kristályrácsa van. A szuszpenziókhoz képest nagyobb a diszperzió. Az irreverzibilitás abban nyilvánul meg, hogy oldataik bepárlás után száraz csapadékot képeznek, amely egyszerű oldással nem alakítható szollá. Liofóbnak nevezik őket a diszpergált fázis és a diszperziós közeg közötti gyenge kölcsönhatás miatt.
A micelláris kolloidok olyan oldatok, amelyekben kolloid részecskék képződnekpoláris atomcsoportokat és nem poláris gyököket tartalmazó difil molekulák ragasztásakor. Ilyenek például a szappanok és a felületaktív anyagok. Az ilyen micellákban lévő molekulákat diszperziós erők tartják vissza. Ezeknek a kolloidoknak az alakja nemcsak gömb alakú, hanem lamellás is lehet.
A molekuláris kolloidok meglehetősen stabilak stabilizátorok nélkül. Szerkezeti egységeik egyedi makromolekulák. A kolloid részecskék alakja a molekula tulajdonságaitól és az intramolekuláris kölcsönhatásoktól függően változhat. Tehát egy lineáris molekula rudat vagy tekercset alkothat.
