Kolloidsüsteemid on iga inimese elus äärmiselt olulised. See ei tulene mitte ainult asjaolust, et peaaegu kõik elusorganismis olevad bioloogilised vedelikud moodustavad kolloide. Kuid paljud loodusnähtused (udu, sudu), pinnas, mineraalid, toit, ravimid on samuti kolloidsed süsteemid.
Selliste moodustiste ühikuks, mis peegeldab nende koostist ja spetsiifilisi omadusi, peetakse makromolekuli ehk mitselli. Viimase struktuur sõltub paljudest teguritest, kuid see on alati mitmekihiline osake. Kaasaegne molekulaarkineetiline teooria käsitleb kolloidseid lahuseid tõeliste lahuste erijuhtumina, kus lahustunud aine osakesed on suuremad.
Meetodid kolloidlahuste saamiseks
Kolloidsüsteemi tekkimisel moodustunud mitselli struktuur sõltub osaliselt selle protsessi mehhanismist. Kolloidide saamise meetodid jagunevad kahte põhimõtteliselt erinevasse rühma.
Dispersioonimeetodeid seostatakse üsna suurte osakeste peenestamisega. Sõltuv alt selle protsessi mehhanismist eristatakse järgmisi meetodeid.
- Rafineerimine. Võib teha kuiv alt võimärg tee. Esimesel juhul purustatakse kõigepe alt tahke aine ja alles seejärel lisatakse vedelik. Teisel juhul segatakse aine vedelikuga ja alles pärast seda muudetakse see homogeenseks seguks. Jahvatamine toimub spetsiaalsetes veskites.
- Turse. Jahvatamine saavutatakse tänu sellele, et lahustiosakesed tungivad hajutatud faasi, millega kaasneb selle osakeste paisumine kuni eraldumiseni.
- Hajutamine ultraheli abil. Jahvatatav materjal asetatakse vedelikku ja töödeldakse ultraheliga.
- Elektrilöögi dispersioon. Nõutud metallsoolide tootmisel. See viiakse läbi, asetades dispergeeruvast metallist valmistatud elektroodid vedelikku, millele järgneb kõrgepinge rakendamine. Selle tulemusena tekib voltikaar, milles metalli pihustatakse ja see seejärel kondenseerub lahuseks.
Need meetodid sobivad nii lüofiilsete kui ka lüofoobsete kolloidosakeste jaoks. Mitsellide struktuur viiakse läbi samaaegselt tahke aine algse struktuuri hävitamisega.
Kondensatsioonimeetodid
Teist osakeste suurendamisel põhinevate meetodite rühma nimetatakse kondensatsiooniks. See protsess võib põhineda füüsikalistel või keemilistel nähtustel. Füüsikalised kondensatsioonimeetodid hõlmavad järgmist.
- Lahusti asendamine. See taandub aine ülekandmisele ühest lahustist, milles see väga hästi lahustub, teise, milles lahustuvus on palju madalam. Selle tulemusena väikesed osakesedühineb suuremateks agregaatideks ja tekib kolloidne lahus.
- Aurude kondenseerumine. Näiteks võib tuua udu, mille osakesed suudavad settida külmadele pindadele ja kasvada järk-järgult suuremaks.
Keemilised kondensatsioonimeetodid hõlmavad mõningaid keemilisi reaktsioone, millega kaasneb keeruka struktuuri sadenemine:
- Ioonivahetus: NaCl + AgNO3=AgCl↓ + NaNO3.
- Redoksprotsessid: 2H2S + O2=2S↓ + 2H2O.
- Hüdrolüüs: Al2S3 + 6H2O=2Al(OH) 3↓ + 3H2S.
Keemilise kondenseerumise tingimused
Nende keemiliste reaktsioonide käigus moodustunud mitsellide struktuur sõltub neis osalevate ainete liiast või puudusest. Samuti on kolloidsete lahuste ilmnemisel vaja järgida mitmeid tingimusi, mis takistavad halvasti lahustuva ühendi sadenemist:
- ainete sisaldus segalahustes peaks olema madal;
- nende segamiskiirus peaks olema väike;
- üks lahendustest tuleks võtta üle.
Miselli struktuur
Mitselli põhiosa on tuum. Selle moodustavad lahustumatu ühendi suur hulk aatomeid, ioone ja molekule. Tavaliselt iseloomustab südamikku kristalne struktuur. Tuuma pinnal on vaba energia reserv, mis võimaldab valikuliselt adsorbeerida ioone keskkonnast. See protsessjärgib Peskovi reeglit, mis ütleb: tahke aine pinnal on valdav alt adsorbeerunud need ioonid, mis on võimelised moodustama oma kristallvõre. See on võimalik, kui need ioonid on oma olemuselt ja kujult (suuruselt) sarnased või sarnased.
Adsorptsiooni käigus moodustub mitselli südamikule positiivse või negatiivse laenguga ioonide kiht, mida nimetatakse potentsiaali määravateks ioonideks. Elektrostaatiliste jõudude toimel tõmbab tekkiv laetud agregaat lahusest endasse vastasioonid (vastupidise laenguga ioonid). Seega on kolloidosakesel mitmekihiline struktuur. Mitsell omandab dielektrilise kihi, mis on ehitatud kahte tüüpi vastupidiselt laetud ioonidest.
Hydrosol BaSO4
Näitena on mugav vaadelda baariumsulfaadi mitselli struktuuri baariumkloriidi liias valmistatud kolloidlahuses. See protsess vastab reaktsioonivõrrandile:
BaCl2(p) + Na2SO4(p)=BaSO 4(t) + 2NaCl(p).
Vees kergelt lahustuv baariumsulfaat moodustab mikrokristallilise agregaadi, mis on ehitatud BaSO molekulide m-ndast arvust4. Selle agregaadi pind adsorbeerib n-nda koguse Ba2+ ioone. 2(n - x) Cl- iooni on ühendatud potentsiaali määravate ioonide kihiga. Ja ülejäänud vastasioonid (2x) asuvad hajuskihis. See tähendab, et selle mitselli graanulid on positiivselt laetud.
Kui naatriumsulfaati võetakse liiga palju, siispotentsiaali määravad ioonid on SO42- ioonid ja vastasioonid on Na+. Sel juhul on graanuli laeng negatiivne.
See näide näitab selgelt, et mitselligraanuli laengu märk sõltub otseselt selle valmistamise tingimustest.
Mitsellide salvestamine
Eelmine näide näitas, et mitsellide keemiline struktuur ja seda peegeldav valem on määratud ainega, mida võetakse üle. Vaatleme võimalusi kolloidosakeste üksikute osade nimetuste kirjutamiseks vasksulfiidhüdrosooli näitel. Selle valmistamiseks valatakse naatriumsulfiidi lahus aeglaselt üleliigsesse vaskkloriidi lahusesse:
CuCl2 + Na2S=CuS↓ + 2NaCl.
CuS mitselli struktuur, mis on saadud üle CuCl2, on kirjutatud järgmiselt:
{[mCuS]·nCu2+·xCl-}+(2n-x)·(2n-x)Cl-.
Kolloidosakese struktuursed osad
Kirjutage nurksulgudesse halvasti lahustuva ühendi valem, mis on kogu osakese aluseks. Seda nimetatakse tavaliselt agregaadiks. Tavaliselt kirjutatakse agregaadi moodustavate molekulide arv ladina tähega m.
Potentsiaali määravaid ioone on lahuses liias. Need asuvad täitematerjali pinnal ja valemis kirjutatakse need kohe nurksulgude järele. Nende ioonide arv on tähistatud sümboliga n. Nende ioonide nimetus näitab, et nende laeng määrab mitselligraanuli laengu.
Graanuli moodustavad südamik ja osavastasioonid adsorptsioonikihis. Graanulilaengu väärtus võrdub potentsiaali määravate ja adsorbeerunud vastasioonide laengute summaga: +(2n – x). Ülejäänud osa vastasioonidest on hajuskihis ja kompenseerib graanuli laengut.
Kui Na2S võtta liiast, siis moodustunud kolloidmitselli puhul näeks struktuuriskeem välja järgmine:
{[m(CuS)]∙nS2–∙xNa+}–(2n – x) ∙(2n – x)Na+.
Pindaktiivsete ainete mitsellid
Kui pindaktiivsete ainete (pindaktiivsete ainete) kontsentratsioon vees on liiga kõrge, võivad tekkida nende molekulide (või ioonide) agregaadid. Need suurendatud osakesed on sfääri kujulised ja neid nimetatakse Gartley-Rebinderi mitsellideks. Tuleb märkida, et mitte kõigil pindaktiivsetel ainetel pole seda võimet, vaid ainult neil, milles hüdrofoobsete ja hüdrofiilsete osade suhe on optimaalne. Seda suhet nimetatakse hüdrofiilsus-lipofiilseks tasakaaluks. Olulist rolli mängib ka nende polaarsete rühmade võime kaitsta süsivesiniku südamikku vee eest.
Pindaktiivsete ainete molekulide agregaadid moodustuvad teatud seaduste järgi:
- erinev alt madala molekulmassiga ainetest, mille agregaadid võivad sisaldada erinevat arvu molekule m, on pindaktiivsete ainete mitsellide olemasolu võimalik rangelt määratletud molekulide arvuga;
- kui anorgaaniliste ainete puhul määrab mitsellistumise alguse lahustuvuspiir, siis orgaaniliste pindaktiivsete ainete puhul määrab selle mitsellistumise kriitiliste kontsentratsioonide saavutamine;
- esm alt suureneb mitsellide arv lahuses ja seejärel suureneb nende suurus.
Kontsentratsiooni mõju mitselli kujule
Pindaktiivsete ainete mitsellide struktuuri mõjutab nende kontsentratsioon lahuses. Mõne väärtuse saavutamisel hakkavad kolloidosakesed üksteisega suhtlema. See muudab nende kuju järgmiselt:
- kera muutub ellipsoidiks ja seejärel silindriks;
- silindrite kõrge kontsentratsioon viib kuusnurkse faasi moodustumiseni;
- mõnel juhul ilmuvad lamellfaas ja tahked kristallid (seebiosakesed).
Mitsellide tüübid
Sisestruktuuri korralduse iseärasuste järgi eristatakse kolme tüüpi kolloidsüsteeme: suspensioonid, mitsellkolloidid, molekulaarsed kolloidid.
Suspensoidid võivad olla pöördumatud kolloidid, aga ka lüofoobsed kolloidid. Selline struktuur on tüüpiline metallide, aga ka nende ühendite (erinevad oksiidid ja soolad) lahustele. Suspensoidide poolt moodustatud hajutatud faasi struktuur ei erine kompaktse aine struktuurist. Sellel on molekulaarne või ioonne kristallvõre. Erinevus suspensioonidest on suurem dispersioon. Pöördumatus väljendub nende lahuste võimes pärast aurustamist moodustada kuiv sade, mida ei saa lihtsa lahustamisega muuta sooliks. Neid nimetatakse lüofoobseteks, kuna dispergeeritud faasi ja dispersioonikeskkonna vahel on nõrk interaktsioon.
Mitsellkolloidid on lahused, mille kolloidosakesed moodustuvadpolaarseid aatomirühmi ja mittepolaarseid radikaale sisaldavate difiilsete molekulide kleepimisel. Näiteks seebid ja pindaktiivsed ained. Selliste mitsellide molekule hoiavad dispersioonijõud. Nende kolloidide kuju võib olla mitte ainult sfääriline, vaid ka lamelljas.
Molekulaarsed kolloidid on ilma stabilisaatoriteta üsna stabiilsed. Nende struktuuriüksusteks on üksikud makromolekulid. Kolloidosakese kuju võib varieeruda sõltuv alt molekuli omadustest ja molekulisisesest interaktsioonist. Seega võib lineaarne molekul moodustada varda või mähise.
