Koloidné systémy sú mimoriadne dôležité v živote každého človeka. Je to spôsobené nielen tým, že takmer všetky biologické tekutiny v živom organizme tvoria koloidy. Ale mnohé prírodné javy (hmla, smog), pôda, minerály, potraviny, lieky sú tiež koloidné systémy.
Jednotka takýchto útvarov, odrážajúca ich zloženie a špecifické vlastnosti, sa považuje za makromolekula alebo micela. Štruktúra posledne menovaného závisí od množstva faktorov, ale vždy ide o viacvrstvovú časticu. Moderná molekulárna kinetická teória považuje koloidné roztoky za špeciálny prípad skutočných roztokov s väčšími časticami rozpustenej látky.
Metódy na získanie koloidných roztokov
Štruktúra micely, ktorá sa vytvorí, keď sa objaví koloidný systém, čiastočne závisí od mechanizmu tohto procesu. Metódy získavania koloidov sú rozdelené do dvoch zásadne odlišných skupín.
Disperzné metódy sú spojené s mletím pomerne veľkých častíc. V závislosti od mechanizmu tohto procesu sa rozlišujú nasledujúce metódy.
- Rafinácia. Dá sa robiť nasucho respmokrou cestou. V prvom prípade sa najprv rozdrví pevná látka a až potom sa pridá kvapalina. V druhom prípade sa látka zmieša s kvapalinou a až potom sa premení na homogénnu zmes. Mletie sa vykonáva v špeciálnych mlynoch.
- Opuch. Mletie je dosiahnuté vďaka tomu, že častice rozpúšťadla prenikajú do dispergovanej fázy, čo je sprevádzané expanziou jej častíc až po separáciu.
- Disperzia pomocou ultrazvuku. Materiál, ktorý sa má rozomlieť, sa umiestni do kvapaliny a sonikuje.
- Rozptyľovanie elektrického šoku. Požadované pri výrobe kovových sólov. Vykonáva sa umiestnením elektród vyrobených z dispergovateľného kovu do kvapaliny a následným privedením vysokého napätia na ne. V dôsledku toho sa vytvorí elektrický oblúk, v ktorom sa kov rozpráši a potom kondenzuje do roztoku.
Tieto metódy sú vhodné pre lyofilné aj lyofóbne koloidné častice. Micelová štruktúra sa uskutočňuje súčasne s deštrukciou pôvodnej štruktúry pevnej látky.
Metódy kondenzácie
Druhá skupina metód založených na zväčšovaní častíc sa nazýva kondenzácia. Tento proces môže byť založený na fyzikálnych alebo chemických javoch. Metódy fyzickej kondenzácie zahŕňajú nasledujúce.
- Výmena rozpúšťadla. Ide o prenos látky z jedného rozpúšťadla, v ktorom sa veľmi dobre rozpúšťa, do iného, v ktorom je rozpustnosť oveľa nižšia. V dôsledku toho malé časticespojí sa do väčších agregátov a objaví sa koloidný roztok.
- Kondenzácia pár. Príkladom sú hmly, ktorých častice sa dokážu usadiť na studených povrchoch a postupne sa zväčšujú.
Metódy chemickej kondenzácie zahŕňajú niektoré chemické reakcie sprevádzané precipitáciou komplexnej štruktúry:
- Výmena iónov: NaCl + AgNO3=AgCl↓ + NaNO3.
- Redox procesy: 2H2S + O2=2S↓ + 2H2O.
- Hydrolýza: Al2S3 + 6H2O=2Al(OH) 3↓ + 3H2S.
Podmienky chemickej kondenzácie
Štruktúra miciel vytvorených počas týchto chemických reakcií závisí od nadbytku alebo nedostatku látok, ktoré sú v nich zahrnuté. Pre vznik koloidných roztokov je tiež potrebné dodržať niekoľko podmienok, ktoré bránia vyzrážaniu ťažko rozpustnej zlúčeniny:
- obsah látok v zmiešaných roztokoch by mal byť nízky;
- ich rýchlosť miešania by mala byť nízka;
- jedno z riešení by sa malo použiť v nadmernom množstve.
Micelová štruktúra
Hlavnou časťou micely je jadro. Tvorí ho veľké množstvo atómov, iónov a molekúl nerozpustnej zlúčeniny. Zvyčajne sa jadro vyznačuje kryštalickou štruktúrou. Povrch jadra má rezervu voľnej energie, ktorá umožňuje selektívne adsorbovať ióny z prostredia. Tento procesdodržiava Peskovovo pravidlo, ktoré hovorí: na povrchu pevnej látky sú prevažne adsorbované tie ióny, ktoré sú schopné dokončiť svoju vlastnú kryštálovú mriežku. Je to možné, ak sú tieto ióny príbuzné alebo podobné svojou povahou a tvarom (veľkosťou).
Počas adsorpcie sa na jadre micely vytvorí vrstva kladne alebo záporne nabitých iónov, nazývaných ióny určujúce potenciál. V dôsledku elektrostatických síl výsledný nabitý agregát priťahuje protiióny (ióny s opačným nábojom) z roztoku. Koloidná častica má teda viacvrstvovú štruktúru. Micela získava dielektrickú vrstvu vytvorenú z dvoch typov opačne nabitých iónov.
Hydrosol BaSO4
Ako príklad je vhodné zvážiť štruktúru micely síranu bárnatého v koloidnom roztoku pripravenom v nadbytku chloridu bárnatého. Tento proces zodpovedá reakčnej rovnici:
BaCl2(p) + Na2SO4(p)=BaSO 4(t) + 2NaCl(p).
Síran bárnatý, mierne rozpustný vo vode, tvorí mikrokryštalický agregát vytvorený z m-tého počtu molekúl BaSO4. Povrch tohto agregátu adsorbuje n-té množstvo iónov Ba2+. 2(n - x) Cl- ióny sú spojené s vrstvou iónov určujúcich potenciál. A zvyšok protiiónov (2x) sa nachádza v difúznej vrstve. To znamená, že granule tejto micely budú pozitívne nabité.
Ak sa síran sodný užíva v nadbytku, potompotenciálne určujúce ióny budú SO42- ióny a protiióny budú Na+. V tomto prípade bude náboj granule záporný.
Tento príklad jasne ukazuje, že znamienko náboja micelárnej granule priamo závisí od podmienok jej prípravy.
Nahrávacie micely
Predchádzajúci príklad ukázal, že chemická štruktúra miciel a vzorec, ktorý ju odráža, sú určené látkou, ktorá sa prijíma v nadbytku. Uvažujme o spôsoboch zápisu názvov jednotlivých častí koloidnej častice na príklade hydrosólu sulfidu meďnatého. Na jeho prípravu sa roztok sulfidu sodného pomaly naleje do prebytočného množstva roztoku chloridu meďnatého:
CuCl2 + Na2S=CuS↓ + 2NaCl.
Štruktúra CuS micely získanej v nadbytku CuCl2 je napísaná takto:
{[mCuS]·nCu2+·xCl-+(2n-x)·(2n-x)Cl-.
Štrukturálne časti koloidnej častice
Do hranatých zátvoriek napíšte vzorec ťažko rozpustnej zlúčeniny, ktorá je základom celej častice. Bežne sa nazýva agregát. Zvyčajne sa počet molekúl, ktoré tvoria agregát, zapisuje latinským písmenom m.
Potenciálne určujúce ióny sú v roztoku obsiahnuté v nadbytku. Nachádzajú sa na povrchu kameniva a vo vzorci sú napísané hneď za hranatými zátvorkami. Počet týchto iónov je označený symbolom n. Názov týchto iónov naznačuje, že ich náboj určuje náboj micelárnej granule.
Granula je tvorená jadrom a časťouprotiióny v adsorpčnej vrstve. Hodnota náboja granúl sa rovná súčtu nábojov potenciálne určujúcich a adsorbovaných protiiónov: +(2n – x). Zostávajúca časť protiiónov je v difúznej vrstve a kompenzuje náboj granule.
Ak sa Na2S vezme v nadbytku, potom pre vytvorenú koloidnú micelu bude štruktúra štruktúry vyzerať takto:
{[m(CuS)]∙nS2–∙xNa+–(2n – x) ∙(2n – x)Na+.
Micely povrchovo aktívnych látok
V prípade, že je koncentrácia povrchovo aktívnych látok (tenzidov) vo vode príliš vysoká, môžu sa začať vytvárať agregáty ich molekúl (alebo iónov). Tieto zväčšené častice majú tvar gule a nazývajú sa Gartley-Rebinder micely. Treba si uvedomiť, že túto schopnosť nemajú všetky povrchovo aktívne látky, ale len tie, v ktorých je pomer hydrofóbnej a hydrofilnej časti optimálny. Tento pomer sa nazýva hydrofilno-lipofilná rovnováha. Významnú úlohu zohráva aj schopnosť ich polárnych skupín chrániť uhľovodíkové jadro pred vodou.
Agregáty molekúl povrchovo aktívnych látok sa tvoria podľa určitých zákonov:
- na rozdiel od nízkomolekulových látok, ktorých agregáty môžu obsahovať rôzny počet molekúl m, je existencia povrchovo aktívnych miciel možná s presne definovaným počtom molekúl;
- ak je pre anorganické látky začiatok micelizácie určený limitom rozpustnosti, potom pre organické povrchovo aktívne látky je určený dosiahnutím kritických koncentrácií micelizácie;
- najprv sa zvýši počet miciel v roztoku a potom sa zväčší ich veľkosť.
Vplyv koncentrácie na tvar miciel
Štruktúra miciel povrchovo aktívnych látok je ovplyvnená ich koncentráciou v roztoku. Po dosiahnutí niektorej zo svojich hodnôt začnú koloidné častice navzájom interagovať. To spôsobí, že sa ich tvar zmení takto:
- guľa sa zmení na elipsoid a potom na valec;
- vysoká koncentrácia valcov vedie k vytvoreniu hexagonálnej fázy;
- v niektorých prípadoch sa objaví lamelárna fáza a pevný kryštál (častice mydla).
Typy miciel
Podľa zvláštností organizácie vnútornej štruktúry sa rozlišujú tri typy koloidných systémov: suspenzoidy, micelárne koloidy, molekulárne koloidy.
Suspenzoidy môžu byť ireverzibilné koloidy, ako aj lyofóbne koloidy. Táto štruktúra je typická pre roztoky kovov, ako aj ich zlúčenín (rôzne oxidy a soli). Štruktúra dispergovanej fázy tvorenej suspenzoidmi sa nelíši od štruktúry kompaktnej látky. Má molekulárnu alebo iónovú kryštálovú mriežku. Rozdiel oproti suspenziám je vo vyššej disperzii. Nevratnosť sa prejavuje v schopnosti ich roztokov po odparení vytvárať suchú zrazeninu, ktorá sa nedá premeniť na sól jednoduchým rozpustením. Nazývajú sa lyofóbne kvôli slabej interakcii medzi dispergovanou fázou a disperzným médiom.
Micelárne koloidy sú roztoky, v ktorých sa tvoria koloidné časticepri nalepovaní difilných molekúl obsahujúcich polárne skupiny atómov a nepolárne radikály. Príkladmi sú mydlá a povrchovo aktívne látky. Molekuly v takýchto micelách sú držané disperznými silami. Tvar týchto koloidov môže byť nielen guľovitý, ale aj lamelárny.
Molekulové koloidy sú celkom stabilné bez stabilizátorov. Ich štruktúrnymi jednotkami sú jednotlivé makromolekuly. Tvar koloidnej častice sa môže meniť v závislosti od vlastností molekuly a intramolekulárnych interakcií. Takže lineárna molekula môže vytvoriť tyčinku alebo cievku.
