close

Коллоид

Перейти к навигации Перейти к поиску
Image
Пивная пена представляет собой коллоидную систему.

В физике и химии коллоид , коллоидная система , коллоидная суспензия или коллоидная дисперсия — это система, состоящая из двух или более фаз , обычно одна жидкая (жидкая или газообразная), а другая диспергирована в виде, как правило , очень мелких твердых частиц , с диаметром от 10 -9 до 10 -5 м . [ 1 ] Дисперсная фаза – это та, которая находится в наименьшей пропорции. Обычно сплошная фаза жидкая , но встречаются коллоиды, компоненты которых находятся в других агрегатных состояниях вещества .

Название коллоида происходит от греческого корня «колас» , что означает «прилипающий». Это название относится к одному из основных свойств коллоидов: их спонтанной склонности к агрегации или образованию сгустков . Отсюда и произошло слово «клей» — пастообразная жидкость, используемая для склеивания. Коллоиды также влияют на температуру кипения воды и являются загрязнителями . Коллоиды отличаются от химических суспензий прежде всего размерами частиц дисперсной фазы. Частицы в коллоидах не видны непосредственно, они видны на микроскопическом уровне (от 1  нм до 1  мкм ), а в химических суспензиях они видны на макроскопическом уровне (более 1 мкм). Кроме того, при стоянии фазы химической суспензии разделяются, а фазы коллоида - нет. Химическая суспензия фильтруется , а коллоид не фильтруется.

Коллоидные системы представляют собой негомогенные системы, в которых составляющие частицы одного или нескольких их компонентов (дисперсная или дисперсоидная фаза) имеют размеры от 10 до 2000 Å , а остальные компоненты состоят из частиц размером менее примерно 10 Å (дисперсионная фаза или дисперсионная среда). [ 2 ]

Коллоидные частицы обладают промежуточными свойствами между химическими растворами и суспензиями; они диспергируются, не связываясь с молекулами растворителя , и не оседают в состоянии покоя. [ 3 ]

В некоторых случаях частицы представляют собой большие молекулы , например белки . В водной фазе молекула сворачивается таким образом, что ее гидрофильная часть оказывается снаружи, то есть та часть, которая может образовывать взаимодействия с молекулами воды за счет ионно-дипольных сил или сил водородных связей, перемещается наружу. молекула. Коллоиды могут иметь определенную вязкость (вязкость – это внутреннее сопротивление, оказываемое жидкостью: жидкостью или газом относительному движению ее молекул).

Типы коллоидов

Коллоиды классифицируют по величине притяжения между дисперсной фазой и непрерывной или диспергирующей фазой. Если последняя является жидкой, коллоидные системы относятся к категории «золей» и подразделяются на «лиофобные» (слабое притяжение между дисперсной фазой и дисперсионной средой) и «лиофильные» (большое притяжение между дисперсной фазой и дисперсионной средой). В лиофильных коллоидах дисперсная фаза и диспергирующая среда связаны между собой, поэтому они образуют истинные растворы и термодинамически устойчивы; в то время как лиофобные коллоиды - это коллоиды, в которых дисперсная фаза и дисперсионная среда не связаны, они могут образовывать две фазы и кинетически стабильны. Фундаментальной характеристикой лиофобных коллоидов является то, что они не являются термодинамически стабильными, как упоминалось выше, хотя обладают кинетической стабильностью, которая позволяет им оставаться в диспергированном состоянии в течение длительных периодов времени. Коллоидные частицы достаточно малы, чтобы их поведение контролировалось броуновским движением, а не макроскопическими эффектами, такими как гравитационные силы. При добавлении определенного количества электролита они могут коагулировать, количество зависит от валентности и природы электролита. Относительно классификации коллоидов следует также отметить, что, если диспергирующей средой является вода, их называют «гидрофобными» (отталкивающими воду) и «гидрофильными» (притягивающимися к воде).

В следующей таблице перечислены различные типы коллоидов в зависимости от состояния их непрерывной и дисперсной фаз: [ 4 ]

  дисперсная фаза
Газ Жидкость Твердый
непрерывная фаза Газ Это невозможно, потому что все газы растворимы друг в друге. жидкий спрей ,

Примеры: туман , мгла

твердый спрей,

Примеры: дым , взвешенная пыль .

Жидкость пена ,

Примеры: пена для бритья, крем.

эмульсия ,

Примеры: молоко , майонезный соус , косметические кремы .

 Солнце ,

Примеры: картины , тушь .

Твердый твердая пена ,

Примеры: пемза , аэрогели , безе.

гель ,

Примеры: желе , мармеладный мишка , сыр .

сплошное солнце ,

Примеры: кристалл рубина


В принципе не существует фиксированного правила, устанавливающего агрегатное состояние, в котором должны находиться и дисперсная фаза, и диспергирующая среда. Следовательно, возможны все мыслимые комбинации, как показано в таблице выше.

В настоящее время, благодаря промышленному и биомедицинскому применению, изучение коллоидов приобрело большое значение в физической химии и прикладной физике . Таким образом, многочисленные исследовательские группы по всему миру занимаются изучением оптических , акустических свойств, свойств стабильности и их поведения во внешних полях. В частности, электрокинетическое поведение (в основном измерения электрофоретической подвижности ) или электропроводность всей суспензии.

В целом изучение коллоидов носит экспериментальный характер, хотя большие усилия прилагаются и в теоретических исследованиях, а также в разработке компьютерных моделей их поведения. Для большинства коллоидных явлений, таких как проводимость и электрофоретическая подвижность , эти теории лишь качественно воспроизводят действительность, но количественное совпадение еще не вполне удовлетворительно.

Подготовка

Существует два основных способа приготовления коллоидов: [ 5 ]

  • Диспергирование крупных частиц или капель до коллоидных размеров путем измельчения, распыления или применения сдвиговых усилий (например, встряхивания, смешивания или перемешивания с большими сдвиговыми усилиями).
  • Конденсация малых растворенных молекул в более крупные коллоидные частицы путем осаждения, конденсации или окислительно-восстановительных реакций. Эти процессы используются при получении коллоидного кремнезема или коллоидного золота.

Стабилизация

Устойчивость коллоидной системы определяется частицами, которые остаются взвешенными в растворе, и зависит от сил взаимодействия между частицами. К ним относятся электростатические взаимодействия и силы Ван-дер-Ваальса, поскольку оба они вносят вклад в общую свободную энергию системы. [ 6 ]

Коллоид стабилен, если энергия взаимодействия за счет сил притяжения между коллоидными частицами меньше kT , где k — постоянная Больцмана, а T — абсолютная температура . В этом случае коллоидные частицы будут отталкиваться или слабо притягиваться друг к другу, а вещество останется во взвешенном состоянии.

Если энергия взаимодействия больше kT, силы притяжения будут преобладать, и коллоидные частицы начнут слипаться. Этот процесс обычно называют агрегацией, но его также называют флокуляцией , коагуляцией или осаждением. [ 7 ] Хотя эти термины часто используются взаимозаменяемо, для некоторых определений они имеют немного разные значения. Например, коагуляцию можно использовать для описания необратимой постоянной агрегации, при которой силы, удерживающие частицы вместе, сильнее, чем любые внешние силы, вызванные взбалтыванием или перемешиванием. Флокуляцию можно использовать для описания обратимой агрегации с участием более слабых сил притяжения, и такой агрегат обычно называют хлопьем. Термин «осаждение» обычно используется для описания фазового перехода от коллоидной дисперсии к твердому веществу (осаждению) при воздействии возмущения. [ 8 ] Агрегация вызывает седиментацию или расслоение, поэтому коллоид нестабилен: если происходит любой из этих процессов, коллоид больше не будет суспензией.

Image
Примеры стабильной и нестабильной коллоидной дисперсии.

Электростатическая стабилизация и стерическая стабилизация являются двумя основными механизмами стабилизации против агрегации.

  • Электростатическая стабилизация основана на взаимном отталкивании одинаковых электрических зарядов. Заряд коллоидных частиц структурирован в виде двойного электрического слоя, где частицы заряжаются на поверхности, но затем притягивают противоионы (ионы противоположного заряда), окружающие частицу. Электростатическое отталкивание между взвешенными коллоидными частицами легче всего количественно определить с помощью дзета-потенциала. Комбинированный эффект притяжения Ван-дер-Ваальса и электростатического отталкивания на агрегацию количественно описывается теорией DLVO . [ 8 ] Распространенным методом стабилизации коллоида (превращения его в осадок) является пептизация, процесс, при котором коллоид перемешивается с электролитом.
  • Стерическая стабилизация заключается в поглощении частиц слоем полимера или поверхностно-активного вещества, чтобы предотвратить приближение их к диапазону сил притяжения. [ 8 ] Полимер состоит из цепочек, прикрепленных к поверхности частицы, и часть цепи, выходящая наружу, растворима в суспендирующей среде. [ 9 ] Этот метод используется для стабилизации коллоидных частиц во всех типах растворителей, включая органические растворители. [ 10 ]

Возможно также сочетание двух механизмов (электростерическая стабилизация).

Image
Стабилизация стерических и гелевых сетей.

Метод, называемый стабилизацией гелевой сетки, представляет собой основной способ получения коллоидов, устойчивых как к агрегации, так и к седиментации. Метод заключается в добавлении в коллоидную суспензию полимера , способного образовывать гелевую сеть . Осаждению частиц препятствует жесткость полимерной матрицы, в которой задерживаются частицы [ 11 ] , а длинные полимерные цепи могут обеспечить стерическую или электростерическую стабилизацию дисперсных частиц. Примерами таких веществ являются ксантан и гуаровая камедь .

Дестабилизация

Дестабилизация может быть достигнута разными методами:

  • Устранение электростатического барьера, препятствующего агрегации частиц. Этого можно достичь, добавляя к суспензии соль для уменьшения длины сита Дебая (ширины двойного электрического слоя) частиц. Это также достигается за счет изменения рН суспензии для эффективной нейтрализации поверхностного заряда взвешенных частиц. Это устраняет силы отталкивания, удерживающие коллоидные частицы друг от друга, и позволяет агрегировать их за счет сил Ван-дер-Ваальса. Незначительные изменения pH могут проявляться значительным изменением дзета-потенциала. Когда величина дзета-потенциала ниже определенного порога, обычно около ±5 мВ, имеет место быстрая коагуляция или агрегация. [ 12 ]
  • Добавление заряженного полимерного флокулянта. Полимерные флокулянты могут связывать отдельные коллоидные частицы за счет притягивающих электростатических взаимодействий. Например, отрицательно заряженные частицы коллоидного кремнезема или глины можно флокулировать путем добавления положительно заряженного полимера.
  • Добавление неадсорбированных полимеров, называемых деплетантами, которые вызывают агрегацию из-за энтропийных эффектов.

Нестабильные коллоидные взвеси с малой объемной долей образуют комковатые жидкие взвеси, в которых оседают отдельные глыбы частиц, если они плотнее взвеси, или сливки, если они менее плотны. Однако коллоидные суспензии с большей объемной долей образуют коллоидные гели с вязкоупругими свойствами. Вязкоупругие коллоидные гели, такие как бентонит и зубная паста, текут как жидкости под действием сдвига, но сохраняют свою форму после прекращения сдвига. Именно по этой причине зубную пасту можно выдавить из тюбика зубной пасты, но она остается на зубной щетке после нанесения.

Мониторинг стабильности

Image
Принцип измерения множественного светорассеяния в сочетании с вертикальным сканированием

Наиболее широко используемый метод контроля дисперсионного состояния продукта, а также выявления и количественной оценки явлений дестабилизации — это множественное рассеяние света в сочетании с вертикальным сканированием. [ 13 ] ​[ 14 ] ​[ 15 ] ​[ 16 ]​ Этот метод, известный как турбидиметрия, основан на измерении доли света, который после прохождения через образец обратно рассеивается коллоидными частицами. Интенсивность обратного рассеяния прямо пропорциональна среднему размеру частиц и объемной доле дисперсной фазы. Таким образом, обнаруживаются и контролируются локальные изменения концентрации, вызванные осаждением или расслоением, а также накопление частиц, вызванное агрегацией. [ 17 ] Эти явления связаны с нестабильными коллоидами.

Динамическое рассеяние света можно использовать для определения размера коллоидных частиц путем измерения скорости их диффузии. Этот метод включает направление лазерного луча на коллоид. Рассеянный свет будет формировать интерференционную картину, а колебания интенсивности света в этой картине вызваны броуновским движением частиц. Если кажущийся размер частиц увеличивается из-за слипания в результате агрегации, будет происходить более медленное броуновское движение. Этот метод может подтвердить, что агрегация произошла, если определено, что кажущийся размер частиц выходит за пределы типичного диапазона размеров коллоидных частиц. [ 6 ]

Ускоряющие методы прогнозирования срока годности

Процесс кинетической дестабилизации может быть довольно длительным (до нескольких месяцев или даже лет для некоторых продуктов), и часто разработчику рецептуры необходимо использовать дополнительные методы ускорения, чтобы добиться разумного времени разработки новой конструкции продукта. Термические методы являются наиболее распространенными и заключаются в повышении температуры для ускорения дестабилизации (ниже критических температур для инверсии фаз или химического разложения). Температура влияет не только на вязкость, но и на межфазное натяжение в случае неионогенных поверхностно-активных веществ или, в более общем смысле, на силы взаимодействия внутри системы. Хранение дисперсии при высоких температурах позволяет имитировать реальные условия продукта (например, тюбик солнцезащитного крема в автомобиле летом), а также ускорить процессы дестабилизации до 200 раз, центрифугирование и перемешивание . используются . Они подвергают продукт воздействию различных сил, которые прижимают частицы/капли друг к другу, тем самым способствуя дренажу пленки. Однако некоторые эмульсии никогда не сливаются при нормальной гравитации, в то время как при искусственной гравитации они сливаются. [ 18 ] Кроме того, было подчеркнуто разделение различных популяций частиц при использовании центрифугирования и вибрации. [ 19 ]

Коллоидные системы

  • Эмульсии : Эмульсией называют коллоидную суспензию жидкости в другой, не смешивающейся с ней, и ее можно приготовить путем перемешивания смеси двух жидкостей или путем пропускания образца через коллоидную мельницу, называемую гомогенизатором. Эмульсия представляет собой систему, в которой дисперсная фаза и сплошная фаза являются жидкими.
  • Золи: лиофобные золи относительно нестабильны (или метастабильны); часто достаточно небольшого количества электролита или повышения температуры, чтобы вызвать коагуляцию и осаждение дисперсных частиц.
  • Аэрозоли : Аэрозоли определяются как коллоидные системы с очень мелкодисперсными жидкими или твердыми частицами, диспергированными в газе. Сегодня термин аэрозоль в общем языке является синонимом металлического контейнера с находящимся под давлением содержимым, хотя мы говорим об атмосферных аэрозолях.
  • Гель : образование гелей называется гелеобразованием. В целом переход от золя к гелю — постепенный процесс. Конечно, гелеобразование сопровождается повышением вязкости, причем не внезапным, а постепенным.
  • Пена : дисперсионная фаза может быть жидкой или твердой, а дисперсная фаза - газом.

Свойства коллоидов

Адсорбция

Из-за своего размера коллоидные частицы имеют чрезвычайно большое отношение площади к массе, поэтому они являются отличными адсорбирующими материалами. На поверхности частиц существуют силы, называемые Ван-дер-Ваальсовыми и даже межатомными связями, которые при неудовлетворении могут притягивать и удерживать атомы, ионы или молекулы посторонних веществ. Это прилипание посторонних веществ к поверхности частицы называется адсорбцией. Адсорбированные вещества прочно удерживаются вместе в слоях толщиной обычно не более одной-двух молекул (или ионов). Хотя адсорбция является общим явлением для твердых тел, она особенно эффективна в коллоидных дисперсиях из-за огромной площади поверхности.

Эффект Тиндаля

Он состоит из светового луча, который становится видимым при прохождении через коллоидную систему. Это явление связано с тем, что коллоидные частицы рассеивают свет во всех направлениях, делая его видимым. Световые лучи можно увидеть, проходящие через лес, например, в результате рассеяния света коллоидными частицами, взвешенными в лесном воздухе. Хотя все газы и жидкости рассеивают свет, рассеяние чистым веществом или раствором настолько мало, что его обычно невозможно обнаружить.

Броуновское движение

Примерами этого явления являются движения, наблюдаемые в частицах пыли, свободно движущихся случайным образом в луче солнечного света, проникающем через окно (или открытую занавеску), или в частицах пыли и дыме, движущихся в луче света, идущем из окна. кинотеатр. Беспорядочное движение указанных коллоидных частиц обусловлено бомбардировкой или столкновением с молекулами диспергирующей среды, а в приведенных примерах оно будет вызвано молекулами, присутствующими в воздухе (N², O², Ar, Kr и т. . Это движение известно как броуновское движение в память об английском ботанике Роберте Брауне, который впервые наблюдал это неравномерное движение частиц в 1827 году, изучая поведение пыльцевых зерен, взвешенных в воде, под микроскопом. Броуновское движение предотвращает оседание коллоидных частиц или образование отложений в воздухе.

электрофорез

Он заключается в миграции заряженных коллоидных частиц в электрическом поле. Коллоидные частицы поглощают ионы на своей поверхности, заряжая их положительно или отрицательно, хотя вся коллоидная система электрически нейтральна, эти частицы движутся к электродам (катоду и аноду) посредством электрических сил притяжения.

Диализ

Он определяется как движение ионов и малых молекул через пористую мембрану, называемую диализной или диализирующей мембраной, но не движение больших молекул или коллоидных частиц. Диализ не является исключительным свойством коллоидов, поскольку некоторые растворы также могут подвергаться диализу, например, диализ часто используется в биохимии для отделения белковых молекул от водных ионов. В коллоидах диализ позволяет очистить коллоидную систему, поскольку удаляются ионы и другие мелкие молекулы, считающиеся примесями. В качестве диализных мембран используют целлофан и мембраны животного происхождения.

Смотрите также

Ссылки

  1. ↑ Экологическая химия земных систем , стр. 40 в Google books .
  2. ↑ Практическая общая химия , стр. 111 в Google книгах.
  3. ↑ «Макромолекулы и коллоиды». . 
  4. ↑ http://books.google.es/books. 41
  5. ↑ Копелиович, Дмитрий. Приготовление коллоидов . substech.com
  6. ^ a b Эверетт, Д. Х. (1988). Основные принципы коллоидной науки . Лондон: Королевское химическое общество. ISBN  978-1-84755-020-0 . OCLC  232632488 . 
  7. ↑ Сломковский, Станислав; Герман, Хосе В .; Гилберт, Роберт Г .; Гесс, Майкл; Хориэ, Казуюки; Джонс, Ричард Г .; Кубиша, Пшемыслав; Майзель, Ингрид; Морман, Вернер; Пенчек, Станислав; Степто, Роберт Ф. Т. (10 сентября 2011 г.). «Терминология полимеров и процессов полимеризации в дисперсных системах (Рекомендации IUPAC 2011 г.)» . Чистая и прикладная химия (на немецком языке) 83 (12): 2229-2259. ISSN  1365-3075 . S2CID  96812603 . doi : 10.1351/PAC-REC-10-06-03 . 
  8. ↑ abc Пак , Су -Джин; Со, Мин-Кан (1 января 2011 г.). Межмолекулярная сила . Интерфейс науки и техники 18 : 1-57. ISBN  9780123750495 . ISSN  1573-4285 . doi : 10.1016/B978-0-12-375049-5.00001-3 . 
  9. ↑ Стабильность коллоидов: роль поверхностных сил. Часть I. Тарват Ф. Тадрос. Вайнхайм: Wiley-VCH. 2007. ISBN  978-3-527-63107-0 . OCLC  701308697 . 
  10. ↑ Генц, Ульрике; Д'Агуанно, Бруно; Мьюис, Ян; Кляйн, Рудольф (1 июля 1994 г.). «Структура стерически стабилизированных коллоидов» . Ленгмюр 10 (7): 2206-2212. ISSN  0743-7463 . doi : 10.1021/la00019a029 . 
  11. ↑ Комба, Сильвия; Сетхи (август 2009 г.). «Стабилизация высококонцентрированных суспензий наночастиц железа с использованием разжижающих сдвиг гелей ксантановой камеди». Water Research 43 (15): 3717-3726. PMID  19577785 . doi : 10.1016/j.waters.2009.05.046 . 
  12. ↑ Бин, Элвуд Л.; Кэмпбелл, Сильвестр Дж.; Анспах, Фредерик Р.; Окерсхаузен, Ричард В.; Питерман, Чарльз Дж. (1964). «Измерения дзета-потенциала в контроле доз химических веществ, вызывающих коагуляцию [с обсуждением]» . Журнал (Американская ассоциация водопроводных сооружений) 56 (2): 214-227. ISSN  0003-150X . JSTOR  41264141 . doi : 10.1002/j.1551-8833.1964.tb01202.x . 
  13. ^ Роланд, я; Кожа, Г; Делатр, Л; Эврард, Б. (2003). «Систематическая характеристика эмульсий масло-в-воде для разработки рецептур». Международный фармацевтический журнал 263 (1–2): 85–94. PMID  12954183 . doi : 10.1016/S0378-5173(03)00364-8 . 
  14. ↑ Лемаршан, Кэролайн; Куврёр, Патрик; Бенар, Мадлен; Костантини, Доминик; Греф, Руксандра (2003). «Новые полиэфирно-полисахаридные наночастицы». Фармацевтические исследования 20 (8): 1284-92. PMID  12948027 . S2CID  24157992 . дои : 10.1023/A:1025017502379 . 
  15. ↑ Менгуал, О (1999). «Характеристика нестабильности концентрированных дисперсий с помощью нового оптического анализатора: TURBISCAN MA 1000». Коллоиды и поверхности А: физико-химические и инженерные аспекты 152 (1–2): 111–123. doi : 10.1016/S0927-7757(98)00680-3 . 
  16. ^ Брю, П. (2004). Т. Провайдер; Дж. Текстер, ред. Размер и характеристика частиц . 
  17. ↑ Матусяк, Якуб; Грзондка, Эльжбета (8 декабря 2017 г.). «Стабильность коллоидных систем - обзор методов измерения стабильности» . Annales Universitatis Mariae Curie-Sklodowska, раздел AA – Chemia 72 (1): 33. ISSN  2083-358X . doi : 10.17951/aa.2017.72.1.33 . 
  18. ^ Salager, JL (2000). Франсуаза Ниелло; Жильберте Марти-Местрес, ред. Фармацевтические эмульсии и суспензии . CRCpress. п. 89. ISBN  978-0-8247-0304-2 . 
  19. ^ Снабр, Патрик; Пулиньи, Бернар (2008). «Разделение по размеру в жидкообразной или гелеобразной суспензии, оседающей под действием силы тяжести или в центрифуге». Ленгмюр 24 (23): 13338-47. PMID  18986182 . дои : 10.1021/la802459u . 

Библиография

  • Чанг, Р. (2007). Химия. (9-е изд., стр. 1110). Мексика: Макгроу Хилл.
  • Verwey, EJW и Overbeek, J. TH. Г. (1948). Теория устойчивости лиофобных коллоидов. Взаимодействие частиц золя, имеющих двойной электрический слой. Нидерланды: Elsevier Pub. Co.
  • Валенсуэла, К. (1995). Общая химия: Введение в теоретическую химию. Испания: Издания Университета Саламанки.
  • Хименц, ПК (1986). Основы коллоидной и поверхностной химии. США: Марсель Деккер Инк.
Получено с « https://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Coloid&oldid=143744855 »