Koloidní

1 Úvod

Koloidy jsou všude kam se podíváme, tak proč je to, že většina lidí o nich víme tak málo? I když Michael Faraday, jeden ze zakladatelů koloidní vědy, nás předběhl o více než století, jako studenti jsme viděli pro sebe, fascinace zlata sols, nanometrů velké částice zlata rozptýlené ve vodě stabilní koloidní s červené zbarvení, které se změní na modrou na přidání soli. Zlaté Soly v současné době získaly obnovený zájem jako stavební kámen pro nanotechnologie.

koloid znamená lepidlo podobné, pocházející z řečtiny, koλλα. Pojem koloidní odkazuje na stav dělení, což znamená, že molekuly nebo polymolecular částice rozptýlené v médiu mají alespoň v jednom směru rozměr přibližně mezi 1 nm a 1 µm, nebo že v systému diskontinuit se nachází na vzdálenosti řádu. Není nutné, aby všechny tři rozměry byly v koloidním rozmezí: vlákna, ve kterých jsou v tomto rozmezí pouze dva rozměry, a tenké filmy, ve kterých je v tomto rozmezí jeden rozměr, mohou být také klasifikovány jako koloidní. Rovněž není nutné, aby jednotky koloidního systému byly diskrétní: do této třídy spadají také kontinuální síťové struktury, jejichž základní jednotky mají koloidní rozměry (např. Koloidní disperze je systém, ve kterém jsou částice koloidní velikosti jakékoli povahy (např. pevné látky, kapaliny nebo plynu) dispergovány v kontinuální fázi jiného složení (nebo stavu).

koloidy jsou materiály, které jsou převážně tekuté, ale mají jiné vlastnosti: buď optický, což vede k zákalu, jako je mléko, nebo viskózní, s vlastnostmi hlenu, želatiny nebo mokré hlíny. Tyto účinky vznikají z přítomnosti makromolekul rozpuštěných v kapalině a / nebo smícháním dvou nebo více pevných, kapalných nebo plynných fází. Koloidní vědy lze tedy označit na jedné straně jako studium roztoky makromolekul, například, proteiny, ve vodě nebo řešení ze syntetických polymerů, jako je například jasné, lepidla pro model stavebnice. Na druhé straně, to je studium disperze jedné fáze v druhou, například, emulze (olej ve vodě nebo voda v oleji), pevné v tekuté, pěny a komplexní lyotropní tekuté krystal disperze mýdla nebo syntetické detergenty. Někteří čtenáři si bude pamatovat starý problém kašovité mýdla, když zůstal v kontaktu s vodou, která vzniká z průniku vody rozšiřuje po tvrdé zpevněné mýdlo.

Většina vědců souhlasí s tím, že termín koloid je aplikován na suspendovaného materiálu v rozmezí velikosti 1 µm až 1000 nm, které mohou obsahovat anorganické materiály, minerální fragmenty a minerální sraženiny, biocolloids, stejně jako přírodní organické hmoty a jiných organických sloučenin a produktů rozkladu spojené s nízkou a střední úroveň odpadu. Různí pracovníci zmínili různé rozsahy velikostí; horní hranice je však 1 µm. Termín může být použit k označení buď částice nebo celý systém. Koloidní systémy (nazývané také koloidní roztoky nebo koloidní suspenze) jsou předmětem interface a koloidní vědy. Tento obor byl představen v roce 1861 skotským vědcem Thomasem Grahamem. Následuje několik vysvětlení různých druhů koloidních systémů.

název dispergované fáze pro částice by se měl použít pouze tehdy, mají-li v podstatě vlastnosti sypké fáze stejného složení.

termín koloid může být použit jako krátké synonymum pro koloidní systém. Výše uvedené velikostní limity nejsou rigidní, protože budou do jisté míry záviset na uvažovaných vlastnostech. Tato nomenklatura může být aplikována na hrubší systémy, zejména pokud je zvažován postupný přechod vlastností.

popis koloidních systémů často vyžaduje číslování složek nebo složek. Má se za to, že pevné pravidlo číslování je zbytečně omezující. Nicméně, autor by měl jasně ve všech případech, jak je číslování a zejména, zda je číslování nezávislé termodynamické komponenty (všechny neutrální), nebo podle druhů nebo složek, z nichž některé mohou být iontové, a které mohou souviset s tím, že podmínky rovnováhy, nebo podle stavu electroneutrality. Tekutiny koloidní systém, složený ze dvou nebo více složek může být nazýván sol, například, protein, sol, zlato, sol, emulze, povrchově aktivní látky roztoku nad kritické koncentrace micel, nebo aerosolu.

v suspenzi se pevné částice dispergují v kapalině; koloidní suspenze je taková, ve které velikost částic leží v koloidním rozmezí. V emulzní kapalině se kapičky a / nebo kapalné krystaly dispergují v kapalině. V emulzích kapičky často překračují obvyklé limity pro velikost koloidů. Emulze je označena symbolem O / W, pokud je kontinuální fáze vodným roztokem, a W / O, pokud je kontinuální fáze organická kapalina (olej). Komplikovanější emulze jako O / W / O (tj. olejové kapičky obsažené ve vodných kapičkách dispergované v kontinuální olejové fázi) jsou také možné. Fotografické emulze, i když koloidní systémy, nejsou emulzemi ve smyslu této nomenklatury.

latex (množné číslo = latexy nebo latexy) je emulze nebo sol, ve které každý koloidní částice obsahuje řadu makromolekul.

pěna je disperze, ve které je velká část objemu plynu ve formě plynových bublin rozptýlena v kapalině, pevné látce nebo gelu. Průměr bublin je obvykle větší než 1 mm, ale tloušťka lamel mezi bublinami je často v obvyklém rozmezí koloidních velikostí.

termín pěna se používá zaměnitelně s pěnou. Zejména případy pěny lze odlišit od pěny tím, že první z nich je stabilizována pevnými částicemi (jako u pěny-flotace)a druhá rozpustnými látkami.

aerosoly jsou disperze v plynech. V aerosolech částice často překračují obvyklé velikostní limity pro koloidy. Pokud jsou rozptýlené částice pevné, mluví se o aerosolech pevných částic; pokud jsou tekuté, mluví se o aerosolech kapalných částic. Použití termínů pevný aerosol a kapalný aerosol se nedoporučuje. Aerosol není ani „pevný“, ani „kapalný“, ale pokud vůbec, plynný.

velké množství termínů, jako je prach, opar, mlha, mlha, mrholení, kouř a smog, se používá k popisu aerosolů podle jejich vlastností,původu atd. Z nich jsou do této nomenklatury zahrnuty pouze pojmy mlha a kouř.

mlha je aerosol kapalných částic, zejména nízký oblak.

kouř je aerosol pocházející ze spalování, tepelného rozkladu nebo tepelného odpařování. Jeho částice mohou být pevné (kouř oxidu hořečnatého) nebo kapalné (tabákový kouř).

gel je koloidní systém s konečným, obvykle poměrně malým, výtěžným napětím. Materiály, jako je silikagel, které během přípravy prošly gelovým stupněm, se nesprávně nazývají gely.

termín xerogel se používá pro takové vysušené otevřené struktury; a také pro vysušené kompaktní makromolekulární gely, jako je želatina nebo guma.

termín aerogel se používá, když je do značné míry zachována otevřenost struktury.

koloidní disperze mohou být lyofobní (hydrofobní, pokud je disperzním médiem vodný roztok) nebo lyofilní (hydrofilní). Lyophilic sols jsou tvořeny spontánně, když je suchý soudržný materiál (např. želatina, guma, mýdlo) je ve styku s disperzní prostředí; proto jsou termodynamicky stabilnější než v počátečním stavu, suchá koloidní materiál plus disperzní prostředí. Lyofobní Soly (např. zlatý sol) nemohou být tvořeny spontánní disperzí v médiu. Jsou termodynamicky nestabilní s ohledem na separaci do makroskopických fází, ale mohou zůstat po dlouhou dobu v metastabilním stavu.

Lyofilní Soly zahrnují jak asociační koloidy, ve kterých se reverzibilně vytvářejí agregáty malých molekul, tak makromolekuly, ve kterých samotné molekuly mají koloidní velikost.

směsi lyofobních a lyofilních koloidů mohou tvořit chráněné lyofobní koloidy.

termíny lyofilní (hydrofilní, lipofilní, oleofilní atd.) a lyofobní (lipofobní atd.) lze také použít k popisu charakteru interakce určité atomové skupiny s médiem. V tomto použití mají termíny relativní kvalitativní význam „preferování rozpouštědel“ (preferování vody, upřednostňování tuku atd.) a „odmítnutí rozpouštědla“ (odmítnutí vody, odmítnutí tuku atd.), příslušně.

termíny rozpouštědla raději ani rozpouštědla, odmítá se vždy vztahují k diferenciální proces obvykle ve smyslu raději rozpouštědla nad sebe, nebo raději sám nad rozpouštědlo, ale někdy raději jeden rozpouštědla (např. vody) nad jinou (např. olej).

koloidní elektrolyt je elektrolyt, který dává ionty, z nichž alespoň jeden má koloidní velikost. Tento termín proto zahrnuje hydrofobní Soly, iontové asociační koloidy a polyelektrolyty.

Ionty o nízké relativní molekulové hmotnosti, s náboj opačný k tomu, koloidní ion, se nazývá counter-iontů, pokud se jejich obvinění má stejné znaménko jako koloidní-iontové, jsou tzv. co-ionty.

polyelektrolyt je makromolekulární látka, která na rozpouštění ve vodě nebo jiným ionizujícím rozpouštědlem, odloučí dát polyions (polycations nebo polyanionty)–násobit nabité ionty–spolu s ekvivalentní množství iontů malý poplatek a opačné znaménko. Lze si také představit polyelektrolyty disociující na polykace a polyaniony, bez iontů malého náboje. Polyelektrolyt může být polyacid, polybase, polysalt nebo polyampholyte.

pokud jsou všechny částice v koloidním systému (téměř) stejné velikosti, systém se nazývá monodisperse; v opačných případech jsou systémy heterodisperse.

Pokud se jen před pár velikostí částic se vyskytují v koloidní systém, systém je paucidisperse, a pokud mnoho částic-velikostí dojít, je polydisperse.

díky své velikosti mohou koloidní částice procházet běžnými filtry, ale ne extrémně jemnými otvory v semipermeabilní membráně, jako je pergamen. Kapalina nemůže protékat semipermeabilní membránou, ale bude ji pomalu difundovat, pokud je kapalina na druhé straně. Ačkoli koloidní disperzi nelze čistit filtrací, lze ji dialyzovat umístěním do semipermeabilního vaku s čistou vodou na vnější straně. Rozpuštěné nečistoty pak postupně difundují vakem, zatímco koloidní částice v něm zůstávají uvězněny. Pokud proces dialýzy je dokončeno, bude pozastavení často rozebrat, nebo se spokojit, protože stabilita koloidních systémů často závisí na elektrické náboje na jednotlivých částic, a ty jsou zase obecně závislá na přítomnosti rozpuštěných elektrolytů.

i když jsou jednotlivé koloidní částice příliš malé na to, aby je bylo možné vidět běžným mikroskopem, lze je zviditelnit pomocí ultra mikroskopu nebo mikroskopu v tmavém poli. Pokud je koloidní disperze umístěna pod mikroskopem a paprsek světla je nasměrován z jedné strany, dráha paprsku je viditelná rozptylem z koloidních částic. Stejný jev způsobuje, že cesta paprsku světla je viditelná v temné místnosti, ale pod mikroskopem jsou pozorovány samostatné záblesky světla. Částice jsou viděny v náhodném pohybu jako výsledek Brownova pohybu, a jejich rychlost je přesně ta, která je vypočtena pro molekuly o velikosti koloidních částic. Částice jsou přímo viditelné v elektronovém mikroskopu. Některé koloidy jsou průsvitné kvůli tyndallovu efektu, kterým je rozptyl světla částicemi v koloidu. Jiné koloidy mohou být neprůhledné nebo mají mírnou barvu. Koloidní disperze sub-µm částic může být stabilní nebo nestabilní k agregaci. Brownův pohyb zajišťuje, že částice jsou v neustálém pohybu, což vede ke kolizím v sazbě stanovené difúzní teorie. Vzhledem k vysoké mezifázové volné energii jsou lyofobní koloidy termodynamicky nestabilní a mají tendenci se agregovat. To je obecně nežádoucí a vědci z koloidu se snaží zabránit jeho výskytu.

při stabilní disperzi nevedou srážky částic k agregaci, protože dominují mezičásticové odpuzující síly. To zůstane rozptýlen na neurčito, i když částice větší než 0,1 µm se sediment v závislosti na jejich hustotě. V nestabilní disperzi, srážky vedou k tvorbě agregátů; větší agregáty buď sediment nebo krém v závislosti na jejich relativní hustotě.

odpudivé síly ve stabilní disperzi byly již dávno identifikovány jako elektrické. Povrchový potenciál existuje na rozhraní mezi pevnou částicí a okolní kapalinou v důsledku přítomnosti povrchového náboje. Pro udržení elektrické neutrality jsou ionty opačného náboje přítomné v médiu přitahovány blíže k povrchu částic, což vede k difúzní vrstvě vysoce koncentrovaných protiiontů. Koncentrace protiiontů v této vrstvě se exponenciálně rozkládá z povrchu na vzdálenost desítek nanometrů. Výsledný iontový mrak se nazývá difuzní oblast elektrické dvojité vrstvy. Při kolizi částic a částic způsobuje překrytí iontových mraků osmotický odpor, který tlačí částice od sebe.

DLVO teorie pro koloidní stabilitu, vyvinutý Derjaguin a Landau a Verwey a Overbeek během 1940s, navrhuje rovnováhu odpudivé elektrické dvouvrstvé síly (pozitivní úmluvy) a přitažlivé van der Waalsovy síly (negativní úmluvy), které existují mezi všechny záležitosti. Bylo zjištěno, že tyto dvě síly mají podobný rozsah a velikost. Elektrické síly se exponenciálně zvyšují, jak se částice přibližují k sobě a přitažlivé síly se zvyšují jako inverzní síla separace. V důsledku toho mohou být tyto aditivní síly vyjádřeny jako křivka potenciální energie versus separace. Pozitivní výsledek odpovídá energetické bariéře a odpuzování, zatímco negativní výsledek odpovídá přitažlivosti a tím i agregaci. Obecně se má za to, že základní teorie a její následné modifikace poskytují dobrý základ pro pochopení koloidní stability.

adsorpce lyofilních koloidů-makromolekul-povrchem lyofobních koloidů vede k další odpudivé síle. Makromolekuly připojit k povrchu tvořit smyčky-jako konfigurace vlaků segmentů připojen k povrchu, a smyčky a ocasy segmentů prodlužuje se do kapalné fáze. Výzkum, zejména během šedesátých a sedmdesátých let, identifikoval povahu odpudivých sil vyplývajících z takové adsorpce. Tyto jsou kombinací entropický odpor, vyplývající z omezené konfigurační svoboda adsorbované molekuly, když se dvě částice srazí, a osmotický odpor, vyplývající ze zvýšené koncentrace segmenty překrývají regionu adsorbovaných vrstev na částice–částice kontakt. S výjimkou zvláštních podmínek vede přítomnost nasycené adsorbované vrstvy vždy k úplné stabilizaci disperze ke koagulaci. Dřívější publikace označovaly tento účinek jako koloidní ochranu, ale nyní se nazývá sterická stabilizace.

1.1 Environmentální význam koloidů

Koloidy mají význam pro životní prostředí, protože jejich interakce se stopovými organických a anorganických znečišťujících látek, jako jsou kovy a perzistentní organické znečišťující látky (POPs), hrají důležitou roli v bio-příjem a biogeochemické cyklistika znečišťujících látek. Kromě toho jsou koloidy důležité, často dominantní, ligandy ovlivňující speciaci stopových kovů (Geckeis et al., 2002) a další znečišťující látky v environmentálních systémech a ovlivňují chování mikrobiálních patogenů. Význam těchto koloidů v dopravě znečišťujících látek v ústí řek, jezer a řek je již dlouho uznáván (Tessier et al., 1994), s potenciálními ekologickými a lidskými účinky na zdraví. Stále více se uznává, že bio-příjem a bioeffects znečišťujících látek do mnoha organismů, jako jsou mikroorganismy, filtr a detritus krmítka, ryby, a dokonce i savců, může být změněn ve složitých způsoby asociace s koloidy, které mohou být biologicky nebo nonbiologically vyrábí (Wilkinson a Buffle, 2004). Pan a Wang, 2003; Wang a Guo, 2000; Carvallho et al, 1999), i když je stále zapotřebí podstatného pokroku.

i Přes zřejmý význam, je nedostatek kvantitativní pochopení struktury vodních koloidů a jak to souvisí s jejich životní „funkce“ ve stopových znečišťujících látek a patogenů nařízení (Muirhead a Vést, 2003). Kromě toho, tam byl obrovský růst v počtu technik, které mohou být použity pro nonperturbing a kvantitativní separace a analýzy koloidů a koloidní-znečišťujících látek, komplexů, jako jsou typy sil a elektronová mikroskopie (Muirhead a Vést, 2003; Mondi et al., 2002; Balnois a Wilkinson, 2002), fluorescenční korelační spektroskopie (FCS, Lead et al., 2003), frakcionace toku pole (FFF; Lyven et al., 2003) a rentgenové spektroskopie (Gaillard et al., 2001). Většina z těchto metod se však v současné době nepoužívá pro studium nerušených koloidních systémů prostředí.

Napsat komentář

Vaše e-mailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *