Colloid

1 Introduktion

kolloider er overalt, at vi ser, så hvorfor er det, at de fleste mennesker ved så lidt om dem? Selvom Michael Faraday, en af grundlæggerne af kolloidvidenskab, havde slået os til det med mere end et århundrede, som studerende så vi for os selv fascinationen af guldsoler, nanometer-størrelse partikler af guld spredt i vand som en stabil kolloid med en rød farve, der skifter til blå ved tilsætning af salt. Guld soler har i øjeblikket fået fornyet interesse som en byggesten for nanoteknologi.

kolloid betyder limlignende, der stammer fra det græske, ko karrus. Udtrykket kolloid henviser til en underopdelingstilstand, hvilket antyder, at molekylerne eller polymolekylære partikler dispergeret i et medium i det mindste i en retning har en dimension omtrent mellem 1 nm og 1 liter, eller at der i system diskontinuiteter findes i afstande af den rækkefølge. Det er ikke nødvendigt, at alle tre dimensioner er i det kolloide område: fibre, hvor kun to dimensioner er i dette interval, og tynde film, hvor en dimension er i dette interval, kan også klassificeres som kolloide. Det er heller ikke nødvendigt, at enhederne i et kolloidalt system er diskrete: kontinuerlige netværksstrukturer, hvis basisenheder er af kolloide dimensioner, falder også i denne klasse (f.eks. porøse faste stoffer, geler og skum). En kolloid dispersion er et system, hvor partikler af kolloid størrelse af enhver art (f.eks. fast, flydende eller gas) dispergeres i en kontinuerlig fase med en anden sammensætning (eller tilstand).

kolloider er materialer, der overvejende er flydende, men som har andre egenskaber: enten optisk, hvilket giver anledning til uklarhed, såsom mælk eller tyktflydende, med egenskaber ved slim, gelatine eller våd ler. Disse virkninger stammer fra tilstedeværelsen af makromolekyler opløst i væske og/eller ved at blande to eller flere faste, flydende eller gasfaser. Kolloidvidenskab kan derfor på den ene side beskrives som undersøgelsen af opløsninger af makromolekyler, for eksempel proteiner i vand eller opløsninger af syntetiske polymerer, såsom de klare lim til modelkonstruktionssæt. På den anden side er det undersøgelsen af dispersioner af en fase i en anden, for eksempel emulsioner (olie i vand eller vand i olie), fast i væske, skum og de komplekse lyotropiske flydende krystaldispersioner af sæbe eller syntetiske vaskemidler. Nogle læsere vil huske det gamle problem med grødet sæbebarer, når de efterlades i kontakt med vand, der stammer fra indtrængen af vand, der udvider den engang hårde komprimerede sæbe.

de fleste forskere er enige om, at udtrykket kolloid anvendes på suspenderet materiale i størrelsesområdet 1 liter til 1000 nm, der kan omfatte uorganiske materialer, mineralfragmenter og mineraludfældninger, biokolloider, såvel som naturligt organisk materiale og andre organiske forbindelser og nedbrydningsprodukter forbundet med lav – og mellemniveau affaldsstrøm. Forskellige arbejdere har nævnt forskellige størrelsesområder; den øvre grænse er dog 1 liter. Udtrykket kan bruges til at betegne enten partiklerne eller hele systemet. Kolloide systemer (også kaldet kolloide opløsninger eller kolloide suspensioner) er genstand for grænseflade og kolloid videnskab. Dette fagområde blev introduceret i 1861 af den skotske videnskabsmand Thomas Graham. Følgende er nogle forklaringer på forskellige former for kolloide systemer.

navnet dispergeret fase for partiklerne bør kun anvendes, hvis de i det væsentlige har egenskaberne af en bulkfase med samme sammensætning.

udtrykket kolloid kan bruges som et kort synonym for kolloidalt system. Ovennævnte størrelsesgrænser er ikke stive, da de til en vis grad afhænger af de pågældende egenskaber. Denne nomenklatur kan anvendes på grovere systemer, især når en gradvis overgang af egenskaber overvejes.

beskrivelsen af kolloide systemer kræver ofte nummerering af komponenter eller bestanddele. Det mærkes, at en fast nummereringsregel er unødigt restriktiv. Forfatteren skal dog i alle tilfælde gøre det klart, hvordan han nummererer, og især om han nummererer efter uafhængige termodynamiske komponenter (alle neutrale) eller efter arter eller bestanddele, hvoraf nogle kan være ioniske, og som kan være relateret til ligevægtsbetingelser eller af elektroneutralitetens tilstand. Et væskekolloidt system sammensat af to eller flere komponenter kan kaldes en sol, for eksempel en proteinsol, en guldsol, en emulsion, en overfladeaktivt stofopløsning over den kritiske micellekoncentration eller en aerosol.

i en suspension dispergeres faste partikler i en væske; en kolloid suspension er en, hvor partiklernes størrelse ligger i det kolloide område. I en emulsionsvæske dispergeres dråber og/eller flydende krystaller i en væske. I emulsioner overskrider dråberne ofte de sædvanlige grænser for kolloider i størrelse. En emulsion er betegnet med symbolet O/H, hvis den kontinuerlige fase er en vandig opløsning og med V / O, hvis den kontinuerlige fase er organisk væske (olie). Mere komplicerede emulsioner såsom O/vægt/O (dvs.oliedråber indeholdt i vandige dråber dispergeret i en kontinuerlig oliefase) er også mulige. Fotografiske emulsioner, selvom kolloide systemer, er ikke emulsioner i betydningen af denne nomenklatur.

en lateks (flertal = lattices eller latekser) er en emulsion eller sol, hvor hver kolloid partikel indeholder et antal makromolekyler.

et skum er en dispersion, hvor en stor del af gasvolumen i form af gasbobler dispergeres i en væske, fast eller gel. Diameteren af boblerne er normalt større end 1 mm, men tykkelsen af lamellerne mellem boblerne er ofte i det sædvanlige kolloide størrelsesområde.

udtrykket skum er blevet brugt ombytteligt med skum. Især kan tilfælde af skum skelnes fra skum ved, at førstnævnte stabiliseres af faste partikler (som i skumflotation) og sidstnævnte ved opløselige stoffer.

aerosoler er dispersioner i gasser. I aerosoler overskrider partiklerne ofte de sædvanlige størrelsesgrænser for kolloider. Hvis de dispergerede partikler er faste, taler man om aerosoler af faste partikler; hvis de er flydende, taler man om aerosoler af flydende partikler. Brug af udtrykkene fast aerosol og flydende aerosol frarådes. En aerosol er hverken “fast ” eller” flydende”, men, hvis noget, gasformig.

et stort udvalg af udtryk som støv, tåge, tåge, støvregn, røg og smog bruges til at beskrive aerosoler i henhold til deres egenskaber, oprindelse og så videre. Af disse er kun udtrykkene tåge og røg inkluderet i denne nomenklatur.

en tåge er en aerosol af flydende partikler, især en lav Sky.

en røg er en aerosol, der stammer fra forbrænding, termisk nedbrydning eller termisk fordampning. Dets partikler kan være faste (magnesiumoksidrøg) eller flydende (tobaksrøg).

en gel er et kolloidalt system med en endelig, normalt ret lille, udbyttestress. Materialer såsom silicagel, der har passeret et gelstadium under fremstillingen, kaldes forkert geler.udtrykket kserogel anvendes til sådanne udtørrede åbne strukturer; og også til udtørrede kompakte makromolekylære geler såsom gelatine eller gummi.

udtrykket aerogel bruges, når strukturens åbenhed i vid udstrækning opretholdes.

kolloide dispersioner kan være lyofobe (hydrofobe, hvis dispersionsmediet er en vandig opløsning) eller lyofil (hydrofil). Lyofile Soler dannes spontant, når det tørre sammenhængende materiale (f.eks. gelatine, gummi, sæbe) bringes i kontakt med dispersionsmediet; derfor er de termodynamisk mere stabile end i den oprindelige tilstand af tørt kolloidmateriale plus dispersionsmedium. Lyofobe Soler (f.eks. guld sol) kan ikke dannes ved spontan dispersion i mediet. De er termodynamisk ustabile med hensyn til adskillelse i makroskopiske faser, men de kan forblive i lange tider i en metastabil tilstand.

lyofile Soler omfatter begge associering kolloider, hvori aggregater af små molekyler dannes reversibelt og makromolekyler, hvori molekylerne selv er af kolloid størrelse.

blandinger af lyofobe og lyofile kolloider kan danne beskyttede lyofobe kolloider.

udtrykkene lyofile (hydrofile, lipofile, oleofile osv.) og lyofob (lipofob osv.) kan også bruges til at beskrive karakteren af interaktion mellem en bestemt atomgruppe og mediet. I denne brug har udtrykkene den relative kvalitative Betydning af “opløsningsmiddel foretrækker” (vand-foretrækker, fedt-foretrækker osv.) og “opløsningsmiddelafstødning” (vandafstødning, fedtafstødning osv.), henholdsvis.

udtrykkene opløsningsmiddel, der foretrækker eller afviser opløsningsmiddel, henviser altid til en differentiel proces normalt i den forstand at foretrække opløsningsmidlet over sig selv eller foretrække sig selv over opløsningsmidlet, men foretrækker undertiden et opløsningsmiddel (f.eks. vand) over et andet (f. eks. olie).

en kolloid elektrolyt er en elektrolyt, der giver ioner, hvoraf mindst en er af kolloid størrelse. Dette udtryk inkluderer derfor hydrofobe Soler, Ioniske foreningskolloider og polyelektrolytter.

ioner med lav relativ molekylvægt med en ladning modsat den af den kolloide ion kaldes modioner; hvis deres ladning har det samme tegn som den kolloide ion, kaldes de coioner.

en polyelektrolyt er et makromolekylært stof, der ved opløsning i vand eller et andet ioniserende opløsningsmiddel dissocieres for at give polyioner (polykationer eller polyanioner)–multiplicere ladede ioner–sammen med en ækvivalent mængde ioner med lille ladning og modsat tegn. Polyelektrolytter, der dissocierer i polykationer og polyanioner, uden ioner med lille ladning, kan også tænkes. En polyelektrolyt kan være en polyacid, en polybase, en polysalt eller en polyamfolyt.

Hvis alle partikler i et kolloidalt system har (næsten) samme størrelse, kaldes systemet monodisperse; i de modsatte tilfælde er systemerne heterodisperse.

Hvis der kun forekommer nogle få partikelstørrelser i et kolloidalt system, er systemet paucidisperse, og hvis der forekommer mange partikelstørrelser, er det polydisperse.

på grund af deres størrelse kan kolloide partikler passere gennem almindelige filtre, men ikke gennem de ekstremt fine åbninger i en semipermeabel membran, såsom pergament. En væske kan ikke strømme gennem en semipermeabel membran, men diffunderer langsomt gennem den, hvis væske er på den anden side. Selvom en kolloid dispersion ikke kan renses ved filtrering, kan den dialyseres ved at placere den i en semipermeabel pose med rent vand på ydersiden. Opløste urenheder diffunderer derefter gradvist gennem posen, mens de kolloide partikler forbliver fængslet i den. Hvis dialyseprocessen udføres til færdiggørelse, vil suspensionen ofte nedbrydes eller afregnes, fordi stabiliteten af kolloide systemer ofte afhænger af de elektriske ladninger på de enkelte partikler, og disse er igen generelt afhængige af tilstedeværelsen af opløste elektrolytter.

selvom individuelle kolloide partikler er for små til at blive set med et almindeligt mikroskop, kan de synliggøres ved hjælp af et ultramikroskop eller et mørkt feltmikroskop. Hvis en kolloid dispersion placeres under et mikroskop, og en lysstråle ledes igennem fra den ene side, bliver strålens vej synlig ved spredning fra de kolloide partikler. Det samme fænomen gør stien til en lysstråle synlig i et mørkt rum, men under mikroskopet observeres separate lysglimt. Partiklerne ses at være i tilfældig bevægelse som et resultat af brunisk bevægelse, og deres hastighed er nøjagtigt den, der beregnes for molekyler størrelsen af de kolloide partikler. Partiklerne er direkte synlige i et elektronmikroskop. Nogle kolloider er gennemskinnelige på grund af Tyndall-effekten, som er spredning af lys af partikler i kolloidet. Andre kolloider kan være uigennemsigtige eller have en lille farve. En kolloid dispersion af sub-LARP partikler kan være stabil eller ustabil til aggregering. Brunisk bevægelse sikrer, at partiklerne er i kontinuerlig bevægelse, hvilket giver anledning til kollisioner med en hastighed bestemt af diffusionsteori. På grund af den høje grænsefladefri energi er lyofobe kolloider termodynamisk ustabile og har tendens til at aggregere. Dette er generelt uønsket, og kolloidforskere sigter mod at forhindre det i at forekomme.

i en stabil dispersion fører partikelkollisionerne ikke til aggregering, fordi interpartikelafstødningskræfter dominerer. Det vil forblive spredt på ubestemt tid, selvom partikler større end omkring 0,1 liter vil sedimentere afhængigt af deres tæthed. I en ustabil dispersion fører kollisionerne til aggregatdannelse; større aggregater enten sediment eller fløde afhængigt af deres relative densitet.

de frastødende kræfter i en stabil dispersion blev længe siden identificeret som værende elektrisk Oprindelse. Der findes et overfladepotentiale ved grænsefladen mellem den faste partikel og den omgivende væske på grund af tilstedeværelsen af en overfladeladning. For at opretholde elektrisk neutralitet tiltrækkes ioner med modsat ladning, der er til stede i mediet, tættere på partikeloverfladen, hvilket resulterer i et diffust lag af stærkt koncentrerede modioner. Koncentrationen af modioner i dette lag henfalder eksponentielt fra overfladen over en afstand af snesevis af nanometer. Den resulterende Ioniske Sky kaldes det diffuse område af det elektriske dobbeltlag. Ved partikel–partikelkollision giver overlapning af de ioniske skyer anledning til en osmotisk frastødning, der skubber partiklerne fra hinanden.dlvo-teorien om kolloidstabilitet, udviklet af Derjaguin og Landau og Vervey og Overbeek i løbet af 1940 ‘ erne, foreslår en balance mellem de frastødende elektriske dobbeltlagskræfter (positive efter konvention) og de attraktive van Der Vaals-kræfter (negative efter konvention), der findes mellem alle forhold. Disse to kræfter viste sig at være af samme rækkevidde og størrelse. De elektriske kræfter øges eksponentielt, når partikler nærmer sig hinanden, og de attraktive kræfter øges som en omvendt separationskraft. Som en konsekvens kan disse additive kræfter udtrykkes som en potentiel energi versus separationskurve. Et positivt resultat svarer til en energibarriere og frastødning, mens et negativt resultat svarer til tiltrækning og dermed aggregering. Det anses generelt for, at grundteorien og dens efterfølgende modifikationer giver et godt grundlag for forståelse af kolloidstabilitet.

adsorptionen af lyofile kolloider—makromolekyler—ved overfladen af lyofobe kolloider giver anledning til en yderligere afstødende kraft. Makromolekyler fastgøres til overfladen for at danne en loop-lignende konfiguration af tog af segmenter fastgjort til overfladen og sløjfer og haler af segmenter, der strækker sig ud i væskefasen. Forskning, hovedsageligt i 1960 ‘erne og 1970’ erne, identificerede arten af de frastødende kræfter, der stammer fra en sådan adsorption. Disse er en kombination af entropisk frastødning, der stammer fra den begrænsede konfigurationsfrihed for de adsorberede molekyler, når to partikler kolliderer; og osmotisk frastødning, der stammer fra den øgede koncentration af segmenter i overlapningsområdet for de adsorberede lag på partikel–partikelkontakt. Bortset fra under særlige forhold fører tilstedeværelsen af et mættet adsorberet lag altid til en total stabilisering af dispersionen til koagulation. Tidligere publikationer omtalte denne effekt som kolloid beskyttelse, men det kaldes nu sterisk stabilisering.

1.1 Kolloids miljømæssige betydning

kolloider er af miljømæssig betydning, fordi deres interaktion med spor organiske og uorganiske forurenende stoffer, såsom metaller og persistente organiske forurenende stoffer (Pop ‘ er), spiller en vigtig rolle i biooptagelse og biogeokemisk cykling af forurenende stoffer. Derudover er kolloider vigtige, ofte dominerende, ligander, der påvirker specieringen af spormetaller (Geckeis et al., 2002) og andre forurenende stoffer i miljøsystemer og påvirker adfærd af mikrobielle patogener. Betydningen af disse kolloider i forurenende transport i flodmundinger, søer og floder er længe blevet anerkendt (Tessier et al., 1994), med potentielle økologiske og menneskelige sundhedseffekter. I stigende grad erkendes det, at biooptagelse og bioeffekter af forurenende stoffer til mange organismer såsom mikroorganismer, filter-og detritusfødere, fisk og endda pattedyr kan ændres på komplekse måder ved tilknytning til kolloider, som kan produceres biologisk eller ikke-biologisk (2004). En stor del af det seneste arbejde har fokuseret på biooptagelse af frie metaller og kolloidbundne metaller (f.eks.

På trods af den åbenlyse betydning mangler der kvantitativ forståelse af strukturen af akvatiske kolloider, og hvordan dette relaterer til deres miljømæssige “funktion” i sporforurenende stoffer og patogenregulering (Muirhead and Lead, 2003). Derudover har der været en enorm vækst i antallet af teknikker, der kan bruges til nonperturbing og kvantitativ adskillelse og analyse af kolloider og kolloidforurenende komplekser, såsom typer af kraft og elektronmikroskopi (Muirhead and Lead, 2003; Mondi et al., 2002, 2002), fluorescens korrelationsspektroskopi (FCS, bly et al., 2003), feltstrømsfraktionering (FFF; Lyven et al., 2003) og Røntgenspektroskopi (Gaillard et al., 2001). Imidlertid anvendes de fleste af disse metoder ikke i øjeblikket til undersøgelse af ikke-forstyrrede miljøkolloide systemer.

Skriv et svar

Din e-mailadresse vil ikke blive publiceret. Krævede felter er markeret med *