Kolloid

1 Einleitung

Kolloide sind überall, wo wir hinschauen, also warum wissen die meisten Menschen so wenig über sie? Obwohl Michael Faraday, einer der Begründer der Kolloidwissenschaft, uns um mehr als ein Jahrhundert geschlagen hatte, sahen wir als Studenten selbst die Faszination von Goldsolen, nanometergroßen Goldpartikeln, die in Wasser als stabiles Kolloid mit einer roten Färbung dispergiert sind ändert sich bei Zugabe von Salz in Blau. Goldsolen haben z.Z. erneutes Interesse als Baustein für Nanotechnologie gewonnen.

Kolloid bedeutet leimartig und stammt aus dem Griechischen koλλα. Der Begriff kolloidal bezieht sich auf einen Zustand der Unterteilung, was bedeutet, dass die Moleküle oder polymolekularen Partikel, die in einem Medium dispergiert sind, mindestens in einer Richtung eine Dimension ungefähr zwischen 1 nm und 1 µm haben oder dass in Systemdiskontinuitäten in Abständen dieser Größenordnung gefunden werden. Es ist nicht erforderlich, dass alle drei Dimensionen im kolloidalen Bereich liegen: Fasern, bei denen nur zwei Dimensionen in diesem Bereich liegen und dünne Filme, bei denen eine Dimension in diesem Bereich liegt, können ebenfalls als kolloidal klassifiziert werden. Es ist auch nicht notwendig, dass die Einheiten eines kolloidalen Systems diskret sind: Kontinuierliche Netzwerkstrukturen, deren Grundeinheiten kolloidale Dimensionen haben, fallen ebenfalls in diese Klasse (z. B. poröse Feststoffe, Gele und Schäume). Eine kolloidale Dispersion ist ein System, in dem Partikel kolloidaler Größe beliebiger Art (z. B. fest, flüssig oder gasförmig) in einer kontinuierlichen Phase einer anderen Zusammensetzung (oder eines anderen Zustands) dispergiert sind.

Kolloide sind Materialien, die überwiegend flüssig sind, aber andere Eigenschaften haben: entweder optisch, was zu Trübungen wie Milch führt, oder viskos, mit Eigenschaften von Schleim, Gelatine oder nassem Ton. Diese Effekte entstehen durch die Anwesenheit von in Flüssigkeit gelösten Makromolekülen und/oder durch Mischen von zwei oder mehr festen, flüssigen oder gasförmigen Phasen. Die Kolloidwissenschaft kann daher einerseits als die Untersuchung von Lösungen von Makromolekülen, beispielsweise Proteinen in Wasser oder Lösungen von synthetischen Polymeren, wie den klaren Klebstoffen für Modellbausätze, beschrieben werden. Auf der anderen Seite ist es die Untersuchung von Dispersionen einer Phase in einer anderen, zum Beispiel Emulsionen (Öl in Wasser oder Wasser in Öl), fest in flüssig, Schäume und die komplexen lyotropen Flüssigkristalldispersionen von Seife oder synthetischen Detergenzien. Einige Leser werden sich an das alte Problem der matschigen Seifenstücke erinnern, wenn sie mit Wasser in Kontakt kommen, das durch das Eindringen von Wasser in die einst hart verdichtete Seife entsteht.Die meisten Forscher sind sich einig, dass der Begriff Kolloid auf suspendiertes Material im Größenbereich von 1 µm bis 1000 nm angewendet wird, das anorganische Materialien, Mineralfragmente und Mineralniederschläge, Biokolloide sowie natürliche organische Stoffe und andere organische Verbindungen und Abbauprodukte umfassen kann, die mit Abfallströmen auf niedriger und mittlerer Ebene verbunden sind. Verschiedene Arbeiter haben verschiedene Größenbereiche erwähnt; Die obere Grenze liegt jedoch bei 1 µm. Der Begriff kann verwendet werden, um entweder die Partikel oder das gesamte System zu bezeichnen. Kolloidale Systeme (auch kolloidale Lösungen oder kolloidale Suspensionen genannt) sind Gegenstand der Grenzflächen- und Kolloidwissenschaft. Dieses Forschungsgebiet wurde 1861 vom schottischen Wissenschaftler Thomas Graham eingeführt. Im Folgenden finden Sie einige Erklärungen zu verschiedenen Arten von kolloidalen Systemen.

Die Bezeichnung dispergierte Phase für die Partikel sollte nur verwendet werden, wenn sie im Wesentlichen die Eigenschaften einer Bulkphase gleicher Zusammensetzung aufweisen.

Der Begriff Kolloid kann als kurzes Synonym für kolloidales System verwendet werden. Die oben angegebenen Größenbeschränkungen sind nicht starr, da sie in gewissem Maße von den betrachteten Eigenschaften abhängen. Diese Nomenklatur kann auf gröbere Systeme angewendet werden, insbesondere wenn ein allmählicher Übergang von Eigenschaften in Betracht gezogen wird.

Die Beschreibung kolloidaler Systeme erfordert häufig eine Nummerierung der Komponenten oder Bestandteile. Eine feste Nummerierungsregel wird als unnötig restriktiv empfunden. Der Autor sollte jedoch in allen Fällen klarstellen, wie er nummeriert und insbesondere, ob er nach unabhängigen thermodynamischen Komponenten (alle neutral) oder nach Spezies oder Bestandteilen nummeriert, von denen einige ionisch sein können und die durch Gleichgewichtsbedingungen oder durch die Bedingung der Elektroneutralität in Beziehung stehen können. Ein flüssiges kolloidales System, das aus zwei oder mehr Komponenten besteht, kann als Sol bezeichnet werden, beispielsweise ein Proteinsol, ein Goldsol, eine Emulsion, eine Tensidlösung oberhalb der kritischen Mizellenkonzentration oder ein Aerosol.

In einer Suspension werden feste Partikel in einer Flüssigkeit dispergiert; eine kolloidale Suspension ist eine Suspension, bei der die Größe der Partikel im kolloidalen Bereich liegt. In einer Emulsionsflüssigkeit werden Tröpfchen und/oder Flüssigkristalle in einer Flüssigkeit dispergiert. In Emulsionen überschreiten die Tröpfchen oft die üblichen Grenzen für Kolloide in der Größe. Eine Emulsion wird mit dem Symbol O/W bezeichnet, wenn die kontinuierliche Phase eine wässrige Lösung ist, und mit W/O, wenn die kontinuierliche Phase eine organische Flüssigkeit (Öl) ist. Kompliziertere Emulsionen wie O / W / O (d. h. Öltröpfchen, die in wässrigen Tröpfchen enthalten sind, die in einer kontinuierlichen Ölphase dispergiert sind) sind ebenfalls möglich. Fotografische Emulsionen sind, obwohl kolloidale Systeme, keine Emulsionen im Sinne dieser Nomenklatur.Ein Latex (Plural = Latices oder Latexe) ist eine Emulsion oder ein Sol, in dem jedes kolloidale Partikel eine Anzahl von Makromolekülen enthält.Ein Schaum ist eine Dispersion, in der ein großer Volumenanteil des Gases in Form von Gasblasen in einer Flüssigkeit, einem Feststoff oder einem Gel dispergiert ist. Der Durchmesser der Blasen ist gewöhnlich größer als 1 mm, aber die Dicke der Lamellen zwischen den Blasen liegt oft im üblichen kolloidalen Größenbereich.

Der Begriff Schaum wurde synonym mit Schaum verwendet. Schaumfälle können insbesondere dadurch von Schaum unterschieden werden, dass erstere durch feste Partikel (wie bei der Schaumflotation) und letztere durch lösliche Substanzen stabilisiert werden.

Aerosole sind Dispersionen in Gasen. In Aerosolen überschreiten die Partikel oft die üblichen Größenbeschränkungen für Kolloide. Wenn die dispergierten Partikel fest sind, spricht man von Aerosolen fester Partikel; Wenn sie flüssig sind, spricht man von Aerosolen flüssiger Partikel. Von der Verwendung der Begriffe festes Aerosol und flüssiges Aerosol wird abgeraten. Ein Aerosol ist weder „fest“ noch „flüssig“, sondern, wenn überhaupt, gasförmig.

Eine Vielzahl von Begriffen wie Staub, Dunst, Nebel, Nebel, Nieselregen, Rauch und Smog werden verwendet, um Aerosole nach ihren Eigenschaften, ihrer Herkunft usw. zu beschreiben. Von diesen sind nur die Begriffe Nebel und Rauch in dieser Nomenklatur enthalten.

Ein Nebel ist ein Aerosol aus flüssigen Partikeln, insbesondere eine niedrige Wolke.Ein Rauch ist ein Aerosol, das durch Verbrennung, thermische Zersetzung oder thermische Verdampfung entsteht. Seine Partikel können fest (Magnesiumoxidrauch) oder flüssig (Tabakrauch) sein.

Ein Gel ist ein kolloidales System mit einer endlichen, meist eher kleinen Fließspannung. Materialien wie Kieselgel, die während der Herstellung eine Gelstufe durchlaufen haben, werden fälschlicherweise als Gele bezeichnet.

Der Begriff Xerogel wird für solche ausgetrockneten offenen Strukturen verwendet; und auch für ausgetrocknete kompakte makromolekulare Gele wie Gelatine oder Gummi.

Der Begriff Aerogel wird verwendet, wenn die Offenheit der Struktur weitgehend erhalten bleibt.

Kolloidale Dispersionen können lyophob (hydrophob, wenn das Dispersionsmedium eine wässrige Lösung ist) oder lyophil (hydrophil) sein. Lyophile Sole werden spontan gebildet, wenn das trockene kohärente Material (z. B. Gelatine, Gummi, Seife) mit dem Dispersionsmedium in Kontakt gebracht wird; Daher sind sie thermodynamisch stabiler als im Ausgangszustand von trockenem Kolloidmaterial plus Dispersionsmedium. Lyophobe Sole (z. B. Goldsol) können nicht durch spontane Dispersion im Medium gebildet werden. Sie sind thermodynamisch instabil in Bezug auf die Trennung in makroskopische Phasen, aber sie können für lange Zeit in einem metastabilen Zustand bleiben.

Lyophile Sole umfassen sowohl Assoziationskolloide, in denen Aggregate kleiner Moleküle reversibel gebildet werden, als auch Makromoleküle, in denen die Moleküle selbst kolloidal groß sind.

Mischungen aus lyophoben und lyophilen Kolloiden können geschützte lyophobe Kolloide bilden.

Die Begriffe lyophil (hydrophil, lipophil, oleophil usw.) und lyophob (lipophob usw.) kann auch verwendet werden, um den Charakter der Wechselwirkung einer bestimmten Atomgruppe mit dem Medium zu beschreiben. In dieser Verwendung haben die Begriffe die relative qualitative Bedeutung von „Lösungsmittel bevorzugen“ (Wasser bevorzugen, Fett bevorzugen usw.) und „lösungsmittel ablehnung“ (wasser-ablehnung, fett-ablehnung, etc.), jeweils.Die Begriffe Lösungsmittel bevorzugen oder Lösungsmittel ablehnen beziehen sich immer auf einen differentiellen Prozess, normalerweise in dem Sinne, dass das Lösungsmittel über sich selbst bevorzugt wird oder sich selbst über das Lösungsmittel bevorzugt, aber manchmal bevorzugt ein Lösungsmittel (z. B. Wasser) über ein anderes (z. B. Öl).

Ein kolloidaler Elektrolyt ist ein Elektrolyt, der Ionen abgibt, von denen mindestens eines kolloidal groß ist. Dieser Begriff umfasst daher hydrophobe Sole, ionische Assoziationskolloide und Polyelektrolyte.

Ionen mit niedriger relativer Molekülmasse, deren Ladung der des kolloidalen Ions entgegengesetzt ist, werden als Gegenionen bezeichnet; Wenn ihre Ladung das gleiche Vorzeichen wie die des kolloidalen Ions hat, werden sie als Co-Ionen bezeichnet.Ein Polyelektrolyt ist eine makromolekulare Substanz, die beim Auflösen in Wasser oder einem anderen ionisierenden Lösungsmittel zu Polyionen (Polykationen oder Polyanionen) – mehrfach geladenen Ionen – zusammen mit einer äquivalenten Menge an Ionen mit geringer Ladung und entgegengesetztem Vorzeichen dissoziiert. Denkbar sind auch Polyelektrolyte, die ohne Ionen geringer Ladung in Polykationen und Polyanionen dissoziieren. Ein Polyelektrolyt kann eine Polysäure, eine Polybase, ein Polysalz oder ein Polyampholyt sein.

Wenn alle Teilchen in einem kolloidalen System (fast) gleich groß sind, wird das System monodisperse genannt; In den entgegengesetzten Fällen sind die Systeme heterodisperse.

Wenn nur wenige Partikelgrößen in einem kolloidalen System auftreten, ist das System paucidisperse, und wenn viele Partikelgrößen auftreten, ist es polydisperse.Kolloidale Partikel können aufgrund ihrer Größe gewöhnliche Filter passieren, nicht jedoch die extrem feinen Öffnungen in einer semipermeablen Membran wie Pergament. Eine Flüssigkeit kann nicht durch eine semipermeable Membran fließen, sondern diffundiert langsam durch sie, wenn sich Flüssigkeit auf der anderen Seite befindet. Obwohl eine kolloidale Dispersion nicht durch Filtration gereinigt werden kann, kann sie dialysiert werden, indem sie in einen semipermeablen Beutel mit reinem Wasser auf der Außenseite gegeben wird. Gelöste Verunreinigungen diffundieren dann allmählich durch den Beutel, während die kolloidalen Partikel darin eingeschlossen bleiben. Wird der Dialyseprozeß zu Ende geführt, so zerfällt die Suspension häufig oder setzt sich ab, weil die Stabilität kolloidaler Systeme häufig von den elektrischen Ladungen der einzelnen Partikel abhängt, die wiederum in der Regel von der Anwesenheit gelöster Elektrolyte abhängig sind.

Obwohl einzelne kolloidale Partikel zu klein sind, um mit einem gewöhnlichen Mikroskop gesehen zu werden, können sie mit einem Ultramikroskop oder Dunkelfeldmikroskop sichtbar gemacht werden. Wenn eine kolloidale Dispersion unter ein Mikroskop gestellt wird und ein Lichtstrahl von einer Seite durchgelenkt wird, wird der Strahlengang durch Streuung an den kolloidalen Partikeln sichtbar. Dasselbe Phänomen macht den Weg eines Lichtstrahls in einem abgedunkelten Raum sichtbar, aber unter dem Mikroskop werden separate Lichtblitze beobachtet. Die Partikel werden gesehen, um in der zufälligen Bewegung als das Ergebnis der Brownschen Bewegung zu sein, und ihre Geschwindigkeit ist genau das, das für Moleküle die Größe der kolloidalen Partikel berechnet ist. Die Partikel sind im Elektronenmikroskop direkt sichtbar. Einige Kolloide sind aufgrund des Tyndall-Effekts durchscheinend, bei dem Licht durch Partikel im Kolloid gestreut wird. Andere Kolloide können undurchsichtig sein oder eine leichte Farbe haben. Eine kolloidale Dispersion von Sub-µm-Partikeln kann gegenüber Aggregation stabil oder instabil sein. Die Brownsche Bewegung sorgt dafür, dass die Teilchen in ständiger Bewegung sind, was zu Kollisionen mit einer durch die Diffusionstheorie bestimmten Geschwindigkeit führt. Aufgrund der hohen freien Grenzflächenenergie sind lyophobe Kolloide thermodynamisch instabil und neigen zur Aggregation. Dies ist im Allgemeinen unerwünscht, und Kolloidwissenschaftler wollen dies verhindern.

In einer stabilen Dispersion führen die Teilchenkollisionen nicht zur Aggregation, da die Abstoßungskräfte zwischen den Teilchen dominieren. Es bleibt unbegrenzt dispergiert, obwohl Partikel, die größer als etwa 0,1 µm sind, abhängig von ihrer Dichte sedimentieren. In einer instabilen Dispersion führen die Kollisionen zur Aggregatbildung; größere Aggregate sedimentieren oder cremen je nach relativer Dichte.

Die abstoßenden Kräfte in einer stabilen Dispersion wurden schon vor langer Zeit als elektrischen Ursprungs identifiziert. An der Grenzfläche zwischen dem Feststoffpartikel und der umgebenden Flüssigkeit besteht aufgrund des Vorhandenseins einer Oberflächenladung ein Oberflächenpotential. Um die elektrische Neutralität aufrechtzuerhalten, werden Ionen entgegengesetzter Ladung, die im Medium vorhanden sind, näher an die Partikeloberfläche angezogen, was zu einer diffusen Schicht hochkonzentrierter Gegenionen führt. Die Konzentration von Gegenionen in dieser Schicht zerfällt exponentiell von der Oberfläche über eine Entfernung von zehn Nanometern. Die resultierende Ionenwolke wird als diffuse Region der elektrischen Doppelschicht bezeichnet. Bei einer Teilchen–Teilchen-Kollision führt die Überlappung der Ionenwolken zu einer osmotischen Abstoßung, die die Teilchen auseinanderdrückt.Die DLVO-Theorie der Kolloidstabilität, die von Derjaguin und Landau sowie Verwey und Overbeek in den 1940er Jahren entwickelt wurde, schlägt ein Gleichgewicht der abstoßenden elektrischen Doppelschichtkräfte (konventionell positiv) und der attraktiven van der Waals-Kräfte (konventionell negativ) vor, die zwischen allen Dingen bestehen. Es wurde festgestellt, dass diese beiden Kräfte von ähnlicher Reichweite und Größe sind. Die elektrischen Kräfte nehmen exponentiell zu, wenn sich die Teilchen einander nähern, und die Anziehungskräfte nehmen als umgekehrte Trennkraft zu. Als Konsequenz können diese additiven Kräfte als potentielle Energie gegen Trennkurve ausgedrückt werden. Eine positive Resultierende entspricht einer Energiebarriere und Abstoßung, während eine negative Resultierende Anziehung und damit Aggregation entspricht. Es wird allgemein angenommen, dass die grundlegende Theorie und ihre nachfolgenden Modifikationen eine solide Grundlage für das Verständnis der Kolloidstabilität bieten.

Die Adsorption von lyophilen Kolloiden — Makromolekülen — an der Oberfläche von lyophoben Kolloiden führt zu einer zusätzlichen Abstoßungskraft. Makromoleküle heften sich an die Oberfläche, um eine schleifenartige Konfiguration von Zügen von Segmenten zu bilden, die an der Oberfläche befestigt sind, und Schleifen und Schwänze von Segmenten, die sich in die flüssige Phase erstrecken. Die Forschung, hauptsächlich in den 1960er und 1970er Jahren, identifizierte die Art der Abstoßungskräfte, die sich aus einer solchen Adsorption ergeben. Diese sind eine Kombination aus entropischer Abstoßung, die sich aus der eingeschränkten Konfigurationsfreiheit der adsorbierten Moleküle ergibt, wenn zwei Partikel kollidieren; und osmotische Abstoßung, die sich aus der erhöhten Konzentration von Segmenten im Überlappungsbereich der adsorbierten Schichten bei Partikel–Partikel-Kontakt ergibt. Außer unter besonderen Bedingungen führt die Anwesenheit einer gesättigten adsorbierten Schicht immer zu einer totalen Stabilisierung der Dispersion bis zur Koagulation. Frühere Veröffentlichungen bezeichneten diesen Effekt als Kolloidschutz, jetzt wird er als sterische Stabilisierung bezeichnet.

1.1 Umweltbedeutung von Kolloiden

Kolloide sind von Umweltbedeutung, da ihre Wechselwirkung mit organischen und anorganischen Spurenschadstoffen wie Metallen und persistenten organischen Schadstoffen (POP) eine wichtige Rolle bei der Bioaufnahme und dem biogeochemischen Kreislauf der Schadstoffe spielt. Darüber hinaus sind Kolloide wichtige, oft dominante Liganden, die die Speziation von Spurenmetallen beeinflussen (Geckeis et al., 2002) und andere Schadstoffe in Umweltsystemen und beeinflussen das Verhalten mikrobieller Krankheitserreger. Die Bedeutung dieser Kolloide für den Schadstofftransport in Flussmündungen, Seen und Flüssen ist seit langem bekannt (Tessier et al., 1994), mit möglichen ökologischen und gesundheitlichen Auswirkungen. Zunehmend wird erkannt, dass die Bioaufnahme und die Bioeffekte von Schadstoffen für viele Organismen wie Mikroorganismen, Filter- und Detritusfuttermittel, Fische und sogar Säugetiere durch Assoziation mit Kolloiden, die biologisch oder nichtbiologisch produziert werden können, auf komplexe Weise verändert werden können (Wilkinson und Buffle, 2004). Ein Großteil der jüngsten Arbeiten konzentrierte sich auf die Bioaufnahme von freien Metallen und kolloidgebundenen Metallen (z. B. Pan und Wang, 2003; Wang und Guo, 2000; Carvallho et al, 1999), obwohl noch erhebliche Fortschritte erforderlich sind.

Trotz der offensichtlichen Bedeutung fehlt ein quantitatives Verständnis der Struktur aquatischer Kolloide und ihres Zusammenhangs mit ihrer umweltbezogenen „Funktion“ bei der Regulierung von Spurenschadstoffen und Krankheitserregern (Muirhead und Lead, 2003). Darüber hinaus hat die Anzahl der Techniken, die zur störungsfreien und quantitativen Trennung und Analyse von Kolloiden und Kolloid-Schadstoff-Komplexen eingesetzt werden können, wie z. B. Kraft- und Elektronenmikroskopie, enorm zugenommen (Muirhead and Lead, 2003; Mondi et al., 2002; Balnois und Wilkinson, 2002), Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie (FCS, Lead et al., 2003), Feldflussfraktionierung (FFF; Lyven et al., 2003) und Röntgenspektroskopie (Gaillard et al., 2001). Die meisten dieser Methoden werden jedoch derzeit nicht zur Untersuchung von kolloidalen Systemen in ungestörter Umgebung verwendet.

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