Colloïde

1Introduction

Les colloïdes sont partout où nous regardons, alors pourquoi la plupart des gens en savent-ils si peu? Bien que Michael Faraday, l’un des fondateurs de la science des colloïdes, nous y ait battu de plus d’un siècle, en tant qu’étudiants, nous avons vu par nous-mêmes la fascination des sols d’or, des particules d’or de la taille d’un nanomètre dispersées dans l’eau comme un colloïde stable avec une coloration rouge qui devient bleue en ajoutant du sel. Les sols d’or ont actuellement suscité un regain d’intérêt en tant que pierre angulaire de la nanotechnologie.

Colloïde signifie colle, originaire du grec, koλλα. Le terme colloïdal désigne un état de subdivision, ce qui implique que les molécules ou particules polymoléculaires dispersées dans un milieu ont au moins dans une direction une dimension approximativement comprise entre 1 nm et 1µm, ou que dans les discontinuités du système se trouvent à des distances de cet ordre. Il n’est pas nécessaire que les trois dimensions soient dans la gamme colloïdale: les fibres dans lesquelles seules deux dimensions sont dans cette gamme et les films minces, dans lesquels une dimension est dans cette gamme, peuvent également être classés comme colloïdaux. Il n’est pas non plus nécessaire que les unités d’un système colloïdal soient discrètes: les structures de réseau continues dont les unités de base sont de dimensions colloïdales entrent également dans cette classe (par exemple solides poreux, gels et mousses). Une dispersion colloïdale est un système dans lequel des particules de taille colloïdale de toute nature (par exemple, solide, liquide ou gaz) sont dispersées dans une phase continue d’une composition (ou d’un état) différent.

Les colloïdes sont des matériaux qui sont principalement liquides mais qui ont d’autres propriétés: soit optique, donnant lieu à une turbidité telle que le lait, soit visqueuse, avec des caractéristiques de mucus, de gélatine ou d’argile humide. Ces effets résultent de la présence de macromolécules dissoutes dans un liquide et/ou par mélange de deux phases solides, liquides ou gazeuses ou plus. La science des colloïdes peut donc être décrite d’une part comme l’étude de solutions de macromolécules, par exemple des protéines dans l’eau ou des solutions de polymères synthétiques, telles que les colles transparentes pour les kits de construction de modèles. D’autre part, il s’agit de l’étude des dispersions d’une phase dans une autre, par example des émulsions (huile dans l’eau ou eau dans l’huile), solides dans le liquide, des mousses, et des dispersions complexes de cristaux liquides lyotropes de savons ou de détergents synthétiques. Certains lecteurs se souviendront de l’ancien problème des barres de savon pâteuses lorsqu’elles sont laissées en contact avec de l’eau, qui résulte de la pénétration d’eau dilatant le savon compacté autrefois dur.

La plupart des chercheurs s’accordent à dire que le terme colloïde s’applique aux matières en suspension dont la taille varie de 1 µm à 1000 nm et qui peuvent inclure des matériaux inorganiques, des fragments minéraux et des précipités minéraux, des biocolloïdes, ainsi que de la matière organique naturelle et d’autres composés organiques et produits de dégradation associés à un flux de déchets de faible et moyenne activité. Divers travailleurs ont mentionné différentes gammes de tailles; cependant, la limite supérieure est de 1 µm. Le terme peut être utilisé pour désigner soit les particules, soit l’ensemble du système. Les systèmes colloïdaux (également appelés solutions colloïdales ou suspensions colloïdales) font l’objet de la science des interfaces et des colloïdes. Ce domaine d’étude a été introduit en 1861 par le scientifique écossais Thomas Graham. Voici quelques explications de divers types de systèmes colloïdaux.

Le nom de phase dispersée pour les particules ne doit être utilisé que si elles ont essentiellement les propriétés d’une phase en vrac de même composition.

Le terme colloïde peut être utilisé comme un synonyme court de système colloïdal. Les limites de taille données ci-dessus ne sont pas rigides car elles dépendront dans une certaine mesure des propriétés considérées. Cette nomenclature peut être appliquée à des systèmes plus grossiers, en particulier lorsqu’une transition progressive des propriétés est envisagée.

La description des systèmes colloïdaux nécessite souvent de numéroter les composants ou les constituants. On estime qu’une règle de numérotation fixe est inutilement restrictive. Cependant, l’auteur doit préciser dans tous les cas comment il numérote et en particulier s’il numérote par des composantes thermodynamiques indépendantes (toutes neutres) ou par des espèces ou des constituants, dont certains peuvent être ioniques, et qui peuvent être liés par des conditions d’équilibre ou par la condition d’électroneutralité. Un système colloïdal fluide composé de deux composants ou plus peut être appelé sol, par exemple un sol protéique, un sol d’or, une émulsion, une solution de tensioactif au-dessus de la concentration micellaire critique, ou un aérosol.

Dans une suspension, les particules solides sont dispersées dans un liquide; une suspension colloïdale est une suspension dans laquelle la taille des particules se situe dans la gamme colloïdale. Dans un liquide d’émulsion, des gouttelettes et/ou des cristaux liquides sont dispersés dans un liquide. Dans les émulsions, les gouttelettes dépassent souvent les limites habituelles de taille des colloïdes. Une émulsion est désignée par le symbole H/E si la phase continue est une solution aqueuse et par E/H si la phase continue est un liquide organique (huile). Des émulsions plus compliquées telles que H / E / H (c’est-à-dire des gouttelettes d’huile contenues dans des gouttelettes aqueuses dispersées dans une phase huileuse continue) sont également possibles. Les émulsions photographiques, bien que les systèmes colloïdaux, ne sont pas des émulsions au sens de cette nomenclature.

Un latex (pluriel = latex ou latex) est une émulsion ou un sol dans lequel chaque particule colloïdale contient un certain nombre de macromolécules.

Une mousse est une dispersion dans laquelle une grande proportion de gaz en volume sous forme de bulles de gaz est dispersée dans un liquide, un solide ou un gel. Le diamètre des bulles est généralement supérieur à 1 mm, mais l’épaisseur des lamelles entre les bulles est souvent dans la plage de taille colloïdale habituelle.

Le terme mousse a été utilisé de manière interchangeable avec la mousse. En particulier, les cas de mousse peuvent se distinguer de la mousse par le fait que la première est stabilisée par des particules solides (comme dans la mousse-flottation) et la seconde par des substances solubles.

Les aérosols sont des dispersions dans les gaz. Dans les aérosols, les particules dépassent souvent les limites de taille habituelles pour les colloïdes. Si les particules dispersées sont solides, on parle d’aérosols de particules solides; si elles sont liquides, on parle d’aérosols de particules liquides. L’utilisation des termes aérosol solide et aérosol liquide est déconseillée. Un aérosol n’est ni « solide” ni « liquide” mais, le cas échéant, gazeux.

Une grande variété de termes tels que poussière, brume, brouillard, brume, bruine, fumée et smog sont utilisés pour décrire les aérosols en fonction de leurs propriétés, de leur origine, etc. Parmi ceux-ci, seuls les termes brouillard et fumée sont inclus dans cette nomenclature.

Un brouillard est un aérosol de particules liquides, en particulier un nuage bas.

Une fumée est un aérosol provenant de la combustion, de la décomposition thermique ou de l’évaporation thermique. Ses particules peuvent être solides (fumée d’oxyde de magnésium) ou liquides (fumée de tabac).

Un gel est un système colloïdal avec une limite d’élasticité finie, généralement assez faible. Les matériaux tels que le gel de silice qui ont passé un stade de gel pendant la préparation sont improprement appelés gels.

Le terme xérogel est utilisé pour de telles structures ouvertes séchées; ainsi que pour des gels macromoléculaires compacts séchés tels que la gélatine ou le caoutchouc.

Le terme aérogel est utilisé lorsque l’ouverture de la structure est largement maintenue.

Les dispersions colloïdales peuvent être lyophobes (hydrophobes, si le milieu de dispersion est une solution aqueuse) ou lyophiles (hydrophiles). Les sols lyophiles se forment spontanément lorsque le matériau cohérent sec (par exemple, gélatine, caoutchouc, savon) est mis en contact avec le milieu de dispersion; ils sont donc thermodynamiquement plus stables que dans l’état initial de matériau colloïde sec plus milieu de dispersion. Les sols lyophobes (par exemple, sol d’or) ne peuvent pas être formés par dispersion spontanée dans le milieu. Ils sont thermodynamiquement instables par rapport à la séparation en phases macroscopiques, mais ils peuvent rester longtemps à l’état métastable.

Les sols lyophiles comprennent à la fois des colloïdes d’association dans lesquels des agrégats de petites molécules sont formés de manière réversible et des macromolécules dans lesquelles les molécules elles-mêmes sont de taille colloïdale.

Des mélanges de colloïdes lyophobes et lyophiles peuvent former des colloïdes lyophobes protégés.

Les termes lyophiles (hydrophiles, lipophiles, oléophiles, etc.) et lyophobe (lipophobe, etc.) peut également être utilisé pour décrire le caractère d’interaction d’un groupe atomique particulier avec le milieu. Dans cet usage, les termes ont le sens qualitatif relatif de « préférer les solvants » (préférer l’eau, préférer les graisses, etc.) et « rejet de solvant” (rejet d’eau, rejet de graisse, etc.), respectivement.

Les termes préférant le solvant ou rejetant le solvant font toujours référence à un processus différentiel généralement dans le sens de préférer le solvant au-dessus de lui-même ou de se préférer au-dessus du solvant, mais parfois de préférer un solvant (par exemple, l’eau) à un autre (par exemple, l’huile).

Un électrolyte colloïdal est un électrolyte qui donne des ions, dont au moins un est de taille colloïdale. Ce terme inclut donc les sols hydrophobes, les colloïdes d’association ionique et les polyélectrolytes.

Les ions de faible masse moléculaire relative, avec une charge opposée à celle de l’ion colloïdal, sont appelés contre-ions; si leur charge a le même signe que celle de l’ion colloïdal, ils sont appelés co-ions.

Un polyélectrolyte est une substance macromoléculaire qui, en se dissolvant dans l’eau ou un autre solvant ionisant, se dissocie pour donner des polyions (polycations ou polyanions) – des ions chargés en multiplication – avec une quantité équivalente d’ions de faible charge et de signe opposé. Des polyélectrolytes se dissociant en polycations et polyanions, sans ions de faible charge, sont également envisageables. Un polyélectrolyte peut être un polyacide, un polybase, un polysalt ou un polyampholyte.

Si toutes les particules d’un système colloïdal ont (presque) la même taille, le système est appelé monodisperse ; dans les cas opposés, les systèmes sont hétérodispersés.

Si seulement quelques tailles de particules se produisent dans un système colloïdal, le système est paucidisperse, et si de nombreuses tailles de particules se produisent, il est polydisperse.

En raison de leur taille, les particules colloïdales peuvent passer à travers des filtres ordinaires, mais pas à travers les ouvertures extrêmement fines d’une membrane semi-perméable, comme le parchemin. Un liquide ne peut pas s’écouler à travers une membrane semi-perméable, mais diffusera lentement à travers elle si le liquide est de l’autre côté. Bien qu’une dispersion colloïdale ne puisse pas être purifiée par filtration, elle peut être dialysée en la plaçant dans un sac semi-perméable avec de l’eau pure à l’extérieur. Les impuretés dissoutes se diffusent ensuite progressivement à travers le sac, tandis que les particules colloïdales y restent emprisonnées. Si le processus de dialyse est terminé, la suspension se décompose souvent, ou se décante, car la stabilité des systèmes colloïdaux dépend fréquemment des charges électriques sur les particules individuelles, et celles-ci dépendent à leur tour généralement de la présence d’électrolytes dissous.

Bien que les particules colloïdales individuelles soient trop petites pour être vues avec un microscope ordinaire, elles peuvent être rendues visibles au moyen d’un microscope ultra, ou microscope à champ sombre. Si une dispersion colloïdale est placée sous un microscope et qu’un faisceau de lumière est dirigé d’un côté, le trajet du faisceau devient visible par diffusion des particules colloïdales. Ce même phénomène rend le trajet d’un faisceau de lumière visible dans une pièce sombre, mais sous le microscope, des éclairs de lumière séparés sont observés. Les particules sont considérées comme étant en mouvement aléatoire comme le résultat d’un mouvement brownien, et leur vitesse est exactement celle calculée pour les molécules de la taille des particules colloïdales. Les particules sont directement visibles au microscope électronique. Certains colloïdes sont translucides en raison de l’effet Tyndall, qui est la diffusion de la lumière par les particules dans le colloïde. D’autres colloïdes peuvent être opaques ou avoir une légère couleur. Une dispersion colloïdale de particules inférieures au µm peut être stable ou instable à l’agrégation. Le mouvement brownien garantit que les particules sont en mouvement continu, ce qui donne lieu à des collisions à une vitesse déterminée par la théorie de la diffusion. En raison de la forte énergie libre interfaciale, les colloïdes lyophobes sont instables thermodynamiquement et ont tendance à s’agréger. Ceci est généralement indésirable, et les scientifiques des colloïdes visent à l’empêcher de se produire.

Dans une dispersion stable, les collisions de particules ne conduisent pas à l’agrégation car les forces de répulsion interparticulaire dominent. Il restera dispersé indéfiniment, bien que les particules de plus de 0,1 µm environ se sédimenteront en fonction de leur densité. Dans une dispersion instable, les collisions conduisent à la formation d’agrégats; des agrégats plus gros sédiment ou crème en fonction de leur densité relative.

Les forces répulsives dans une dispersion stable ont été identifiées depuis longtemps comme étant d’origine électrique. Un potentiel de surface existe à l’interface entre la particule solide et le liquide environnant en raison de la présence d’une charge de surface. Pour maintenir la neutralité électrique, les ions de charge opposée présents dans le milieu sont attirés plus près de la surface des particules, ce qui donne une couche diffuse de contre-ions hautement concentrés. La concentration des contre-ions dans cette couche se désintègre de façon exponentielle de la surface sur une distance de dizaines de nanomètres. Le nuage ionique résultant est appelé la région diffuse de la double couche électrique. Lors d’une collision particule–particule, le chevauchement des nuages ioniques donne lieu à une répulsion osmotique qui écarte les particules.

La théorie DLVO de la stabilité des colloïdes, développée par Derjaguin et Landau et Verwey et Overbeek au cours des années 1940, propose un équilibre entre les forces électriques répulsives à double couche (positives par convention) et les forces attrayantes de van der Waals (négatives par convention) qui existent entre toutes les matières. Ces deux forces se sont avérées de portée et d’ampleur similaires. Les forces électriques augmentent de façon exponentielle à mesure que les particules s’approchent les unes des autres et les forces d’attraction augmentent en tant que puissance de séparation inverse. En conséquence, ces forces additives peuvent être exprimées sous la forme d’une courbe d’énergie potentielle par rapport à la séparation. Une résultante positive correspond à une barrière énergétique et à une répulsion, tandis qu’une résultante négative correspond à l’attraction et donc à l’agrégation. On considère généralement que la théorie de base et ses modifications ultérieures fournissent une base solide pour comprendre la stabilité des colloïdes.

L’adsorption des colloïdes lyophiles – macromolécules – par la surface des colloïdes lyophobes donne lieu à une force répulsive supplémentaire. Les macromolécules se fixent à la surface pour former une configuration en boucle de trains de segments attachés à la surface, et de boucles et de queues de segments s’étendant dans la phase liquide. La recherche, principalement au cours des années 1960 et 1970, a identifié la nature des forces répulsives résultant d’une telle adsorption. Il s’agit d’une combinaison de répulsion entropique, résultant de la liberté de configuration restreinte des molécules adsorbées lorsque deux particules entrent en collision; et de répulsion osmotique, résultant de la concentration accrue de segments dans la région de chevauchement des couches adsorbées au contact particule–particule. Sauf dans des conditions particulières, la présence d’une couche adsorbée saturée conduit toujours à une stabilisation totale de la dispersion à la coagulation. Des publications antérieures appelaient cet effet protection colloïdale, mais il est maintenant appelé stabilisation stérique.

1.1 Importance environnementale des colloïdes

Les colloïdes ont une importance environnementale parce que leur interaction avec des polluants organiques et inorganiques à l’état de traces, tels que les métaux et les polluants organiques persistants (POP), joue un rôle important dans la bio-absorption et le cycle biogéochimique des polluants. De plus, les colloïdes sont des ligands importants, souvent dominants, affectant la spéciation des métaux traces (Geckeis et al., 2002) et d’autres polluants dans les systèmes environnementaux et affectent le comportement des agents pathogènes microbiens. L’importance de ces colloïdes dans le transport des polluants dans les estuaires, les lacs et les rivières est reconnue depuis longtemps (Tessier et al., 1994), avec des effets potentiels sur l’environnement et la santé humaine. De plus en plus, il est reconnu que la bio-absorption et les effets biologiques des polluants sur de nombreux organismes tels que les microorganismes, les filtreurs et les mangeoires de détritus, les poissons et même les mammifères peuvent être modifiés de manière complexe par association avec des colloïdes, qui peuvent être produits biologiquement ou non (Wilkinson et Buffle, 2004). Un grand nombre de travaux récents ont porté sur la bio-absorption des métaux libres et des métaux liés aux colloïdes (p. ex., Pan et Wang, 2003; Wang et Guo, 2000; Carvallho et al, 1999), bien que des progrès substantiels soient encore nécessaires.

Malgré l’importance évidente, il y a un manque de compréhension quantitative de la structure des colloïdes aquatiques et de leur lien avec leur « fonction” environnementale dans les polluants à l’état de traces et la régulation des agents pathogènes (Muirhead et Lead, 2003). En outre, le nombre de techniques pouvant être utilisées pour la séparation et l’analyse non perturbatrices et quantitatives des colloïdes et des complexes colloïdes-polluants, telles que les types de force et la microscopie électronique, a considérablement augmenté (Muirhead et Lead, 2003; Mondi et al., 2002; Balnois et Wilkinson, 2002), spectroscopie de corrélation de fluorescence (FCS, Lead et al., 2003), fractionnement du flux de champ (FFF; Lyven et al., 2003), et la spectroscopie des rayons X (Gaillard et al., 2001). Cependant, la plupart de ces méthodes ne sont actuellement pas utilisées pour l’étude des systèmes colloïdaux environnementaux non perturbés.

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