Colloid

1 Inleiding

colloïden zijn overal waar we kijken, dus waarom weten de meeste mensen er zo weinig over? Hoewel Michael Faraday, een van de grondleggers van de colloïdwetenschap, ons meer dan een eeuw voor was, zagen we als studenten zelf de fascinatie van gouden sols, gouddeeltjes ter grootte van een nanometer, verspreid in water als een stabiel colloïd met een rode kleur die verandert in blauw bij het toevoegen van zout. Gold sols heeft momenteel hernieuwde belangstelling gekregen als bouwsteen voor nanotechnologie.

colloïd betekent lijm-achtig, afkomstig uit het Grieks, koλλα. De term colloïdale verwijst naar een staat van onderverdeling, wat impliceert dat de moleculen of polymoleculaire deeltjes verspreid in een medium ten minste in één richting een dimensie ongeveer tussen 1 nm en 1µm, of dat in systeem discontinuïteiten wordt gevonden op afstanden van die orde. Het is niet noodzakelijk dat alle drie de afmetingen in het colloïdale bereik liggen: vezels waarvan slechts twee dimensies in dit bereik liggen en dunne films waarvan één dimensie in dit bereik ligt, kunnen ook als colloïdaal worden ingedeeld. Het is ook niet noodzakelijk dat de eenheden van een colloïdaal systeem afzonderlijk zijn: de continusetwerkstructuren waarvan de basiseenheden colloïdaal zijn, behoren ook tot deze klasse (bij voorbeeld poreuze vaste stoffen, gels en schuim). Een colloïdale dispersie is een systeem waarin deeltjes van colloïdale grootte van welke aard dan ook (bijvoorbeeld vaste, vloeibare of gas) worden gedispergeerd in een continue fase van een andere samenstelling (of toestand).

colloïden zijn materialen die voornamelijk vloeibaar zijn, maar andere eigenschappen hebben: hetzij optisch, die aanleiding geven tot troebelheid zoals melk, of viskeuze, met kenmerken van slijm, gelatine, of natte klei. Deze effecten ontstaan door de aanwezigheid van macromoleculen opgelost in vloeistof en/of door het mengen van twee of meer vaste, vloeibare of gasfasen. Colloïde wetenschap kan daarom enerzijds worden omschreven als de studie van oplossingen van macromoleculen, bijvoorbeeld eiwitten in water of oplossingen van synthetische polymeren, zoals de heldere lijmen voor modelbouwkits. Aan de andere kant is het de studie van dispersies van de ene fase in de andere, bijvoorbeeld emulsies (olie in water of water in olie), vaste stof in vloeistof, schuim, en de complexe lyotrope vloeibare kristallen dispersies van zeep of synthetische detergentia. Sommige lezers zullen zich het oude probleem van papperige zeepstaven herinneren wanneer deze in contact worden gebracht met water, dat voortvloeit uit het binnendringen van water dat de eenmaal harde verdichte zeep uitbreidt.

De meeste onderzoekers zijn het erover eens dat de term colloïd wordt toegepast op gesuspendeerd materiaal met een grootte van 1 µm tot 1000 nm, dat anorganische materialen, minerale fragmenten en minerale precipitaten, biocolloïden, alsmede natuurlijk organisch materiaal en andere organische verbindingen en afbraakproducten in verband met laag – en middelactief afvalstroom kan omvatten. Verschillende arbeiders hebben verschillende groottebereiken genoemd; de bovengrens is echter 1 µm. De term kan worden gebruikt om de deeltjes of het hele systeem aan te duiden. Colloïdale systemen (ook wel colloïdale oplossingen of colloïdale suspensies genoemd) zijn het onderwerp van interface en colloïdale wetenschap. Dit studiegebied werd geïntroduceerd in 1861 door de Schotse wetenschapper Thomas Graham. Hieronder volgen enkele verklaringen van verschillende soorten colloïdale systemen.

de naam gedispergeerde fase voor de deeltjes mag alleen worden gebruikt als zij in wezen de eigenschappen hebben van een bulkfase van dezelfde samenstelling.

De term colloïd kan worden gebruikt als een kort synoniem voor colloïdaal systeem. De hierboven vermelde groottegrenzen zijn niet rigide, aangezien zij tot op zekere hoogte van de betreffende eigenschappen zullen afhangen. Deze nomenclatuur kan worden toegepast op grovere systemen, vooral wanneer een geleidelijke overgang van eigenschappen wordt overwogen.

de beschrijving van colloïdale systemen vereist vaak nummering van de onderdelen of componenten. Een vaste nummering is onnodig restrictief. De auteur moet echter in alle gevallen duidelijk maken hoe hij nummeert en in het bijzonder of hij nummeert door onafhankelijke thermodynamische componenten (alle neutraal) of door soorten of bestanddelen, waarvan sommige ionisch kunnen zijn, en die gerelateerd kunnen zijn door evenwichtsomstandigheden of door de toestand van elektroneutraliteit. Een vloeibaar colloïdaal systeem dat bestaat uit twee of meer componenten kan een Sol worden genoemd, bijvoorbeeld een eiwit-sol, een goud-sol, een emulsie, een oppervlakteactieve oplossing boven de kritische micelconcentratie of een aerosol.

in een suspensie worden vaste deeltjes gedispergeerd in een vloeistof; een colloïdale suspensie is een suspensie waarbij de grootte van de deeltjes in het colloïdale gebied ligt. In een emulsievloeistof worden druppeltjes en/of vloeibare kristallen gedispergeerd in een vloeistof. In emulsies overschrijden de druppels vaak de gebruikelijke limieten voor colloïden in grootte. Een emulsie wordt aangeduid met het symbool O/W als de continue fase een waterige oplossing is en met W/O als de continue fase organische vloeistof (olie) is. Complexere emulsies zoals O/W/O (d.w.z. oliedruppels in waterige druppeltjes gedispergeerd in een continue oliefase) zijn ook mogelijk. Fotografische emulsies, hoewel colloïdale systemen, zijn geen emulsies in de zin van deze nomenclatuur.

een latex (meervoud = latex) is een emulsie of solsie waarin elk colloïdaal deeltje een aantal macromoleculen bevat.

een schuim is een dispersie waarbij een groot deel van het volume gas in de vorm van gasbellen wordt gedispergeerd in een vloeistof, vaste stof of gel. De diameter van de bellen is meestal groter dan 1 mm, maar de dikte van de lamellen tussen de bellen is vaak in de gebruikelijke colloïdale grootte bereik.

De term schuim is door elkaar gebruikt met schuim. Het onderscheid tussen schuim en schuim kan met name worden gemaakt door het feit dat schuim wordt gestabiliseerd door vaste deeltjes (zoals bij schuim-flotatie) en schuim door oplosbare stoffen.

aerosolen zijn dispersies in gassen. In aerosolen overschrijden de deeltjes vaak de gebruikelijke groottegrenzen voor colloïden. Als de gedispergeerde deeltjes vast zijn, spreekt men van aërosolen van vaste deeltjes; als ze vloeibaar zijn, spreekt men van aërosolen van vloeibare deeltjes. Het gebruik van de termen vaste aerosol en vloeibare aerosol wordt afgeraden. Een aerosol is noch” vast”, noch “vloeibaar”, maar, in voorkomend geval, gasvormig.

een grote verscheidenheid aan termen zoals stof, nevel, mist, nevel, motregen, rook en smog worden gebruikt om aerosolen te beschrijven op basis van hun eigenschappen, oorsprong, enzovoort. Hiervan zijn alleen de termen mist en rook in deze nomenclatuur opgenomen.

een mist is een aerosol van vloeibare deeltjes, met name een lage wolk.

een rook is een aerosol afkomstig van verbranding, thermische ontleding of thermische verdamping. De deeltjes kunnen vast zijn (magnesiumoxide rook) of vloeibaar (tabaksrook).

een gel is een colloïdaal systeem met een eindige, meestal vrij kleine, vloeigrens. Materialen zoals silicagel die tijdens de bereiding een gelstadium hebben gepasseerd, worden ten onrechte gels genoemd.

De term xerogel wordt gebruikt voor dergelijke uitgedroogde open structuren en ook voor uitgedroogde compacte macromoleculaire gels zoals gelatine of rubber.

De term aerogel wordt gebruikt wanneer de openheid van de structuur grotendeels behouden blijft.

colloïdale dispersies kunnen lyofobisch (hydrofoob, indien het dispersiemedium een waterige oplossing is) of lyofiel (hydrofiel) zijn. Lyofiele sols worden spontaan gevormd wanneer het droge coherente materiaal (bijvoorbeeld gelatine, rubber, zeep) in contact wordt gebracht met het dispersiemedium; daarom zijn ze thermodynamisch stabieler dan in de oorspronkelijke toestand van droog colloïdmateriaal plus dispersiemedium. Lyofobische sols (bijvoorbeeld gold sol) kunnen niet worden gevormd door spontane dispersie in het medium. Zij zijn thermodynamisch onstabiel met betrekking tot scheiding in macroscopische fasen, maar zij kunnen voor lange tijden in een metastabiele staat blijven.

Lyofiele sols omvatten zowel associatie-colloïden waarin aggregaten van kleine moleculen reversibel worden gevormd als macromoleculen waarin de moleculen zelf colloïdale grootte hebben.

mengsels van lyofobe en lyofiele colloïden kunnen beschermde lyofobe colloïden vormen.

De termen lyofiel (hydrofiel, lipofiel, oleofiel, enz.) en lyofobisch (lipofobisch, enz.) kan ook worden gebruikt om het karakter van de interactie van een bepaalde atomaire groep met het medium te beschrijven. In dit gebruik hebben de termen de relatieve kwalitatieve betekenis van “oplosmiddelvoorkeur” (watervoorkeur, vetvoorkeur enz.) en “oplosmiddelafstotend” (waterafstotend, vetafstotend, enz.), respectievelijk.

De termen oplosmiddelvoorkeur of oplosmiddelafstoting verwijzen altijd naar een differentieel proces, meestal in de zin van de voorkeur aan het oplosmiddel boven zichzelf of aan zichzelf boven het oplosmiddel, maar soms de voorkeur aan een oplosmiddel (bijvoorbeeld water) boven een ander (bijvoorbeeld olie).

een colloïdale elektrolyt is een elektrolyt dat ionen geeft, waarvan er ten minste één colloïdaal groot is. Deze term omvat daarom hydrofobe sols, Ionische associatie colloïden en polyelektrolyten.

ionen met een lage relatieve molecuulmassa, met een lading die tegengesteld is aan die van het colloïdale ion, worden contra-ionen genoemd; indien hun lading hetzelfde teken heeft als die van het colloïdale ion, worden ze co-ionen genoemd.

een polyelektrolyt is een macromoleculaire stof die bij het oplossen in water of een ander ioniserende oplosmiddel dissocieert tot polyionen (polycaties of polyanionen)–vermenigvuldig geladen ionen–samen met een equivalente hoeveelheid ionen met een kleine lading en een tegengesteld teken. Polyelektrolyten die in polycaties en polyanionen scheiden, zonder ionen van geringe lading, zijn ook denkbaar. Een polyelektrolyt kan een polyzuur, een polybase, een polysalt of een polyampholyt zijn.

als alle deeltjes in een colloïdaal systeem (bijna)even groot zijn, wordt het systeem monodisperse genoemd; in de tegenovergestelde gevallen zijn de systemen heterodisperse.

als er slechts enkele deeltjesgroottes voorkomen in een colloïdaal systeem, is het systeem paucidisperse, en als er veel deeltjesgroottes voorkomen is het polydisperse.

vanwege hun grootte kunnen colloïdale deeltjes door gewone filters gaan, maar niet door de extreem fijne openingen in een semipermeabel membraan, zoals perkament. Een vloeistof kan niet door een semipermeabel membraan stromen, maar zal er langzaam doorheen diffunderen als er vloeistof aan de andere kant is. Hoewel een colloïdale dispersie niet door filtratie kan worden gezuiverd, kan deze worden gedialyseerd door deze in een semipermeabele zak met zuiver water aan de buitenkant te plaatsen. Opgeloste onzuiverheden verspreiden dan geleidelijk door de zak, terwijl de colloïdale deeltjes erin blijven zitten. Als het proces van dialyse wordt uitgevoerd tot voltooiing, zal de suspensie vaak afbreken, of vestigen, omdat de stabiliteit van colloïdale systemen vaak afhankelijk is van de elektrische ladingen op de individuele deeltjes, en deze zijn op hun beurt over het algemeen afhankelijk van de aanwezigheid van opgeloste elektrolyten.

hoewel afzonderlijke colloïdale deeltjes te klein zijn om met een gewone microscoop te kunnen worden waargenomen, kunnen ze zichtbaar worden gemaakt door middel van een ultra-microscoop of een donkerveldmicroscoop. Als een colloïdale dispersie onder een microscoop wordt geplaatst en een lichtbundel van één kant wordt doorgestuurd, wordt het pad van de bundel zichtbaar door zich uit de colloïdale deeltjes te verspreiden. Dit zelfde fenomeen maakt het pad van een lichtbundel zichtbaar in een verduisterde ruimte, maar onder de microscoop worden afzonderlijke lichtflitsen waargenomen. De deeltjes worden gezien in willekeurige beweging als gevolg van Brownse beweging, en hun snelheid is precies die berekend voor moleculen de grootte van de colloïdale deeltjes. De deeltjes zijn direct zichtbaar in een elektronenmicroscoop. Sommige colloïden zijn doorschijnend vanwege het Tyndall-effect, dat is de verstrooiing van licht door deeltjes in het colloïd. Andere colloïden kunnen ondoorzichtig zijn of een lichte kleur hebben. Een colloïdale dispersie van sub-µm-deeltjes kan stabiel of instabiel zijn voor aggregatie. De Brownse beweging zorgt ervoor dat de deeltjes in voortdurende beweging zijn, die tot botsingen leiden met een snelheid die door diffusietheorie wordt bepaald. Door de hoge interfaciale vrije energie zijn lyofobische colloïden thermodynamisch onstabiel en neigen ze zich samen te voegen. Dit is over het algemeen ongewenst, en colloïde wetenschappers streven ernaar om het te voorkomen.

bij een stabiele dispersie leiden de deeltjesbotsingen niet tot aggregatie omdat de afstotingskrachten tussen de deeltjes domineren. Het zal voor onbepaalde tijd verspreid blijven, hoewel deeltjes groter dan ongeveer 0,1 µm afhankelijk van hun dichtheid zullen sedimenteren. In een onstabiele dispersie leiden de botsingen tot aggregaatvorming; Grotere aggregaten of sediment of room afhankelijk van hun relatieve dichtheid.

de afstotende krachten in een stabiele dispersie werden lang geleden geïdentificeerd als zijnde Elektrisch van oorsprong. Een oppervlaktepotentiaal bestaat op het raakvlak tussen het vaste deeltje en de omringende vloeistof toe te schrijven aan de aanwezigheid van een oppervlakte lading. Om de elektrische neutraliteit te handhaven, worden ionen van tegengestelde lading die in het medium aanwezig zijn dichter naar het deeltjesoppervlak aangetrokken, resulterend in een diffuse laag van sterk geconcentreerde contra-ionen. De concentratie van contra-ionen in deze laag vervalt exponentieel van het oppervlak over een afstand van tientallen nanometers. De resulterende Ionische wolk wordt het diffuse gebied van de elektrische dubbele laag genoemd. Bij deeltjes-deeltjes botsing, overlapping van de Ionische wolken leidt tot een osmotische afstoting die de deeltjes uit elkaar duwt.de dlvo-theorie van colloïdstabiliteit, ontwikkeld door Derjaguin en Landau en Verwey en Overbeek in de jaren 1940, stelt een evenwicht voor tussen de afstotende elektrische dubbellaagse krachten (positief volgens afspraak) en de aantrekkelijke Van der Waals krachten (negatief volgens afspraak) die bestaan tussen alle zaken. Deze twee krachten bleken van vergelijkbare omvang en omvang te zijn. De elektrische krachten nemen exponentieel toe naarmate deeltjes elkaar naderen en de aantrekkelijke krachten nemen toe als een omgekeerde kracht van scheiding. Als gevolg hiervan kunnen deze additieve krachten worden uitgedrukt als een Potentiële Energie versus scheidingscurve. Een positieve resultante komt overeen met een energiebarrière en afstoting, terwijl een negatieve resultante overeenkomt met aantrekking en dus aggregatie. Algemeen wordt aangenomen dat de basistheorie en zijn latere wijzigingen een goede basis bieden voor het begrijpen van de colloïdstabiliteit.

de adsorptie van lyofiele colloïden—macromoleculen—door het oppervlak van lyofobe colloïden geeft aanleiding tot een extra afstotende kracht. Macromoleculen hechten aan de oppervlakte om een lijn-als configuratie van treinen van segmenten te vormen in bijlage aan de oppervlakte, en lijnen en staarten van segmenten die zich in de vloeibare fase uitstrekken. Onderzoek, vooral in de jaren zestig en zeventig, heeft de aard van de afstotende krachten als gevolg van deze adsorptie vastgesteld. Dit zijn een combinatie van entropische afstoting, die voortvloeit uit de beperkte configuratievrijheid van de geadsorbeerde moleculen wanneer twee deeltjes botsen; en osmotische afstoting, die voortvloeit uit de verhoogde concentratie van segmenten in het overlapgebied van de geadsorbeerde lagen op deeltjes–deeltjes contact. Behalve onder speciale omstandigheden leidt de aanwezigheid van een verzadigde geadsorbeerde laag altijd tot een totale stabilisatie van de dispersie naar coagulatie. Eerdere publicaties verwezen naar dit effect als colloïde bescherming, maar het wordt nu genoemd sterische stabilisatie.

1.1 belang voor het milieu van colloïden

colloïden zijn van belang voor het milieu omdat hun interactie met organische en anorganische sporenverontreinigende stoffen, zoals metalen en persistente organische verontreinigende stoffen (Pop ‘ s), een belangrijke rol spelen bij de bio-opname en de biogeochemische kringloop van de verontreinigende stoffen. Bovendien zijn colloïden belangrijk, vaak dominant, liganden die de speciatie van sporenmetalen beïnvloeden (Geckeis et al., 2002) en andere verontreinigende stoffen in milieusystemen en beà nvloeden het gedrag van microbiële ziekteverwekkers. Het belang van deze colloïden in het transport van verontreinigende stoffen in estuaria, meren en rivieren is al lang erkend (Tessier et al., 1994), met mogelijke ecologische en menselijke gezondheidseffecten. In toenemende mate wordt erkend dat bio-opname en bioeffecten van verontreinigende stoffen voor vele organismen zoals micro-organismen, filter-en detritusvoeders, vissen en zelfs zoogdieren op complexe manieren kunnen worden veranderd door associatie met colloïden, die biologisch of niet-biologisch kunnen worden geproduceerd (Wilkinson and Buffle, 2004). Veel recent werk is gericht op de bio-opname van vrije metalen en colloïdgebonden metalen (bijv. Pan and Wang, 2003; Wang and Guo, 2000; Carvallho et al, 1999), hoewel er nog aanzienlijke vooruitgang nodig is.

ondanks het duidelijke belang is er een gebrek aan kwantitatief inzicht in de structuur van aquatische colloïden en hoe dit verband houdt met hun milieu – “functie” in sporenverontreinigende stoffen en pathogeenregulering (Muirhead and Lead, 2003). Daarnaast is er een enorme groei geweest in het aantal technieken die kunnen worden gebruikt voor het niet-transpireren en kwantitatieve scheiding en analyse van colloïden en colloïd-polluent complexen, zoals soorten kracht en elektronenmicroscopie (Muirhead and Lead, 2003; Mondi et al., 2002; Balnois and Wilkinson, 2002), fluorescence correlation spectroscopy (FCS, Lead et al., 2003), field flow fractionation (FFF; Lyven et al., 2003), en X-ray spectroscopie (Gaillard et al., 2001). Echter, de meeste van deze methoden worden momenteel niet gebruikt voor de studie van niet-geperst milieu colloïdale systemen.

Geef een antwoord

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *