Colloid

1 Wprowadzenie

koloidy są wszędzie, gdzie patrzymy, więc dlaczego większość ludzi tak mało o nich wie? Chociaż Michael Faraday, jeden z założycieli colloid science, pokonał nas do tego przez ponad wiek, jako studenci widzieliśmy na własne oczy fascynację solami złota, nanometrowymi cząsteczkami złota rozproszonymi w wodzie jako stabilny koloid o czerwonym zabarwieniu, który zmienia się na niebieski po dodaniu soli. Sola złota zyskały obecnie na nowo zainteresowanie jako budulec dla nanotechnologii.

koloid oznacza podobny do kleju, pochodzący z greckiego, koλλα. Termin koloidalny odnosi się do stanu podziału, co oznacza, że cząsteczki lub cząstki polimolekularne rozproszone w ośrodku mają co najmniej w jednym kierunku wymiar w przybliżeniu między 1 nm a 1µm, lub że w nieciągłości układu znajduje się w odległościach tego rzędu. Nie jest konieczne, aby wszystkie trzy wymiary znajdowały się w zakresie koloidalnym: włókna, w których tylko dwa wymiary są w tym zakresie, i cienkie folie, w których jeden wymiar jest w tym zakresie, mogą być również klasyfikowane jako koloidalne. Nie jest również konieczne, aby jednostki układu koloidalnego były dyskretne: ciągłe struktury sieciowe, których podstawowe jednostki mają wymiary koloidalne również należą do tej klasy (np. porowate ciała stałe, żele i pianki). Dyspersja koloidalna jest układem, w którym cząstki o koloidalnej wielkości dowolnej natury (np. ciało stałe, ciecz lub gaz) są rozproszone w fazie ciągłej o innym składzie (lub stanie).

koloidy to materiały, które są głównie ciekłe, ale mają inne właściwości: optyczne, powodujące mętność, taką jak mleko, lub lepkie, o właściwościach śluzu, żelatyny lub mokrej gliny. Efekty te wynikają z obecności makrocząsteczek rozpuszczonych w cieczy i / lub przez zmieszanie dwóch lub więcej faz stałych, ciekłych lub gazowych. Nauka koloidalna może być zatem opisana z jednej strony jako badanie roztworów makrocząsteczek, na przykład białek w wodzie lub roztworów polimerów syntetycznych, takich jak przezroczyste kleje do modeli zestawów konstrukcyjnych. Z drugiej strony jest to badanie dyspersji jednej fazy w innej, na przykład emulsji (olej w wodzie lub woda w oleju), ciała stałego w cieczy, pianek i złożonych liotropowych dyspersji ciekłokrystalicznych mydła lub syntetycznych detergentów. Niektórzy czytelnicy pamiętają stary problem papkowatego mydła po pozostawieniu w kontakcie z wodą, który powstaje w wyniku wnikania wody rozszerzającej niegdyś twarde zagęszczone mydło.

większość badaczy zgadza się, że termin koloid stosuje się do zawieszonego materiału w zakresie wielkości od 1 µm do 1000 nm, który może obejmować materiały nieorganiczne, fragmenty mineralne i wytrącenia mineralne, biokoloidy, a także naturalną materię organiczną i inne związki organiczne oraz produkty degradacji związane ze strumieniem odpadów o niskim i średnim poziomie. Różni pracownicy wymieniali różne zakresy wielkości, jednak górna granica wynosi 1 µm. Termin ten może być używany do oznaczania cząstek lub całego układu. Układy koloidalne (zwane także roztworami koloidalnymi lub zawiesinami koloidalnymi) są przedmiotem nauki o interfejsie i koloidach. Dziedzina ta została wprowadzona w 1861 roku przez szkockiego naukowca Thomasa Grahama. Poniżej przedstawiono kilka wyjaśnień różnych rodzajów układów koloidalnych.

nazwa fazy rozproszonej dla cząstek powinna być używana tylko wtedy, gdy mają one zasadniczo właściwości fazy luzem o tym samym składzie.

termin koloid może być używany jako krótki synonim układu koloidalnego. Podane powyżej limity wielkości nie są sztywne, ponieważ zależą w pewnym stopniu od rozważanych właściwości. Nomenklatura ta może być stosowana do układów grubszych, zwłaszcza gdy rozważa się stopniowe przejście właściwości.

opis układów koloidalnych często wymaga numeracji składników lub składników. Uważa się, że stała zasada numeracji jest niepotrzebnie restrykcyjna. Jednak we wszystkich przypadkach autor powinien wyjaśnić, w jaki sposób numeruje, a w szczególności, czy numeruje przez niezależne składniki termodynamiczne (wszystkie neutralne), czy przez gatunki lub składniki, z których niektóre mogą być jonowe, a które mogą być powiązane warunkami równowagi lub warunkami elektroneutralizacji. Płynny układ koloidalny składający się z dwóch lub więcej składników może być nazywany Zol, na przykład Zol białkowy, Zol złoty, Emulsja, roztwór środka powierzchniowo czynnego powyżej krytycznego stężenia Miceli lub aerozol.

w zawiesinie cząstki stałe są rozproszone w cieczy; zawiesina koloidalna to taka, w której wielkość cząstek mieści się w zakresie koloidalnym. W cieczy emulsyjnej krople i / lub ciekłe kryształy są rozproszone w cieczy. W emulsjach krople często przekraczają zwykłe limity wielkości koloidów. Emulsja jest oznaczona symbolem O / W, jeśli Faza ciągła jest roztworem wodnym i przez W/O, jeśli Faza ciągła jest cieczą organiczną (olej). Możliwe są również bardziej skomplikowane emulsje, takie jak O/W/O (tj. krople oleju zawarte w kroplach wodnych rozproszonych w ciągłej fazie olejowej). Emulsje fotograficzne, choć układy koloidalne, nie są emulsjami w rozumieniu tej nomenklatury.

Lateks (liczba mnoga = lateksy lub lateksy) jest emulsją lub solą, w której każda cząstka koloidalna zawiera pewną liczbę makrocząsteczek.

piana jest dyspersją, w której duża część objętości gazu w postaci pęcherzyków gazu jest rozproszona w cieczy, ciele stałym lub żelu. Średnica pęcherzyków jest zwykle większa niż 1 mm, ale grubość lameli między pęcherzykami jest często w zwykłym zakresie wielkości koloidalnych.

termin piana jest używany zamiennie z pianą. W szczególności przypadki piany można odróżnić od piany tym, że ta pierwsza jest stabilizowana przez cząstki stałe (jak w przypadku flotacji piany), a druga przez substancje rozpuszczalne.

aerozole to dyspersje w gazach. W aerozolach cząstki często przekraczają zwykłe limity wielkości koloidów. Jeśli rozproszone cząstki są stałe, mówi się o aerozolach cząstek stałych; jeśli są ciekłe, mówi się o aerozolach cząstek ciekłych. Odradza się stosowanie terminów aerozol stały i aerozol ciekły. Aerozol nie jest ani „stały”, ani” ciekły”, ale, jeśli już, gazowy.

wiele różnych terminów, takich jak kurz, mgła, mgła, mgła, mżawka, dym i smog są używane do opisu aerozoli zgodnie z ich właściwościami, pochodzeniem i tak dalej. Spośród nich tylko terminy mgła i dym są zawarte w tej nomenklaturze.

mgła to aerozol cząstek cieczy, w szczególności niskiej chmury.

dym to aerozol pochodzący ze spalania, rozkładu termicznego lub odparowania termicznego. Jego cząstki mogą być stałe (dym z tlenku magnezu) lub ciekłe (dym tytoniowy).

żel jest układem koloidalnym o skończonym, zwykle dość małym naprężeniu plastycznym. Materiały takie jak żel krzemionkowy, które przeszły etap żelu podczas przygotowania, są niewłaściwie nazywane żel.

termin kserogel stosuje się do takich wysuszonych struktur otwartych, a także do wysuszonych kompaktowych żeli Makromolekularnych, takich jak żelatyna lub guma.

termin aerożel jest używany, gdy otwartość konstrukcji jest w dużej mierze zachowana.

dyspersje koloidalne mogą być liofobowe (hydrofobowe, jeśli medium dyspersyjne jest roztworem wodnym) lub liofilowe (hydrofilowe). Sola liofiliczne powstają spontanicznie, gdy suchy materiał koherentny (np. żelatyna, guma, mydło) wchodzi w kontakt ze środkiem dyspersyjnym; stąd są termodynamicznie bardziej stabilne niż w stanie początkowym suchego materiału koloidalnego z dodatkiem środka dyspersyjnego. Sols liofobowe (np. Gold sol) nie mogą być tworzone przez spontaniczne rozproszenie w medium. Są termodynamicznie niestabilne w odniesieniu do podziału na fazy makroskopowe, ale mogą pozostać przez długi czas w stanie metastabilnym.

sola Liofiliczne obejmują zarówno koloidy asocjacyjne, w których powstają odwracalnie skupiska małych cząsteczek, jak i makrocząsteczki, w których same cząsteczki mają wielkość koloidalną.

mieszaniny liofobowych i liofilowych koloidów mogą tworzyć chronione koloidy liofobowe.

określenia liofiliczne (hydrofilowe, lipofilowe, oleofilowe itp.) i liofobiczne (lipofobiczne itp.) może być również używany do opisania charakteru interakcji danej grupy atomowej z medium. W tym użyciu terminy mają względne znaczenie jakościowe „preferowanie rozpuszczalników” (preferowanie wody, preferowanie tłuszczu itp.) i „odrzucanie rozpuszczalników” (odrzucanie wody, odrzucanie tłuszczu itp.), odpowiednio.

terminy preferowanie rozpuszczalnika lub odrzucanie rozpuszczalnika zawsze odnoszą się do procesu różnicowego zwykle w sensie preferowania rozpuszczalnika nad sobą lub preferowania siebie nad rozpuszczalnikiem, ale czasami preferowanie jednego rozpuszczalnika (np. woda) nad innym (np. olej).

elektrolit koloidalny to elektrolit dostarczający jony, z których co najmniej jeden ma wielkość koloidalną. Termin ten obejmuje zatem sola hydrofobowe, koloidy związku jonowego i polielektrolity.

jony o niskiej względnej masie cząsteczkowej, o ładunku przeciwnym do ładunku jonu koloidalnego, nazywane są przeciw-jonami; jeśli ich ładunek ma ten sam znak, co jon koloidalny, nazywane są jonami Ko -.

polielektrolit jest substancją makrocząsteczkową, która po rozpuszczeniu w wodzie lub innym rozpuszczalniku jonizującym dysocjuje, dając poliiony (polikalia lub polianiony)–mnożąc naładowane jony–wraz z równoważną ilością jonów o małym ładunku i przeciwległym znaku. Możliwe są również dysocjacje polielektrolitów na polikalia i polianiony, bez jonów o małym ładunku. Polielektrolit może być polikwasem, polibazą, polisaltem lub poliamfolitem.

Jeśli wszystkie cząstki w układzie koloidalnym są (prawie) tej samej wielkości, układ nazywa się monodyspersem; w odwrotnych przypadkach układy są heterodyspersem.

Jeśli w układzie koloidalnym występuje tylko kilka wielkości cząstek, układ jest paucydisperse, a jeśli występuje wiele wielkości cząstek jest polidisperse.

ze względu na swoje rozmiary cząstki koloidalne mogą przechodzić przez zwykłe filtry, ale nie przez bardzo drobne otwory w półprzepuszczalnej membranie, takie jak pergamin. Ciecz nie może przepływać przez półprzepuszczalną membranę, ale dyfunduje przez nią powoli, jeśli ciecz znajduje się po drugiej stronie. Chociaż koloidalna dyspersja nie może być oczyszczona przez filtrację, można ją dializować, umieszczając ją w półprzepuszczalnym worku z czystą wodą Na Zewnątrz. Rozpuszczone zanieczyszczenia następnie stopniowo dyfundują przez worek, podczas gdy cząstki koloidalne pozostają uwięzione w nim. Jeśli proces dializy zostanie zakończony, zawiesina często ulegnie rozpadowi lub osiądzie, ponieważ stabilność układów koloidalnych często zależy od ładunków elektrycznych poszczególnych cząstek, a te z kolei na ogół zależą od obecności rozpuszczonych elektrolitów.

chociaż pojedyncze cząstki koloidalne są zbyt małe, aby można je było zobaczyć za pomocą zwykłego mikroskopu, można je uwidocznić za pomocą ultra mikroskopu lub mikroskopu ciemnego pola. Jeśli koloidalna dyspersja jest umieszczona pod mikroskopem i wiązka światła jest kierowana z jednej strony, ścieżka wiązki staje się widoczna przez rozpraszanie z cząstek koloidalnych. To samo zjawisko sprawia, że ścieżka wiązki światła jest widoczna w zaciemnionym pomieszczeniu, ale pod mikroskopem obserwuje się oddzielne błyski światła. Cząstki są postrzegane jako ruch losowy w wyniku ruchu Browna, a ich prędkość jest dokładnie taka, jak obliczona dla cząsteczek wielkości cząstek koloidalnych. Cząstki są bezpośrednio widoczne w mikroskopie elektronowym. Niektóre koloidy są półprzezroczyste ze względu na efekt Tyndalla, który jest rozpraszaniem światła przez cząstki w koloidu. Inne koloidy mogą być nieprzezroczyste lub mieć lekki kolor. Koloidalna dyspersja cząstek sub-µm może być stabilna lub niestabilna do agregacji. Ruch Browna zapewnia, że cząstki są w ciągłym ruchu, co prowadzi do zderzeń z szybkością określoną przez teorię dyfuzji. Ze względu na wysoką międzyfazową energię wolną koloidy liofobowe są termodynamicznie niestabilne i mają tendencję do agregacji. Jest to na ogół niepożądane, a koloidalni naukowcy starają się temu zapobiec.

w stabilnej dyspersji zderzenia cząstek nie prowadzą do agregacji, ponieważ dominują siły odpychania międzycząstek. Pozostanie rozproszony w nieskończoność, chociaż cząstki większe niż około 0,1 µm osądzą się w zależności od ich gęstości. W niestabilnej dyspersji kolizje prowadzą do tworzenia agregatów; większe Agregaty albo osad albo śmietana w zależności od ich gęstości względnej.

siły odpychające w stabilnej dyspersji zostały dawno temu zidentyfikowane jako pochodzenia elektrycznego. Potencjał powierzchniowy istnieje na styku pomiędzy cząstką stałą i otaczającą cieczą z powodu obecności ładunku powierzchniowego. Aby zachować neutralność elektryczną, jony o przeciwnych ładunkach obecne w medium są przyciągane bliżej powierzchni cząstek, co powoduje rozproszoną warstwę silnie skoncentrowanych przeciw-jonów. Stężenie przeciw-jonów w tej warstwie rozkłada się wykładniczo z powierzchni na odległość kilkudziesięciu nanometrów. Powstająca Chmura jonowa nazywana jest obszarem rozproszonym elektrycznej warstwy podwójnej. Podczas zderzenia cząstka–cząstka, nakładanie się chmur jonowych powoduje osmotyczne odpychanie, które odpycha cząstki od siebie.

teoria dlvo stabilności koloidów, opracowana przez Derjaguina i Landaua oraz Verwey ’ a i Overbeeka w latach 40., proponuje równowagę odpychających elektrycznych sił dwuwarstwowych (pozytywnych z konwencji) i atrakcyjnych sił van der Waalsa (negatywnych z Konwencji), które istnieją między wszystkimi sprawami. Okazało się, że te dwie siły mają podobny zasięg i wielkość. Siły elektryczne zwiększają się wykładniczo, gdy cząstki zbliżają się do siebie, a siły przyciągania zwiększają się jako odwrotna moc separacji. W konsekwencji te siły addytywne mogą być wyrażone jako energia potencjalna względem krzywej separacji. Dodatni wynik odpowiada barierze energii i odpychaniu, podczas gdy ujemny wynik odpowiada przyciąganiu, a tym samym agregacji. Powszechnie uważa się, że podstawowa teoria i jej późniejsze modyfikacje stanowią solidną podstawę do zrozumienia stabilności koloidów.

adsorpcja koloidów liofilowych—makrocząsteczek—przez powierzchnię koloidów liofobowych powoduje dodatkową siłę odpychającą. Makrocząsteczki przyczepiają się do powierzchni, tworząc pętlową konfigurację pociągów segmentów przymocowanych do powierzchni oraz pętli i ogonów segmentów rozciągających się do fazy ciekłej. Badania, głównie w latach 60. i 70., zidentyfikowały naturę sił odpychających wynikających z takiej adsorpcji. Są to połączenie entropicznego odpychania, wynikającego z ograniczonej swobody konfiguracyjnej adsorbowanych cząsteczek, gdy dwie cząstki zderzają się; i odpychania osmotycznego, wynikającego ze zwiększonego stężenia segmentów w obszarze nakładania się warstw adsorbowanych na kontakcie cząsteczka-cząstka. Z wyjątkiem szczególnych warunków, obecność nasyconej warstwy adsorbowanej zawsze prowadzi do całkowitej stabilizacji dyspersji do koagulacji. Wcześniejsze publikacje określały ten efekt jako ochronę koloidów, ale obecnie jest on określany jako stabilizacja steryczna.

1.1 znaczenie dla środowiska koloidów

koloidy mają znaczenie dla środowiska, ponieważ ich interakcja ze śladowymi zanieczyszczeniami organicznymi i nieorganicznymi, takimi jak metale i trwałe zanieczyszczenia organiczne (Pop), odgrywa ważną rolę w wychwytywaniu biogeochemicznym i cyklu biogeochemicznym zanieczyszczeń. Ponadto koloidy są ważnymi, często dominującymi ligandami wpływającymi na specjację metali śladowych(Geckeis et al., 2002) i innych zanieczyszczeń w systemach środowiskowych i wpływają na zachowanie drobnoustrojów patogenów. Znaczenie tych koloidów w transporcie zanieczyszczeń w ujściach rzek, jeziorach i rzekach od dawna zostało uznane(Tessier et al., 1994), z potencjalnymi efektami ekologicznymi i zdrowotnymi człowieka. Coraz częściej uznaje się, że bio-absorpcja i bioeffekty zanieczyszczeń dla wielu organizmów, takich jak mikroorganizmy, karmniki filtracyjne i detrytusowe, ryby, a nawet ssaki, mogą być zmieniane w złożony sposób przez skojarzenie z koloidami, które mogą być wytwarzane biologicznie lub niebiologicznie (Wilkinson and Buffle, 2004). Wiele ostatnich prac koncentrowało się na bio-absorpcji wolnych metali i metali związanych z koloidami (np. Pan and Wang, 2003; Wang and Guo, 2000; Carvallho et al, 1999), chociaż nadal wymagany jest znaczny postęp.

pomimo oczywistego znaczenia, brakuje ilościowego zrozumienia struktury koloidów wodnych i ich „funkcji” środowiskowej w zanieczyszczeniach śladowych i regulacji patogenów (Muirhead and Lead, 2003). Ponadto nastąpił ogromny wzrost liczby technik, które mogą być stosowane do nieprzepuszczania i ilościowego rozdzielania i analizy koloidów i kompleksów koloidowo-zanieczyszczających, takich jak rodzaje siły i mikroskopia elektronowa (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) i spektroskopii rentgenowskiej (Gaillard et al., 2001). Jednak większość z tych metod nie jest obecnie stosowana do badania nieuregulowanych środowiskowych układów koloidalnych.

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *