coloid

1 Introducere

coloizii sunt peste tot că ne uităm, așa că de ce este că cei mai mulți oameni știu atât de puțin despre ele? Deși Michael Faraday, unul dintre fondatorii științei coloidale, ne-a bătut cu mai mult de un secol, în timp ce studenții ne-am văzut fascinația solurilor de aur, particule de aur de dimensiuni nanometrice dispersate în apă ca un coloid stabil cu o culoare roșie care se schimbă în albastru la adăugarea de sare. Sol-urile de aur au câștigat în prezent un interes reînnoit ca element de construcție pentru nanotehnologie.

coloid înseamnă adeziv-ca, originar din greacă, koexct. Termenul coloidal se referă la o stare de subdiviziune, ceea ce implică faptul că moleculele sau particulele polimoleculare dispersate într-un mediu au cel puțin într-o direcție o dimensiune aproximativ între 1 nm și 1 centimm sau că în discontinuitățile sistemului se găsește la distanțe de acest ordin. Nu este necesar ca toate cele trei dimensiuni să fie în intervalul coloidal: fibrele în care doar două dimensiuni sunt în acest interval și filmele subțiri, în care o dimensiune este în acest interval, pot fi, de asemenea, clasificate ca coloidale. Nici nu este necesar ca unitățile unui sistem coloidal să fie discrete: structurile de rețea continuă, ale căror unități de bază sunt de dimensiuni coloidale se încadrează și în această clasă (de exemplu, solide poroase, geluri și spume). O dispersie coloidală este un sistem în care particule de dimensiuni coloidale de orice natură (de exemplu, solid, lichid sau gaz) sunt dispersate într-o fază continuă cu o compoziție (sau stare) diferită.

coloizii sunt materiale care sunt predominant lichide, dar care au alte proprietăți: fie optic, dând naștere la turbiditate, cum ar fi laptele, fie vâscos, cu caracteristici de mucus, gelatină sau lut umed. Aceste efecte apar din prezența macromoleculelor dizolvate în lichid și / sau prin amestecarea a două sau mai multe faze solide, lichide sau gazoase. Prin urmare, știința coloidală poate fi descrisă, pe de o parte, ca studiul soluțiilor de macromolecule, de exemplu, proteine în apă sau soluții de polimeri sintetici, cum ar fi cleiurile clare pentru kiturile de construcție model. Pe de altă parte, este studiul dispersiilor unei faze în alta, de exemplu, emulsii (ulei în apă sau apă în ulei), solid în lichid, Spume și dispersiile complexe de cristale lichide liotropice ale săpunului sau detergenților sintetici. Unii cititori își vor aminti vechea problemă a barelor de săpun moale atunci când sunt lăsate în contact cu apa, care rezultă din pătrunderea apei care extinde săpunul compactat odată dur.

majoritatea cercetătorilor sunt de acord că termenul coloid este aplicat materialului suspendat în intervalul de dimensiuni de la 1 la 1000 nm, care poate include materiale anorganice, fragmente minerale și precipitații minerale, biocoloide, precum și materie organică naturală și alți compuși organici și produse de degradare asociate cu fluxul de deșeuri de nivel scăzut și intermediar. Diferiți lucrători au menționat diferite game de dimensiuni; cu toate acestea, limita superioară este de 1 unqqm. Termenul poate fi folosit pentru a desemna fie particulele, fie întregul sistem. Sistemele coloidale (numite și soluții coloidale sau suspensii coloidale) fac obiectul interfeței și științei coloidale. Acest domeniu de studiu a fost introdus în 1861 de către omul de știință scoțian Thomas Graham. Următoarele sunt câteva explicații ale diferitelor tipuri de sisteme coloidale.

denumirea fazei dispersate pentru particule ar trebui utilizată numai dacă acestea au în esență proprietățile unei faze vrac de aceeași compoziție.

termenul coloid poate fi folosit ca sinonim scurt pentru sistemul coloidal. Limitele de dimensiune date mai sus nu sunt rigide, deoarece vor depinde într-o oarecare măsură de proprietățile luate în considerare. Această nomenclatură poate fi aplicată sistemelor mai grosiere, mai ales atunci când se ia în considerare o tranziție treptată a proprietăților.

descrierea sistemelor coloidale necesită adesea numerotarea componentelor sau a constituenților. Se consideră că o regulă fixă de numerotare este inutil de restrictivă. Cu toate acestea, autorul ar trebui să clarifice în toate cazurile modul în care numerotează și, în special, dacă numerotează prin componente termodinamice independente (toate neutre) sau prin specii sau constituenți, dintre care unele pot fi ionice și care pot fi legate de condițiile de echilibru sau de condiția electroneutralității. Un sistem coloidal fluid compus din două sau mai multe componente poate fi numit sol, de exemplu, un sol proteic, un sol auriu, o emulsie, o soluție de surfactant deasupra concentrației critice de micelă sau un aerosol.

într-o suspensie, particulele solide sunt dispersate într-un lichid; o suspensie coloidală este una în care dimensiunea particulelor se află în intervalul coloidal. Într-un lichid de emulsie, picăturile și/sau cristalele lichide sunt dispersate într-un lichid. În emulsii, picăturile depășesc adesea limitele obișnuite pentru coloizi în dimensiune. O emulsie este notată cu simbolul O / W dacă faza continuă este o soluție apoasă și cu W/O dacă faza continuă este lichid organic (ulei). Emulsii mai complicate, cum ar fi o/W/o (adică picături de ulei conținute în picături apoase dispersate într-o fază continuă de ulei) sunt, de asemenea, posibile. Emulsiile fotografice, deși sistemele coloidale, nu sunt emulsii în sensul acestei nomenclaturi.

un latex (plural = latexuri sau latexuri) este o emulsie sau sol în care fiecare particulă coloidală conține un număr de macromolecule.

o spumă este o dispersie în care o proporție mare de gaz în volum sub formă de bule de gaz este dispersată într-un lichid, solid sau gel. Diametrul bulelor este de obicei mai mare de 1 mm, dar grosimea lamelelor dintre bule este adesea în intervalul obișnuit de dimensiuni coloidale.

termenul de spumă a fost folosit interschimbabil cu spuma. În special, cazurile de spumă se pot distinge de spumă prin faptul că prima este stabilizată de particule solide (ca în spumă-flotație), iar cea de-a doua de substanțe solubile.

aerosolii sunt dispersii în gaze. În aerosoli, particulele depășesc adesea limitele obișnuite de dimensiune pentru coloizi. Dacă particulele dispersate sunt solide, se vorbește despre aerosoli de particule solide; dacă sunt lichide, se vorbește despre aerosoli de particule lichide. Utilizarea termenilor aerosol solid și aerosol lichid este descurajată. Un aerosol nu este nici „solid”, nici” lichid”, ci, dacă este ceva, gazos.

o mare varietate de termeni precum praf, ceață, ceață, ceață, burniță, fum și smog sunt folosiți pentru a descrie aerosolii în funcție de proprietățile, originea și așa mai departe. Dintre acestea, numai termenii ceață și fum sunt incluși în această nomenclatură.

o ceață este un aerosol de particule lichide, în special un nor scăzut.

un fum este un aerosol provenit din combustie, descompunere termică sau evaporare termică. Particulele sale pot fi solide (fum de oxid de magneziu) sau lichide (fum de tutun).

un gel este un sistem coloidal cu o tensiune de randament finită, de obicei destul de mică. Materialele precum silicagelul care au trecut printr-o etapă de gel în timpul preparării sunt denumite în mod necorespunzător geluri.

termenul xerogel este utilizat pentru astfel de structuri deschise uscate; și, de asemenea, pentru geluri macromoleculare compacte uscate, cum ar fi gelatina sau cauciucul.

termenul aerogel este folosit atunci când deschiderea structurii este menținută în mare măsură.

dispersiile coloidale pot fi liofobe (hidrofobe, dacă mediul de dispersie este o soluție apoasă) sau liofile (hidrofile). Solii liofili se formează spontan atunci când materialul coerent uscat (de exemplu, gelatină, cauciuc, săpun) este adus în contact cu mediul de dispersie; prin urmare, sunt termodinamic mai stabile decât în starea inițială a materialului coloid uscat plus mediul de dispersie. Solurile liofobe (de exemplu, sol auriu) nu pot fi formate prin dispersie spontană în mediu. Sunt instabile termodinamic în ceea ce privește separarea în faze macroscopice, dar pot rămâne mult timp într-o stare metastabilă.

solii Liofili cuprind atât coloizi de asociere în care se formează reversibil agregate de molecule mici, cât și macromolecule în care moleculele în sine sunt de dimensiuni coloidale.

amestecurile de coloizi liofobi și liofili pot forma coloizi liofobi protejați.

termenii liofili (hidrofili, lipofili, oleofili etc.) și liofobe (lipofobe etc.) poate fi, de asemenea, utilizat pentru a descrie caracterul interacțiunii unui anumit grup atomic cu mediul. În această utilizare, Termenii au sensul calitativ relativ de „preferând solventul” (preferând apa, preferând grăsimea etc.) și „respingerea solventului” (respingerea apei, respingerea grăsimilor etc.), respectiv.

termenii de preferare a solventului sau de respingere a solventului se referă întotdeauna la un proces diferențial, de obicei în sensul de a prefera solventul deasupra lui sau de a se prefera deasupra solventului, dar uneori preferând un solvent (de exemplu, apă) deasupra altuia (de exemplu, ulei).

un electrolit coloidal este un electrolit care dă ioni, dintre care cel puțin unul are dimensiunea coloidală. Prin urmare, acest termen include soli hidrofobi, coloizi de asociere Ionică și polielectroliți.

ionii cu masă moleculară relativă scăzută, cu o sarcină opusă celei a ionului coloidal, se numesc contra-ioni; dacă sarcina lor are același semn ca cea a ionului coloidal, ei se numesc co-ioni.

un polielectrolit este o substanță macromoleculară care, dizolvându–se în apă sau într–un alt solvent ionizant, se disociază pentru a da poliioni (policații sau polianioni) – multiplică ioni încărcați-împreună cu o cantitate echivalentă de ioni de sarcină mică și semn opus. Polielectroliții care se disociază în policații și polianioni, fără ioni de sarcină mică, sunt de asemenea concepuți. Un polielectrolit poate fi un poliacid, o polibază, un polisalt sau un poliamfolit.

dacă toate particulele dintr-un sistem coloidal au (aproape) aceeași dimensiune, sistemul se numește monodispers; în cazurile opuse, sistemele sunt heterodisperse.

dacă într-un sistem coloidal apar doar câteva dimensiuni ale particulelor, sistemul este paucidispers, iar dacă apar multe dimensiuni ale particulelor, acesta este polidispers.

datorită dimensiunii lor, particulele coloidale pot trece prin filtre obișnuite, dar nu prin deschiderile extrem de fine dintr-o membrană semipermeabilă, cum ar fi pergamentul. Un lichid nu poate curge printr-o membrană semipermeabilă, dar se va difuza prin ea încet dacă lichidul se află pe cealaltă parte. Deși o dispersie coloidală nu poate fi purificată prin filtrare, ea poate fi dializată plasând-o într-o pungă semipermeabilă cu apă pură la exterior. Impuritățile dizolvate se difuzează treptat prin pungă, în timp ce particulele coloidale rămân închise în interiorul acesteia. Dacă procesul de dializă este finalizat, suspensia se va descompune adesea sau se va așeza, deoarece stabilitatea sistemelor coloidale depinde frecvent de sarcinile electrice ale particulelor individuale, iar acestea sunt, la rândul lor, dependente în general de prezența electroliților dizolvați.deși particulele coloidale individuale sunt prea mici pentru a fi văzute cu un microscop obișnuit, ele pot fi făcute vizibile cu ajutorul unui microscop ultra sau microscop cu câmp întunecat. Dacă o dispersie coloidală este plasată sub microscop și un fascicul de lumină este direcționat dintr-o parte, calea fasciculului devine vizibilă prin împrăștierea particulelor coloidale. Același fenomen face ca calea unui fascicul de lumină să fie vizibilă într-o cameră întunecată, dar sub microscop se observă flash-uri separate de lumină. Particulele sunt văzute a fi în mișcare aleatorie ca rezultat al mișcării browniene, iar viteza lor este exact cea calculată pentru molecule dimensiunea particulelor coloidale. Particulele sunt vizibile direct într-un microscop electronic. Unele coloizi sunt translucide datorită efectului Tyndall, care este împrăștierea luminii de către particulele din coloid. Alți coloizi pot fi Opaci sau pot avea o culoare ușoară. O dispersie coloidală a particulelor sub-centimm poate fi stabilă sau instabilă la agregare. Mișcarea browniană asigură că particulele sunt în mișcare continuă, dând naștere la coliziuni la o rată determinată de teoria difuziei. Datorită energiei libere interfaciale ridicate, coloizii liofobi sunt instabili termodinamic și tind să se agregeze. Acest lucru este, în general, nedorit, iar oamenii de știință coloizi urmăresc să prevină apariția acestuia.

într-o dispersie stabilă, coliziunile particulelor nu conduc la agregare, deoarece forțele de repulsie ale interparticulelor domină. Acesta va rămâne dispersat pe o perioadă nedeterminată, deși particulele mai mari de aproximativ 0,1 MMC se vor sedimenta în funcție de densitatea lor. Într-o dispersie instabilă, coliziunile duc la formarea agregatelor; agregate mai mari fie sedimente, fie cremă, în funcție de densitatea lor relativă.

forțele respingătoare într-o dispersie stabilă au fost identificate cu mult timp în urmă ca fiind de origine electrică. Un potențial de suprafață există la interfața dintre particula solidă și lichidul înconjurător datorită prezenței unei sarcini de suprafață. Pentru a menține neutralitatea electrică, ionii de sarcină opusă prezenți în mediu sunt atrași mai aproape de suprafața particulelor, rezultând un strat difuz de contra-ioni foarte concentrați. Concentrația de contra-ioni din acest strat se descompune exponențial de la suprafață pe o distanță de zeci de nanometri. Norul ionic rezultat se numește regiunea difuză a stratului dublu electric. La coliziunea particule-particule, suprapunerea norilor ionici dă naștere unei repulsii osmotice care împinge particulele în afară.

teoria DLVO a stabilității coloidale, dezvoltată de Derjaguin și Landau și Verwey și Overbeek în anii 1940, propune un echilibru între forțele electrice repulsive cu două straturi (pozitive prin convenție) și forțele atractive van der Waals (negative prin convenție) care există între toate problemele. S-a constatat că aceste două forțe au o rază și o magnitudine similare. Forțele electrice cresc exponențial pe măsură ce particulele se apropie una de cealaltă, iar forțele atractive cresc ca o putere inversă de separare. În consecință, aceste forțe aditive pot fi exprimate ca energie potențială versus curbă de separare. Un rezultat pozitiv corespunde unei bariere energetice și repulsiei, în timp ce un rezultat negativ corespunde atracției și, prin urmare, agregării. În general, se consideră că teoria de bază și modificările sale ulterioare oferă o bază solidă pentru înțelegerea stabilității coloidale.

adsorbția coloizilor liofili—macromolecule—de suprafața coloizilor liofobi dă naștere unei forțe repulsive suplimentare. Macromoleculele se atașează la suprafață pentru a forma o configurație asemănătoare buclei de trenuri de segmente atașate la suprafață și bucle și cozi de segmente care se extind în faza lichidă. Cercetările, în principal în anii 1960 și 1970, au identificat natura forțelor respingătoare care decurg din o astfel de adsorbție. Acestea sunt o combinație de repulsie entropică, care rezultă din libertatea configurațională restrânsă a moleculelor adsorbite atunci când două particule se ciocnesc; și repulsie osmotică, care rezultă din concentrația crescută de segmente din regiunea de suprapunere a straturilor adsorbite la contactul particule–particule. Cu excepția condițiilor speciale, prezența unui strat adsorbit saturat duce întotdeauna la o stabilizare totală a dispersiei la coagulare. Publicațiile anterioare se refereau la acest efect ca protecție coloidă, dar acum este denumită stabilizare sterică.

1.1 importanța ecologică a coloizilor

coloizii sunt de importanță ecologică, deoarece interacțiunea lor cu poluanții organici și anorganici, cum ar fi metalele și poluanții organici persistenți (Pop), joacă un rol important în bioabsorbția și ciclurile biogeochimice ale poluanților. În plus, coloizii sunt liganzi importanți, adesea dominanți, care afectează speciația urmelor de metale (Geckeis și colab., 2002) și alți poluanți din sistemele de mediu și afectează comportamentul agenților patogeni microbieni. Importanța acestor coloizi în transportul poluanților în estuare, lacuri și râuri a fost recunoscută de mult timp (Tessier și colab., 1994), cu potențiale efecte ecologice și asupra sănătății umane. Din ce în ce mai mult, este recunoscut faptul că bioabsorbția și bioefectele poluanților asupra multor organisme, cum ar fi microorganismele, alimentatoarele de filtre și detritus, peștii și chiar mamiferele pot fi modificate în moduri complexe prin asocierea cu coloizi, care pot fi produși biologic sau nonbiologic (Wilkinson și Buffle, 2004). O mare parte din lucrările recente s-au concentrat pe bioabsorbția metalelor libere și a metalelor legate de coloizi (de exemplu, Pan și Wang, 2003; Wang și Guo, 2000; Carvallho și colab., 1999), deși sunt încă necesare progrese substanțiale.

În ciuda importanței evidente, există o lipsă de înțelegere cantitativă a structurii coloizilor acvatici și a modului în care aceasta se referă la „funcția” lor de mediu în urmărirea poluanților și reglarea agenților patogeni (Muirhead and Lead, 2003). În plus, a existat o creștere enormă a numărului de tehnici care pot fi utilizate pentru separarea și analiza neperturbantă și cantitativă a coloizilor și a complexelor coloid-poluante, cum ar fi tipurile de forță și microscopia electronică (Muirhead și plumb, 2003; Mondii și colab., 2002; Balnois și Wilkinson, 2002), spectroscopie de corelație fluorescentă (FCS, plumb și colab., 2003), fracționarea fluxului de câmp (FFF; Lyven și colab., 2003) și spectroscopia cu raze X (Gaillard și colab., 2001). Cu toate acestea, majoritatea acestor metode nu sunt utilizate în prezent pentru studiul sistemelor coloidale de mediu neperturbate.

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *