Charakterystyka stanu koloidalnego

Są to na przykład roztwory takich substancji jak peptydy, białka, skrobia oraz polimery syntetyczne. Powierzchnia kontaktujących się faz może być wielkością makroskopową. Grubość powierzchni międzyfazowej to około 0,5-2 nm, dlatego cząstka koloidalna musi mieć wymiar co najmniej podwójnej grubości warstwy powierzchniowej. Stąd – dolna granica wymiaru cząstki koloidalnej to 1 nm, górna umownie 100 nm. Cząstki koloidalne mogą  być trójwymiarowe, jeśli wszystkie wymiary są rzędu rozdrobnienia koloidalnego, dwuwymiarowe (blaszkowate), w których dwa wymiary są tego rzędu lub jednowymiarowe (nitkowate), gdy jeden wymiar ma rozdrobnienie koloidalne.

Układ dyspersyjny

Jest to układ, zawierający ośrodek rozpraszający oraz substancję rozproszoną. Możemy go podzielić na kilka rodzajów:

1. jeżeli substancja rozproszona stanowi zbiór cząstek tej samej wielkości – monodysperyjny,
2. gdy cząstki substancji rozproszonej mają różne rozmiary – polidyspersyjny,
3. cząstki substancji rozproszonej mają ten sam kształt (np. pręciki, kulki, blaszki) – jednopostaciowy,
4. cząstki substancji rozproszonej mają różne kształty – wielopostaciowy.

Układy koloidalne

Faza rozproszona (dyspersyjna) występuje w niewielkiej ilości w porównaniu z ilością drugiej fazy, która stanowi ciągły ośrodek dyspersyjny. Fazę ciągłą (np. rozpuszczalnik) nazywamy ośrodkiem dyspersyjnym. Fazę rozproszoną tworzy drugi składnik. Cząstki koloidalne zawarte są pomiędzy układami o rozdrobnieniu cząsteczkowym (np. roztwory) lub o rozdrobnieniu mechanicznym (zawiesiny, suspensje). Zarówno faza rozproszona jak i rozpraszająca mogą występować w dowolnych stanach skupienia. Jednym z podstawowych warunków stabilizacji większości układów koloidalnych jest ładunek elektryczny cząstek fazy rozproszonej. Na powierzchni każdej cząstki występuje tzw. warstwa elektryczna, czyli:

• warstwa nieruchoma utworzona z silnie zaadsorbowanych jonów i dipoli, bezpośrednio na powierzchni cząstki koloidalnej,
• warstwa dyfuzyjna, w której jony i dipole są rozmieszczone w określony sposób, lecz znajdują się w pewnej odległości od powierzchni cząstek, są słabiej z nią związane i mogą zmienić swe położenie.

W wyniku takiego rozmieszczenia jonów i dipoli powstaje różnica potencjału na granicy faz: cząstka koloidalna – ośrodek dyspersyjny.  Zobojętnienie ładunków elektrycznych koloidów często prowadzi do zniszczenia stanu koloidalnego przez wydzielenie fazy zdyspergowanej w postaci większych skupisk, co nazywamy koagulacją.

Otrzymywanie koloidów

Wiele substancji można przeprowadzić w stan rozdrobnienia koloidalnego przez zastosowanie odpowiedniego ośrodka dyspersyjnego, temperatury i techniki pracy. Można go otrzymać w procesie dyspersji (rozdrabniania) układów makroskopowych lub w procesie kondensacji atomów, jonów lub cząsteczek do agregatów (skupionych cząstek) o określonych rozmiarach. Podstawowe metody dzielimy na dyspersyjne i kondensacyjne.

1. Metody dyspersyjne: rozdrabnianie mechaniczne (rozcieranie), dyspergowanie elektryczne, rozpylanie za pomocą ultradźwięków, rozpylanie termiczne, rozpuszczanie koloidalne, proces peptyzacji. Rozdrobnienie jest pracą przeciw siłom kohezji.

Dobór metody zależy od stanu skupienia ośrodka rozpraszającego i substancji rozproszonej. W przypadku substancji wielkocząsteczkowych wystarczy rozpuścić daną substancję w odpowiednim rozpuszczalniku (np. polistyren w benzenie). Jeśli ośrodkiem dyspersyjnym jest ciecz organiczna, mielenie należy przeprowadzić z dodatkiem wyższych kwasów organicznych.

2. W procesach kondensacji z atomów, jonów lub cząstek tworzą się ich agregaty o większych rozmiarach. Kondensacja w roztworach jest związana z przebiegiem reakcji chemicznych lub z określonym zjawiskiem fizycznym i są to przeważnie metody polegające na zmniejszeniu rozpuszczalności, redukcji, utlenianiu, reakcjach wymiany, polimeryzacji, hydrolizie. W reakcji chemicznej cząstki są utworzone przez wiązanie metaliczne, jonowe lub kowalencyjne a w procesach fizycznych dzięki siłom międzycząsteczkowym.

Przykładem może być reakcja redukcji roztworów soli metali szlachetnych, w której otrzymuje się hydrozole tych metali. Reduktorami mogą być nadtlenek wodoru, aldehyd mrówkowy, hydrazyna i sole żelazowe. Metodą reakcji redukcji chemicznej otrzymano hydrazole złota, srebra, platyny. Wydzielone atomy metalu łączą się w skupiska (klastery) atomów o wymiarach koloidalnych.

Podział koloidów

1. Ze względu na sposób przechodzenia w stan koloidalny:
   1. asocjacyjne – przechodzące w stan koloidalny w sposób samorzutny,
   2. dyspersyjne – powstałe przez wymuszone rozdrobnienie substancji rozproszonej.
2. Ze względu na stan skupienia:
   1. aerozole – ośrodkiem rozpraszającym jest gaz, na przykład mgła, kurz,
   2. zole, roztwory koloidalne – ośrodkiem rozpraszającym jest ciecz, na przykład piana, mleko,
   3. pirozole – ośrodkiem rozpraszającym jest ciało stałe, na przykład pumeks, perły fosforowe.
3. Ze względu na morfologię:
   1. izometryczne, gdzie wszystkie trzy wymiary (długość, szerokość, wysokość) są równe, np. kulki, sześciany,
   2. anizometryczne, w których wymiary różnią się od siebie, na przykład pręciki, płytki.
4. Ze względu na powinowactwo cząstek koloidalnych do rozpuszczalnika:
   1. liofilowe – posiadają duże powinowactwo do rozpuszczalnika, duża trwałość,
   2. liofobowe – posiadają małe powinowactwo do rozpuszczalnika.

Przykłady koloidów

Emulsje – układy koloidalne, w których zarówno ośrodek rozpraszający, jak i substancja rozproszona znajdują się w stanie ciekłym. Ciecze nie mieszają się ze sobą, ale jedna rozproszona jest w drugiej w postaci drobnych kropelek. Zazwyczaj woda stanowi jedną fazę, a druga jest, tak zwaną fazą olejową. Ze względu na budowę i stosunki objętościowe faz, emulsje można podzielić na układ typu woda w oleju w/o, gdzie fazą rozpraszającą jest olej, a rozproszoną woda oraz analogicznie olej w wodzie o/w.

Aerozole otrzymuje się przez zdyspergowanie substancji stałej (dymy) lub cieczy (mgły) w gazie. Dym jest wynikiem rozdrobnienia ciał stałych w gazie, również jako wynik reakcji chemicznej, np. NH₃ + HCl -> NH₄Cl. Mgły to wynik kondensacji cieczy w przesyconych parach. Przykładowe rozmiary cząstek 10 – 1000 Å (Angstrem), np. dym tytoniowy 2-10 Å, krople w chmurach 40-100 Å.

Piany otrzymuje się przez zdyspergowanie w cieczy substancji gazowej. Cząstki gazu rozdzielone są cienkimi warstwami cieczy, które tworzą szkielet piany. Trwałość  zależy od wzmocnienia błonek oddzielających cząstki gazu cienkimi warstewkami substancji powierzchniowo czynnych. Tworzenie pian, wielkość cząstek zdyspergowanego gazu i ich trwałość posiadają istotne znaczenie w procesie wzbogacania rud – flotacji. Substancje powierzchniowo czynne dodawane do zawiesiny wodnej drobno zmielonej rudy tworzą ze wtłaczanym powietrzem drobne cząstki piany, które oddziaływając selektywnie z rudą, oddzielają ją od skały płonnej.