Roztwór koloidalnyroztwór koloidalny Roztwór koloidalny (koloid) jest to roztwórroztwórroztwór niejednorodny, zwykle dwufazowydwufazowydwufazowy, złożony z przynajmniej dwóch substancji, z których jedna jest rozproszona w drugiej. W tym roztworze rozdrobnienie (czyli stopień dyspersjistopień dyspersji stopień dyspersji) substancji rozproszonej jest tak duże, że układ ten sprawia wrażenie mieszaniny homogenicznej. Nie jest jednak roztworem homogenicznym, ponieważ nie występuje tutaj wymieszanie na poziomie pojedynczych indywiduów chemicznych (czyli atomów, jonów, cząsteczek). W roztworze koloidalnym substancje rozpuszczone nazywane są fazą zdyspergowaną, a rozpuszczalnik ośrodkiem rozpraszającym.

Roztwory koloidalne charakteryzują się:

• ruchami Browna (ciągły, chaotyczny ruch drobin danej fazy rozproszonej w roztworze);

R1ZLnikwlOxKB

Na grafice przedstawiono kulki połączone liniami. Kulka przedstawia cząstkę koloidalną. Linie łączące cząsteczki tworzą drogę. Linie i kulki są ustawione w różnych kierunkach.

• brakiem możliwości przenikania przez błony półprzepuszczalne;

• wykazywaniem efektu Tyndallaefekt Tyndallaefektu Tyndalla;

• możliwością naładowania elektrycznie (zdyspergowane cząstki noszą ładunki).

Elektryczne własności roztworów koloidalnych wykorzystuje się do osadzania naładowanych cząstek pyłów w celu oczyszczenia powietrza.

Układy koloidalne można otrzymać na drodze dwóch metod:

• kondensacyjnej, która wykorzystuje do tego celu reakcje chemiczne oraz procesy chemiczne (np. alkoholowy roztwór siarki w wodzie lub powstające podczas kondensacji cząsteczek wody chmury);

• dyspersyjnej, która polega na zastosowaniu odpowiedniego rozdrobnienia cząstek (np. odpowiednio rozdrobnione cząsteczki pigmentu w farbie).

Do najważniejszych typów układów koloidalnych należą:

• emulsjeemulsjaemulsje;

• pianypianypiany;

• aerozoleaerozoleaerozole.

Emulsja jest to układ koloidalny, który składa się z dwóch niemieszających się cieczy. Jedna z nich stanowi fazę zdyspergowaną (jest rozproszona do postaci cząstek o rozmiarach koloidalnych), druga natomiast stanowi ośrodek rozpraszający. Przykładem takiej emulsji jest dokładnie wymieszany rozpuszczalnik organiczny z wodą (np. benzen z wodą lub heksan z wodą). Emulsja nie jest trwała i po odpowiednim czasie następuje rozdzielenie się faz na skutek łączenia się ze sobą zdyspergowanych cząsteczek (zjawisko to nosi nazwę koalescencji). Przykład emulsji, w której ciecz organiczna jest rozproszona w wodzie, nosi nazwę emulsji typu olej w wodzie – O/W (np. mleko).

Inny typ emulsji, w którym woda jest zdyspergowana w oleju, zapisujemy skrótowo jako W/O (np. margaryna).

Bardzo ważną kwestią w procesie tworzenia emulsji jest różnica napięć powierzchniowych cieczynapięcie powierzchniowe cieczynapięć powierzchniowych cieczy – im jest ona mniejsza, tym łatwiej tworzy się emulsja.

Typowymi emulgatorami są związki:

• syntetyczne:

  • estry alkoholi wielowęglowodorowych;

  • produkty sulfonowania związków alifatycznych;

• naturalne, tj. lanolina, dekstryna i lecytyna.

Działając prądem wysokiego napięcia, można zniszczyć emulsję. Wówczas wydzielają się z niej odrębne fazy cieczy.

Piany to układy koloidalne, które powstają na skutek dyspersjidyspersjadyspersji gazu w fazie ciekłej lub stałej. Fazę zdyspergowaną stanowi w nich gaz, natomiast ośrodkiem rozpraszającym może być ciecz lub ciało stałe. Ich trwałość uzależniona jest od lepkościlepkośćlepkości ośrodka rozpraszającego – im większa lepkość, tym trwalsze są piany. Ze względu na kształty fazy rozproszonej wyróżnia się:

• piany kulkowe, w których pęcherzyki gazu nie oddziałują na siebie;

• piany wielościenne (poliedryczne), gdzie pęcherzyki gazu oddzielone są od siebie związkami powierzchniowo czynnymi.

Przykładem piany, powstałej na skutek dyspersji gazu w ciele stałym, jest szkło piankowe. Jest to materiał stosowany w budownictwie do izolacji termicznych oraz akustycznych, otrzymywany w wyniku dodania do roztopionego szkła domieszek pianotwórczych. Naturalnym odpowiednikiem szkła piankowego jest pumeks, powstały na skutek szybkiego zastygania lawy wulkanicznej wraz z pęcherzykami gazu. Podobnie jak emulsje, piany również mają wiele ciekawych zastosowań. Wykorzystywane są m.in. w pożarnictwie (w gaśnicach pianowych), w przemyśle spożywczym (bita śmietana), w metalurgii (wzbogacanie rud metodą flotacji). Piany mogą ulec zniszczeniu na skutek wysokiego ciśnienia lub promieniowania.

Aerozole to układy koloidalne, w których fazą zdyspergowaną jest ciało stałe lub ciecz, a ośrodek rozpraszający stanowi faza gazowa. Do typowych aerozoli zaliczamy dymy, które powstają w wyniku spalania, oraz mgły, powstałe na skutek rozproszenia cieczy w powietrzu. Aerozole, tj. pyły i dymy przemysłowe, stanowią przykłady szkodliwych i toksycznych układów koloidalnych. Istnieją jednak sposoby wykorzystania ich właściwości z korzyścią dla społeczeństwa, m.in. w inhalatorach lub w kserokopiarkach.

Z roztworami koloidalnymi związane jest zjawisko Tyndallaefekt TyndallaTyndalla. Polega na rozpraszaniu światła przez koloid z wytworzeniem charakterystycznej smugi świetlnej, powstałe na skutek uginania się promieni światła na cząstkach rozproszonych w roztworze.

Ciekawostka

R52UlBPnfjL50

Zdjęcie przedstawia ścieżkę w lesie. Promienie słońca są rozproszone przez rosnące drzewa.

Zjawisko efektu Tyndalla zostało odkryte w $1859$ roku przez Johna Tyndalla, który był przyrodnikiem, badaczem i odkrywcą zjawisk fizycznych. Dzięki jego wynalezisku można oceniać stężenia roztworów koloidalnych przy użyciu nefelometru. Metoda analizy instrumentalnej, zwana nefelometrią, analizuje pomiary intensywności światła rozproszonego i umożliwia oznaczenie stężenia substancji rozpraszającej światło. Zjawisko Tyndalla może być również obserwowane w mieszaninach gazowych koloidów, jak np. w lesie, kiedy to światło ulega załamaniu na cząstkach pary wodnej i pyłków.

Słownik

Bibliografia

Encyklopedia PWN

Hejwowska S., Marcinkowski R., Chemia ogólna i nieorganiczna, Gdynia 2005.