Przeczytaj
Emulsje i piany
Roztwór koloidalnyRoztwór koloidalny (koloid) jest to roztwórroztwór niejednorodny, zwykle dwufazowydwufazowy, złożony z przynajmniej dwóch substancji, z których jedna jest rozproszona w drugiej. W tym roztworze rozdrobnienie (czyli stopień dyspersjistopień 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.
Charakterystyka roztworów koloidalnych
Roztwory koloidalne charakteryzują się:
ruchami Browna (ciągły, chaotyczny ruch drobin danej fazy rozproszonej w roztworze);
brakiem możliwości przenikania przez błony półprzepuszczalne;
wykazywaniem efektu Tyndallaefektu Tyndalla;
możliwością naładowania elektrycznie (zdyspergowane cząstki noszą ładunki).
Elektryczne własności roztworów koloidalnych wykorzystuje się do osadzania naładowanych cząstek pyłów w celu oczyszczenia powietrza.
Metody otrzymywania układów koloidalnych
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).
Typy układów koloidalnych
Do najważniejszych typów układów koloidalnych należą:
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 cieczynapięć powierzchniowych cieczy – im jest ona mniejsza, tym łatwiej tworzy się emulsja.
Sposobem na utrwalenie emulsji i zmniejszenie napięcia międzyfazowego cieczy jest dodatek w postaci emulgatorów. Emulgatory (surfaktanty), dzięki swojej specyficznej amfifilowejamfifilowej budowie, tworzą monowarstwę molekularną na powierzchni zdyspergowanych cząsteczek, przez co uniemożliwiają łączenie się zdyspergowanych cząstek w większe agregaty. W taki sposób stabilizują emulsję.
Emulgatory
Typowymi emulgatorami są związki:
syntetyczne:
estry alkoholi wielowęglowodorowych;
produkty sulfonowania związków alifatycznych;
naturalne, tj. lanolina, dekstryna i lecytyna.
Zastosowania emulsji
Działając prądem wysokiego napięcia, można zniszczyć emulsję. Wówczas wydzielają się z niej odrębne fazy cieczy.
Związki powierzchniowo czynne – surfaktanty – są zbudowane z części hydrofilowejhydrofilowej, tzw. „głowy”, i części hydrofobowejhydrofobowej, tzw. „ogona”. Ze względu na swoją amififilową budowę, mają zdolność do modyfikowania napięcia powierzchniowego na granicy faz układu cieczy, zmieniając tym samym jej energię swobodnąenergię swobodną. Ich polarna część charakteryzuje się powinowactwem do cieczy polarnych, dzięki czemu surfaktanty ulegają rozpuszczaniu w wodzie i innych cieczach polarnych. Natomiast niepolarna część wykazuje powinowactwo do cieczy niepolarnych. Mają zdolność do tworzenia micelimiceli, dzięki czemu pełnią funkcje detergentów i usuwają brud. Typowymi przykładami surfaktantów są mydła potasowe lub sodowe, laurylosiarczan sodu (SDS) oraz płyny do płukania tkanin.
Piany to układy koloidalne, które powstają na skutek dyspersjidyspersji 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 lepkościlepkości 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.
Związki powierzchniowo czynne znajdują zastosowania w wielu dziedzinach. Bardzo ważnym sposobem wykorzystania ich specyficznych właściwości było zastosowanie -butoksyetanolu (Corexit ) w trakcie największego wycieku ropy naftowej ( kwietnia r.) w Zatoce Meksykańskiej. Związek ten, z powodu emulgowania wielkiej plamy oleju, przekształcił ją na małe krople, czyniąc ropę bardziej podatną na działanie bakterii, pozwalając tym samym na zmniejszenie niekorzystnego wpływu ropy na środowisko.
Z roztworami koloidalnymi związane jest zjawisko TyndallaTyndalla. Polega na rozpraszaniu światła przez koloid z wytworzeniem charakterystycznej smugi świetlnej, powstałe na skutek uginania się promieni światła na cząstkach rozproszonych w roztworze.
Zjawisko efektu Tyndalla zostało odkryte w 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
oznacza jednorodną mieszaninę dwóch lub więcej substancji; najczęściej jeden ze składników tej mieszaniny występuje w większej ilości i wówczas nazywany jest rozpuszczalnikiem, a więc substancją służącą do rozpuszczenia innych składników (substancji rozpuszczonych)
roztwór niejednorodnyniejednorodny, złożony z przynajmniej dwóch substancji, z których jedna z nich jest rozproszona w drugiej; cząsteczki rozproszone mają rozmiary
zjawisko fizyczne, które polegaja na rozproszeniu światła, przechodzącego przez roztwór koloidalny z wytworzeniem smugi światła
układy koloidalne, które powstają na skutek dyspersji gazu w fazie ciekłej lub stałej, np. szkło piankowe, pumeks
(gr. aer „powietrze”, łac. solutio „roztwór”) układy koloidalne, w których fazą zdyspergowaną jest ciało stałe lub ciecz, a ośrodek rozpraszający stanowi faza gazowa, np. dym lub mgła
układ koloidalny, który składa się z dwóch niemieszających się cieczy, np. mieszaniny wody i benzenu
inaczej mieszanina heterogeniczna, w której poszczególne składniki, mimo wymieszania, można odróżnić w skali mikroskopowej
składający się z dwóch faz
wielkość charakteryzująca układy dyspersyjne, związana z wielkością cząstek fazy rozproszonej; stopień jest tym większy, im mniejsze cząsteczki fazy rozproszonej
stan rozproszenia substancji w roztworze koloidalnym
zjawisko fizyczne, które występuje na styku powierzchni cieczy z ciałem stałym, gazem lub inną cieczą; przejawia się tym, że sprawia wrażenie napiętej błony
zjawisko, które polega na niepełnej rozpuszczalności związków w rozpuszczalnikach: hydrofilowym i hydrofobowym
potencjał termodynamiczny w procesach, w których nie obserwuje się zmiany temperatury i objętości
(łac. mica „okruszyna”) zorientowany na kształt kuli zespół cząsteczek związku powierzchniowo czynnego (surfaktantu) w roztworze
właściwość płynów (cieczy, gazów), polegająca na występowaniu naprężeń stycznych, które zależą od prędkości odkształcenia elementów płynu
właściwość substancji, polegająca na zdolności jej cząsteczek (lub ich części) do oddziaływania z rozpuszczalnikami polarnymi, głównie z wodą bądź grupami polarnymi innych związków; cecha makroskopowa materiałów, obrazująca ich zdolność do zwilżania wodą
właściwość substancji, która polega na niezdolności jej cząsteczek (lub ich części) do oddziaływania z rozpuszczalnikami polarnymi, głównie z wodą bądź grupami polarnymi innych cząsteczek; cecha makroskopowa materiałów obrazująca ich brak zdolności do zwilżania przez wodę
Bibliografia
Encyklopedia PWN
Hejwowska S., Marcinkowski R., Chemia ogólna i nieorganiczna, Gdynia 2005.