Κεφάλαιο 7 Κολλοειδή

Transcript

1 Κεφάλαιο 7 Κολλοειδή Σύνοψη Τα κολλοειδή είναι μορφή μείγματος με διεσπαρμένα σωματίδια, τα οποία έχουν διαστάσεις από 1 ως 1000 nm. Τα σωματίδια αυτά παραμένουν διεσπαρμένα στον διαλύτη και δεν καταβυθίζονται. Κολλοειδή μπορούν να σχηματίσουν όλες οι καταστάσεις της ύλης εκτός από τον συνδυασμό αερίου αερίου. Μία από τις ενδιαφέρουσες ιδιότητες που παρουσιάζουν είναι η ικανότητά τους να σκεδάζουν το φως. Το φαινόμενο αυτό σχετίζεται με το μέγεθος των διεσπαρμένων σωματιδίων και ονομάζεται φαινόμενο Tyndall. Προαπαιτούμενη γνώση Διαλύματα αιωρήματα (Παράγραφος 5.1). Υπάρχουν τρεις μορφές μειγμάτων: τα διαλύματα, τα αιωρήματα και τα κολλοειδή. Το κολλοειδή είναι στην ουσία διαλύματα τα οποία αποτελούνται από σωματίδια διαστάσεων από 1 ως 1000 nm που διατηρούνται διασπαρμένα στον διαλύτη παρόλες τις σημαντικές διαστάσεις τους. Πρέπει να σημειωθεί ότι υπάρχει ομοιόμορφη διασπορά των δύο ουσιών στο κολλοειδές. 7.1 Τύποι κολλοειδών Ανάλογα με τη φυσική κατάσταση των ουσιών που αναμειγνύονται για να προκύψει ένα κολλοειδές, μπορούμε να έχουμε όλους τους πιθανούς συνδυασμούς, εκτός από τον συνδυασμό αέριου αερίου. Όταν κάποιο υλικό διασπείρεται σε ένα αέριο τότε έχουμε δημιουργία αερολύματος, όπως π.χ. ο καπνός ή η ομίχλη. Επίσης, σημαντικά είναι τα γαλακτώματα που προκύπτουν από την ανάμειξη δύο υγρών. Τυπικό παράδειγμα είναι το γάλα το οποίο περιέχει σωματίδια λίπους. Επίσης όταν σε ένα στερεό διασπείρεται ένα υγρό έχουμε τη δημιουργία πηκτής (gel). Μέσο Αέριο Διασπαρμένη φάση Αέριο Υγρό Στερεό Δεν σχηματίζουν κολλοειδή γιατί τα Αερόλυμα Αερόλυμα (aerosol) αέρια είναι πλήρως αναμείξιμα (aerosol) Υγρό Αφρός (foam) Γαλάκτωμα Λύμα (sol) (emulsion) Στερεό Αφρός (foam) Πηκτή (gel) Στερεό λύμα (solid sol) Πίνακας 7.1 Κατηγορίες κολλοειδών συστημάτων 7.2 Σκέδαση του φωτός. Φαινόμενο Tyndall Ένας εύκολος τρόπος ελέγχου για να αποφανθούμε αν ένα μείγμα είναι κολλοειδές ή όχι είναι να φωτίσουμε το μείγμα. Αν έχουμε διάλυμα, τότε το φως θα περάσει χωρίς αποκλίσεις από αυτό. Όμως, στην περίπτωση του κολλοειδούς θα παρατηρήσουμε σημαντικά φαινόμενα σκέδασης. Αυτό συμβαίνει λόγω του σχετικά μεγάλου μεγέθους των σωματιδίων του κολλοειδούς. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται φαινόμενο Tyndall. Στην πραγματικότητα, η σκέδαση της φωτεινής δέσμης από τα σωματίδια ενός κολλοειδούς μπορεί να γίνει ορατή μόνον όταν ο παρατηρητής κοιτάζει κάθετα προς την κατεύθυνση της δέσμης

2 Σχήμα 7.1 Φαινόμενο Tyndall Επίσης, λόγω του μεγέθους των διεσπαρμένων σωματιδίων μπορούμε εύκολα να ξεχωρίσουμε το κολλοειδές από ένα διάλυμα αν το αναγκάσουμε να διέλθει μέσα από ημιπερατή μεμβράνη. Η μεμβράνη θα συγκρατήσει τα μεγάλου μεγέθους σωματίδια και θα αφήσει το μέσο διασποράς να περάσει από αυτή. Η συγκεκριμένη διεργασία ονομάζεται διάλυση κολλοειδούς (Dialysis) και είναι γνωστή η εφαρμογή της στην αιμοκάθαρση. Το αίμα «καθαρίζεται» καθώς διέρχεται από ημιπερατές μεμβράνες, οι οποίες προσομοιάζουν τη λειτουργία των νεφρών, όταν δεν λειτουργούν τα νεφρά του ασθενή. 7.3 Διαμοριακές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των κολλοειδών Σε ένα κολλοειδές υπάρχει ποικιλία αλληλεπιδράσεων. Τα σωματίδια έχουν σχετικά μεγάλο μέγεθος και είναι συμπαγή. Έτσι, κάποιο σωματίδιο παρεμποδίζεται στερεοχημικά από ένα άλλο σωματίδιο στην προσπάθειά του να καταλάβει έναν συγκεκριμένο χώρο που έχει ήδη καταληφθεί από το προηγούμενο σωματίδιο. Τα περισσότερα κολλοειδή αποτελούνται από διασπαρμένα σωματίδια τα οποία εμφανίζουν φορτίο. Έτσι μπορούν να έλξουν αντιθέτου φορτίου σωματίδια ή να απωθήσουν ομοειδώς φορτισμένα σωματίδια. Οι δυνάμεις van der Waals είναι (παράγραφος 4.3) ελκτικές διαμοριακές δυνάμεις που αναπτύσσονται σε όλα τα σωματίδια. Ειδικά όμως για τα κολλοειδή συστήματα που τα διεσπαρμένα σωματίδια είναι σημαντικών διαστάσεων οι δυνάμεις van der Waals είναι σχετικά ισχυρές. Λόγω του 2ου Θερμοδυναμικού νόμου που μας λέει ότι η εντροπία σε ένα σύστημα τείνει να αυξάνει όταν υπάρχουν δυνάμεις απώθησης μεταξύ των σωματιδίων που τα εμποδίζει να συσσωματωθούν. Έτσι κάθε κολλοειδές σωματίδιο δέχεται την επίδραση δύο αντίθετων φαινομένων, ελκτικών δυνάμεων που τείνουν να τα συνενώσουν και απωστικών δυνάμεων, που τείνουν να τα κρατούν απομακρυσμένα. Όταν οι ελκτικές δυνάμεις πλεονεκτούν, τότε τα κολλοειδή σωματίδια συσσωματώνονται και δημιουργούν ακόμα μεγαλύτερων διαστάσεων σωματίδια. Αυτά πλέον δεν μπορούν να είναι διεσπαρμένα και καταβυθίζονται. Η προσθήκη ενός ηλεκτρολύτη ή η αλλαγή ph στο διάλυμα μπορεί να επηρεάσει σημαντικά το φορτίο των σωματιδίων και να τα οδηγήσει σε συσσωμάτωση και καταβύθιση. Σχήμα 7.2 Καταβύθιση ενός κολλοειδούς. 7.4 Προσδιορισμός του φορτίου και του μεγέθους ενός κολλοειδούς Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, ιδιαίτερα τα κολλοειδή στα οποία το μέσο διασποράς είναι το νερό εμφανίζουν σημαντικές διαφορές σε σχέση με τα διαλύματα. Υπεύθυνος για τις παρατηρούμενες διαφορές είναι ο μεγάλος λόγος επιφάνειας προς όγκο που εμφανίζουν και το επιφανειακό φορτίο που αναπτύσσουν ιδίως σε υδατικό περιβάλλον. Ο συνδυασμός της μεγάλης ειδικής επιφάνειας και του φορτίου που αναπτύσσεται οδηγεί στην εμφάνιση διπλοστοιβάδας. Είναι μία περιοχή ανάμεσα στην επιφάνεια του σωματιδίου και στην κύρια

3 μάζα του διαλύματος. Η περιοχή αυτή σχηματίζεται λόγω των φορτίων της επιφάνειας. Αυτά έλκουν σωματίδια (π.χ. ιόντα) αντίθετου φορτίου και αυτά συσσωρεύονται στη διαφασική περιοχή προκειμένου να εξουδετερώσουν το φορτίο της επιφάνειας. Το φορτίο της επιφάνειας καθορίζεται από το ph του διαλύματος. Υπάρχει ένα συγκεκριμένο ph το οποίο ονομάζεται Σημείο Μηδενικού Φορτίου, στο οποίο η επιφάνεια εμφανίζει συνολικό μηδενικό φορτίο. Σε ph υψηλότερα είναι φορτισμένη αρνητικά ενώ σε χαμηλά ph φορτίζεται θετικά. Σχήμα 7.3 Επιφανειακό φορτίο κολλοειδούς και ορισμός του σημείου μηδενικού φορτίου Ο πλέον συνηθισμένος τρόπος για να προσδιορίζεται το φορτίο της επιφάνειας είναι η μέθοδος των ποτενσιομετρικών τιτλοδοτήσεων. Στην ουσία ογκομετρείται το κολλοειδές διάλυμα με ένα πρότυπο οξύ και προσδιορίζεται η κατανάλωση Η + από την επιφάνεια. Η μέθοδος παρουσιάζει πλεονεκτήματα αλλά και δυσκολίες. Μία εναλλακτική μέθοδος προκειμένου να προσδιορίσουμε το δυναμικό που αναπτύσσεται στη διαφασική περιοχή και συγκεκριμένα στο διατμητικό επίπεδο είναι η μικροηλεκτροφόρηση. Η μέθοδος αυτή στηρίζεται στο γεγονός ότι ανάμεσα σε δύο ηλεκτρόδια στα οποία μπορούμε να επιβάλλουμε δυναμικό τοποθετούμε το κολλοειδές διάλυμα. Εφαρμόζοντας τάση στα δύο ηλεκτρόδια αναγκάζουμε το φορτισμένο σωματίδιο να κινηθεί προς το ηλεκτρόδιο αντιθέτου φορτίου. Η ταχύτητα κίνησης είναι ανάλογη του δυναμικού της διεπιφάνειας και κατά συνέπεια, του φορτίου του σωματιδίου. Σχήμα 7.4 Περιγραφή της διεπιφάνειας σε ένα κολλοειδές σύστημα Το ph στο οποίο το δυναμικό είναι ίσο με μηδέν ονομάζεται ισοηλεκτρικό σημείο, iep, και ταυτίζεται με το σημείο μηδενικού φορτίου, pzc, απουσία ειδικής προσρόφησης, δηλαδή αν δεν υπάρχει κάποιο ιόν που να προσροφάται στην επιφάνεια του σωματιδίου

4 Παράδειγμα 7.1 Ένας ερευνητής πραγματοποίησε μία σειρά πειραμάτων μικροηλεκτροφόρησης μετρώντας το δυναμικό του διατμητικού επιπέδου σε αιωρήματα των στερεών οξειδίων γ-al 2 O 3, TiO 2 και SiO 2 με σκοπό τον προσδιορισμό του ισοηλεκτρικού τους σημείου. Τα αποτελέσματα που πήρε ήταν τα ακόλουθα: Προσδιορίστε το ισοηλεκτρικό σημείο για κάθε οξείδιο. Απάντηση Στο σχήμα που ακολουθεί παριστάνονται γραφικά τα τρία σετ των αποτελεσμάτων που αφορούν το δυναμικό του διατμητικού επιπέδου συναρτήσει του ph του αιωρήματος. Το ισοηλεκτρικό σημείο (ΙΕP) είναι το ph στο οποίο το φορτίο και κατ επέκταση το δυναμικό στο διατμητικό επίπεδο είναι ίσο προς το μηδέν. Κατά συνέπεια, το IEP για τη σίλικα (SiO 2 ), καμπύλη (α), είναι ίσο με 2,9, για την τιτάνια (TiO 2 ), καμπύλη (β), είναι ίσο με 6,4 και για την γ-αλούμινα (γ-al 2 O 3 ), καμπύλη (γ), είναι ίσο με 8,

5 Ασκήσεις Ασκήσεις με τις απαντήσεις τους. Άσκηση 7.1 Είναι η σκόνη κολλοειδές; Αν ναι σε ποια κατηγορία ανήκει; Απάντηση: Η σκόνη είναι κολλοειδές. Ανήκει στα αερολύματα και αποτελείται από σωματίδια στερεού διασπαρμένα σε αέριο. Άσκηση 7.2 Ποια κολλοειδή χαρακτηρίζει ο όρος λύμα; Απάντηση: Λύμα είναι ένα κολλοειδές που προκύπτει από τη διασπορά ενός στερεού σε ένα υγρό. Άσκηση 7.3 Τι παρατηρείται όταν φωτιστεί ένα κολλοειδές; Πώς ονομάζεται το φαινόμενο αυτό; Απάντηση: Λόγω του μεγέθους των σωματιδίων το φως σκεδάζεται. Έτσι μπορεί να γίνει αντιληπτό το κολλοειδές. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται φαινόμενο Tyndall. Άσκηση 7.4 Ένα μείγμα αποτελείται από διασπαρμένα σωματίδια με διαστάσεις 30000pm. Θα το χαρακτηρίζατε διάλυμα, αιώρημα ή κολλοειδές; Απάντηση: pm σημαίνει 30 nm. Οι διαστάσεις αυτές είναι τυπικές διαστάσεις ενός κολλοειδούς. Άσκηση 7.5 Δώστε δύο παραδείγματα αερολύματος. Απάντηση: Αερόλυμα είναι κάθε μείγμα που προκύπτει από τη διασπορά στερεού ή υγρού σε ένα αέριο μέσο. Τυπικά παραδείγματα είναι ο καπνός, η ομίχλη, η σκόνη και άλλα. Άσκηση 7.6 Ο αφρός ξυρίσματος είναι κολλοειδές; Απάντηση: Ναι είναι. Ανήκει στην κατηγορία των αφρών και προκύπτει από διασπορά αερίου σε υγρό μέσο

6 Βιβλιογραφία Ebbing, D.D. & Gammon, S.D. (απόδοση στα ελληνικά: Κλούρας, Ν.) (2014). Σύγχρονη Γενική Χημεία Αρχές και Εφαρμογές (10 η Διεθνής έκδοση). Αθήνα: Εκδόσεις Τραυλός. Κλούρας, Ν., Περλεπές, Σ.Π., Μάνεση-Ζούπα, Ε., Ζαφειρόπουλος, Θ. (2000). Ανόργανη Χημεία Τόμοι Α-Ε. Πάτρα: Εκδόσεις Ελληνικό Ανοικτό Πανεπιστήμιο. Πνευματικάκης Γ., Μητσοπούλου, Χ., Μεθενίτης, Κ. (2005). Ανόργανη Χημεία Α' Βασικές Αρχές. Αθήνα: Εκδόσεις Αθ. Σταμούλης. Ταμουτσίδης, Ε.Γ. (2008). Γεωργική Χημεία (2η Έκδοση). Φλώρινα: Εκδόσεις +γράμμα. Zumdahl, S.S. & DeCoste, D.J. (2011). Introductory Chemistry: A Foundation. (7th ed.). Belmont: Brooks/ Cole Cengage learning