KOLOIDNI SISTEMI
DISPERZNI SISTEMIčestice jedne ili više supstanci raspoređene ili dispergovane u okružujućoj sredini DISPERZNA FAZAfaza čije su čestice dispergovane DISPERZNO SREDSTVOfaza u kojoj su čestice dispergovane 1. Zavisno od veličine čestica Ostvald je disperzne sisteme podelio na: MIKROHETEROGENE ILI GRUBO DISPERZNE SISTEME (zavisno od agregatnog stanja disperzne faze i disperznog sredstva: suspenzije i emulzije; čestice veće od 10 7 m (bar jedna dimenzija čestice)) ULTRAMIKROHETEROGENE ILI KOLOIDNE SISTEME (čestice između 10 9 i 10 7 m) MOLEKULSKO ILI JONSKO DISPERZNI SISTEMI (visokodisperzni sistemi; PRAVI RASTVORI)pravi rastvori su homogeni sa veličinom čestica koja odgovara veličini molekula ili jona 1 nm) 2. Prema broju čestica disperzne faze: kod koloida 10 3 10 9 čestica grupisanih u čestice sfernog oblika sa dimenzijama 1100 nm što je u skladu sa Ostvaldovom podelom. 3. Prema obliku čestica disperzne faze: korpuskularni ili globularni (sferni) dvodimezionalni ili laminarni (filmovi; tanki listići) jednodimenzionalni ili fibrilarni (linearni: štapići i vlakna)
4. prema agregatnom stanju disperzne faze i disperzne sredine disperzna faza disperzno sredstvo disperzni sistem primer gasna tečno pena pena na pivu, umućena belanca gasna čvrsto čvrsta pena šećerna pena, sunđer, stiropor, purpena tečna gasno aerosol magla, oblaci tečna tečno emulzija mleko,majonez tečna čvrsto gel gel za kosu čvrsta gasno aerosol dim, smog čvrsta tečno sol tempera čvrsta tečno suspenzija kakao u vodi, usitnjena kreda u vodi čvrsta čvrsto čvrsti sol legure, opal, rubin
Koloidni sistemi grč. sličan tutkalu (koloidno stanjestanje u kome mogu da se nađu razne supstance) su dvofazni sistemi sa veličinom čestica ispod oblasti vidljivosti optičkim mikroskopom a iznad vidljivosti elektronskim mikroskopom. Makromolekuli samim rastvaranjem grade liofilne koloide. Prolaze kroz filter papir ali se detektuju na osnovu pojave rasipanja svetlosti, sedimentacije, osmoze... Između disperzne faze i disperznog sredstva postoji granica faza velike površine pa time i velike slobodne površinske energije pa dolazi do adsorpcije npr. jona na površini čime koloidna čestica postaje naelektrisana a što je uzrok stabilnosti koloida zbog elektrostatičkog odbijanja čestica. U cilju razlikovanja od pravih rastvora koloidni sistemi se često nazivaju SOLOVIMA. Koloidi se još mogu podeliti na: MONODISPERZNEod čestica disperzne faze jednake veličine POLIDISPERZNE od čestica disperzne faze različite veličine. Prema sposobnosti da adsorbuju molekule tečnog disperznog sredstva (solvatacija): LIOFILNI LIOFOBNI Liofilni privlače molekule rastvarača a liofobni nemaju afinitet prema rastvaraču. Ako je rastvarač voda onda su HIDROFILNI ili HIDROFOBNI. Ako je rastvarač organski onda su ORGANOFILNI ili ORGANOFOBNI odnosno LIPOFILNI ili LIPOFOBNI ako je solvatacija lipidima.
DOBIJANJE KOLOIDA Pošto su po stepenu disperznosti između grubo disperznih sistema i pravih rastvora mogu se dobiti: DISPERZIONIM METODAMA (sitnjenje, dispergovanje grubo disperznih sa dodatnom stabilizacijom stabilizatorima ili peptizatorima) KONDENZACIONIM METODAMA (agregacija, kondenzacija manjih čestica u veće) MEHANIČKO DISPERGOVANEu kolidnim mlinovima ELEKTRODISPERGOVANJEelektričnom varnicom ili lukom (električno pražnjenje); elektrode od materijala npr. metala koji se disperguje, uronjene u disperzno sredstvo HEMIJSKO DISPERGOVANJEpeptizacijom ili rastvaranjem u podesnom rastvaraču PEPTIZACIJA proces suprotan koagulaciji. Čestice taloga adsorbuju jone, postaju naelektrisane, odbijaju se i prelaze u rastvor obrazujući koloid. Peptizator je supstanca koja peptizuje talog i to je najčešće neki elektrolit. Peptizacija je uspešna kod svežih taloga sa malim kristalima koji se još nisu ukrupnili. Npr. talog Fe(OH) 3 se peptizuje dodatkom HCl ili FeCl 3. Lako se peptizuje Al(OH) 3, SiO 2 ULTRAZVUČNO DISPERGOVANJEultrazvučnim talasima (10 5 10 6 Hz)
HEMIJSKE METODE KONDENZACIJE različitim hemijskim reakcijama (hidroliza, oksidacija, redukcija, dvojna izmena) pri čemu nastaju teškorastvorna jedinjenja ili dolazi do kristalizacije. DVOJNA IZMENA: nastaju teškorastvorna jedinjenja npr. As 2 S 3 provođenjem H 2 S kroz rastvor neke As soli HIDROLIZOM soli mnogih metala koji grade nerastvorne okside (Fe, Cr, Al, Ce ). Hidroliza zagrevanjem, razblaživanjem. REDUKCIJOM: npr. solovi metala (Au, Ag, Pt, Ir itd.): dodavanjem nekog redukcionog sredstva (H 2, CO 2 ) u razblaženi rastvor soli metala KONDENZACIJA SMANJENJEM RASTVORLJIVOSTI RASTVORKApromenom rastvarača ili promenom temperature. Npr. dodavanjem vode alkoholnim rastvorima S ili P ili voda u organskom rastvaraču (etar, hloroform) ako se naglo ohladi nastaje koloidna disperzija leda u organskom rastvaraču.
LIOFILNI I LIOFOBNI KOLOIDI Podela na osnovu afiniteta koloidnih čestica prema molekulima rastvarača. Razlikuju se u mnogim fizičkohemijskim osobinama. LIOFOBNInisu solvatisani pa dodatak male količine elektrolita dovodi do koagulacije. Slični disperznoj sredini u pogledu površinskog napona i viskoznosti; lako se vide pod ultramikroskopom; kreću se u električnom polju u određenom smeru. Čestice liofobnih koloida se lako spajaju u veće agregate pri dodatku malih količina nekog elektrolitaflokulacija ILI KOAGULACIJA. LIOFILNI solvatni omotač vezan za koloidnu česticu preko njenih liofilnih grupa što utiče na stabilnost jer se sprečava grupisanje i taloženje čestica. Često su i naelektrisane i podležu elektrostatičkom odbijanju istoimenih vrsta što dodatno utiče na stabilnost. Prisustvo naelektrisanja povoljno utiče na solvataciju povećavajući je što dodatno utiče na stabilizaciju. Dodatak elektrolita i pored gubitka naelektrisanja ne mora da utiče na stabilnost sistema. Za taloženje je neophodno ukloniti solvatni omotač dodavanjem nekog organskog jedinjenja. Stabilnost se narušava dodavanjem većih količina elektrolita (ISOLJAVANJE) što dehidratiše česticu ali smanjuje i njeno naelektrisanje što dovodi do taloženja. Imaju manji površinski napon a veću viskoznost od disperzne sredine; ne mogu se videti na ultramikroskopu; u električnom polju se čestice kreću u oba smera ili se ne kreću uopšte. Zagrevanjem ili hlađenjem daju gelove reverzibilno. Zbog solvatnog omotača imaju znatno manju težnju ka koagulaciji. Njihova stabilnost veoma zavisi od ph.
STRUKTURA LIOFOBNIH KOLOIDA MICELA i INTERMICELARNA TEČNOST (disperzno sredstvo) Micela je elektroneutralna i sastoji se od neutralnog JEZGRA i DVOJNOG ELEKTRIČNOG SLOJA Jezgro je kristalne strukture, velike površine odnosno velike energije površine i da bi čestica bila stabilna ta energija se smanjuje adsorpcijom jona iz rastvora. Adsorbuju se joni koji su u višku a zajednički su sa komponentom jezgra po principu rasta kristala. Adsorbovani joni sad privlače iz rastvora jone suprotnog naelektrisanja (kontrajone) i formiraju nepokretni adsorpcioni sloj. Jezgro i nepokretni dvostruki električni sloj predstavljaju GRANULU čije je naelektrisanje određeno razlikom količina naelektrisanja adsorbovanih jona iste vrste kao što su joni jezgra i kontrajona privučenih iz rastvora. Radi neutralisanja viška naelektrisanja granula je dalje okružena delom jona suprotnog naelektrisanja od adsorbovanih jona na jezgru i oni okružuju granulu u vidu jonske atmosfere. To je DIFUZNI DEO MICELE koji je čini elektroneutralnom. U difuznom sloju joni podležu slabijim elektrostatičkim interakcijama pošto su na većem rastojanju od suprotno naelektrisanog jezgra pa su pokretljiviji.
granula micela ako je npr. AgNO 3 u višku sledi da je granula pozitivno naelektrisana AgClm nag jezgro
Ako je KCl u višku sledi da je granula negativno naelektrisana E nag Razlika u naelektrisanju granule i micele je ELEKTROKINETIČKI (ZETA) POTENCIJAL Što je veća debljina difuznog sloja npr. razblaživanjem to je ovaj potencijal veći i jače je odbijanje čestica pa su stabilnije. AgCl Pri smanjivanju difuznog sloja elektrokinetički potencijal opada i kada difuzni sloj nestane i granula se po veličini izjednačava sa micelom (ξ=0) i to je izoelektrično stanje kada nema elektrostatičkog odbijanja između čestica; sistem je nestabilan i pri sudaru čestica dolazi do njihovog ukrupnjavanja i taloženja odnosno koagulacije. ads. sloj dif. sloj rastojanje dvostruki (dvojni) električni sloj; pad potencijala kroz dvostruki električni sloj
ξ potencijal: dobra stabilnost 0,040,06V umerena stabilnost 0,030,04V početak nestabilnosti 0,03V jaka koagulacija 0,005V Nenaelektrisani liofobni koloidi podležu SEDIMENTACIONOJ (veće čestice) i AGREGACIONOJ (male čestice; velika površina i površinska energija koju teže da smanje tako što se grupišu pri sudaru) nestabilnosti. Naelektrisani liofobni koloidi se koagulišu dodavanjem jona suprotnog naelektrisanja od naelektrisanja koloidne čestice. Zaštita hidrofobnih koloidnih sistema se može izvršiti LIOFILIZACIJOMdodavanjem u višku zaštitnog liofilnog koloida. U slučaju da nije dodata dovoljna količina doći će do suprotnog efekta tako da hidrofobni sistem postaje još osetljiviji na dodatak elektrolita SENZIBILIZACIJA. STARENJE spontan proces smanjenja disperznosti disperzne faze pri čemu dolazi do slabljenja veza između faze i sredstva. Kod stabilnih solvatisanih koloidnih sistema kao i kod sistema sa velikim elektrokinetičkim potencijalom ovaj proces je veoma spor.
PRAG KOAGULACIJE C minimalna koncentracija elektrolita potrebna da dovede do koagulacije. Zavisi od koncentracije koloidnog sistema; prirode elektrolita; temperature i stepena čistoće koloidnog sistema. KOAGULACIONA MOĆ P=1/Ckoagulaciona sposobnost elektrolita. Zavisi od naelektrisanja i prečnika jona. Sposobnost jona da izazove koagulaciju je utoliko veća ukoliko je njegovo naelektrisanje veće. STABILNOST LIOFILNIH KOLOIDA Potiče prvenstveno od prisustva SOLVATNOG OMOTAČA Npr. skrob, želatin, agaragar pri rastvaranju u vodi vezuju molekule vode preko liofilnih grupa stvarajući hidratni omotač koji im daje stabilnost. Dodatak male količine elektrolita smanjuje dvojni električni sloj ali ne dovodi do taloženja. Da bi došlo do koagulacije treba ukloniti solvatni omotač dodatkom npr. alkohola ili acetona koji vezuju molekule vode. Ako sad takve dehidratisane čestice nemaju dvostruki električni sloj doći će do koagulacije. Stabilnost liofilnih koloida se može narušiti dodatkom većih količina elektrolitaisoljavanje. Isoljavanje je reverzibilan proces tako da dodavanje rastvarača dovodi do ponovnog formiranja koloidnog rastvora. LIOTROPNI NIZ joni poređani po sposobnosti da talože liofilne koloide.
ELEKTROKINETIČKE POJAVEniz efekata usled primene el. polja: ELEKTROFOREZA i ELEKTROOSMOZAkretanje koloidnih čestica pod dejstvom el. polja STRUJNI i SEDIMENTACIONI POTENCIJALkretanje koloidnih čestica koje dovodi do stvaranja razlike potencijala SPECIFIČNE OSOBINE I PONAŠANJE KOLOIDA DIJALIZApostupak odvajanja koloida i makromolekula od čestica molekulskih dimenzija zbog činjenice da ne prolaze kroz razne tipove membrana (životinjske membrane, celofan, pergament) kroz koje prolaze čestice malih dimenzija. Vrši se u DIJALIZATORIMA (koloidni sistemmembranarastvarač; prolaze male čestice) ELEKTRODIJALIZAuz primenu električnog polja. Vrši se u ELEKTRODIJALIZATORUtri komore; u sredini koloidni rastvor membranom odvojen od komora sa vodom u koje su uronjene Pt elektrode; joni iz koloida prelaze u čistu vodu koja se obnavlja ULTRAFILTRACIJAza prečišćavanje i obogaćivanje koloidnih rastvora sa membranama vrlo sitnih pora pod sniženim ili povećanim pritiskom; membrana sa veoma finim poramaimpregniran filter papir npr. želatinom BRAUNOVO KRETANJEkoloidne čestice su u neprekidnom kretanju zbog sudara sa molekulima disperzne sredine OPTIČKE OSOBINErasipanje svetlosti zbog mikroheterogenosti
ELEKTROFOREZAusmereno kretanje naelektrisanih koloidnih čestica u odnosu na nepokretnu disperznu sredinu pod dejstvom električnog polja. Na osnovu smera kretanja utvrđuje se znak naelektrisanja. Npr. solovi metala, S, sulfida metala, kiselih hidroksida naelektrisani su negativno dok su solovi oksida metala naelektrisani pozitivno. Solovi proteina imaju znak naelektrisanja koji zavisi od ph sredine: iznad neke vrednosti negativni a ispod pozitivni; na toj vrednosti ph se ne kreću. Pod dejstvom električnog polja jezgro čestice zajedno sa adsorpcionim slojem se kreće prema odgovarajućoj elektrodi određenom brzinom. Pokretljivost ovih naelektrisanih čestica kao brzina kretanja pri jediničnom gradijentu potencijala: dielektrična konstanta rastvarača elektrokinetički potencijal pokretljivost jačina polja viskoznost Postoje razne elektroforetske tehnike: na papiru; gelelektroforeza; diskelektroforeza; kapilarna elektroforeza itd. ELEKTROOSMOZAkretanje disperzne sredine u odnosu na disperznu fazu kroz neku membranu ili uske cevi u električnom poljuelektrosmotski pritisak
SEDIMENTACIONI POTENCIJAL pojava suprotna elektroforezi. Nastaje taloženjem koloidnih čestica pod dejstvom gravitacione ili centrifugalne sile. Kada se koloidni sistem ostavi da stoji u cilindru posle izvesnog vremena između elektroda na krajevima cilindra se registruje razlika potencijala što se tumači činjenicom da naelektrisane čestice ostavljaju za sobom oblak suprotnog naelektrisanja iz difuznog sloja dvostrukog električnog sloja. STRUJNI POTENCIJAL pojava suprotna elektroosmozi. Primenom pritiska tečnost se potiskuje kroz membranu pa se na elektrodama registruje razlika potencijalastrujni potencijal, zato što disperzno sredstvo pri svom kretanju teži da sa sobom ponese i naelektrisanja koja se nalaze u difuznom delu formiranog dvostrukog električnog sloja na granici sa čvrstom fazom.