Colloïde systemen zijn uiterst belangrijk in het leven van elke persoon. Dit is niet alleen te wijten aan het feit dat bijna alle biologische vloeistoffen in een levend organisme colloïden vormen. Maar veel natuurlijke fenomenen (mist, smog), bodem, mineralen, voedsel, medicijnen zijn ook colloïdale systemen.
De eenheid van dergelijke formaties, die hun samenstelling en specifieke eigenschappen weerspiegelt, wordt beschouwd als een macromolecuul of micel. De structuur van dit laatste hangt af van een aantal factoren, maar het is altijd een meerlagig deeltje. Moderne moleculaire kinetische theorie beschouwt colloïdale oplossingen als een speciaal geval van echte oplossingen, met grotere deeltjes van de opgeloste stof.
Methoden voor het verkrijgen van colloïdale oplossingen
De structuur van een micel gevormd wanneer een colloïdaal systeem verschijnt, hangt gedeeltelijk af van het mechanisme van dit proces. Methoden voor het verkrijgen van colloïden zijn onderverdeeld in twee fundamenteel verschillende groepen.
Dispersiemethoden worden geassocieerd met het malen van vrij grote deeltjes. Afhankelijk van het mechanisme van dit proces worden de volgende methoden onderscheiden.
- Verfijning. Kan droog ofnatte weg. In het eerste geval wordt eerst de vaste stof geplet en pas daarna wordt de vloeistof toegevoegd. In het tweede geval wordt de stof gemengd met een vloeistof en pas daarna wordt het een homogeen mengsel. Het malen wordt uitgevoerd in speciale molens.
- Zwelling. Het malen wordt bereikt door het feit dat de oplosmiddeldeeltjes doordringen in de gedispergeerde fase, wat gepaard gaat met de expansie van de deeltjes tot aan de scheiding.
- Dispersie door middel van ultrageluid. Het te malen materiaal wordt in een vloeistof geplaatst en gesoniceerd.
- Verspreiding van elektrische schokken. Gevraagd bij de productie van metaalsols. Het wordt uitgevoerd door elektroden gemaakt van een dispergeerbaar metaal in een vloeistof te plaatsen, gevolgd door er hoogspanning op aan te leggen. Als resultaat wordt een voltaïsche boog gevormd waarin het metaal wordt gespoten en vervolgens condenseert tot een oplossing.
Deze methoden zijn geschikt voor zowel lyofiele als lyofobe colloïdale deeltjes. De micelstructuur wordt gelijktijdig uitgevoerd met de vernietiging van de oorspronkelijke structuur van de vaste stof.
Condensatiemethoden
De tweede groep methoden op basis van deeltjesvergroting wordt condensatie genoemd. Dit proces kan gebaseerd zijn op fysische of chemische verschijnselen. Fysieke condensatiemethoden omvatten de volgende.
- Vervanging van het oplosmiddel. Het komt neer op de overdracht van een stof van het ene oplosmiddel, waarin het heel goed oplost, naar een ander, waarin de oplosbaarheid veel lager is. Hierdoor kunnen kleine deeltjeszullen samengaan tot grotere aggregaten en er zal een colloïdale oplossing verschijnen.
- Dampcondensatie. Een voorbeeld is mist, waarvan de deeltjes zich op koude oppervlakken kunnen nestelen en geleidelijk groter worden.
Chemische condensatiemethoden omvatten enkele chemische reacties die gepaard gaan met precipitatie van een complexe structuur:
- Ionenuitwisseling: NaCl + AgNO3=AgCl↓ + NaNO3.
- Redox-processen: 2H2S + O2=2S↓ + 2H2O.
- Hydrolyse: Al2S3 + 6H2O=2Al(OH) 3↓ + 3H2S.
Voorwaarden voor chemische condensatie
De structuur van micellen die tijdens deze chemische reacties worden gevormd, hangt af van de overmaat of tekortkoming van de stoffen die erbij betrokken zijn. Ook is het voor het verschijnen van colloïdale oplossingen noodzakelijk om een aantal voorwaarden in acht te nemen die de precipitatie van een slecht oplosbare verbinding voorkomen:
- stofgeh alte in gemengde oplossingen moet laag zijn;
- hun mengsnelheid moet laag zijn;
- een van de oplossingen moet in overmaat worden ingenomen.
Micelle structuur
Het grootste deel van een micel is de kern. Het wordt gevormd door een groot aantal atomen, ionen en moleculen van een onoplosbare verbinding. Meestal wordt de kern gekenmerkt door een kristallijne structuur. Het oppervlak van de kern heeft een reserve aan vrije energie, wat het mogelijk maakt om selectief ionen uit de omgeving te adsorberen. Dit procesgehoorzaamt aan de Peskov-regel, die zegt: op het oppervlak van een vaste stof worden voornamelijk die ionen geadsorbeerd die in staat zijn om hun eigen kristalrooster te voltooien. Dit is mogelijk als deze ionen verwant of vergelijkbaar zijn in aard en vorm (grootte).
Tijdens adsorptie wordt een laag van positief of negatief geladen ionen, potentiaalbepalende ionen genoemd, gevormd op de micelkern. Door elektrostatische krachten trekt het resulterende geladen aggregaat tegenionen (ionen met tegengestelde lading) uit de oplossing. Een colloïdaal deeltje heeft dus een meerlagige structuur. De micel krijgt een diëlektrische laag die is opgebouwd uit twee soorten tegengesteld geladen ionen.
Hydrosol BaSO4
Als voorbeeld is het handig om de structuur van een bariumsulfaatmicel in een colloïdale oplossing te beschouwen die is bereid in een overmaat bariumchloride. Dit proces komt overeen met de reactievergelijking:
BaCl2(p) + Na2SO4(p)=BaSO 4(t) + 2NaCl(p).
Bariumsulfaat is enigszins oplosbaar in water en vormt een microkristallijn aggregaat dat is opgebouwd uit het m-de aantal BaSO-moleculen4. Het oppervlak van dit aggregaat adsorbeert de n-de hoeveelheid Ba2+ ionen. 2(n - x) Cl- ionen zijn verbonden met de laag potentiaalbepalende ionen. En de rest van de tegenionen (2x) zit in de diffuse laag. Dat wil zeggen, de korrel van deze micel zal positief geladen zijn.
Als er teveel natriumsulfaat wordt ingenomen, dande potentiaalbepalende ionen zijn SO42- ionen, en de tegenionen zijn Na+. In dit geval is de lading van de korrel negatief.
Dit voorbeeld laat duidelijk zien dat het teken van de lading van een micelkorrel direct afhangt van de omstandigheden voor de bereiding ervan.
Opnamemicellen
Het vorige voorbeeld toonde aan dat de chemische structuur van micellen en de formule die dit weerspiegelt, wordt bepaald door de stof die in overmaat wordt ingenomen. Laten we eens kijken naar manieren om de namen van afzonderlijke delen van een colloïdaal deeltje te schrijven met behulp van het voorbeeld van kopersulfidehydrosol. Om het te bereiden, wordt natriumsulfide-oplossing langzaam in een overmaat aan koperchloride-oplossing gegoten:
CuCl2 + Na2S=CuS↓ + 2NaCl.
De structuur van een CuS-micel verkregen boven CuCl2 wordt als volgt geschreven:
{[mCuS]·nCu2+·xCl-}+(2n-x)·(2n-x)Cl-.
Structurele delen van een colloïdaal deeltje
Schrijf tussen vierkante haken de formule van een slecht oplosbare verbinding, die de basis is van het hele deeltje. Het wordt gewoonlijk een aggregaat genoemd. Gewoonlijk wordt het aantal moleculen waaruit het aggregaat bestaat geschreven met de Latijnse letter m.
Potentieel bepalende ionen zijn in overmaat aanwezig in oplossing. Ze bevinden zich op het oppervlak van het aggregaat en in de formule worden ze direct na vierkante haken geschreven. Het aantal van deze ionen wordt aangegeven met het symbool n. De naam van deze ionen geeft aan dat hun lading de lading van de micelkorrel bepa alt.
Een korrel wordt gevormd door een kern en een deeltegenionen in de adsorptielaag. De waarde van de korrellading is gelijk aan de som van de ladingen van de potentiaalbepalende en geadsorbeerde tegenionen: +(2n – x). Het resterende deel van de tegenionen bevindt zich in de diffuse laag en compenseert de lading van de korrel.
Als Na2S in overmaat werd ingenomen, dan zou het structuurschema voor de gevormde colloïdale micel er als volgt uitzien:
{[m(CuS)]∙nS2–∙xNa+}–(2n – x) ∙(2n – x)Na+.
Micellen van oppervlakteactieve stoffen
In het geval dat de concentratie van oppervlakte-actieve stoffen (surfactanten) in water te hoog is, kunnen zich aggregaten van hun moleculen (of ionen) gaan vormen. Deze vergrote deeltjes hebben de vorm van een bol en worden Gartley-Rebinder-micellen genoemd. Opgemerkt moet worden dat niet alle oppervlakteactieve stoffen dit vermogen hebben, maar alleen die waarin de verhouding van hydrofobe en hydrofiele delen optimaal is. Deze verhouding wordt het hydrofiel-lipofiel evenwicht genoemd. Het vermogen van hun polaire groepen om de koolwaterstofkern te beschermen tegen water speelt ook een belangrijke rol.
Aggregaten van oppervlakteactieve moleculen worden gevormd volgens bepaalde wetten:
- in tegenstelling tot laagmoleculaire stoffen, waarvan de aggregaten een ander aantal moleculen m kunnen bevatten, is het bestaan van micellen van oppervlakteactieve stoffen mogelijk met een strikt gedefinieerd aantal moleculen;
- als voor anorganische stoffen het begin van micellisatie wordt bepaald door de oplosbaarheidslimiet, dan wordt het voor organische oppervlakteactieve stoffen bepaald door het bereiken van kritische concentraties van micellisatie;
- eerst neemt het aantal micellen in de oplossing toe, en daarna neemt hun grootte toe.
Effect van concentratie op micelvorm
De structuur van micellen van oppervlakteactieve stoffen wordt beïnvloed door hun concentratie in oplossing. Bij het bereiken van enkele van zijn waarden beginnen colloïdale deeltjes met elkaar te interageren. Hierdoor verandert hun vorm als volgt:
- bol verandert in een ellipsoïde en vervolgens in een cilinder;
- hoge concentratie cilinders leidt tot de vorming van een zeshoekige fase;
- in sommige gevallen verschijnen een lamellaire fase en een vast kristal (zeepdeeltjes).
Soorten micellen
Er worden drie soorten colloïdale systemen onderscheiden volgens de eigenaardigheden van de organisatie van de interne structuur: suspensoïden, micellaire colloïden, moleculaire colloïden.
Suspensoïden kunnen onomkeerbare colloïden zijn, evenals lyofobe colloïden. Deze structuur is typerend voor oplossingen van metalen, evenals hun verbindingen (verschillende oxiden en zouten). De structuur van de door suspensoïden gevormde gedispergeerde fase verschilt niet van de structuur van een compacte stof. Het heeft een moleculair of ionisch kristalrooster. Het verschil met suspensies is een hogere dispersie. Onomkeerbaarheid komt tot uiting in het vermogen van hun oplossingen na verdamping om een droog precipitaat te vormen, dat niet door eenvoudig oplossen in een sol kan worden omgezet. Ze worden lyofoob genoemd vanwege de zwakke interactie tussen de gedispergeerde fase en het dispersiemedium.
Micellaire colloïden zijn oplossingen waarvan de colloïdale deeltjes worden gevormdbij het plakken van difiele moleculen die polaire groepen van atomen en niet-polaire radicalen bevatten. Voorbeelden zijn zepen en oppervlakteactieve stoffen. Moleculen in dergelijke micellen worden vastgehouden door dispersiekrachten. De vorm van deze colloïden kan niet alleen bolvormig zijn, maar ook lamellair.
Moleculaire colloïden zijn vrij stabiel zonder stabilisatoren. Hun structurele eenheden zijn individuele macromoleculen. De vorm van een colloïde deeltje kan variëren afhankelijk van de eigenschappen van het molecuul en intramoleculaire interacties. Dus een lineair molecuul kan een staaf of een spoel vormen.
