Koloidní systémy jsou nesmírně důležité v životě každého člověka. Je to dáno nejen tím, že téměř všechny biologické tekutiny v živém organismu tvoří koloidy. Ale mnoho přírodních jevů (mlha, smog), půda, minerály, potraviny, léky jsou také koloidní systémy.
Jednotka takových útvarů, odrážející jejich složení a specifické vlastnosti, je považována za makromolekula neboli micela. Struktura posledně jmenovaného závisí na řadě faktorů, ale vždy se jedná o vícevrstvou částici. Moderní molekulární kinetická teorie považuje koloidní roztoky za zvláštní případ skutečných roztoků s většími částicemi rozpuštěné látky.
Metody pro získání koloidních roztoků
Struktura micely vytvořené, když se objeví koloidní systém, částečně závisí na mechanismu tohoto procesu. Metody získávání koloidů se dělí do dvou zásadně odlišných skupin.
Disperzní metody jsou spojeny s mletím poměrně velkých částic. V závislosti na mechanismu tohoto procesu se rozlišují následující metody.
- Rafinace. Lze provádět na sucho popřmokrou cestou. V prvním případě se nejprve rozdrtí pevná látka a teprve poté se přidá kapalina. Ve druhém případě se látka smíchá s kapalinou a teprve poté se změní na homogenní směs. Mletí se provádí ve speciálních mlýnech.
- Otoky. Mletí je dosaženo díky tomu, že částice rozpouštědla pronikají do dispergované fáze, což je doprovázeno expanzí jejích částic až do separace.
- Disperze ultrazvukem. Materiál určený k mletí se umístí do kapaliny a sonikuje.
- Rozptyl elektrického šoku. Žádané při výrobě kovových solů. Provádí se umístěním elektrod vyrobených z dispergovatelného kovu do kapaliny a následným přivedením vysokého napětí na ně. V důsledku toho se vytvoří elektrický oblouk, ve kterém je kov rozstřikován a poté kondenzován do roztoku.
Tyto metody jsou vhodné pro lyofilní i lyofobní koloidní částice. Struktura micel se provádí současně s destrukcí původní struktury pevné látky.
Metody kondenzace
Druhá skupina metod založených na zvětšování částic se nazývá kondenzace. Tento proces může být založen na fyzikálních nebo chemických jevech. Fyzické kondenzační metody zahrnují následující.
- Výměna rozpouštědla. Jde o přenos látky z jednoho rozpouštědla, ve kterém se velmi dobře rozpouští, do jiného, ve kterém je rozpustnost mnohem nižší. V důsledku toho malé částicese spojí do větších agregátů a objeví se koloidní roztok.
- Kondenzace par. Příkladem jsou mlhy, jejichž částice se mohou usazovat na chladných površích a postupně se zvětšovat.
Metody chemické kondenzace zahrnují některé chemické reakce doprovázené vysrážením složité struktury:
- Iontová výměna: NaCl + AgNO3=AgCl↓ + NaNO3.
- Redoxní procesy: 2H2S + O2=2S↓ + 2H2O.
- Hydrolýza: Al2S3 + 6H2O=2Al(OH) 3↓ + 3H2S.
Podmínky pro chemickou kondenzaci
Struktura micel vzniklých během těchto chemických reakcí závisí na přebytku nebo nedostatku látek, které se v nich podílejí. Také pro vznik koloidních roztoků je nutné dodržet řadu podmínek, které brání vysrážení těžko rozpustné sloučeniny:
- obsah látek ve směsných roztocích by měl být nízký;
- jejich rychlost míchání by měla být nízká;
- jeden z roztoků by měl být užíván v nadměrném množství.
Micelová struktura
Hlavní částí micely je jádro. Je tvořena velkým množstvím atomů, iontů a molekul nerozpustné sloučeniny. Obvykle se jádro vyznačuje krystalickou strukturou. Povrch jádra má rezervu volné energie, která umožňuje selektivně adsorbovat ionty z prostředí. Tento processe řídí Peskovovým pravidlem, které říká: na povrchu pevné látky jsou převážně adsorbovány ty ionty, které jsou schopny dotvořit vlastní krystalovou mřížku. To je možné, pokud jsou tyto ionty příbuzné nebo podobné povahy a tvaru (velikost).
Během adsorpce se na jádře micely vytvoří vrstva kladně nebo záporně nabitých iontů, nazývaných ionty určující potenciál. Vlivem elektrostatických sil výsledný nabitý agregát přitahuje protiionty (ionty s opačným nábojem) z roztoku. Koloidní částice má tedy vícevrstvou strukturu. Micela získává dielektrickou vrstvu vytvořenou ze dvou typů opačně nabitých iontů.
Hydrosol BaSO4
Jako příklad je vhodné uvažovat strukturu micely síranu barnatého v koloidním roztoku připraveném v přebytku chloridu barnatého. Tento proces odpovídá reakční rovnici:
BaCl2(p) + Na2SO4(p)=BaSO 4(t) + 2NaCl(p).
Síran barnatý, mírně rozpustný ve vodě, tvoří mikrokrystalický agregát vytvořený z m-tého počtu molekul BaSO4. Povrch tohoto agregátu adsorbuje n-té množství iontů Ba2+. 2(n - x) Ionty Cl- jsou spojeny s vrstvou iontů určujících potenciál. A zbytek protiiontů (2x) je umístěn v difuzní vrstvě. To znamená, že granule této micely budou kladně nabité.
Pokud je síran sodný užíván v přebytku, pakpotenciál určující ionty budou SO42- ionty a protiionty budou Na+. V tomto případě bude náboj granule záporný.
Tento příklad jasně ukazuje, že znaménko náboje micelární granule přímo závisí na podmínkách její přípravy.
Nahrávací micely
Předchozí příklad ukázal, že chemická struktura micel a vzorec, který ji odráží, jsou určeny látkou, která je přijímána v nadbytku. Uvažujme způsoby zápisu názvů jednotlivých částí koloidní částice na příkladu hydrosolu sulfidu měďnatého. K jeho přípravě se roztok sulfidu sodného pomalu nalije do přebytečného množství roztoku chloridu měďnatého:
CuCl2 + Na2S=CuS↓ + 2NaCl.
Struktura CuS micely získané v přebytku CuCl2 je napsána následovně:
{[mCuS]·nCu2+·xCl-+(2n-x)·(2n-x)Cl-.
Strukturní části koloidní částice
Do hranatých závorek napište vzorec těžko rozpustné sloučeniny, která je základem celé částice. Běžně se nazývá agregát. Obvykle se počet molekul, které tvoří agregát, zapisuje latinkou m.
Ionty určující potenciál jsou v roztoku obsaženy v přebytku. Jsou umístěny na povrchu kameniva a ve vzorci se píší hned za hranaté závorky. Počet těchto iontů je označen symbolem n. Název těchto iontů naznačuje, že jejich náboj určuje náboj micelárních granulí.
Granule je tvořena jádrem a částíprotiionty v adsorpční vrstvě. Hodnota náboje granulí je rovna součtu nábojů potenciál určujících a adsorbovaných protiiontů: +(2n – x). Zbývající část protiiontů je v difuzní vrstvě a kompenzuje náboj granule.
Pokud se Na2S vezme v přebytku, pak pro vytvořenou koloidní micelu bude schéma struktury vypadat takto:
{[m(CuS)]∙nS2–∙xNa+–(2n – x) ∙(2n – x)Na+.
Micely povrchově aktivních látek
V případě, že je koncentrace povrchově aktivních látek (tenzidů) ve vodě příliš vysoká, mohou se začít tvořit agregáty jejich molekul (nebo iontů). Tyto zvětšené částice mají tvar koule a nazývají se Gartley-Rebinder micely. Nutno podotknout, že tuto schopnost nemají všechny povrchově aktivní látky, ale pouze ty, u kterých je poměr hydrofobních a hydrofilních částí optimální. Tento poměr se nazývá hydrofilně-lipofilní rovnováha. Významnou roli hraje také schopnost jejich polárních skupin chránit uhlovodíkové jádro před vodou.
Agregáty molekul povrchově aktivních látek se tvoří podle určitých zákonů:
- na rozdíl od nízkomolekulárních látek, jejichž agregáty mohou obsahovat různý počet molekul m, je existence povrchově aktivních micel možná s přesně definovaným počtem molekul;
- pokud je u anorganických látek začátek micelizace určen mezí rozpustnosti, pak pro organické povrchově aktivní látky je určen dosažením kritických koncentrací micelizace;
- zaprvé se počet micel v roztoku zvýší a poté se zvětší jejich velikost.
Vliv koncentrace na tvar micel
Struktura micel povrchově aktivních látek je ovlivněna jejich koncentrací v roztoku. Po dosažení některé z jeho hodnot začnou koloidní částice vzájemně interagovat. To způsobí, že se jejich tvar změní následovně:
- koule se promění v elipsoid a poté ve válec;
- vysoká koncentrace válců vede k vytvoření hexagonální fáze;
- v některých případech se objeví lamelární fáze a pevný krystal (částice mýdla).
Typy micel
Podle zvláštností organizace vnitřní struktury se rozlišují tři typy koloidních systémů: suspenzoidy, micelární koloidy, molekulární koloidy.
Suspensoidy mohou být nevratné koloidy, stejně jako lyofobní koloidy. Tato struktura je typická pro roztoky kovů a také jejich sloučenin (různé oxidy a soli). Struktura dispergované fáze tvořené suspenzoidy se neliší od struktury kompaktní hmoty. Má molekulární nebo iontovou krystalovou mřížku. Rozdíl oproti suspenzím je vyšší disperze. Nevratnost se projevuje ve schopnosti jejich roztoků po odpaření tvořit suchou sraženinu, kterou nelze pouhým rozpuštěním přeměnit na sol. Říká se jim lyofobní kvůli slabé interakci mezi dispergovanou fází a disperzním médiem.
Micelární koloidy jsou roztoky, jejichž koloidní částice se tvořípři lepení difilních molekul obsahujících polární skupiny atomů a nepolárních radikálů. Příkladem jsou mýdla a povrchově aktivní látky. Molekuly v takových micelách jsou drženy disperzními silami. Tvar těchto koloidů může být nejen kulový, ale také lamelární.
Molekulární koloidy jsou docela stabilní bez stabilizátorů. Jejich strukturními jednotkami jsou jednotlivé makromolekuly. Tvar koloidní částice se může lišit v závislosti na vlastnostech molekuly a intramolekulárních interakcích. Takže lineární molekula může tvořit tyč nebo spirálu.
