Kolloidsysteme sind im Leben eines jeden Menschen äußerst wichtig. Das liegt nicht nur daran, dass fast alle biologischen Flüssigkeiten in einem lebenden Organismus Kolloide bilden. Aber auch viele Naturphänomene (Nebel, Smog), Böden, Mineralien, Lebensmittel, Medikamente sind kolloidale Systeme.
Die Einheit solcher Formationen, die ihre Zusammensetzung und spezifischen Eigenschaften widerspiegelt, wird als Makromolekül oder Mizelle angesehen. Letzteres hängt in seiner Struktur von vielen Faktoren ab, ist aber immer ein mehrschichtiges Teilchen. Die moderne molekularkinetische Theorie betrachtet kolloidale Lösungen als einen Sonderfall echter Lösungen mit größeren Partikeln des gelösten Stoffes.
Verfahren zur Gewinnung kolloidaler Lösungen
Die Struktur einer Mizelle, die entsteht, wenn ein kolloidales System auftritt, hängt teilweise vom Mechanismus dieses Prozesses ab. Verfahren zur Gewinnung von Kolloiden werden in zwei grundsätzlich verschiedene Gruppen eingeteilt.
Dispersionsverfahren sind mit dem Mahlen ziemlich großer Partikel verbunden. Je nach Mechanismus dieses Prozesses werden folgende Methoden unterschieden.
- Veredelung. Kann trocken durchgeführt werden odernasser Weg. Im ersten Fall wird zunächst der Feststoff zerkleinert und erst dann die Flüssigkeit zugegeben. Im zweiten Fall wird die Substanz mit einer Flüssigkeit gemischt und erst danach in eine homogene Mischung umgewandelt. Das Mahlen erfolgt in speziellen Mühlen.
- Schwellung. Das Mahlen wird dadurch erreicht, dass die Lösungsmittelpartikel in die dispergierte Phase eindringen, was mit einer Expansion ihrer Partikel bis zur Trennung einhergeht.
- Dispersion durch Ultraschall. Das zu mahlende Material wird in eine Flüssigkeit gegeben und beschallt.
- Elektroschockstreuung. Wird bei der Herstellung von Metallsolen benötigt. Es wird durchgeführt, indem Elektroden aus einem dispergierbaren Metall in eine Flüssigkeit eingebracht und anschließend Hochspannung an sie angelegt werden. Dadurch entsteht ein Lichtbogen, bei dem das Metall versprüht wird und dann zu einer Lösung kondensiert.
Diese Methoden eignen sich sowohl für lyophile als auch für lyophobe kolloidale Partikel. Der Mizellenaufbau erfolgt gleichzeitig mit der Zerstörung der ursprünglichen Struktur des Festkörpers.
Kondensationsverfahren
Die zweite Gruppe von Methoden, die auf Partikelvergrößerung beruhen, nennt man Kondensation. Dieser Vorgang kann auf physikalischen oder chemischen Phänomenen beruhen. Zu den physikalischen Kondensationsmethoden gehören die folgenden.
- Ersatz des Lösungsmittels. Es kommt darauf an, einen Stoff von einem Lösungsmittel, in dem er sich sehr gut löst, in ein anderes, in dem die Löslichkeit wesentlich geringer ist, zu überführen. Als Ergebnis kleine Partikelwird sich zu größeren Aggregaten verbinden und eine kolloidale Lösung entsteht.
- Dampfkondensation. Ein Beispiel sind Nebel, deren Partikel sich auf k alten Oberflächen ablagern und allmählich größer werden können.
Chemische Kondensationsmethoden umfassen einige chemische Reaktionen, die von der Ausfällung einer komplexen Struktur begleitet werden:
- Ionenaustausch: NaCl + AgNO3=AgCl↓ + NaNO3.
- Redoxprozesse: 2H2S + O2=2S↓ + 2H2O.
- Hydrolyse: Al2S3 + 6H2O=2Al(OH) 3↓ + 3H2S.
Bedingungen für chemische Kondensation
Die Struktur der bei diesen chemischen Reaktionen gebildeten Micellen hängt vom Überschuss oder Mangel der an ihnen beteiligten Substanzen ab. Auch für das Auftreten kolloidaler Lösungen ist es notwendig, eine Reihe von Bedingungen zu beachten, die das Ausfällen einer schwer löslichen Verbindung verhindern:
- Geh alt von Stoffen in gemischten Lösungen sollte gering sein;
- die Mischgeschwindigkeit sollte niedrig sein;
- eine der Lösungen sollte im Überschuss eingenommen werden.
Micellenstruktur
Der Hauptteil einer Mizelle ist der Kern. Es besteht aus einer großen Anzahl von Atomen, Ionen und Molekülen einer unlöslichen Verbindung. Üblicherweise ist der Kern durch eine kristalline Struktur gekennzeichnet. Die Oberfläche des Kerns verfügt über eine Reserve an freier Energie, die es ermöglicht, Ionen aus der Umgebung selektiv zu adsorbieren. Dieser Prozessgehorcht der Peskov-Regel, die besagt: An der Oberfläche eines Festkörpers werden überwiegend solche Ionen adsorbiert, die in der Lage sind, sein eigenes Kristallgitter zu vervollständigen. Dies ist möglich, wenn diese Ionen in Art und Form (Größe) verwandt oder ähnlich sind.
Während der Adsorption bildet sich auf dem Mizellenkern eine Schicht aus positiv oder negativ geladenen Ionen, sogenannten potentialbestimmenden Ionen. Aufgrund elektrostatischer Kräfte zieht das resultierende geladene Aggregat Gegenionen (Ionen mit entgegengesetzter Ladung) aus der Lösung an. Somit hat ein kolloidales Teilchen eine mehrschichtige Struktur. Die Mizelle erhält eine dielektrische Schicht, die aus zwei Arten von entgegengesetzt geladenen Ionen aufgebaut ist.
Hydrosol BaSO4
Als Beispiel bietet es sich an, die Struktur einer Bariumsulfatmicelle in einer kolloidalen Lösung zu betrachten, die mit einem Überschuss an Bariumchlorid hergestellt wurde. Dieser Vorgang entspricht der Reaktionsgleichung:
BaCl2(p) + Na2SO4(p)=BaSO 4(t) + 2NaCl(p).
Bariumsulfat ist etwas wasserlöslich und bildet ein mikrokristallines Aggregat, das aus der m-ten Anzahl von BaSO-Molekülen aufgebaut ist4. Die Oberfläche dieses Aggregats adsorbiert die n-te Menge an Ba2+-Ionen. 2(n - x) Cl- Ionen sind mit der Schicht aus potentialbestimmenden Ionen verbunden. Und der Rest der Gegenionen (2x) befindet sich in der diffusen Schicht. Das heißt, das Körnchen dieser Mizelle wird positiv geladen.
Wenn Natriumsulfat im Überschuss eingenommen wird, danndie potentialbestimmenden Ionen sind SO42- Ionen und die Gegenionen Na+. In diesem Fall ist die Ladung des Granulats negativ.
Dieses Beispiel zeigt deutlich, dass das Vorzeichen der Ladung eines Micellkorns direkt von den Herstellungsbedingungen abhängt.
Aufzeichnung von Mizellen
Das vorherige Beispiel hat gezeigt, dass die chemische Struktur von Mizellen und die Formel, die sie widerspiegelt, von der Substanz bestimmt wird, die im Überschuss eingenommen wird. Betrachten wir am Beispiel des Kupfersulfid-Hydrosols Möglichkeiten, die Namen der einzelnen Teile eines kolloidalen Teilchens zu schreiben. Zur Herstellung wird Natriumsulfidlösung langsam in einen Überschuss an Kupferchloridlösung gegossen:
CuCl2 + Na2S=CuS↓ + 2NaCl.
Die Struktur einer CuS-Micelle, die im Überschuss von CuCl2 erh alten wurde, wird wie folgt geschrieben:
{[mCuS]·nCu2+·xCl-}+(2n-x)·(2n-x)Cl-.
Strukturteile eines kolloidalen Teilchens
Schreibe in eckige Klammern die Formel einer schwerlöslichen Verbindung, die dem ganzen Teilchen zugrunde liegt. Es wird allgemein als Aggregat bezeichnet. Üblicherweise wird die Anzahl der Moleküle, aus denen das Aggregat besteht, mit dem lateinischen Buchstaben m geschrieben.
Potentialbestimmende Ionen sind in Lösung im Überschuss enth alten. Sie befinden sich auf der Oberfläche des Aggregats und werden in der Formel unmittelbar nach eckigen Klammern geschrieben. Die Anzahl dieser Ionen wird mit dem Symbol n bezeichnet. Der Name dieser Ionen weist darauf hin, dass ihre Ladung die Ladung der Mizellenkörnchen bestimmt.
Ein Körnchen besteht aus einem Kern und einem TeilGegenionen in der Adsorptionsschicht. Der Wert der Kornladung ist gleich der Summe der Ladungen der potentialbestimmenden und adsorbierten Gegenionen: +(2n – x). Der restliche Teil der Gegenionen befindet sich in der diffusen Schicht und kompensiert die Ladung des Granulats.
Falls Na2S im Überschuss eingenommen wurde, dann würde für die gebildete kolloidale Mizelle das Strukturschema wie folgt aussehen:
{[m(CuS)]∙nS2–∙xNa+}–(2n – x) ∙(2n – x)Na+.
Mizellen von Tensiden
Bei zu hoher Konzentration von oberflächenaktiven Stoffen (Tensiden) im Wasser können sich Aggregate ihrer Moleküle (oder Ionen) bilden. Diese vergrößerten Partikel haben die Form einer Kugel und werden als Gartley-Rebinder-Mizellen bezeichnet. Zu beachten ist, dass nicht alle Tenside diese Fähigkeit besitzen, sondern nur solche, bei denen das Verhältnis von hydrophoben und hydrophilen Anteilen optimal ist. Dieses Verhältnis wird als Hydrophilie-Lipophilie-Gleichgewicht bezeichnet. Die Fähigkeit ihrer polaren Gruppen, den Kohlenwasserstoffkern vor Wasser zu schützen, spielt ebenfalls eine bedeutende Rolle.
Aggregate von Tensidmolekülen bilden sich nach bestimmten Gesetzmäßigkeiten:
- im Gegensatz zu niedermolekularen Stoffen, deren Aggregate eine unterschiedliche Anzahl von Molekülen m umfassen können, ist die Existenz von Tensidmicellen bei einer genau definierten Anzahl von Molekülen möglich;
- wenn bei anorganischen Stoffen der Beginn der Mizellbildung durch die Löslichkeitsgrenze bestimmt wird, dann bei organischen Tensiden durch das Erreichen kritischer Mizellbildungskonzentrationen;
- Zunächst nimmt die Anzahl der Mizellen in der Lösung zu und dann ihre Größe.
Einfluss der Konzentration auf die Mizellenform
Die Struktur von Tensidmicellen wird durch ihre Konzentration in Lösung beeinflusst. Beim Erreichen einiger seiner Werte beginnen kolloidale Partikel miteinander zu interagieren. Dadurch ändert sich ihre Form wie folgt:
- Kugel wird zu einem Ellipsoid und dann zu einem Zylinder;
- hohe Zylinderkonzentration führt zur Bildung einer hexagonalen Phase;
- in einigen Fällen treten eine lamellare Phase und ein fester Kristall (Seifenpartikel) auf.
Micellenarten
Drei Arten von kolloidalen Systemen werden nach den Besonderheiten der Organisation der inneren Struktur unterschieden: Suspensoide, mizellare Kolloide, molekulare Kolloide.
Suspensoide können irreversible Kolloide sowie lyophobe Kolloide sein. Diese Struktur ist typisch für Lösungen von Metallen sowie deren Verbindungen (verschiedene Oxide und Salze). Die Struktur der von Suspensoiden gebildeten dispergierten Phase unterscheidet sich nicht von der Struktur einer kompakten Substanz. Es hat ein molekulares oder ionisches Kristallgitter. Der Unterschied zu Suspensionen ist eine höhere Streuung. Die Irreversibilität zeigt sich in der Fähigkeit ihrer Lösungen nach dem Verdampfen, einen trockenen Niederschlag zu bilden, der nicht durch einfaches Auflösen in ein Sol umgewandelt werden kann. Sie werden wegen der schwachen Wechselwirkung zwischen der dispergierten Phase und dem Dispersionsmedium als lyophob bezeichnet.
Mizellare Kolloide sind Lösungen, deren kolloidale Partikel gebildet werdenbeim Kleben von diphilen Molekülen, die polare Atomgruppen und unpolare Reste enth alten. Beispiele sind Seifen und Tenside. Moleküle in solchen Micellen werden durch Dispersionskräfte geh alten. Die Form dieser Kolloide kann nicht nur kugelförmig, sondern auch lamellar sein.
Molekulare Kolloide sind ohne Stabilisatoren recht stabil. Ihre Struktureinheiten sind einzelne Makromoleküle. Die Form eines Kolloidpartikels kann je nach Eigenschaften des Moleküls und intramolekularen Wechselwirkungen variieren. Ein lineares Molekül kann also einen Stab oder eine Spule bilden.
