Koloīdu sistēmas ir ārkārtīgi svarīgas jebkura cilvēka dzīvē. Tas ir saistīts ne tikai ar to, ka gandrīz visi bioloģiskie šķidrumi dzīvā organismā veido koloīdus. Taču daudzas dabas parādības (migla, smogs), augsne, minerāli, pārtika, zāles arī ir koloidālas sistēmas.
Šādu veidojumu vienība, atspoguļojot to sastāvu un specifiskās īpašības, tiek uzskatīta par makromolekulu jeb micellu. Pēdējās struktūra ir atkarīga no vairākiem faktoriem, taču tā vienmēr ir daudzslāņu daļiņa. Mūsdienu molekulārās kinētiskās teorijas teorija koloidālos šķīdumus uzskata par īpašu patiesu šķīdumu gadījumu ar lielākām izšķīdušās vielas daļiņām.
Metodes koloidālo šķīdumu iegūšanai
Micellas struktūra, kas veidojas, parādoties koloidālajai sistēmai, daļēji ir atkarīga no šī procesa mehānisma. Koloīdu iegūšanas metodes iedala divās principiāli atšķirīgās grupās.
Dispersijas metodes ir saistītas ar diezgan lielu daļiņu slīpēšanu. Atkarībā no šī procesa mehānisma izšķir šādas metodes.
- Rafinēšana. Var veikt sausu vaislapjš ceļš. Pirmajā gadījumā cieto vielu vispirms sasmalcina, un tikai pēc tam pievieno šķidrumu. Otrajā gadījumā vielu sajauc ar šķidrumu, un tikai pēc tam to pārvērš viendabīgā maisījumā. Slīpēšana tiek veikta īpašās dzirnavās.
- Pietūkums. Slīpēšana tiek panākta, pateicoties tam, ka šķīdinātāja daļiņas iekļūst izkliedētajā fāzē, ko pavada tās daļiņu izplešanās līdz atdalīšanai.
- Izkliede ar ultraskaņu. Materiālu, kas jāsasmalcina, ievieto šķidrumā un apstrādā ar ultraskaņu.
- Elektriskās trieciena izkliede. Pieprasīts metāla solu ražošanā. To veic, ievietojot šķidrumā elektrodus, kas izgatavoti no disperģējama metāla, pēc tam pievienojot tiem augstu spriegumu. Rezultātā veidojas volta loka, kurā metāls tiek izsmidzināts un pēc tam kondensējas šķīdumā.
Šīs metodes ir piemērotas gan liofilām, gan liofobām koloidālām daļiņām. Micellas struktūra tiek veikta vienlaikus ar cietās vielas sākotnējās struktūras iznīcināšanu.
Kondensācijas metodes
Otro metožu grupu, kuras pamatā ir daļiņu palielināšana, sauc par kondensāciju. Šis process var būt balstīts uz fizikālām vai ķīmiskām parādībām. Fizikālās kondensācijas metodes ietver šādas.
- Šķīdinātāja nomaiņa. Tas ir saistīts ar vielas pārnešanu no viena šķīdinātāja, kurā tā ļoti labi šķīst, citā, kurā šķīdība ir daudz zemāka. Rezultātā nelielas daļiņasapvienosies lielākos agregātos un parādīsies koloidāls šķīdums.
- Tvaiku kondensācija. Piemērs ir miglas, kuru daļiņas spēj nosēsties uz aukstām virsmām un pakāpeniski pieaugt.
Ķīmiskās kondensācijas metodes ietver dažas ķīmiskas reakcijas, ko pavada sarežģītas struktūras izgulsnēšanās:
- Jonu apmaiņa: NaCl + AgNO3=AgCl↓ + NaNO3.
- Redox procesi: 2H2S + O2=2S↓ + 2H2O.
- Hidrolīze: Al2S3 + 6H2O=2Al(OH) 3↓ + 3H2S.
Ķīmiskās kondensācijas apstākļi
Šo ķīmisko reakciju laikā izveidoto micellu struktūra ir atkarīga no tajās iesaistīto vielu pārpalikuma vai deficīta. Turklāt, lai parādītos koloidālie šķīdumi, ir jāievēro vairāki nosacījumi, kas novērš vāji šķīstoša savienojuma nogulsnēšanos:
- vielu saturam jauktos šķīdumos jābūt zemam;
- to sajaukšanas ātrumam jābūt zemam;
- vienu no risinājumiem vajadzētu ņemt pāri.
Micelu struktūra
Micellas galvenā daļa ir kodols. To veido liels skaits nešķīstoša savienojuma atomu, jonu un molekulu. Parasti serdi raksturo kristāliska struktūra. Kodola virsmai ir brīvās enerģijas rezerve, kas ļauj selektīvi adsorbēt jonus no apkārtējās vides. Šis processpakļaujas Peskova likumam, kas saka: uz cietas vielas virsmas galvenokārt ir adsorbēti tie joni, kas spēj izveidot savu kristālisko režģi. Tas ir iespējams, ja šie joni ir radniecīgi vai līdzīgi pēc būtības un formas (izmēra).
Adsorbcijas laikā uz micellas kodola veidojas pozitīvi vai negatīvi lādētu jonu slānis, ko sauc par potenciālu noteicošajiem joniem. Elektrostatisko spēku ietekmē iegūtais lādētais agregāts piesaista no šķīduma pretjonus (jonus ar pretēju lādiņu). Tādējādi koloidālajai daļiņai ir daudzslāņu struktūra. Micella iegūst dielektrisku slāni, kas veidots no divu veidu pretēji lādētiem joniem.
Hydrosol BaSO4
Piemēram, ir ērti aplūkot bārija sulfāta micellas struktūru koloidālā šķīdumā, kas sagatavots bārija hlorīda pārpalikumā. Šis process atbilst reakcijas vienādojumam:
BaCl2(p) + Na2SO4(p)=BaSO 4(t) + 2NaCl(p).
Vāji šķīst ūdenī, bārija sulfāts veido mikrokristālisku agregātu, kas veidots no m-tā BaSO molekulu skaita4. Šī agregāta virsma adsorbē n-to Ba2+ jonu daudzumu. 2(n - x) Cl- joni ir savienoti ar potenciālu noteicošo jonu slāni. Un pārējie pretjoni (2x) atrodas difūzajā slānī. Tas nozīmē, ka šīs micellas granula būs pozitīvi uzlādēta.
Ja nātrija sulfātu lieto pārmērīgi, tadpotenciālu noteicošie joni būs SO42- joni, un pretjoni būs Na+. Šajā gadījumā granulas lādiņš būs negatīvs.
Šis piemērs skaidri parāda, ka micellas granulas lādiņa zīme ir tieši atkarīga no tās sagatavošanas apstākļiem.
Micellu ierakstīšana
Iepriekšējais piemērs parādīja, ka micellu ķīmisko struktūru un to atspoguļojošo formulu nosaka viela, kas tiek uzņemta pārmērīgi. Apskatīsim veidus, kā rakstīt koloidālās daļiņas atsevišķu daļu nosaukumus, izmantojot vara sulfīda hidrosola piemēru. Lai to pagatavotu, nātrija sulfīda šķīdumu lēnām ielej pārāk daudzumā vara hlorīda šķīduma:
CuCl2 + Na2S=CuS↓ + 2NaCl.
CuS micellas struktūra, kas iegūta, pārsniedzot CuCl2, ir uzrakstīta šādi:
{[mCuS]·nCu2+·xCl-}+(2n-x)·(2n-x)Cl-.
Koloidālās daļiņas strukturālās daļas
Kvadrātiekavās ierakstiet vāji šķīstoša savienojuma formulu, kas ir visas daļiņas pamatā. To parasti sauc par agregātu. Parasti agregātu veidojošo molekulu skaitu raksta ar latīņu burtu m.
Potenciālu noteicošie joni šķīdumā ir pārāk daudz. Tie atrodas uz agregāta virsmas, un formulā tie ir ierakstīti uzreiz aiz kvadrātiekavām. Šo jonu skaitu apzīmē ar simbolu n. Šo jonu nosaukums norāda, ka to lādiņš nosaka micellas granulas lādiņu.
Granulu veido serde un daļapretjoni adsorbcijas slānī. Granulu lādiņa vērtība ir vienāda ar potenciālu noteicošo un adsorbēto pretjonu lādiņu summu: +(2n – x). Atlikusī pretjonu daļa atrodas difūzajā slānī un kompensē granulas lādiņu.
Ja Na2S tiktu ņemts pāri, tad izveidotajai koloidālajai micellai struktūras shēma izskatītos šādi:
{[m(CuS)]∙nS2–∙xNa+}–(2n – x) ∙(2n – x)Na+.
Virsmaktīvo vielu micellas
Gadījumā, ja virsmaktīvās vielas (virsmaktīvo vielu) koncentrācija ūdenī ir pārāk augsta, var sākt veidoties to molekulu (vai jonu) agregāti. Šīm palielinātajām daļiņām ir sfēras forma, un tās sauc par Gartley-Rebinder micellām. Jāatzīmē, ka ne visām virsmaktīvām vielām ir šī spēja, bet tikai tām, kurās hidrofobo un hidrofilo daļu attiecība ir optimāla. Šo attiecību sauc par hidrofilo-lipofīlo līdzsvaru. Būtiska nozīme ir arī to polāro grupu spējai aizsargāt ogļūdeņraža kodolu no ūdens.
Virsmaktīvās vielas molekulu agregāti veidojas saskaņā ar noteiktiem likumiem:
- atšķirībā no mazmolekulārām vielām, kuru agregātos var būt atšķirīgs molekulu skaits m, virsmaktīvās vielas micellu pastāvēšana ir iespējama ar stingri noteiktu molekulu skaitu;
- ja neorganiskām vielām micelizācijas sākumu nosaka šķīdības robeža, tad organiskajām virsmaktīvām vielām to nosaka micelizācijas kritiskās koncentrācijas sasniegšana;
- vispirms šķīdumā palielinās micellu skaits, un pēc tam palielinās to izmērs.
Koncentrācijas ietekme uz micellu formu
Virsmaktīvās vielas micellu struktūru ietekmē to koncentrācija šķīdumā. Sasniedzot dažas tās vērtības, koloidālās daļiņas sāk mijiedarboties viena ar otru. Tādējādi to forma mainās šādi:
- lode pārvēršas par elipsoīdu un pēc tam par cilindru;
- augsta cilindru koncentrācija izraisa sešstūra fāzes veidošanos;
- dažos gadījumos parādās slāņaina fāze un ciets kristāls (ziepju daļiņas).
Micellu veidi
Pēc iekšējās struktūras organizācijas īpatnībām izšķir trīs koloidālo sistēmu veidus: suspensoīdus, micelāros koloīdus, molekulāros koloīdus.
Supensoīdi var būt neatgriezeniski koloīdi, kā arī liofobi koloīdi. Šāda struktūra ir raksturīga metālu, kā arī to savienojumu (dažādi oksīdi un sāļi) šķīdumiem. Suspensoīdu veidotās izkliedētās fāzes struktūra neatšķiras no kompaktas vielas struktūras. Tam ir molekulārais vai jonu kristāliskais režģis. Atšķirība no suspensijām ir lielāka dispersija. Neatgriezeniskums izpaužas kā to šķīdumu spēja pēc iztvaicēšanas veidot sausas nogulsnes, kuras vienkārši izšķīdinot nevar pārvērst par solu. Tos sauc par liofobiem, jo ir vāja mijiedarbība starp izkliedēto fāzi un dispersijas vidi.
Micelārie koloīdi ir šķīdumi, kuros veidojas koloidālās daļiņaspielīmējot difiliskas molekulas, kas satur polāras atomu grupas un nepolārus radikāļus. Piemēri ir ziepes un virsmaktīvās vielas. Molekulas šādās micellās notur dispersijas spēki. Šo koloīdu forma var būt ne tikai sfēriska, bet arī slāņaina.
Molekulārie koloīdi ir diezgan stabili bez stabilizatoriem. To struktūrvienības ir atsevišķas makromolekulas. Koloidālās daļiņas forma var atšķirties atkarībā no molekulas īpašībām un intramolekulārās mijiedarbības. Tātad lineāra molekula var veidot stieni vai spoli.
