Koloidni sustavi

Koloidni sustavi su heterogene smjese u kojima je jedna tvar ravnomjerno izmiješana s drugom tvari.

Čestice se sastoje od nakupina više atoma, molekula ili iona te su posvuda oko nas, ali i u nama. Tako se na primjer sitne čestice anorganskih soli i oksida nalaze u tlu, čestice vode u magli i oblacima, čestice masnoća u mlijeku itd. Koloidni sustavi svoju su široku primjenu pronašli u biomedicini, kozmetičkoj industriji, prehrambenoj i tekstilnoj industriji te građevini. Također, odigrali su važnu ulogu u razvoju kemije. Pomoću njih otkriven je Avogadrov broj, koji je omogućilo primjenu kemijskog računa u znanosti i tehnologiji.

Koloidni sustav sastoji se od dispergirane faze i disperznog sredstva. Dispergirana faza jest dispergirana unutar disperznoga sredstva. Tako su npr. kapljive vode (dispergirana faza) dispergirane unutar zraka - plina (disperzno sredstvo) tvoreći maglu (kolodini sustav). Tako je moguće opisati nekoliko različitih koloidnih sustava.

Svojstva koloidnih sustava

Veličina čestica

Čestice unutar koloidnog sustava nevidljive su golim okom i optičkim mikroskopom. Ne mogu se razdvojiti filtriranjem običnim filtrirnim papirom. Iako su veće su od molekula, imaju neka svojstva molekula. Na koloidne čestice slabo utječe gravitacijsko polje, sporo ili nikako ne sedimentiraiu (talože) te se u disperznom se sredstvu gibaju nasumićno. Može im se odrediti volumen, površinu ili gustoću.

Veličina čestica jest njihovo bitno svojstvo. Razlog tome jest činjenica da se smanjenjem veličine čestica povećava njihova ukupna površina, što je jako bitno kod raznih primjena koloidnih sustava.

Raspršenje svjetlosti

Tyndallov fenomen je pojava koja opisuje raspršivanje vidljive svjetlosti na koloidnim česticama. Kada svjetlost prolazi kroz koloidni sustav, dio svjetlosnog snopa prolazi kroz sustav, dok se drugi dio raspršuje. Ovaj fenomen je vidljiv kada koloidne čestice rasprše svjetlost, stvarajući tako efekt disperzije.

Kada svjetlost prolazi kroz otopinu, ona se ponaša drugačije nego u koloidnom sustavu. U otopini, gdje su čestice mnogo manje i homogenije, svjetlost uglavnom prolazi bez značajnog raspršenja. Za razliku od koloidnog sustava, kod kojeg dolazi do raspršivanja zbog veće veličine čestica, u otopini svjetlost se pretežno prenosi (transmitira), a raspršivanje je minimalno ili ga nema. Tako svjetlost kroz otopinu prolazi gotovo nepromijenjena, dok u koloidnom sustavu dolazi do karakterističnog raspršenja, što je ključ Tyndallovog fenomena.

Intenzitet raspršenog svjetla ovisi o nekoliko faktora. Prvenstveno, ovisi o veličini čestica u koloidnom sustavu i o valnoj duljini upadne svjetlosti. Manje valne duljine svjetlosti, poput plave, više se raspršuju u usporedbi s duljim valnim duljinama, poput crvene svjetlosti. Zbog toga plava svjetlost jače se raspršuje od crvene, što je razlog zašto, primjerice, nebo izgleda plavo.

Difuzija

Difuzija je proces nasumičnog gibanja čestica koji se odvija u raznim sustavima, poput otopina, plinovitih smjesa i suspenzija. Na koloidne čestice djeluju molekule iz okolnog prostora, poput molekula otapala u tekućinama ili molekula plinova u zraku, što uzrokuje njihovo nasumično gibanje. Kroz ovaj proces dolazi do miješanja sastojaka u smjesama.

Difuzija se može odvijati i kroz propusne ili polupropusne membrane, gdje molekule prolaze kroz membranu zbog razlika u koncentraciji. Važno je napomenuti da difuzija ne uzrokuje protjecanje niti usmjereni tok tekućine ili plina, već se temelji isključivo na nasumičnom kretanju čestica. Jedna od posljedica difuzije je proces osmoze, koji je ključan u regulaciji kretanja molekula vode kroz membrane.

Međudjelovanje čestica i stabilnost

Interakcije između čestica

Privlačne interakcije

Privlačne interakcije između koloidnih čestica jesu disperzijske (van der Waalsove) interakcije. Jakost van der Waalsovih privlačnih sila ovisi o veličini čestica, svojstvima materijala od kojeg su izrađene čestice te svojstvima disperznoga sredstva. Njihov intenzitet slabi s udaljenošcu čestica.

Odbojne interakcije

Odbojne interakcije pojavljuju se kod električki nabijenih čestica, pri čemu se odbijaju one koje su istih naboja. Dijele se na elektrostatske interakcije te odbijanja na malim udaljenostima.

Odbijanja na malim udaljenostima pojavljuju se zbog preklapanje elektronskih oblaka na vrlo malim udaljenostima. Interakcije su iznimno jake na malim udaljenostima, no intenzitet znatno slabi s udaljenošču ćestica.

Elektrostatske interakcije ovise o naboju na površini i koncentraciji iona u otopini. Njihov intenzitet slabi s povećanjem udaljenosti.

Ukupne interakcije

Ukupne interakcije uključuju zbroj svih međudjelovanja, pri čemu vrijedi da ako prevladavaju privlačne interakcije, čestice se privlače i nastaju veće nakupine, a ako prevladavaju odbojne interakcije, čestice se odbijaju i ne nastaju veće nakupine.

Prevladavanje odbojnih ili privlačnih interakcija ovisi o veličini čestica, materijalu od kojeg su izgrađene, vrsti disperznoga sredstva u kojemu se nalaze te temperaturi (utječe na gibanje čestica).

Promjenom pH-vrijednosti otopine može se mijenjati površinski naboj čestice, pri čemu se smanjuju ili povećavaju odbojne elektrostatske interakcije između čestica. U točki nul-naboja nema odbojnih elektrostatskih interakcija.

Stabilnost

Nestabilan sustav nastaje kada između koloidnih čestica prevladavaju privlačne interakcije. Te interakcije dovode do stvaranja većih nakupina čestica. Kako se te nakupine povećavaju, njihova masa raste, što dovodi do jače gravitacijske sile, ubrzavajući proces sedimentacije. Ovaj proces se naziva koagulacija ili agregacija, jer dolazi do spajanja manjih čestica u veće nakupine.

Nasuprot tome, stabilan sustav nastaje kada između koloidnih čestica prevladavaju odbojne interakcije. U takvom sustavu čestice ostaju odvojene i ravnomjerno raspoređene, sprječavajući nastanak većih nakupina i sedimentaciju.

Gibanje čestica u koloidnom sustavu razlikuje se ovisno o stabilnosti suspenzije.

U stabilnoj suspenziji, čestice su male i međusobno razdvojene. Zbog male mase, sila uzgona i nasumično Brownovo gibanje pomažu u održavanju stabilnosti čestica, umanjujući utjecaj slabe gravitacijske sile, pa čestice ostaju raspršene i ne talože se.

U nestabilnoj suspenziji, privlačne interakcije između čestica su jake, što dovodi do stvaranja većih nakupina ili agregata. Ove nakupine imaju veću masu, zbog čega ih gravitacijska sila s vremenom povlači prema dolje, te se talože na dno posude.