מערכות קולואידים חשובות ביותר בחייו של כל אדם. זה נובע לא רק מהעובדה שכמעט כל הנוזלים הביולוגיים באורגניזם חי יוצרים קולואידים. אבל תופעות טבע רבות (ערפל, ערפיח), אדמה, מינרלים, מזון, תרופות הן גם מערכות קולואידיות.
היחידה של תצורות כאלה, המשקפת את הרכבן ואת התכונות הספציפיות שלהן, נחשבת למקרומולקולה, או מיצל. המבנה של האחרון תלוי במספר גורמים, אבל זה תמיד חלקיק רב שכבתי. התיאוריה הקינטית המולקולרית המודרנית מחשיבה פתרונות קולואידים כמקרה מיוחד של פתרונות אמיתיים, עם חלקיקים גדולים יותר של המומס.
שיטות להשגת פתרונות קולואידים
המבנה של מיצל שנוצר כאשר מערכת קולואידלית מופיעה, תלוי בחלקו במנגנון של תהליך זה. שיטות להשגת קולואידים מחולקות לשתי קבוצות שונות מהותית.
שיטות פיזור קשורות לטחינה של חלקיקים גדולים למדי. בהתאם למנגנון של תהליך זה, ניתן להבחין בין השיטות הבאות.
- זיקוק. ניתן לעשות יבש אודרך רטובה. במקרה הראשון, תחילה מרסקים את המוצק, ורק לאחר מכן מוסיפים את הנוזל. במקרה השני, החומר מעורבב עם נוזל, ורק לאחר מכן הוא הופך לתערובת הומוגנית. הטחינה מתבצעת בטחנות מיוחדות.
- נפיחות. הטחינה מושגת בשל העובדה שחלקיקי הממס חודרים לשלב המפוזר, המלווה בהתרחבות חלקיקיו עד להפרדה.
- פיזור באמצעות אולטרסאונד. את החומר לטחון מניחים בנוזל ועוברים קולים.
- פיזור זעזועים חשמליים. מבוקש בייצור סוליות מתכת. זה מתבצע על ידי הנחת אלקטרודות העשויות ממתכת מתפזרת לתוך נוזל, ולאחר מכן הפעלת מתח גבוה עליהן. כתוצאה מכך, נוצרת קשת וולטאית שבה מתיזה המתכת ולאחר מכן מתעבה לתמיסה.
שיטות אלו מתאימות הן לחלקיקים קולואידים ליאופוביים והן לחלקיקים קולואידים. מבנה המיצל מתבצע במקביל להרס המבנה המקורי של המוצק.
שיטות עיבוי
קבוצת השיטות השנייה המבוססת על הגדלת חלקיקים נקראת עיבוי. תהליך זה יכול להתבסס על תופעות פיזיקליות או כימיות. שיטות עיבוי פיזי כוללות את הדברים הבאים.
- החלפת הממס. זה מסתכם במעבר של חומר מממס אחד, שבו הוא מתמוסס טוב מאוד, לאחר, שבו המסיסות הרבה יותר נמוכה. כתוצאה מכך, חלקיקים קטניםישלב לאגרגטים גדולים יותר ויופיע פתרון קולואידי.
- עיבוי אדים. דוגמה לכך היא ערפילים, שחלקיקיהם מסוגלים להתמקם על משטחים קרים ולהתגדל בהדרגה.
שיטות עיבוי כימיות כוללות כמה תגובות כימיות המלוות במשקעים של מבנה מורכב:
- חילופי יונים: NaCl + AgNO3=AgCl↓ + NaNO3.
- תהליכי Redox: 2H2S + O2=2S↓ + 2H2O.
- הידרוליזה: Al2S3 + 6H2O=2Al(OH) 3↓ + 3H2S.
תנאים לעיבוי כימי
מבנה המיצללים הנוצרים במהלך תגובות כימיות אלו תלוי בעודף או בחסר של החומרים המעורבים בהם. כמו כן, להופעת תמיסות קולואידיות, יש צורך להקפיד על מספר תנאים המונעים משקעים של תרכובת מסיסות בקושי:
- תכולת החומרים בתמיסות מעורבות צריכה להיות נמוכה;
- מהירות הערבוב שלהם צריכה להיות נמוכה;
- יש לקחת את אחד הפתרונות בכמות גדולה.
מבנה מיצל
החלק העיקרי של מיצל הוא הליבה. הוא נוצר על ידי מספר רב של אטומים, יונים ומולקולות של תרכובת בלתי מסיסה. בדרך כלל הליבה מאופיינת במבנה גבישי. לפני השטח של הגרעין יש מאגר של אנרגיה חופשית, המאפשרת ספיחה סלקטיבית של יונים מהסביבה. התהליך הזהמציית לכלל פסקוב, שאומר: על פני השטח של מוצק, היונים הללו נספגים בעיקר המסוגלים להשלים את סריג הגביש שלו. זה אפשרי אם יונים אלה קשורים או דומים באופיים ובצורה (גודל).
במהלך הספיחה, נוצרת על ליבת המיצל שכבה של יונים בעלי מטען חיובי או שלילי, הנקראים יונים הקובעים פוטנציאל. עקב כוחות אלקטרוסטטיים, המצרף הטעון שנוצר מושך מהתמיסה יוני נגד (יונים בעלי מטען הפוך). לפיכך, לחלקיק קולואידי יש מבנה רב שכבתי. המיצל רוכש שכבה דיאלקטרית הבנויה משני סוגים של יונים בעלי מטען הפוך.
Hydrosol BaSO4
כדוגמה, נוח לשקול את המבנה של מיצל בריום סולפט בתמיסה קולואידית שהוכנה בעודף של בריום כלוריד. תהליך זה מתאים למשוואת התגובה:
BaCl2(p) + Na2SO4(p)=BaSO 4(t) + 2NaCl(p).
בריום סולפט, מסיס מעט במים, יוצר צבר מיקרו-גבישי הבנוי ממספר ה-M- של מולקולות BaSO4. פני השטח של אגרגט זה סופחים את הכמות ה-n של יוני Ba2+. 2(n - x) יונים Cl- מחוברים לשכבת היונים הקובעים פוטנציאל. ושאר הנגדים (2x) ממוקמים בשכבה המפוזרת. כלומר, הגרגיר של המיצל הזה יהיה טעון חיובי.
אם נוטלים נתרן סולפט בעודף, אזהיונים הקובעים את הפוטנציאל יהיו SO42- יונים, והיונים הנגדיים יהיו Na+. במקרה זה, המטען של הגרגיר יהיה שלילי.
דוגמה זו מדגימה בבירור שסימן המטען של גרגיר מיצל תלוי ישירות בתנאים להכנתו.
הקלטת מיצלות
הדוגמה הקודמת הראתה שהמבנה הכימי של מיצלות והנוסחה המשקפת אותו נקבעים לפי החומר שנלקח בעודף. הבה נבחן דרכים לכתיבת שמות של חלקים בודדים של חלקיק קולואידי באמצעות הדוגמה של הידרוסול גופרתי נחושת. כדי להכין אותו, תמיסת נתרן גופרתי מוזגת באיטיות לכמות עודפת של תמיסת נחושת כלוריד:
CuCl2 + Na2S=CuS↓ + 2NaCl.
המבנה של מיסלה CuS שהתקבלה בעודף CuCl2 נכתב כך:
{[mCuS]·nCu2+·xCl-}+(2n-x)·(2n-x)Cl-.
חלקים מבניים של חלקיק קולואידי
בסוגריים מרובעים כתוב את הנוסחה של תרכובת מסיסות בקושי, שהיא הבסיס של החלקיק כולו. זה נקרא בדרך כלל מצרף. בדרך כלל, מספר המולקולות המרכיבות את המצרף נכתב באות הלטינית m.
יונים הקובעים פוטנציאל נמצאים בכמות עודפת בתמיסה. הם ממוקמים על פני המצרף, ובנוסחה הם כתובים מיד אחרי סוגריים מרובעים. מספר היונים הללו מסומן בסמל n. שמם של יונים אלה מצביע על כך שהמטען שלהם קובע את המטען של גרגיר המיצל.
גרגיר נוצר על ידי ליבה וחלקנגדיונים בשכבת הספיחה. הערך של מטען הגרגיר שווה לסכום המטענים של הנגדים הקובעים פוטנציאל והספוג: +(2n – x). החלק הנותר של הנגדים נמצא בשכבה המפוזרת ומפצה על המטען של הגרגיר.
אם Na2S נלקח בעודף, אז עבור המיצל הקולואידלי שנוצר, ערכת המבנה תיראה כך:
{[m(CuS)]∙nS2–∙xNa+}–(2n – x) ∙(2n – x)Na+.
מיסלים של חומרים פעילי שטח
במקרה שריכוז חומרים פעילי שטח (חומרי שטח) במים גבוה מדי, עלולים להתחיל להיווצר אגרגטים של מולקולות (או יונים) שלהם. לחלקיקים המוגדלים הללו יש צורה של כדור והם נקראים גרטלי-ריבינדר מיצלות. יש לציין כי לא לכל פעילי השטח יש יכולת זו, אלא רק לאלו שבהם היחס בין חלקים הידרופוביים והידרופיליים הוא אופטימלי. יחס זה נקרא איזון הידרופילי-ליפופילי. גם היכולת של הקבוצות הקוטביות שלהם להגן על ליבת הפחמימנים מפני מים משחקת תפקיד משמעותי.
צברים של מולקולות פעילי שטח נוצרות על פי חוקים מסוימים:
- בניגוד לחומרים נמוכים מולקולריים, שהאגרגטים שלהם עשויים לכלול מספר שונה של מולקולות m, קיומם של מיצלות פעילי שטח אפשרי עם מספר מוגדר בהחלט של מולקולות;
- אם עבור חומרים לא אורגניים תחילת המיצליזציה נקבעת על פי מגבלת המסיסות, אז עבור חומרים פעילי שטח אורגניים היא נקבעת על ידי השגת ריכוזים קריטיים של מיצליזציה;
- תחילה, מספר המיצללים בתמיסה גדל, ולאחר מכן גודלם גדל.
השפעת הריכוז על צורת המיצל
המבנה של מיצלות פעילי שטח מושפע מריכוזם בתמיסה. בהגיעם לכמה מערכיו, חלקיקים קולואידים מתחילים ליצור אינטראקציה זה עם זה. זה גורם לצורתם להשתנות באופן הבא:
- כדור הופך לאליפסואיד ולאחר מכן לגליל;
- ריכוז גבוה של גלילים מוביל להיווצרות של פאזה משושה;
- במקרים מסוימים מופיעים פאזה למלרית וגביש מוצק (חלקיקי סבון).
סוגי מיצלות
שלושה סוגים של מערכות קולואידיות נבדלות על פי המוזרויות של ארגון המבנה הפנימי: suspensoids, micellar colloid, colloid molecular.
סופנסואידים יכולים להיות קולואידים בלתי הפיכים, כמו גם קולואידים ליופוביים. מבנה זה אופייני לתמיסות של מתכות, כמו גם לתרכובות שלהן (תחמוצות ומלחים שונים). מבנה השלב המפוזר הנוצר על ידי suspensoids אינו שונה ממבנה של חומר קומפקטי. יש לו סריג גביש מולקולרי או יוני. ההבדל מהמתלים הוא פיזור גבוה יותר. אי-הפיך מתבטא ביכולת התמיסות שלהם לאחר אידוי ליצור משקעים יבשים, שלא ניתן להמירו לסול על ידי פירוק פשוט. הם נקראים ליופוביים בגלל האינטראקציה החלשה בין הפאזה המפוזרת לתווך הפיזור.
קולואידים מיסלריים הם תמיסות שחלקיקים קולואידים נוצריםכאשר מדביקים מולקולות דיפיליות המכילות קבוצות קוטביות של אטומים ורדיקלים לא קוטביים. דוגמאות לכך הן סבונים וחומרי שטח. מולקולות במיצלות כאלה מוחזקים על ידי כוחות פיזור. הצורה של קולואידים אלה יכולה להיות לא רק כדורית, אלא גם למלרית.
קולואידים מולקולריים די יציבים ללא מייצבים. היחידות המבניות שלהם הן מקרומולקולות בודדות. צורתו של חלקיק קולואידי יכולה להשתנות בהתאם לתכונות המולקולה ולאינטראקציות התוך מולקולריות. אז מולקולה לינארית יכולה ליצור מוט או סליל.
