Войти
Молоко представляет собой эмульгированный коллоид жидкого молочного жира, диспергированный в растворе на основе воды. В химии коллоид представляет собой разделенная на фазы смесь, в которой одно вещество, состоящее из микроскопически диспергированных нерастворимых или растворимых частиц, суспендировано в другом веществе. Иногда коллоидом называют только дисперсное вещество; термин коллоидная суспензия однозначно относится ко всей смеси (хотя в более узком смысле слова суспензия отличается от коллоидов большим размером частиц). В отличие от раствора, в котором растворенное вещество и растворитель составляют только одну фазу, коллоид имеет дисперсную фазу (взвешенные частицы) и непрерывная фаза (среда суспензии), возникающая в результате разделения фаз. Обычно коллоиды не полностью оседают или им требуется много времени для полного осаждения на два отдельных слоя.
Частицы дисперсной фазы имеют диаметр приблизительно от 1 до 1000 нанометров. Такие частицы обычно хорошо видны в оптический микроскоп, хотя и в меньшем диапазоне размеров (может потребоваться ультрамикроскоп r < 250 nm), an или электронный микроскоп. гомогенный смеси с дисперсной фазой в этом диапазоне размеров могут называться коллоидными аэрозолями, коллоидными эмульсиями, коллоидными пенами, коллоидными дисперсиями или гидрозолями. На частицы или капли дисперсной фазы в значительной степени влияет химия поверхности присутствует в коллоиде.
Некоторые коллоиды полупрозрачны из-за эффекта Тиндаля, который представляет собой рассеяние света частицами в коллоиде. Другие коллоиды могут быть непрозрачными или иметь слабый цвет. цитоплазма живых клеток представляет собой пример коллоида, содержащего много типов биомолекулярного конденсата.
. Коллоидные суспензии являются предметом интерфейса и коллоидной науки. исследование было начато в 1845 г. итальянским химиком Франческо Селми и дальнейшие исследования С 1861 г. шотландский ученый Томас Грэм.
ИЮПАК определение Коллоид : Краткий синоним коллоидной системы. Коллоид : Состояние подразделения таким образом, чтобы молекулы или полимолекулярные частицы, диспергированные в среде, имели по крайней мере один размер от приблизительно 1 нм до 1 мкм, или что в системе разрывы обнаруживаются на расстояниях этого порядка.Поскольку размер дисперсной фазы может быть трудно измерить, и поскольку коллоиды имеют вид растворов, коллоиды иногда идентифицируются и характеризуются t их физико-химические и транспортные свойства. Например, если коллоид состоит из твердой фазы, диспергированной в жидкости, твердые частицы не будут диффундировать через мембрану, тогда как в истинном растворе растворенные ионы или молекулы будут диффундировать через мембрану. Из-за исключения размера коллоидные частицы не могут проходить через поры ультрафильтрационной мембраны, размер которых меньше их собственного размера. Чем меньше размер пор ультрафильтрационной мембраны, тем ниже концентрация диспергированных коллоидных частиц, остающихся в ультрафильтрованной жидкости. Таким образом, измеренное значение концентрации действительно растворенного вещества будет зависеть от экспериментальных условий, применяемых для отделения его от коллоидных частиц, также диспергированных в жидкости. Это особенно важно для исследований растворимости легко гидролизуемых видов, таких как Al, Eu, Am, Cm или органическое вещество , образующих комплекс с этими виды. Коллоиды можно классифицировать следующим образом:
| Среда / фаза | Дисперсная фаза | |||
|---|---|---|---|---|
| Газ | Жидкость | Твердое тело | ||
| Дисперсия. среда | Газ | Такие коллоиды не известны.. Гелий и ксенон, как известно, несмешиваемы при определенных условиях. | Жидкость аэрозоль. Примеры: туман, облака, конденсат, туман, лаки для волос | твердый аэрозоль . Примеры: дым, ледяное облако, атмосферные твердые частицы |
| жидкость | пена. Пример: взбитые сливки, сливки для бритья | Эмульсия или Жидкокристаллический. Примеры: молоко, майонез, крем для рук, латекс, биологические мембраны, жидкий биомолекулярный конденсат | Sol или суспензия. Примеры: пигментные чернила, осадок, осаждает, твердый биомолекулярный конденсат | |
| Твердый | твердая пена . Примеры: аэрогель, пенополистирол, пемза | Гель. Примеры: агар, желатин, желе, гелеобразный биомолекулярный конденсат | твердый золь . Пример: клюквенное стекло | |
В зависимости от характера взаимодействия между дисперсной фазой и дисперсионной средой коллоиды можно классифицировать как: Гидрофильные коллоиды : Коллоидные частицы представляют собой привлекает к воде. Их еще называют обратимыми золями. Гидрофобные коллоиды : по своей природе они противоположны гидрофильным коллоидам. Коллоидные частицы отталкиваются водой. Их еще называют необратимыми золями.
В некоторых случаях коллоидная суспензия может считаться полугомогенной смесью. Это связано с тем, что различие между «растворенным» раствором и «взвешенным веществом в виде частиц» иногда может быть вопросом подхода, который влияет на то, является он однородным или неоднородным.
Следующие силы играют важную роль во взаимодействии коллоидных частиц:
Существует два основных способа приготовить коллоиды:
Стабильность коллоидной системы определяется частицами, остающимися во взвешенном состоянии в растворе при равновесии.
Стабильности препятствуют явления агрегации и седиментации, которые вызваны тенденцией коллоида уменьшать поверхностную энергию. Снижение межфазного натяжения улучшить коллоидную систему за счет уменьшения этой движущей силы.
Примеры стабильной и нестабильной коллоидной дисперсии. Агрегация происходит из-за суммы сил взаимодействия между частицами. Если силы притяжения (например, силы Ван-дер-Ваальса) преобладают над отталкивающими (например, электростатическими), частицы собираются в кластеры.
Электростатическая стабилизация и стерическая стабилизация - два основных механизма стабилизации от агрегации.
Также возможно сочетание двух механизмов (электростерическая стабилизация). Все вышеупомянутые механизмы для минимизации агрегации частиц основаны на увеличении сил отталкивающего взаимодействия.
Электростатическая и стерическая стабилизация не решают напрямую проблему седиментации / всплытия.
Осаждение частиц (а также всплытие, хотя это явление менее распространено) возникает из-за разницы в плотности диспергированной и непрерывной фаз. Чем выше разница плотностей, тем быстрее оседают частицы.
Метод заключается в добавлении к коллоидной суспензии полимера, способного образовывать гелевую сетку и характеризуемого свойствами разжижения при сдвиге. Примерами таких веществ являются ксантан и гуаровая камедь.
Стабилизация стерической и гелевой сетки. Оседанию частиц препятствует жесткость полимерной матрицы, в которой частицы задерживаются. Кроме того, длинные полимерные цепи могут обеспечивать стерическую или электростерическую стабилизацию диспергированных частиц.
Реологические свойства разжижения при сдвиге находят полезными при приготовлении суспензий и при их использовании, поскольку пониженная вязкость при высоких скоростях сдвига облегчает деагломерацию, перемешивание и в целом течение суспензий.
Нестабильные коллоидные дисперсии могут образовывать хлопья или агрегаты, когда частицы собираются из-за притяжения между частицами. Хлопья представляют собой рыхлые и гибкие конгломераты частиц, в то время как агрегаты представляют собой компактные и жесткие образования. Существуют методы, позволяющие различать флокуляцию и агрегацию, например акустическая спектроскопия. Дестабилизация может осуществляться разными способами:
Нестабильные коллоидные суспензии фракции небольшого объема образуют кластерные жидкие суспензии, при этом отдельные кластеры частиц падают на дно суспензии (или всплывают наверх, если частицы менее плотны, чем суспендирующая среда), когда кластеры достигают достаточного размера для броуновских сил, которые работают на держать частицы во взвешенном состоянии, чтобы их преодолели силы тяжести. Однако коллоидные суспензии фракции большего объема образуют коллоидные гели с вязкоупругими свойствами. Вязкоупругие коллоидные гели, такие как бентонит и зубная паста, текут как жидкости при сдвиге, но сохраняют свою форму, когда сдвиг устраняется. По этой причине зубную пасту можно выдавить из тюбика с зубной пастой, но она остается на зубной щетке после ее нанесения.
Принцип измерения многократного рассеяния света в сочетании с вертикальным сканированием Многократное рассеяние света в сочетании с вертикальным сканированием является наиболее широко используемым методом для мониторинга состояния дисперсии продукта, а, следовательно, для определения и количественной оценки явления дестабилизации. Работает с концентрированными дисперсиями без разбавления. Когда свет проходит через образец, он обратно рассеивается частицами / каплями. Интенсивность обратного рассеяния прямо пропорциональна размеру и объемной доле дисперсной фазы. Следовательно, обнаруживаются локальные изменения концентрации (например, Сливание и Седиментация ) и глобальные изменения размера (например, флокуляция, слипание ) и контролируется.
Кинетический процесс дестабилизации может быть довольно длительным (до нескольких месяцев или даже лет для некоторых продуктов), и часто разработчику рецептур требуется использовать его в дальнейшем. ускорение методов для достижения разумных сроков разработки дизайна нового продукта. Чаще всего используются термические методы, заключающиеся в повышении температуры для ускорения дестабилизации (ниже критических температур фазового обращения или химического разложения). Температура влияет не только на вязкость, но и на межфазное натяжение в случае неионных поверхностно-активных веществ или, в более общем смысле, на силы взаимодействия внутри системы. Хранение дисперсии при высоких температурах позволяет смоделировать реальные условия использования продукта (например, тюбик солнцезащитного крема в автомобиле летом), а также ускорить процессы дестабилизации до 200 раз. Иногда используются механическое ускорение, включая вибрацию, центрифугирование и перемешивание. Они подвергают продукт воздействию различных сил, которые толкают частицы / капли друг к другу, тем самым способствуя дренажу пленки. Однако некоторые эмульсии никогда не слипнутся при нормальной гравитации, в отличие от искусственной. Более того, сегрегация различных популяций частиц была подчеркнута при использовании центрифугирования и вибрации.
В физике коллоиды представляют собой интересную модельную систему. для атомов. Коллоидные частицы микрометрового размера достаточно велики, чтобы их можно было наблюдать с помощью оптических методов, таких как конфокальная микроскопия. Многие силы, которые управляют структурой и поведением материи, такие как исключенные объемные взаимодействия или электростатические силы, определяют структуру и поведение коллоидных суспензий. Например, те же методы, что и для моделирования идеальных газов, можно применить для модели поведения коллоидной суспензии твердых сфер. Кроме того, фазовые переходы в коллоидных суспензиях можно изучать в реальном времени с помощью оптических методов, и они аналогичны фазовым переходам в жидкостях. Во многих интересных случаях оптическая текучесть используется для контроля коллоидных суспензий.
Коллоидный кристалл представляет собой высоко упорядоченный массив частиц, который может образовываться в течение очень длительного времени. диапазон (обычно от нескольких миллиметров до одного сантиметра) и которые кажутся аналогичными своим атомным или молекулярным аналогам. Один из лучших природных примеров этого явления упорядочения можно найти в драгоценном опале, в котором возникают блестящие области чистого спектрального цвета. из плотноупакованных доменов аморфных коллоидных сфер диоксида кремния (или диоксида кремния, SiO 2). Эти сферические частицы осаждаются в сильно кремнистых бассейнах в Австралии и других местах и образуют эти высокоупорядоченные массивы после многих лет седиментации и сжатие под действием гидростатических и гравитационных сил. Периодические массивы субмикронных сферических частиц образуют аналогичные массивы промежуточных пустот, которые действуют как естественная дифракционная решетка для видимого световые волны, особенно когда межузельный интервал имеет тот же порядок величины, что и падающая световая волна.
Таким образом, На протяжении многих лет было известно, что из-за отталкивающих кулоновских взаимодействий электрически заряженные макромолекулы в водной окружающая среда может проявлять дальнодействующие кристалл -подобные корреляции с расстояниями между частицами, часто значительно превышающими диаметр отдельной частицы. Во всех этих случаях в природе одну и ту же блестящую радужную оболочку (или игру цветов) можно отнести к дифракции и конструктивной интерференции видимых световых волн, которые удовлетворяют закону Брэгга, аналогично рассеянию рентгеновских лучей в кристаллических твердых телах.
Большое количество экспериментов по изучению физики и химии этих так называемых «коллоидных кристаллов» возникло в результате относительно простых методов, которые были разработаны за последние 20 лет для получения синтетических монодисперсных коллоидов (как полимерных, так и минеральных) и с помощью различных механизмов реализации и сохранения их образования дальнего порядка.
Коллоидные разделение фаз является важным организационным принципом для компартментализации цитоплазмы и ядра клеток на биомолекулярные конденсаты, аналогичные важность для компартментализации через липидные бислойные мембраны - тип жидких кристаллов. Термин биомолекулярный конденсат использовался для обозначения кластеров макромолекул, которые возникают в результате разделения фаз жидкость-жидкость или жидкость-твердое вещество внутри клеток. Макромолекулярное скопление сильно усиливает разделение коллоидной фазы и образование биомолекулярных конденсатов.
Коллоидные частицы также могут служить переносчиком различных загрязняющих веществ в поверхностных водах (море вода, озера, реки, пресные водоемы) и подземные воды, циркулирующие в трещиноватых породах (например, известняк, песчаник, гранит ). Радионуклиды и тяжелые металлы легко сорбируются на коллоидах, взвешенных в воде. Различают различные типы коллоидов: неорганические коллоиды (например, частицы глины, силикаты, оксигидроксиды железа ), органические коллоиды (гуминовые и фульвовые вещества). Когда тяжелые металлы или радионуклиды образуют свои собственные чистые коллоиды, термин «собственный коллоид » используется для обозначения чистых фаз, т. Е. Чистый Tc (OH) 4, U (OH) 4 или Am (OH) 3. Коллоиды подозреваются в переносе плутония на большие расстояния на ядерном полигоне в Неваде. Они уже много лет являются предметом детальных исследований. Однако подвижность неорганических коллоидов очень низкая в уплотненных бентонитах и в глубоких глинистых образованиях из-за процесса ультрафильтрации, происходящего в плотной глинистой мембране. Вопрос менее ясен для небольших органических коллоидов, часто смешанных в поровой воде с действительно растворенными органическими молекулами.
В почвоведении коллоидная фракция в почвах состоит из крошечных частицы глины и гумуса , которые менее 1 мкм в диаметре и несут положительные и / или отрицательные электростатические заряды которые различаются в зависимости от химических условий образца почвы, т.е. pH почвы.
Коллоидные растворы, используемые в внутривенной терапии, относятся к основной группе расширители объема, и могут использоваться для внутривенного замещения жидкости. Коллоиды сохраняют высокое коллоидно-осмотическое давление в крови, и поэтому теоретически они должны преимущественно увеличивать внутрисосудистый объем, в то время как другие типы расширителей объема, называемые кристаллоидами, также увеличивают межклеточный объем и внутриклеточный объем. Однако до сих пор существуют разногласия по поводу фактического различия эффективности из-за этого различия, и большая часть исследований, связанных с этим использованием коллоидов, основана на мошеннических исследованиях Иоахима Болдта. Другое отличие состоит в том, что кристаллоиды обычно намного дешевле коллоидов.
