Koloīds

Koloīds ir maisījums, kurā viena viela, kas sastāv no mikroskopiski disperģētām nešķīstošām daļiņām, ir suspendēta citā vielā. Atšķirībā no šķīduma, kurā izšķīdusī viela un šķīdinātājs veido tikai vienu fāzi, koloīdam ir dispersā fāze (suspendētās daļiņas) un dispersijas vide (suspensijas vide). Lai maisījumu varētu klasificēt kā koloīdu, disperģētās daļiņas laika gaitā nedrīkst vidē nosēsties vai arī to nosēšanās prasa ļoti ilgu laiku.

Dispersās fāzes daļiņu diametrs ir aptuveni 1 līdz 1000 nanometri^[1]. Šādas daļiņas parasti ir viegli redzamas optiskajā mikroskopā, bet mazākā izmēru diapazonā (r < 250 nm) var būt nepieciešams ultramikroskops vai elektronmikroskops. Homogēnos maisījumus ar disperso fāzi šajā izmēru diapazonā sauc par koloidāliem aerosoliem, koloidālām emulsijām, koloidālām putām vai hidrosoliem.

Daži koloīdi ir daļēji caurspīdīgi Tindala efekta dēļ, kas ir gaismas izkliede no daļiņām koloīdā. Citi koloīdi var būt necaurspīdīgi vai viegli iekrāsoti.

Klasifikācija

Tā kā dispersās fāzes izmērus var būt grūti noteikt, un koloīdi izskatās pēc šķīdumiem, dažkārt koloīdus identificē un raksturo pēc to fizikāli ķīmiskajām un transporta īpašībām. Piemēram, ja koloīds sastāv no cietas fāzes, kas disperģēta šķidrā, cietās daļiņas nedifundēs caur membrānu, bet īstajā šķīdumā izšķīdušie joni vai molekulas difundēs caur membrānu. Savu izmēru dēļ koloidālās daļiņas nespēj iziet cauri membrānas porām, kuru izmērs ir mazāks par to koloīdā disperģēto daļiņu izmēru.

Koloīdus var klasificēt šādi:

Vide/fāze		Disperģētā fāze
		Gāzveida	Šķidra	Cieta
Dispersijas vide	Gāzveida	Šādi koloīdi nav zināmi	Šķidrs aerosols Piemēri: migla, mākoņi	Ciets aerosols Piemēri: dūmi
	Šķidra	Putas Piemērs: putukrējums, skūšanās putas	Emulsija Piemēri: majonēze, roku krēms	Sols Piemēri: tinte, asinis
	Cieta	Cietas putas Piemēri: putuplasts	Gels Piemēri: želatīns, želeja	Ciets sols

Mijiedarbība starp daļiņām

Spēki, kuriem ir svarīga loma koloīda daļiņu mijiedarbībā:^[2][3][4]

• Aizņemtā tilpuma ierobežojumi: cietās daļiņas nevar pārklāties.
• Elektrostatiskā mijiedarbība: daļiņām bieži ir savs lādiņš, un tās savā starpā pievelkas vai atgrūžas. Šo mijiedarbību ietekmē gan dispersās fāzes, gan vides lādiņi.
• Van der Vālsa spēki: mijiedarbība starp diviem pastāvīgiem vai inducētiem dipoliem. Pat ja daļiņa nav pastāvīgs dipols, elektronu blīvuma fluktuācijas rada īslaicīgu dipolu, kas inducē dipolus savā apkārtnē, kas savā starpā pievelkas.
• Entropiskie spēki: saskaņā ar otro termodinamikas likumu, sistēma tiecas ieņemt stāvokli ar maksimālo entropijas vērtību.
• Stēriskie efekti starp ar polimēriem klātām virsmām vai šķīdumos, kuru sastāvā ir neadsorbējoši polimēri. Var modulēt spēkus starp daļiņām, radot papildus atgrūšanās spēku (kam ir galvenokārt entropiska izcelsme) vai pievilkšanās spēku. Šie spēki ietekmē molekulu un jonu formu.

Stabilizācija (peptizācija)

Koloidālas sistēmas stabilitāti nosaka daļiņas, kas līdzsvara stāvoklī palikušas suspendētas šķīdumā.

Stabilitāti traucē agregācija un sedimentācija, ko izraisa koloīda tendence samazināt virsmas enerģiju. Virsmas spraiguma samazināšana stabilizē koloīdu, jo samazina šo virzītājspēku.

Piemēri stabilam un nestabilam koloīdam

Agregācija ir daļiņu salipšana, ko nosaka daļiņu mijiedarbības spēku summa^[5][6]. Ja pievilkšanās spēki (piemēram, Van der Vālsa spēki) ir lielāki par atgrūšanās spēkiem (elektrostatiskie spēki), tad notiek daļiņu agregācija klasteros.

Elektrostatiskā un stēriskā stabilizācija ir divi galvenie mehānismi, lai novērstu agregāciju:

• Elektrostatiskā stabilizācija balstās uz vienādas zīmes lādiņu atgrūšanos. Katras daļiņas virsma ir vienmērīgi elektrostatiski uzlādēta, un virsmu lādiņi ir vienādas zīmes, kas nodrošina to atgrūšanos un novēršot to agregāciju. Pārejam šķidrumam tiek pievienoti joni ar pretējas zīmes lādiņiem, lai nodrošinātu kopējo elektrostatisko neitralitāti.
• Stēriskajā stabilizācijā daļiņas tiek pārklātas ar polimēriem, kas nodrošina, ka daļiņas nenonāk pietiekami tuvu, lai sāktu dominēt pievilkšanās spēki.

Ir iespējama arī šo divu mehānismu kombinācija koloīdu stabilizēšanai (elektrostēriskā stabilizācija). Tomēr šie mehānismi nenovērš sedimentāciju.

Sedimentācija ir daļiņu nosēšanās masas spēku iedarbībā, kas rodas no blīvumu starpības starp dispersijas vidi un fāzi. Jo lielāka ir blīvumu starpība, jo ātrāk notiek daļiņu nosēšanās.

Stēriskā un gela tīkla stabilizācija

Gelu tīkla stabilizācija ir galvenais veids, kā iegūt koloīdus, kas ir stabili gan pret agregāciju, gan sedimentāciju^[7][8]. Šajā metodē koloidālai suspensijai pievieno polimēru, kas spēj veidot gelu tīklu, piemēram, ksantānu vai guāra sveķus. Daļiņu nosēšanos kavē polimēru matrica, kurā šīs daļiņas ir notvertas^[7]. Papildus garās polimēru ķēdes var nodrošināt disperģēto daļiņu stērisko un elektrostērisko stabilizāciju.

Destabilizācija

Nestabilas koloidālas dispersijas var veidot pārslas jeb flokulas daļiņu agregācijas rezultātā, ko rada daļiņu savstarpējās mijiedarbības. Šādā veidā var tikt iegūti fotoniskie stikli. To var izdarīt ar dažādām metodēm:

• Daļiņu agregāciju novēršanai paredzētās elektrostatiskās barjeras noņemšana. To var izdarīt, suspensijai pievienojot sāli vai arī izmainot suspensijas pH, lai efektīvi neitralizētu virsmas lādiņu. Tas novērš atgrūšanās spēkus, kas nodrošina koloīda daļiņu nesalipšanu, un ļauj tām koagulēties Van der Vālsa spēku iedarbībā.
• Lādēta polimēra flokulanta pievienošana. Polimēru flokulanti var savienot individuālās koloīda daļiņas ar elektrostatiskajiem pievilkšanās spēkiem. Piemēram, var norisināties negatīvi lādētu silīcija dioksīda vai māla daļiņu agregācija, ja tiek pievienots pozitīvi lādēts polimērs.
• Neadsorbējošu polimēru pievienošana, kas izraisa agregāciju entropisko efektu rezultātā.
• Daļiņas fizikāla deformācija (piemēram, izstiepšana) var palielināt Van der Vālsa spēkus vairāk nekā stabilizējošos spēkus (piemēram, elektrostatiskos spēkus), kas izraisa koloīda koagulēšanos noteiktās orientācijās.

Sagatavošana

Galvenie koloīdu sagatavošanas veidi^[9]:

• Lielu daļiņu vai pilienu dispersija koloidālajos izmēros tos samaļot, izsmidzinot vai pieliekot bīdes spriegumu.
• Mazu izšķīdušu molekulu koncentrēšanās lielākās koloidālās daļiņās, izmantojot nogulsnēšanu, kondensāciju vai oksidēšanās-reducēšanās reakcijas. Šādus procesus izmanto koloidālā silīcija vai zelta izgatavošanā.

Koloīdu šķīdumu fizikālās īpašības

Galvenās koloīdu šķīdumu fizikālās īpašības^[10]:

• Stabilitāte. Koloīdi dabā ir relatīvi stabili. Daļiņas dispersajā fāzē atrodas nepārtrauktā kustībā un paliek suspendētas šķīdumā.
• Filtrācija. Koloīdu filtrācijai ir nepieciešami speciāli filtri, kurus sauc par ultrafiltriem, jo koloīdi mazā disperģēto daļiņu izmēra dēļ viegli izplūst cauri parastajiem filtru papīriem, neatstājot nekādus nosēdumus.
• Heterogēnā daba. Tā kā koloīdi sastāv no divām fāzēm — dispersās vides un dispersās fāzes, tad tiem piemīt heterogēna daba.
• Homogenitāte. Lai arī koloīdos ir suspendētas daļiņas un tie pēc dabas ir heterogēni, tie izskatās pēc homogēniem šķīdumiem. Iemesls tam ir daļiņu mazais izmērs, ko nav iespējams pamanīt ar neapbruņotu aci.

Koloīdu lietojums

Koloīdiem ir plašs lietojums rūpniecībā, medicīnā u.c. Kā dažus no piemēriem var minēt^[10]:

• Medicīnā: Zāles koloidālā formā ātrāk un labāk absorbējas audos, padarot to par daudz efektīvāku metodi nekā citas uzņemšanas formas.
• Ūdens attīrīšanā: Koloidālus piemaisījumus ir iespējams nogulsnēt, pievienojot noteiktus elektrolītus (piemēram, alumīnija sāļus). Negatīvi lādētās koloidālās daļiņas var tikt neitralizētas ar Al³⁺ joniem. Pēc daļiņu sedimentācijas, iespējams atdalīt tīro ūdeni.
• Gumijas ražošanā: Latekss ir koloidāls šķīdums ar negatīvi lādētām gumijas daļiņām. Gumija no lateksa var tikt iegūta pēc koagulācijas. Ar gumiju klātus izstrādājumus var iegūt, nogulsnējot negatīvi lādētās gumijas daļiņas uz izstrādājuma, kurš kalpo kā anods gumijas nogulsnēšanas baseinā.