I sistemi colloidi sono estremamente importanti nella vita di qualsiasi persona. Ciò è dovuto non solo al fatto che quasi tutti i fluidi biologici in un organismo vivente formano colloidi. Ma molti fenomeni naturali (nebbia, smog), suolo, minerali, cibo, medicinali sono anche sistemi colloidali.
L'unità di tali formazioni, che riflette la loro composizione e proprietà specifiche, è considerata una macromolecola, o micella. La struttura di quest'ultimo dipende da una serie di fattori, ma è sempre una particella multistrato. La moderna teoria cinetica molecolare considera le soluzioni colloidali come un caso speciale di soluzioni vere, con particelle più grandi del soluto.
Metodi per ottenere soluzioni colloidali
La struttura di una micella che si forma quando appare un sistema colloidale, dipende in parte dal meccanismo di questo processo. I metodi per ottenere i colloidi sono divisi in due gruppi fondamentalmente diversi.
I metodi di dispersione sono associati alla macinazione di particelle piuttosto grandi. A seconda del meccanismo di questo processo, si distinguono i seguenti metodi.
- Raffinamento. Può essere fatto a secco omodo bagnato. Nel primo caso, il solido viene prima frantumato e solo successivamente viene aggiunto il liquido. Nel secondo caso, la sostanza viene miscelata con un liquido e solo dopo viene trasformata in una miscela omogenea. La macinazione viene effettuata in mulini speciali.
- Gonfiore. La macinazione è ottenuta grazie al fatto che le particelle di solvente penetrano nella fase dispersa, che è accompagnata dall'espansione delle sue particelle fino alla separazione.
- Dispersione tramite ultrasuoni. Il materiale da macinare viene posto in un liquido e sonicato.
- Dispersione di scosse elettriche. Richiesto nella produzione di sol di metallo. Viene eseguito posizionando elettrodi fatti di un metallo dispersibile in un liquido, quindi applicando loro un' alta tensione. Di conseguenza, si forma un arco voltaico in cui il metallo viene spruzzato e poi condensa in una soluzione.
Questi metodi sono adatti sia per particelle colloidali liofile che liofobiche. La struttura micellare viene eseguita contemporaneamente alla distruzione della struttura originaria del solido.
Metodi di condensazione
Il secondo gruppo di metodi basati sull'allargamento delle particelle è chiamato condensazione. Questo processo può essere basato su fenomeni fisici o chimici. I metodi di condensazione fisica includono quanto segue.
- Sostituzione del solvente. Si tratta del trasferimento di una sostanza da un solvente, in cui si dissolve molto bene, in un altro, in cui la solubilità è molto più bassa. Di conseguenza, piccole particellesi combinerà in aggregati più grandi e apparirà una soluzione colloidale.
- Condensazione di vapore. Un esempio sono le nebbie, le cui particelle sono in grado di depositarsi sulle superfici fredde e gradualmente ingrandirsi.
I metodi di condensazione chimica includono alcune reazioni chimiche accompagnate dalla precipitazione di una struttura complessa:
- Scambio ionico: NaCl + AgNO3=AgCl↓ + NaNO3.
- Processi redox: 2H2S + O2=2S↓ + 2H2O.
- Idrolisi: Al2S3 + 6H2O=2Al(OH) 3↓ + 3H2S.
Condizioni per la condensazione chimica
La struttura delle micelle formate durante queste reazioni chimiche dipende dall'eccesso o dalla carenza delle sostanze coinvolte in esse. Inoltre, per la comparsa di soluzioni colloidali, è necessario osservare una serie di condizioni che impediscono la precipitazione di un composto scarsamente solubile:
- il contenuto di sostanze nelle soluzioni miste dovrebbe essere basso;
- la loro velocità di miscelazione dovrebbe essere bassa;
- una delle soluzioni dovrebbe essere assunta in eccesso.
Struttura micellare
La parte principale di una micella è il nucleo. È formato da un gran numero di atomi, ioni e molecole di un composto insolubile. Solitamente il nucleo è caratterizzato da una struttura cristallina. La superficie del nucleo ha una riserva di energia libera, che consente di adsorbire selettivamente ioni dall'ambiente. Questo processoobbedisce alla regola di Peskov, che dice: sulla superficie di un solido sono adsorbiti prevalentemente quegli ioni che sono in grado di completare il proprio reticolo cristallino. Ciò è possibile se questi ioni sono correlati o simili per natura e forma (dimensione).
Durante l'adsorbimento, sul nucleo della micella si forma uno strato di ioni caricati positivamente o negativamente, chiamati ioni che determinano il potenziale. A causa delle forze elettrostatiche, l'aggregato carico risultante attira controioni (ioni con carica opposta) dalla soluzione. Pertanto, una particella colloidale ha una struttura multistrato. La micella acquisisce uno strato dielettrico formato da due tipi di ioni con carica opposta.
Idrosol BaSO4
A titolo di esempio, conviene considerare la struttura di una micella di solfato di bario in una soluzione colloidale preparata con un eccesso di cloruro di bario. Questo processo corrisponde all'equazione di reazione:
BaCl2(p) + Na2SO4(p)=BaSO 4(t) + 2NaCl(p).
Leggermente solubile in acqua, il solfato di bario forma un aggregato microcristallino costituito dal numero m-esimo di molecole di BaSO4. La superficie di questo aggregato assorbe l'n-esima quantità di ioni Ba2+. Gli ioni 2(n - x) Cl- sono collegati allo strato di ioni che determinano il potenziale. E il resto dei controioni (2x) si trova nello strato diffuso. Cioè, il granello di questa micella sarà caricato positivamente.
Se il solfato di sodio viene assunto in eccesso, alloragli ioni che determinano il potenziale saranno SO42- ioni, e i controioni saranno Na+. In questo caso la carica del granulo sarà negativa.
Questo esempio dimostra chiaramente che il segno della carica di un granulo micellare dipende direttamente dalle condizioni per la sua preparazione.
Micelle di registrazione
L'esempio precedente ha mostrato che la struttura chimica delle micelle e la formula che la riflette è determinata dalla sostanza che viene assunta in eccesso. Consideriamo i modi per scrivere i nomi delle singole parti di una particella colloidale usando l'esempio dell'idrosol di solfuro di rame. Per prepararlo, la soluzione di solfuro di sodio viene versata lentamente in una quantità in eccesso di soluzione di cloruro di rame:
CuCl2 + Na2S=CuS↓ + 2NaCl.
La struttura di una micella CuS ottenuta in eccesso di CuCl2 è scritta come segue:
{[mCuS]·nCu2+·xCl-}+(2n-x)·(2n-x)Cl-.
Parti strutturali di una particella colloidale
Tra parentesi quadre scrivi la formula di un composto poco solubile, che è la base dell'intera particella. Viene comunemente chiamato aggregato. Solitamente il numero di molecole che compongono l'aggregato si scrive con la lettera latina m.
Gli ioni che determinano il potenziale sono contenuti in eccesso nella soluzione. Si trovano sulla superficie dell'aggregato e nella formula sono scritti immediatamente dopo parentesi quadre. Il numero di questi ioni è indicato dal simbolo n. Il nome di questi ioni indica che la loro carica determina la carica del granulo micellare.
Un granulo è formato da un nucleo e da una partecontroioni nello strato di adsorbimento. Il valore della carica granulare è uguale alla somma delle cariche dei controioni potenziali determinanti e adsorbiti: +(2n – x). La parte restante dei controioni si trova nello strato diffuso e compensa la carica del granulo.
Se Na2S è stato preso in eccesso, per la micella colloidale formata lo schema della struttura sarebbe simile a:
{[m(CuS)]∙nS2–∙xNa+}–(2n – x) ∙(2n – x)Na+.
Micelle di tensioattivi
Nel caso in cui la concentrazione di sostanze tensioattive (tensioattivi) nell'acqua sia troppo elevata, possono iniziare a formarsi aggregati delle loro molecole (o ioni). Queste particelle ingrandite hanno la forma di una sfera e sono chiamate micelle Gartley-Rebinder. Va notato che non tutti i tensioattivi hanno questa capacità, ma solo quelli in cui il rapporto tra parti idrofobiche e idrofile è ottimale. Questo rapporto è chiamato equilibrio idrofilo-lipofilo. Anche la capacità dei loro gruppi polari di proteggere il nucleo di idrocarburi dall'acqua gioca un ruolo significativo.
Gli aggregati di molecole di tensioattivo si formano secondo determinate leggi:
- a differenza delle sostanze a basso peso molecolare, i cui aggregati possono comprendere un diverso numero di molecole m, l'esistenza di micelle tensioattive è possibile con un numero di molecole strettamente definito;
- se per le sostanze inorganiche l'inizio della micellizzazione è determinato dal limite di solubilità, per i tensioattivi organici è determinato dal raggiungimento delle concentrazioni critiche di micellizzazione;
- prima, il numero di micelle nella soluzione aumenta, quindi la loro dimensione aumenta.
Effetto della concentrazione sulla forma delle micelle
La struttura delle micelle tensioattive è influenzata dalla loro concentrazione in soluzione. Al raggiungimento di alcuni dei suoi valori, le particelle colloidali iniziano a interagire tra loro. Questo fa sì che la loro forma cambi come segue:
- la sfera si trasforma in un ellissoide e poi in un cilindro;
- l'elevata concentrazione di cilindri porta alla formazione di una fase esagonale;
- in alcuni casi compaiono una fase lamellare e un cristallo solido (particelle di sapone).
Tipi di micelle
Tre tipi di sistemi colloidali si distinguono in base alle peculiarità dell'organizzazione della struttura interna: suspensoidi, colloidi micellari, colloidi molecolari.
I suspensoidi possono essere colloidi irreversibili, così come colloidi liofobici. Questa struttura è tipica delle soluzioni di metalli, nonché dei loro composti (vari ossidi e sali). La struttura della fase dispersa formata dai suspensoidi non differisce dalla struttura di una sostanza compatta. Ha un reticolo cristallino molecolare o ionico. La differenza rispetto alle sospensioni è una maggiore dispersione. L'irreversibilità si manifesta nella capacità delle loro soluzioni dopo l'evaporazione di formare un precipitato secco, che non può essere convertito in un sol per semplice dissoluzione. Sono detti liofobici a causa della debole interazione tra la fase dispersa e il mezzo di dispersione.
I colloidi micellari sono soluzioni le cui particelle colloidali si formanoquando si attaccano molecole difile contenenti gruppi polari di atomi e radicali non polari. Esempi sono saponi e tensioattivi. Le molecole in tali micelle sono trattenute dalle forze di dispersione. La forma di questi colloidi può essere non solo sferica, ma anche lamellare.
I colloidi molecolari sono abbastanza stabili senza stabilizzatori. Le loro unità strutturali sono singole macromolecole. La forma di una particella colloidale può variare a seconda delle proprietà della molecola e delle interazioni intramolecolari. Quindi una molecola lineare può formare un'asta o una bobina.
