Dobivanje i primjena koloidnih sustava

Dobivanje koloidnih sustava

Priprema koloidnih čestica može se postići na nekoliko načina.

Jedan način je usitnjavanjem većih čestica u jakim mlinovima. Tijekom ovog procesa, veće čestice se razbijaju u manje, što može dovesti i do promjene njihovih svojstava zbog smanjenja veličine.

Prema veličini čestica, koloidne sustave dijelimo na monodisperzne i polidisperzne koloidne sustave. U monodisperznim sustavima, sve čestice su istih veličina, dok su u polidisperzni sustavima čestice različitih veličina. Kod polidisperznih sustava, najčešće je najmanje čestica koje su najmanje i najveće, dok je najviše onih srednje veličine.

Drugi način je kristalizacija ili taloženje iz otopine, što je ravnotežni proces. Otopljeni ioni reagiraju međusobno i tvore kristaliće ionskih spojeva. Primjer takve reakcije je taloženje srebrovog klorida kada se srebrovi ioni sretnu s kloridnim ionima:

Ag⁺(aq) + Cl⁻(aq) → AgCl(s)

Tako nastaju male čestice AgCl koje čine koloid.

Naboj na površini koloidne čestice može biti pozitivan ili negativan, ovisno o tome koje ione čestica privuče na svoju površinu.
Pozitivan površinski naboj nastaje kada čestica privuče više kationa nego aniona. Na primjer, dodatkom Ag+ iona, čestica postaje pozitivno nabijena.
Negativan površinski naboj nastaje kada čestica privuče više aniona nego kationa. Primjer toga je dodatak Cl− iona, gdje površina čestice postaje negativno nabijena.

Ovi naboji na površini koloidnih čestica igraju ključnu ulogu u stabilnosti sustava, jer odbojne sile između jednako nabijenih čestica mogu spriječiti njihovo zgrušavanje i taloženje.

Primjena koloidnih sustava

Adsorpcija

Adsorpcija je proces vezanja atoma, iona ili molekula za površinu neke tvari. To je najčešće ravnotežan proces, opisan reakcijom:

A(aq) ⇌ A(ads).

U ovom kontekstu, adsorbend je tvar koja se veže, dok je adsorbens površina na koju se tvar veže. Adsorpcija se može odvijati na dva načina: kroz kemijske veze (kemisorpcija), što je često nepovratan (ireverzibilan) proces i kroz slabije interakcije (fizisorpcija), što je reverzibilan proces.

Adsorpcija iona na površinu može promijeniti stanje u međupovršinskom sloju, kao i točku nul-naboja, odnosno izoelektričnu točku.

Adsorpcijom aniona, površina postaje negativnija, a izoelektrična točka se pomiče prema nižim pH-vrijednostima.

Adsorpcijom kationa, površina postaje pozitivnija, a izoelektrična točka pomiče se prema višim pH-vrijednostima.

Ove promjene mogu značajno utjecati na svojstva koloidnog sustava i njegovu stabilnost.

Adsorpcija se koristi u različitim industrijama i procesima zbog svoje sposobnosti vezanja molekula na površine čvrstih tvari. Ovaj proces igra ključnu ulogu u pročišćavanju zraka ili plinova (npr. u plinskim maskama ili različitim filtrima, gdje se štetne molekule adsorbiraju na površinu čvrstih tvari) te katalizi (adsorpcija smanjuje energiju aktivacije određenih kemijskih reakcija, čime se povećava brzina reakcije).

Osim toga, adsorpcijom molekula mijenjaju se svojstva površina, što je korisno u raznim primjenama. U farmaciji – kod razvoja lijekova koji djeluju adsorpcijom aktivnih tvari,
u medicini – kod stvaranja biokompatibilnih implantata koji adsorbiraju molekule za bolju interakciju s tkivom, u tekstilnoj industriji – za vezanje boja na tkanine ili proizvodnju nemočivih materijala kroz adsorpciju određenih kemijskih spojeva.

Površinski aktivne tvari

Površinski aktivne tvari, poznate i kao surfaktanti, su specifične tvari koje se vežu za međupovršine i mijenjaju njihova površinska svojstva. Ove molekule imaju amfipatsku strukturu, što znači da su građene od polarnog i nepolarnog dijela. Ova jedinstvena struktura omogućuje im da djeluju kao posrednici na granicama između različitih faza, poput vode i ulja ili zraka i vode.

Kada se površinski aktivne tvari dodaju u vodu, njihove molekule se orijentiraju na međupovršini. Na primjer, kada se surfaktant doda u smjesu ulja i vode, polarni dio molekule surfaktanta okrenut će se prema vodi, dok će nepolarni repovi biti usmjereni prema ulju. Ova orijentacija molekula stvara stabilan sloj koji smanjuje međumolekulske sile na površini.

Kada se dodaju površinski aktivne tvari, kao što su sapuni ili deterdženti, molekuli se nakupljaju na nekoliko važnih međupovršina, uključujući međupovršinu vode i zraka te međupovršinu vode i stijenke čaše.

Ove promjene značajno utječu na površinska svojstva vode. Na primjer, dodavanje surfaktanta smanjuje površinsku napetost vode, što rezultira time da tekućina na podlozi poprima oblik kapljice. Oblik kapljice ovisi o napetosti međupovršina, bilo da se radi o: tekućini/plinu, tekućini/čvrstoj podlozi ili čvrstoj podlozi/plinu.

Dodatkom površinski aktivne tvari, kapljica se na površini širi, što dodatno poboljšava njeno prodiranje i raspršivanje u drugim tekućinama ili na čvrstim površinama. Ovaj fenomen ima brojne primjene, uključujući čišćenje, emulgiranje i stabilizaciju sustava u kemijskoj i prehrambenoj industriji.

Micele su nakupine koje nastaju u otopini kada molekuli površinski aktivnih tvari zauzmu cijelu površinu. Ove nakupine obično imaju oblik sfere s promjerom od 5 do 50 nm. Unutar micele, molekuli površinski aktivnih tvari orijentiraju se tako da nepolarni dijelovi budu okrenuti prema unutrašnjosti micele, dok su polarni dijelovi usmjereni prema vodi. Ova specifična struktura omogućuje micelama da učinkovito uklanjaju nečistoće iz okoline.

Kritična micelizacijska koncentracija (CMC) predstavlja važnu točku u ovom procesu. To je koncentracija površinski aktivne tvari iznad koje počinju nastajati micele. Kada koncentracija surfaktanta u otopini pređe CMC, molekuli počinju formirati micele, čime se povećava njihova sposobnost za uklanjanje nečistoća.

Micele imaju ključnu ulogu u uklanjanju nečistoća iz otopine. U njima se otapaju različite vrste nečistoća, uključujući kapljice ulja te različite nečistoće prisutne u vodi.

Ova sposobnost micele da vezuju i uklanjaju nečistoće čini ih izuzetno korisnim u raznim aplikacijama, osobito u kućanstvu i industriji.

Emulzije i emulgatori

Emulzije su koloidni sustavi koji predstavljaju smjese dviju tekućina koje se ne miješaju, kao što su voda i ulje. Ove smjese su obično nestabilne, što znači da se s vremenom razdvajaju. Kako bi se stabilizirale, u emulzije se dodaju emulgatori.

Emulgatori su sredstva koja stabiliziraju emulzije stvaranjem tankog sloja adsorbiranih molekula na površinama dispergirane faze. Oni su obično amfipatske molekule, što znači da sadrže i polarni i nepolarni dio. Na granici dviju tekućina, polarni dio molekule emulgatora usmjeren je prema polarnoj tekućini (poput vode), dok je nepolarni dio usmjeren prema nepolarnoj tekućini (poput ulja).

Ove molekuli smanjuju površinsku napetost na granici dviju faza, čime se olakšava stabilizacija emulzija. Smanjenje površinske napetosti omogućuje disperziju jedne tekućine unutar druge, stvarajući stabilnu emulziju koja se ne razdvaja.

Emulgatori imaju široku primjenu u različitim industrijama, uključujući:

• proizvodnju lijekova: Gdje pomažu u stvaranju stabilnih farmaceutskih preparata.
• prehrambena industrija: U proizvodima poput majoneze i emulzija, gdje je stabilnost ključna.
• kozmetički proizvodi: Gdje emulgatori omogućuju postizanje željenih svojstava i stabilnosti krema i losiona.

U nestabilnoj emulziji, tekućine se brzo razdvajaju, uzrokujući taloženje dispergirane faze.

U stabilnoj emulziji, emulgatori osiguravaju da se dispergirane kapljice ravnomjerno raspoređuju unutar kontinuirane faze, sprječavajući njihovo razdvajanje i taloženje.

Ovaj proces omogućava stvaranje i očuvanje emulzija u raznim proizvodima koji su sastavni dio svakodnevnog života.

Odvajanje čestica koloidnih sustava

Ultrafiltracija

Ultrafiltracija je filtracija koloidne otopine kroz ultrafiltre (vrlo malih pora).

Elektroforeza

Elektroforeza je proces odvajanja čestica različitih veličina i površinskog naboja pod utjecajem istosmjerne električne struje. Nabijene se koloidne čestice gibaju u električnom polju prema suprotno nabijenoj elektrodi uređaja. Pozitivne čestice gibaju se prema negativnoj elektrodi, a negativne čestice prema pozitivnoj elektrodi.

Brzina putovanja koloidnih čestica u električnom polju ovisi o veličini čestice (veće se čestice kreću sporije), naboju čestice (čestice većeg naboja kreću se brže) te jakosti električnog polja (što je električno polje jače, brzina kretanja je veća).

Izoelektrična točka (engl. isolectric point) jest stanje površine u kojem se čestice ne gibaju u električnom polju. Najčešće se poklapa s točkom nul-naboja, a ovisi o sastavu međupovršine (sastav međupovršine ovisi o pH-vrijednosti i koncentraciji iona u otopini koja okružuje koloidne čestice).

Dijaliza

Dijaliza je postupak odvajanja koloidnih čestica iz suspenzije s pomoću polupropusne membrane. Ioni i manje molekule prolaze difuzijom iz područja veće koncentracije u područje manje koncentracije.

Posebna vrsta dijalize jest hemodijaliza. Ona omogućuje pročišćavanje krvi bolesnicima s akutnim i kroničnim zatajenjem bubrega. Iz krvi se odvajaju tvari niskih molekulskih masa, a ostaju krvne stanice i tvari visokih molekulskih masa. Danas se uglavnom obavlja na aparatima za hemodijalizu kroz celofansku polupropusnu membranu, pri čemu krv teče u jednom smjeru, a izotonižna otopina za dijalizu u suprotnom

Sedimentacija

Sedimentacija jest taloženje čestica dispergirane faze iz nestabilnog koloidnog sustava.