коллоид

В виде коллоидов (от древнегреческого κόλλα kolla « клей » и εἶδος eidos «форма, внешний вид») частицы или капли, которые находятся в дисперсионной среде, являются диспергированными (твердыми, газообразными или жидкими). Размер отдельных частиц обычно находится в нанометровом или микрометровом диапазоне. Если они подвижны (например, в жидкой дисперсионной среде), они демонстрируют броуновское движение .

Коллоидные суспензии имеют большое значение в пищевой и косметической промышленности, а также в фундаментальных исследованиях, особенно в статистической физике . Коллоидная химия является областью химии , которая имеет дело с их материальными свойствами.

Определения и формы

Предполагается, что большинство коллоидов представляют собой эмульсии или суспензии жидкостей или твердых веществ в жидкости. В принципе, как дисперсная фаза, так и дисперсионная среда могут принимать любое из трех физических состояний, то есть твердое , жидкое или газообразное .   

Коллоидные растворы из-за размера частиц находятся между реальными растворами (молекулярно-дисперсными) и суспензиями (примерно дисперсными).

• Пасты имеют высокую концентрацию дисперсной фазы, поэтому текучесть низкая или отсутствует
• Вместо отдельных частиц гели обычно имеют длинноцепочечные макромолекулы, как в случае с желе или клеем .
• Жидкие кристаллы - это коллоиды, которые образуют в жидкости упорядоченные структуры.
• Аэрозоли - это коллоидные дисперсии газов, таких как дым и туман .

Дисперсные системы с примерно одинаковым размером частиц называют монодисперсными или изодисперсными, а с разными размерами частиц - полидисперсными. Если дисперсную фазу и дисперсионную среду можно четко различить, то речь идет о «простых коллоидах». Если они образуют переплетенные сети без четкого назначения, они являются «сетевыми коллоидами».

Порядок величины коллоидов может относиться только к одному измерению, так что можно различать структуру коллоидов. Каолинит является примером глинистого минерала с очень тонкими пластинами и также образует коллоидную систему. Это также относится к волокнистым или сетчатым структурам, имеющим коллоидные размеры в двух пространственных направлениях. Коллоиды не обязательно должны состоять из отдельных частиц. Нижний предел около одного нанометра более поразителен, поскольку имеет место довольно однородный переход к свойствам молекулярно-дисперсных систем.

История и происхождение термина

Коллоиды уже использовались, когда еще не было знаний об их систематике. Научное обсуждение коллоидов было зарегистрировано только недавно, когда улучшились ранее ограниченные технические возможности целевого воспроизводимого производства четко определенных коллоидов.

Формы коллоидного золота были уже известны алхимикам, и Пьер Жозеф Маккер подозревал в 1744 году, что это могло быть тонкое распределение золота в дисперсии. Селми провел свои первые эмпирические исследования в 1845 году, за ними последовали эксперименты Майкла Фарадея с коллоидным золотом в 1856 году .

Британский физик Томас Грэм ввел английский термин «коллоид» в 1861 году, который он получил от греческого слова «клей». Он использовал это, чтобы разделить вещества на «кристаллоидные» и «коллоидные» вещества на основе их поведения при диффузии через пористые мембраны. Однако критерии Грэма оказались неэффективными. То, что он называл коллоидным, было не химическим свойством, а состоянием тонкого физического разделения определенных образцов. С начала двадцатого века этот термин использовался в смысле современного определения. В 1922 году Вольфганг Оствальд основал Коллоидное общество в Лейпциге для поддержки и развития коллоидной науки, которая существует до сих пор.

Кинетическая теория коллоидных систем была впервые создана Марианом Смолуховским . Химия коллоидов и их свойства были особенно изучены Ричардом Зигмонди (Нобелевская премия 1925 г.) и его коллегами.

характеристики

Макроскопически

Небольшая опалесценция коллоидного диоксида кремния (гидродинамический диаметр: 92,7 нм).

Из-за их относительно больших границ раздела по сравнению с их объемом эффекты химии поверхности играют особую роль для коллоидов. Коллоиды также обычно обладают эффектом Тиндаля . Из-за рассеяния света на границах раздела даже дисперсии прозрачных фаз кажутся молочными или мутными (также может возникать опалесценция ), если показатели преломления не совсем совпадают.

Микроскопический

Между коллоидными частицами могут происходить следующие взаимодействия.

Отталкивание твердой пули

Это простейшее взаимодействие. Твердые коллоидные частицы не могут деформироваться или проникать друг в друга при столкновении. Это кажется тривиальным, но модель «твердого шара», в которой нет другого взаимодействия, является одной из важнейших систем статистической физики. Соответствующий потенциал бесконечен для расстояний, меньших диаметра частицы, и равен нулю в противном случае.

Электростатическое взаимодействие

Одноименные электрически заряженные коллоидные частицы отталкиваются друг от друга. Потенциал взаимодействия имеет вид . Если коллоиды имеют разные заряды, они образуют ионную модельную систему (одни частицы притягиваются друг к другу, другие отталкиваются). Ионы, присутствующие в жидкости (как и в растворенных солях), могут более или менее экранировать электростатический потенциал .${\ displaystyle V \ sim {\ frac {1} {r}}}$

Силы Ван-дер-Ваальса

вызваны, среди прочего, колеблющимися диполями. Постоянная Гамакера описывает Ван-дер-Ваальсово взаимодействие двух макроскопических тел. Из постоянной Гамакера следует, что взаимодействие Ван-дер-Ваальса минимизируется, если показатели преломления жидкости и частиц сделать более похожими.${\ displaystyle A}$

Энтропийное взаимодействие

Даже более мелкие частицы или полимерные цепи, которые находятся в жидкости в дополнение к реальным коллоидам, оказывают эффективное осмотическое давление и сжимают коллоиды. Это можно ясно понять так, что полная энтропия системы увеличивается, когда большие частицы движутся вместе, поскольку тогда у маленьких частиц остается больше свободного места.

Важность и использование

химия

Коллоидная химия анализирует характеристика диспергирует коллоидные системы и является независимым полем физической химии .

физика

Коллоидные суспензии являются важными модельными системами для проверки предсказаний статистической термодинамики или для моделирования атомных твердотельных процессов.

• Взаимодействие между отдельными коллоидными частицами можно регулировать путем выбора частиц, обработки их поверхности и состава жидкости. Сила и диапазон взаимодействия могут быть установлены отдельно и, таким образом, могут быть смоделированы различные потенциальные кривые . Частицы ведут себя как атомы металла или как частицы ионной системы и образуют соответствующие кристаллы. Если концентрация достаточна, кристаллизация происходит даже с невзаимодействующими частицами («твердыми сферами»), что парадоксальным образом имеет энтропийные причины.
• Коллоиды примерно в 1000–10 000 раз больше атомов. Следовательно, их намного проще наблюдать и требовать гораздо меньше экспериментальных усилий ( динамическое рассеяние света или конфокальная микроскопия ).
• Их движение значительно медленнее, чем у атомов. Это позволяет наблюдать такие процессы, как кристаллизация , которые происходят слишком быстро в атомных системах.

технологический процесс

Коллоидно-дисперсные системы имеют чрезвычайно большую границу раздела из-за тонкого распределения одной фазы в другой по отношению к их объему. Это используется там, где важны межфазные эффекты, например, в технологии сушки или когда две несмешивающиеся жидкости вступают в реакцию.

Почвоведение

В почвоведении диапазон размеров коллоидов расширен до двух микрометров . В эту классификацию входит и глинистая фракция , имеющая отношение к почвенным наукам , поскольку частицы почвы диаметром до 2 мкм обладают коллоидными свойствами. Это связанно, помимо прочего, к листовидной привычке глинистых частиц. В этом случае свойства, возникающие из-за массы частиц, меньше, чем свойства большой удельной поверхности .

медицина

В инфузионной терапии используются коллоидные инфузионные растворы , которые стабилизируют или увеличивают объем кровеносных сосудов . Они содержат коллоидные макромолекулы, такие как углеводы ( гидроксиэтилкрахмал , декстраны ) или белки ( желатин или человеческий альбумин ).

Смотри тоже

• Коллоидосома
• Коллювий
• Золь-гель процесс
• Кластер (физика)

литература

• Вольфганг Оствальд : Мир забытых измерений. Verlag Theodor Steinkopff , Дрезден / Лейпциг 1914, OCLC 14782110 .
• Тило Хоффманн: Коллоиды: мир забытых измерений. В кн . : Химия в наше время. 38, № 1, 2004 г., стр. 24-35, DOI: 10.1002 / ciuz.200400294 .
• Дуглас Х. Эверетт: основы коллоидной науки. Steinkopff, Дармштадт 1992, ISBN 3-7985-0871-2 .
• JC Daniel, R. Audebert: Малые объемы и большие поверхности: мир коллоидов. В: М. Дауд, CE Вильямс (ред.): Физика мягкого вещества. Springer, Berlin / Heidelberg 1999, ISBN 3-540-64852-6 .
• Яков Н. Исраэлашвили: Межмолекулярные и поверхностные силы, третье издание. Academic Press, Oxford 2011, ISBN 978-0-12-375182-9 .
• Дрю Майерс: поверхности, интерфейсы и коллоиды, второе издание. Wiley-VCH, Нью-Йорк 1999, ISBN 0-471-33060-4 .

Индивидуальные доказательства

1. ↑ М. Дауд, CE Вильямс (ред.): Физика мягкого вещества. Springer, Берлин и Гейдельберг, 1999 г., ISBN 3-540-64852-6 .
2. ↑ Гюнтер Якоб Лаут, Юрген Ковальчик: Введение в физику и химию границ раздела и коллоидов . Springer, Берлин, Гейдельберг, ISBN 978-3-662-47017-6 , стр. 354 ф ., DOI : 10.1007 / 978-3-662-47018-3_10 . 
3. ↑ В. Прасад, Д. Семвогерер, Э. Уикс: Конфокальная микроскопия коллоидов. В: Журнал физики: конденсированное вещество. Том 19, 2007 г., стр. 113102, DOI : 10.1088 / 0953-8984 / 19/11/113102 (PDF) .