Back to chapter

12.13:

קולואידים

JoVE Core
Chemistry
A subscription to JoVE is required to view this content.  Sign in or start your free trial.
JoVE Core Chemistry
Colloids

Languages

Share

כשמוסיפים מלח למים, הוא מתמוסס ויוצר תמיסה. לעומת זאת, כשמוסיפים חול למים ומערבבים, חלקיקי החול מתפזרים ברחבי הנוזל, יוצרים תרחיף ולבסוף שוקעים בתחתית. אך כשמוסיפים קמח למים, המים נהיים עכורים.הסיבה לכך היא שקמח ומים יוצרים פיזור קולואידי או קולואיד. קולואיד הוא תערובת שבה חלקיקים של חומר דמוי מומס מפוזר בעדינות במדיום דמוי ממס. החלקיקים המפוזרים ומדיום הפיזור יכולים להיות כל שילוב של מוצק ונוזל, כגון אופל, נוזל ונוזל, כגון חלב, נוזל וגז, כגון קצפת, ורק אינו יכול להיות גז וגז.לקולואיד תכונות ביניים בין תרחיף ותמיסה. קולואידים הם תערובות הטרוגניות, כמו תרחיפים, בניגוד לתמיסות, שהן הומוגניות. חלקיקים קולואידים, שגודלם 5 עד 1, 000 ננומטר, הם גדולים הרבה יותר מהמולקולות של מומס רגיל, שגודלן כ-1 ננומטר או פחות, וקטנים יותר מחלקיקי תרחיף, שגודלם 10, 000 ננומטר ויותר.קרן לייזר העוברת דרך תמיסה היא בלתי נראית, אך ניתן בקלות לראות אותה בפיזור קולואידי. הסיבה לכך היא שחלקיקי הקולואיד גדולים מספיק כדי לפזר את האור ואילו חלקיקי מומס קטנים מכדי לעשות זאת. פיזור זה של אור על ידי חלקיקים קולואידיים נקרא אפקט טינדל.חלקיקים קולואידיים יכולים להישאר מפוזרים באופן יציב בכל המדיום באמצעות התנגשות עם מולקולות אחרות, והם נעים ללא הרף במסלול אקראי. תנועה זו נקראת תנועה בראונית. אם תרחיף, תמיסה וקולואיד עוברים בצנטריפוגה, רק התרחיף נפרד.קולואידים על בסיס מים יכולים להיות הידרופיליים, אוהבי מים, או הידרופוביים, שונאי ממים. לדוגמה, כשאגר, תמצית אצות, מתווספת למים חמים, נוצר קולואיד הידרופילי. קולואידים הידרופוביים, כגון שמן וחומץ, אינם יציבים במים ונוטים להיפרד.פיזורים קולואידיים כאלה יכולים להיות מיוצבים באמצעות תוספת של חומרים אחרים שמתחברים לפני השטח של החלקיקים הקולואידיים. תוספים אלה יכולים להיות יונים שדוחים יונים אחרים בחלקיקים קולואידיים שכנים כדי להישאר מפוזרים. תוספים אחרים יכולים לכסות את פני השטח של החלקיקים הקולואידיים עם קבוצות הידרופיליות.לדוגמה, בנתרן סטארטי, סוג של סבון, יש יון נתרן לצד ראש קוטבי וזנב לא קוטבי של חומצה שומנית. במים, מולקולות הסבון נצברות בספירות כך שהזנב ההידרופובי שלהן מצביע פנימה בעוד שהראשים ההידרופיליים הטעונים שלהם נמצאים בחוץ. מבנים ספריים אלה נקראים מיצלות.הזנבות ההידרופוביים לוכדים את השמן הלא קוטבי בתוך המיצלות בזמן שמתקיימות אינטראקציות הידרופיליות חיצוניות עם המים. זה מסביר את התופעה הנצפית כששוטפים סבון במים ומוסר ממנו שמן.

12.13:

קולואידים

Children at play often make suspensions such as mixtures of mud and water, flour and water, or a suspension of solid pigments in water known as tempera paint. These suspensions are heterogeneous mixtures composed of relatively large particles that are visible to the naked eye or can be seen with a magnifying glass. They are cloudy, and the suspended particles settle out after mixing. On the other hand, a solution is a homogeneous mixture in which no settling occurs and in which the dissolved species are molecules or ions. Solutions exhibit completely different behavior from suspensions. A solution may be colored, but it is transparent, the molecules or ions are invisible, and they do not settle out on standing. Another class of mixtures called colloids (or colloidal dispersions) exhibit properties intermediate between those of suspensions and solutions. The particles in a colloid are larger than most simple molecules; however, colloidal particles are small enough that they do not settle out upon standing.

Preparation of Colloidal Systems

Colloids are prepared by producing particles of colloidal dimensions and distributing these particles throughout a dispersion medium. Particles of colloidal size are formed by two methods:

• Dispersion methods: breaking down larger particles. For example, paint pigments are produced by dispersing large particles by grinding in special mills.
• Condensation methods: growth from smaller units, such as molecules or ions. For example, clouds form when water molecules condense and form very small droplets.

A few solid substances, when brought into contact with water, disperse spontaneously and form colloidal systems. Gelatin, glue, starch, and dehydrated milk powder behave in this manner. The particles are already of colloidal size; the water simply disperses them. Powdered milk particles of colloidal size are produced by dehydrating milk spray. Some atomizers produce colloidal dispersions of a liquid in air.

An emulsion may be prepared by shaking together or blending two immiscible liquids. This breaks one liquid into droplets of colloidal size, which then disperse throughout the other liquid. Oil spills in the ocean may be difficult to clean up, partly because wave action can cause the oil and water to form an emulsion. In many emulsions, however, the dispersed phase tends to coalesce, form large drops, and separate. Therefore, emulsions are usually stabilized by an emulsifying agent, a substance that inhibits the coalescence of the dispersed liquid. For example, a little soap will stabilize an emulsion of kerosene in water. Milk is an emulsion of butterfat in water, with the protein casein serving as the emulsifying agent. Mayonnaise is an emulsion of oil in vinegar, with egg yolk components as the emulsifying agents.

Condensation methods form colloidal particles by aggregation of molecules or ions. If the particles grow beyond the colloidal size range, drops or precipitates form, and no colloidal system results. Clouds form when water molecules aggregate and form colloid-sized particles. If these water particles coalesce to form adequately large water drops of liquid water or crystals of solid water, they settle from the sky as rain, sleet, or snow. Many condensation methods involve chemical reactions. A red colloidal suspension of iron(III) hydroxide may be prepared by mixing a concentrated solution of iron(III) chloride with hot water:

 Eq1

A colloidal gold sol results from the reduction of a very dilute solution of gold(III) chloride by a reducing agent such as formaldehyde, tin(II) chloride, or iron(II) sulfate:

 Eq2

Some gold sols prepared in 1857 are still intact (the particles have not coalesced and settled), illustrating the long-term stability of many colloids.

Soaps and Detergents

Pioneers made soap by boiling fats with a strongly basic solution made by leaching potassium carbonate, K2CO3, from wood ashes with hot water. Animal fats contain polyesters of fatty acids (long-chain carboxylic acids). When animal fats are treated with a base like potassium carbonate or sodium hydroxide, glycerol and salts of fatty acids such as palmitic, oleic, and stearic acid are formed. The salts of fatty acids are called soaps. The sodium salt of stearic acid, sodium stearate, contains an uncharged nonpolar hydrocarbon chain, the C17H35 unit, and an ionic carboxylate group, the COO unit.

The cleaning action of soaps and detergents can be explained in terms of the structures of the molecules involved. The hydrocarbon (nonpolar) end of a soap or detergent molecule dissolves in or is attracted to nonpolar substances, such as oil, grease, or dirt particles. The ionic end is attracted by water (polar). As a result, the soap or detergent molecules become oriented at the interface between the dirt particles and the water, so they act as a kind of bridge between two different kinds of matter, nonpolar and polar. Molecules such as this are termed amphiphilic since they have both a hydrophobic (“water-fearing”) part and a hydrophilic (“water-loving”) part. As a consequence, dirt particles become suspended as colloidal particles and are readily washed away.

This text is adapted from Openstax, Chemistry 2e, Section 11.5: Colloids.

Suggested Reading

  1. Riley, John T. "Appetizing colloids." Journal of Chemical Education 57, no. 2 (1980): 153.
  2. Friberg, Stig E., and Beverly Bendiksen. "A simple experiment illustrating the structure of association colloids." Journal of Chemical Education 56, no. 8 (1979): 553.
  3. Liang, Fuxin, Bing Liu, Zheng Cao, and Zhenzhong Yang. "Janus colloids toward interfacial engineering." Langmuir 34, no. 14 (2017): 4123-4131.
  4. Hansen, Robert S., and C. A. Smolders. "Colloid and surface chemistry in the mainstream of modern chemistry." (1962): 167.