سیستم های کلوئیدی در زندگی هر فردی بسیار مهم هستند. این نه تنها به این دلیل است که تقریباً تمام مایعات بیولوژیکی موجود در یک موجود زنده کلوئید تشکیل می دهند. اما بسیاری از پدیده های طبیعی (مه، دود)، خاک، مواد معدنی، غذا، داروها نیز سیستم های کلوئیدی هستند.
واحد چنین تشکیلاتی که منعکس کننده ترکیب و خواص ویژه آنهاست، یک ماکرومولکول یا میسل در نظر گرفته می شود. ساختار دومی به عوامل مختلفی بستگی دارد، اما همیشه یک ذره چند لایه است. نظریه جنبشی مولکولی مدرن محلول های کلوئیدی را به عنوان یک مورد خاص از محلول های واقعی، با ذرات بزرگتر از املاح در نظر می گیرد.
روشهای بدست آوردن محلولهای کلوئیدی
ساختار یک میسل که هنگام ظاهر شدن یک سیستم کلوئیدی تشکیل می شود، تا حدی به مکانیسم این فرآیند بستگی دارد. روش های بدست آوردن کلوئیدها به دو گروه اساساً متفاوت تقسیم می شوند.
روش های پراکندگی با آسیاب کردن ذرات نسبتاً بزرگ همراه است. بسته به مکانیسم این فرآیند، روشهای زیر متمایز می‌شوند.
- پالایش. می توان خشک یاراه مرطوب در حالت اول، ابتدا جامد خرد می شود و تنها پس از آن مایع اضافه می شود. در حالت دوم، ماده با یک مایع مخلوط می شود و تنها پس از آن به یک مخلوط همگن تبدیل می شود. آسیاب در آسیاب های ویژه انجام می شود.
- تورم. سنگ زنی به این دلیل حاصل می شود که ذرات حلال به فاز پراکنده نفوذ می کنند که با انبساط ذرات آن تا جداسازی همراه است.
- پراکندگی با سونوگرافی. موادی که قرار است آسیاب شوند در یک مایع قرار داده شده و تحت فراصوت قرار می گیرند.
- پراکندگی شوک الکتریکی. مورد تقاضا در تولید نمک های فلزی. این کار با قرار دادن الکترودهای ساخته شده از یک فلز قابل پخش در یک مایع و سپس اعمال ولتاژ بالا به آنها انجام می شود. در نتیجه، یک قوس ولتایی تشکیل می‌شود که در آن فلز پاشیده می‌شود و سپس به یک محلول متراکم می‌شود.
این روش ها هم برای ذرات کلوئیدی لیوفیلیک و هم برای ذرات لیوفوبیک مناسب هستند. ساختار میسل به طور همزمان با تخریب ساختار اصلی جامد انجام می شود.
روشهای تراکم
گروه دوم از روش های مبتنی بر بزرگ شدن ذرات، تراکم نامیده می شود. این فرآیند می تواند بر اساس پدیده های فیزیکی یا شیمیایی باشد. روش های تراکم فیزیکی شامل موارد زیر است.
- جایگزینی حلال. این به انتقال یک ماده از یک حلال، که در آن بسیار خوب حل می شود، به حلال دیگر، که در آن حلالیت بسیار کمتر است، منتهی می شود. در نتیجه ذرات کوچکبه دانه های بزرگتر ترکیب می شود و یک محلول کلوئیدی ظاهر می شود.
- تراکم بخار. به عنوان مثال می توان به مه اشاره کرد که ذرات آن می توانند روی سطوح سرد بنشینند و به تدریج بزرگتر شوند.
روش های تراکم شیمیایی شامل برخی واکنش های شیمیایی همراه با رسوب ساختار پیچیده است:
- تبادل یون: NaCl + AgNO3=AgCl↓ + NaNO3.
- فرآیندهای ردوکس: 2H2S + O2=2S↓ + 2H2O.
- هیدرولیز: Al2S3 + 6H2O=2Al(OH) 3↓ + 3H2S.
شرایط تراکم شیمیایی
ساختار میسل‌هایی که در طی این واکنش‌های شیمیایی به وجود می‌آیند به مقدار زیاد یا کمبود مواد درگیر در آنها بستگی دارد. همچنین برای پیدایش محلول های کلوئیدی، رعایت تعدادی از شرایط که از رسوب یک ترکیب کم محلول جلوگیری می کند ضروری است:
- محتوای مواد در محلول های مخلوط باید کم باشد؛
- سرعت اختلاط آنها باید کم باشد؛
- یکی از محلول ها باید بیش از حد مصرف شود.
ساختار میسل
بخش اصلی میسل هسته است. این توسط تعداد زیادی اتم، یون و مولکول یک ترکیب نامحلول تشکیل می شود. معمولاً هسته با ساختار کریستالی مشخص می شود. سطح هسته دارای ذخیره ای از انرژی آزاد است که امکان جذب انتخابی یون ها از محیط را فراهم می کند. این فرآینداز قانون پسکوف پیروی می کند که می گوید: روی سطح یک جامد، آن یون هایی عمدتاً جذب می شوند که قادر به تکمیل شبکه کریستالی خود هستند. اگر این یون ها از نظر ماهیت و شکل (اندازه) به هم مرتبط یا مشابه باشند، این امکان وجود دارد.
در طول جذب، لایه ای از یون های دارای بار مثبت یا منفی، به نام یون های تعیین کننده پتانسیل، روی هسته میسل تشکیل می شود. به دلیل نیروهای الکترواستاتیک، سنگدانه باردار حاصله یون های متضاد (یون هایی با بار مخالف) را از محلول جذب می کند. بنابراین، یک ذره کلوئیدی ساختاری چند لایه دارد. میسل یک لایه دی الکتریک ایجاد می کند که از دو نوع یون با بار مخالف ساخته شده است.
Hydrosol BaSO4
به عنوان مثال، در نظر گرفتن ساختار یک میسل سولفات باریم در محلول کلوئیدی تهیه شده در مقدار کلرید باریم بسیار راحت است. این فرآیند با معادله واکنش مطابقت دارد:
BaCl2(p) + Na2SO4(p)=BaSO 4(t) + ۲ NaCl(p).
سولفات باریم که کمی در آب حل می شود، یک دانه ریز کریستالی تشکیل می دهد که از تعداد m-امین مولکول BaSO4 ساخته شده است. سطح این سنگدانه مقدار n-امین یون Ba2+ را جذب می کند. 2(n - x) یون های Cl- به لایه یون های تعیین کننده پتانسیل متصل هستند. و بقیه یون های ضد (2x) در لایه منتشر قرار دارند. یعنی گرانول این میسل دارای بار مثبت خواهد بود.
اگر سولفات سدیم بیش از حد مصرف شود، پسیون‌های تعیین‌کننده پتانسیل SO42- یون خواهند بود، و یونهای متقابل Na+ خواهند بود. در این صورت بار گرانول منفی خواهد بود.
این مثال به وضوح نشان می دهد که علامت بار گرانول میسل مستقیماً به شرایط آماده سازی آن بستگی دارد.
ضبط میسل
مثال قبلی نشان داد که ساختار شیمیایی میسل ها و فرمولی که آن را منعکس می کند توسط ماده ای که بیش از حد مصرف می شود تعیین می شود. اجازه دهید روش های نوشتن نام بخش های جداگانه یک ذره کلوئیدی را با استفاده از مثال هیدروسول سولفید مس در نظر بگیریم. برای تهیه آن، محلول سولفید سدیم به آرامی در مقدار اضافی محلول کلرید مس ریخته می شود:
CuCl2 + Na2S=CuS↓ + 2NaCl.
ساختار یک میسل CuS به دست آمده بیش از CuCl2 به صورت زیر نوشته می شود:
{[mCuS]·nCu2+·xCl-}+(2n-x)·(2n-x)Cl-.
قطعات ساختاری یک ذره کلوئیدی
در پرانتز فرمول یک ترکیب کم محلول را بنویسید که اساس کل ذره است. معمولاً به آن سنگدانه می گویند. معمولاً تعداد مولکول هایی که سنگدانه را تشکیل می دهند با حرف لاتین m نوشته می شود.
یونهای تعیین کننده پتانسیل به مقدار زیاد در محلول موجود هستند. آنها روی سطح سنگدانه قرار دارند و در فرمول بلافاصله بعد از براکت نوشته می شوند. تعداد این یون ها با علامت n نشان داده می شود. نام این یون ها نشان می دهد که بار آنها تعیین کننده بار گرانول میسل است.
یک گرانول از یک هسته و یک قسمت تشکیل می شودضدیون ها در لایه جذب مقدار بار گرانول برابر با مجموع بارهای ضدیونهای تعیین کننده پتانسیل و جذب شده است: +(2n – x). قسمت باقیمانده از یونهای ضد در لایه منتشر است و بار گرانول را جبران می کند.
اگر Na2S بیش از حد گرفته شود، برای میسل کلوئیدی تشکیل شده، طرح ساختاری به این صورت خواهد بود:
{[m(CuS)]∙nS2–∙xNa+}-(2n - x) ∙(2n – x)Na+.
میسل سورفکتانت
در صورتی که غلظت مواد فعال سطحی (سورفکتانت ها) در آب خیلی زیاد باشد، ممکن است توده هایی از مولکول ها (یا یون های) آنها شروع به تشکیل دهند. این ذرات بزرگ شده شکل کروی دارند و میسل های گارتلی-ریبیندر نامیده می شوند. لازم به ذکر است که همه سورفکتانت ها این توانایی را ندارند، بلکه فقط آنهایی که نسبت قسمت های آبگریز و آبدوست در آنها بهینه است. این نسبت تعادل آبدوست-لیپوفیل نامیده می شود. توانایی گروه های قطبی آنها برای محافظت از هسته هیدروکربنی در برابر آب نیز نقش مهمی ایفا می کند.
توده های مولکول های سورفکتانت بر اساس قوانین خاصی تشکیل می شوند:
- برخلاف مواد کم مولکولی، که تجمع آنها ممکن است شامل تعداد متفاوتی از مولکول‌های m باشد، وجود میسلهای سورفکتانت با تعداد دقیق مولکول‌های مشخصی امکان‌پذیر است؛
- اگر برای مواد معدنی شروع میسل شدن با حد حلالیت تعیین می شود، سپس برای سورفکتانت های آلی با دستیابی به غلظت های بحرانی میسل سازی تعیین می شود؛
- ابتدا تعداد میسل ها در محلول افزایش می یابد و سپس اندازه آنها افزایش می یابد.
تاثیر غلظت بر شکل میسل
ساختار میسلهای سورفکتانت تحت تأثیر غلظت آنها در محلول است. ذرات کلوئیدی پس از رسیدن به برخی از مقادیر خود، شروع به تعامل با یکدیگر می کنند. این باعث می شود شکل آنها به صورت زیر تغییر کند:
- کره به یک بیضی و سپس به یک استوانه تبدیل می شود؛
- غلظت بالای سیلندرها منجر به تشکیل فاز شش ضلعی می شود؛
- در برخی موارد، یک فاز لایه ای و یک کریستال جامد (ذرات صابون) ظاهر می شود.
انواع میسل
سه نوع سیستم کلوئیدی با توجه به ویژگی های سازماندهی ساختار داخلی متمایز می شوند: سوسپنسوئیدها، کلوئیدهای میسلی، کلوئیدهای مولکولی.
سوسپنسوئیدها می توانند کلوئیدهای برگشت ناپذیر و همچنین کلوئیدهای لیوفوبیک باشند. این ساختار برای محلول های فلزات و همچنین ترکیبات آنها (اکسیدها و نمک های مختلف) معمول است. ساختار فاز پراکنده تشکیل شده توسط سوسپنسوئیدها با ساختار یک ماده فشرده تفاوتی ندارد. دارای شبکه کریستالی مولکولی یا یونی است. تفاوت با سیستم تعلیق پراکندگی بالاتر است. برگشت ناپذیری در توانایی محلول های آنها پس از تبخیر برای تشکیل یک رسوب خشک آشکار می شود که با انحلال ساده نمی توان آن را به سل تبدیل کرد. آنها به دلیل برهمکنش ضعیف بین فاز پراکنده و محیط پراکندگی، لیوفوبیک نامیده می شوند.
کلوئیدهای میسلی محلولی هستند که ذرات کلوئیدی آنها تشکیل شده است.هنگام چسباندن مولکول های دودوست حاوی گروه های قطبی اتم ها و رادیکال های غیر قطبی. به عنوان مثال صابون ها و سورفکتانت ها هستند. مولکول ها در چنین میسل هایی توسط نیروهای پراکندگی نگه داشته می شوند. شکل این کلوئیدها می تواند نه تنها کروی، بلکه لایه ای باشد.
کلوئیدهای مولکولی بدون تثبیت کننده ها کاملاً پایدار هستند. واحدهای ساختاری آنها ماکرومولکول های منفرد هستند. شکل یک ذره کلوئیدی می تواند بسته به خواص مولکول و برهمکنش های درون مولکولی متفاوت باشد. بنابراین یک مولکول خطی می تواند یک میله یا یک سیم پیچ تشکیل دهد.
