kolloid

Som kolloider (fra gammelgræsk κόλλα kolla " lim " og εἶδος eidos "form, udseende") er partikler eller dråber, der har i dispersionsmediet , dispergeret (fast, gas eller væske). Størrelsen af ​​de enkelte partikler er typisk i nanometer- eller mikrometerområdet . Hvis de er mobile (for eksempel i et flydende dispersionsmedium), viser de brownian bevægelse .

Kolloide suspensioner er af stor betydning i fødevarer og kosmetik industrien og i grundforskning, især i statistisk fysik . Den kolloidkemi er det område af kemien, der beskæftiger sig med deres materialeegenskaber.

Definitioner og former

De fleste kolloider antages at være emulsioner eller suspensioner af væsker eller faste stoffer i en væske. I princippet kan både dispergeringsfasen og dispersionsmediet antage en hvilken som helst af de tre fysiske tilstande, det vil sige et fast stof , en væske eller en gas .   

På grund af deres partikelstørrelse står kolloide opløsninger mellem virkelige opløsninger (molekylært spredt) og suspensioner (groft spredes).

• Pastaer har en høj koncentration af spredningsfasen, så der er ringe eller ingen flydbarhed
• I stedet for individuelle partikler har geler normalt langkædede makromolekyler, som det er tilfældet med gelé eller lim .
• Flydende krystaller er kolloider, der danner ordnede strukturer i en væske.
• Aerosoler er kolloide dispersioner i gasser såsom røg og tåge .

Dispersesystemer med omtrent den samme partikelstørrelse kaldes monodisperse eller isodisperse, dem med forskellige partikelstørrelser som polydisperse. Hvis der kan skelnes klart mellem dispersionsfasen og dispersionsmediet, drejer det sig om "simple kolloider". Hvis de danner sammenflettede netværk uden en klar opgave, er de ”netværkskolloider”.

Størrelsesrækkefølgen af ​​kolloider kan kun relateres til en dimension, så man kan differentiere i strukturen af ​​kolloider. Kaolinit er et eksempel på et meget tyndt lermineral og danner også et kolloidalt system. Dette gælder også for fiberlignende eller netværkslignende strukturer, der har kolloidale dimensioner i to rumlige retninger. Kolloider behøver ikke nødvendigvis at bestå af individuelle partikler. Den nedre grænse på omkring et nanometer er mere slående, da der er en ret ensartet overgang til egenskaberne ved molekylær-spredte systemer.

Begrebet historie og oprindelse

Kolloider blev allerede brugt, når der stadig ikke var noget kendskab til deres systematik. Den videnskabelige diskussion af kolloider er først for nylig blevet registreret, da de tidligere begrænsede tekniske muligheder for en målrettet, reproducerbar produktion af veldefinerede kolloider blev forbedret.

Formerne af kolloidt guld var allerede kendt af alkymisterne, og Pierre Joseph Macquer mistænkte i 1744, at dette kunne være en fin fordeling af guld i en spredning. Selmi udførte sine første empiriske studier i 1845, efterfulgt af Michael Faradays eksperimenter med kolloidt guld i 1856 .

Den britiske fysiker Thomas Graham introducerede det engelske udtryk "kolloid" i 1861, som han stammer fra det græske ord for lim. Han brugte den til at opdele stoffer i “krystalloide” og “kolloide” stoffer baseret på deres diffusionsadfærd gennem porøse membraner. Grahams kriterier var imidlertid ikke effektive. Det, han kaldte kolloidalt, var ikke en kemisk egenskab, men en tilstand af fin fysisk opdeling af visse prøver. Siden begyndelsen af ​​det tyvende århundrede er udtrykket blevet brugt i betydningen af ​​den moderne definition. I 1922 grundlagde Wolfgang Ostwald Colloid Society i Leipzig til pleje og fremme af kolloid videnskab, som stadig eksisterer i dag.

En kinetisk teori for kolloide systemer blev først oprettet af Marian Smoluchowski . Kolloidernes kemi og deres egenskaber blev især undersøgt af Richard Zsigmondy (Nobelprisen 1925) og hans kolleger.

ejendomme

Makroskopisk

En let opalescens i kolloid siliciumdioxid (hydrodynamisk diameter: 92,7 nm).

På grund af deres relativt store grænseflader i forhold til deres volumen spiller effekterne af overfladekemi en særlig rolle for kolloider. Kolloider har normalt også Tyndall-effekten . På grund af lysspredning ved grænsefladerne vises selv dispersioner af gennemsigtige faser mælkefulde eller overskyede ( opalescens kan også forekomme), så længe brydningsindekserne ikke er nøjagtigt de samme.

Mikroskopisk

Følgende interaktioner kan forekomme mellem kolloide partikler.

Hård kugleafvisning

Dette er den enkleste interaktion. Hårde kolloidpartikler kan ikke deformeres eller trænge ind i hinanden, når de kolliderer. Dette virker trivielt, men den "hårde kugle" -model, hvor der ikke er nogen anden interaktion, er et af de vigtigste systemer i statistisk fysik. Det tilknyttede potentiale er uendeligt for afstande, der er mindre end partikeldiameteren og ellers nul.

Elektrostatisk interaktion

Elektrisk ladede kolloidpartikler med samme navn afviser hinanden. Interaktionspotentialet har form . Hvis kolloiderne har forskellige ladninger, danner de et ionisk modelsystem (nogle partikler tiltrækker hinanden, andre afviser hinanden). Ioner til stede i væsken (som i opløste salte) kan mere eller mindre beskytte det elektrostatiske potentiale .${\ displaystyle V \ sim {\ frac {1} {r}}}$

Van der Waals styrker

skyldes blandt andet svingende dipoler. Den Hamaker konstant beskriver Van der Waals vekselvirkning af to makroskopiske legemer. Det følger af Hamakers konstante, at van der Waals-interaktionen minimeres, hvis brydningsindekset for væsken og partiklerne gøres mere ens.${\ displaystyle A}$

Entropisk interaktion

Selv mindre partikler eller polymerkæder, der er i væsken ud over de faktiske kolloider, udøver et effektivt osmotisk tryk og komprimerer kolloiderne. Dette kan tydeligt forstås på en sådan måde, at systemets samlede entropi øges, når de store partikler bevæger sig sammen, da de små partikler derefter har mere plads til rådighed.

Betydning og anvendelser

kemi

Den kolloidkemi undersøger egenskaberne dispergeret kolloide systemer og er et selvstændigt fysisk kemi .

fysik

Kolloidssuspensioner er vigtige modelsystemer for at kontrollere forudsigelser af statistisk termodynamik eller for at simulere atomare faststofprocesser.

• Interaktionerne mellem individuelle kolloidpartikler kan justeres ved at vælge partiklerne, behandle deres overflade og væskens sammensætning. Interaktionens styrke og rækkevidde kan indstilles separat, og således kan forskellige potentielle kurver modelleres. Partiklerne opfører sig som atomer i et metal eller som dem i et ionisk system og danner tilsvarende krystaller. Hvis koncentrationen er tilstrækkelig, forekommer krystallisation selv med ikke-interagerende partikler (“hårde kugler”), som paradoksalt nok har entropiske årsager.
• Kolloider er ca. 1000 til 10.000 gange større end atomer. Derfor er de meget lettere at observere og med meget mindre eksperimentel indsats ( dynamisk lysspredning eller konfokal mikroskopi ).
• Deres bevægelse er betydeligt langsommere end atomer. Dette muliggør observation af processer som krystallisation , som finder sted for hurtigt i atomsystemer.

procesteknologi

Kolloid-spredte systemer har en ekstremt stor grænseflade på grund af den fine fordeling af den ene fase i den anden i forhold til deres volumen. Dette bruges overalt, hvor interface-effekter er vigtige, f.eks. I tørreteknologi, eller når to ublandbare væsker reagerer.

Jordvidenskab

I jordvidenskab udvides størrelsesområdet for kolloider til to mikrometer . Denne klassificering inkluderer den jordvidenskabeligt relevante lerfraktion , da jordpartikler med en diameter på op til 2 um har kolloide egenskaber. Dette skyldes blandt andet lerpartiklers bladformede vane . I dette tilfælde er egenskaber, der opstår på grund af massen af ​​partiklerne, mindre end egenskaberne for det store specifikke overfladeareal .

medicin

Ved infusionsterapi anvendes kolloidale infusionsopløsninger , som stabiliserer eller øger volumenet i blodkarrene . De indeholder kolloide makromolekyler såsom kulhydrater ( hydroxyethylstivelse , dextrans ) eller proteiner ( gelatine eller humant albumin ).

Se også

• Kolloidosom
• Colluvium
• Sol-gel-proces
• Klynge (fysik)

litteratur

• Wolfgang Ostwald : En verden af ​​forsømte dimensioner. Verlag Theodor Steinkopff , Dresden / Leipzig 1914, OCLC 14782110 .
• Thilo Hoffmann: Kolloider: Verden af ​​forsømte dimensioner. I: Kemi i vores tid. 38, nr. 1, 2004, s. 24-35, doi: 10.1002 / ciuz.200400294 .
• Douglas H. Everett: Fundamentals of Colloid Science. Steinkopff, Darmstadt 1992, ISBN 3-7985-0871-2 .
• JC Daniel, R. Audebert: Små bind og store overflader: Kolloidernes verden. I: M. Daoud, CE Williams (red.): Soft Matter Physics. Springer, Berlin / Heidelberg 1999, ISBN 3-540-64852-6 .
• Jacob N. Israelachvili: Intermolecular and Surface Forces, tredje udgave. Academic Press, Oxford 2011, ISBN 978-0-12-375182-9 .
• Drew Myers: Surfaces, Interfaces, and Colloids, Anden udgave. Wiley-VCH, New York 1999, ISBN 0-471-33060-4 .

Individuelle beviser

1. ↑ M. Daoud, CE Williams (red.): Soft Matter Physics. Springer, Berlin og Heidelberg 1999, ISBN 3-540-64852-6 .
2. Ün Günter Jakob Lauth, Jürgen Kowalczyk: Introduktion til fysik og kemi af grænseflader og kolloider . Springer, Berlin, Heidelberg, ISBN 978-3-662-47017-6 , pp. 354 f ., doi : 10.1007 / 978-3-662-47018-3_10 . 
3. ↑ V. Prasad, D. Semwogerere, E. Weeks: Konfokal mikroskopi af kolloider. I: Journal of Physics: Condensed Matter. Bind 19, 2007, s. 113102, doi: 10.1088 / 0953-8984 / 19/11/113102 (PDF) .