Chapter 12: Solutions and Colloids

Back to chapter

12.13:

الغرويات

JoVE Core
Chimie

Un abonnement à JoVE est nécessaire pour voir ce contenu. Connectez-vous ou commencez votre essai gratuit.

JoVE Core Chimie

Colloids

Vidéo précédente
12.12: Electrolytes: van’t Hoff Factor

Langues

Diviser

English العربية 中文 Nederlands français Deutsch עברית italiano 日本語 한국어 português русский español Türkçe

عند إضافة الملح للماء،يذوب ليشكل محلولاًوعلى العكس من ذلك،عند إضافة الرمل للماء وتحريكه،تنتشر جسيمات الرمل داخل السائل لتشكل مستعلقًا،وأخيرًا تستقر في القاع. غير أنه عند إضافة الطحين للماء،يصبح الماء ضبابي. يحدث هذا لأن الطحين والماء يشكلان محلول غرواني أو مادة غروية.المادة الغروية،هي مزيج فيه جسيمات مادة تشبه المذاب تتفرق بدقة داخل وسيط يشبه المذيب. يمكن للجسيمات المتفرقة و الوسيط المفرّق أن يكونا أي مزيج من مادة صلبة وأخرى سائلة مثل سائل الأوبال؛أو مزيج من سائلين كالحليب؛أو سائل وغاز،كالكريم المخفوق؛لكن لا يمكن أن يكون المزيج بين غازين. خواصّالمادة الغروية هي متوسط ما بين المستعلقات والمحاليل.المادة الغروية هي مخاليط غير متجانسة،مثل المستعلقات،على عكس المحاليل التي هي متجانسة. بحجم 5 إلى 1000 نانومتر،تكون جسيمات المادة الغروية،أكبر بكثير من جزيئات المذاب العادية،التي تكون قرابة نانومتر واحد أو أقل،وتكون أصغر من الجسيمات المستعلقة التي تصل 10, 000 نانومتر أو أكثر. شعاع الليزر إذا مر عبر محلول يكون غير مرئي،لكن يمكن رؤيته بسهولة إذا مر عبر مادة غروية.وذلك لأن جسيمات المادة الغروية كبيرة بما يكفي،لتبعثر الضوء،بينما جسيمات المذاب أصغر من تفعل ذلك. تبعثر الضوء بفعل جسيمات المادة الغروية يسمى تأثير تندل. جسيمات المادة الغروية،يمكن أن تظل موزعة بشكل ثابت داخل الوسيط،بفعل التصادم مع جزيئات أخرى والتحرك باستمرار في مسار عشوائي.هذه الحركة تسمى حركة بروانية. إذا وضع مستعلق،ومحلول،ومادة غروية على جهاز طرد مركزي،فلا ينفصل سوى المستعلق. يمكن للمواد الغروانية المائية أن تكون هيدروفيلية،أي مُحبة للماء؛أو هيدروفوبية،أي تخاف من الماء.على سبيل المثال،عند إضافة الأغار،وهو مادة مستخرجة من عشب بحري،عند إضافته إلى الماء الساخن،يشكل مادة غروية هيدروفيلية. المواد الغروية الهيدروفوبية كالزيت والخل،تكون غير مستقرة في الماء وتميل إلى الانفصال. يمكن تثبيت مثل هذه المواد الغروية بإضافة مواد أخرى تلتصق بأسطح جسيمات المادة الغروية.قد تكون هذه المواد المضافة أيونات،تنفّر الأيونات الأخرى على الجسيمات الغروية المجاورة،كي تظل متفرقة. يمكن لمواد مضافة أخرى أن تغطي سطح جسيمات المادة الغروية بمجموعات هيدروفيلية على سبيل المثال،ستيرات الصوديوم،وهو نوع من الصابون،يحتوي على أيون صوديوم ورأس قطبي وذيل طويل غير قطبي تتألف من حمض دهني. عند وضعها في الماء،تتجمع جزيئات الصابون على شكل كرات،بحيث تتجه ذيولها الهيدروفوبية نحو الداخل،بينما تتجه رؤوسها الهيدروفيلية المشحونة نحو الخارج.هذه التركيبات الكروية تسمة مذيّلات أو جزيئات غروية. الذيول الهيدروفوبية تحتجز الزيت غير القطبي داخل المذيّلات،فيما يتفاعل الجزء الخارجي الهيدروفيلي مع الماء. هذا يفسر الظواهر عند غسل الصابون مع الماء وإزالة الزيوت.

12.13:

الغرويات

غالبًا ما يقوم الأطفال في اللعب بعمل معلقات مثل خليط من الطين والماء والدقيق والماء أو تعليق أصباغ صلبة في الماء تُعرف باسم دهان تمبرا. هذه المعلقات عبارة عن مخاليط غير متجانسة تتكون من جزيئات كبيرة نسبيًا يمكن رؤيتها بالعين المجردة أو يمكن رؤيتها بالعدسة المكبرة. تكون عكرة ، وتستقر الجزيئات المعلقة بعد الخلط. من ناحية أخرى ، فإن المحلول عبارة عن خليط متجانس لا يحدث فيه أي ترسيب وتكون فيه الأنواع المذابة عبارة عن جزيئات أو أيونات. تظهر الحلول سلوكًا مختلفًا تمامًا عن عمليات التعليق. قد يكون المحلول ملونًا ، لكنه شفاف ، والجزيئات أو الأيونات غير مرئية ، ولا تستقر عند الوقوف. فئة أخرى من المخاليط تسمى الغرويات (أو المشتتات الغروية) تعرض خصائص وسيطة بين تلك الخاصة بالمعلقات والمحاليل. تكون الجسيمات في المادة الغروانية أكبر من معظم الجزيئات البسيطة ؛ ومع ذلك ، فإن الجسيمات الغروية صغيرة بما يكفي بحيث لا تستقر عند الوقوف.

تحضير الأنظمة الغروانية

يتم تحضير الغرويات عن طريق إنتاج جسيمات ذات أبعاد غروانية وتوزيع هذه الجسيمات في جميع أنحاء وسط تشتت. تتكون الجسيمات ذات الحجم الغروي بطريقتين:

• طرق التشتت: تكسير الجسيمات الكبيرة. على سبيل المثال ، يتم إنتاج أصباغ الطلاء عن طريق تشتيت الجزيئات الكبيرة عن طريق الطحن في مطاحن خاصة.
• طرق التكثيف: النمو من وحدات أصغر ، مثل الجزيئات أو الأيونات. على سبيل المثال ، تتكون السحب عندما تتكثف جزيئات الماء وتشكل قطيرات صغيرة جدًا.

عندما تتلامس بعض المواد الصلبة مع الماء ، فإنها تتفرق تلقائيًا وتشكل أنظمة غروانية. يتصرف الجيلاتين والغراء والنشا ومسحوق الحليب المجفف بهذه الطريقة. الجسيمات هي بالفعل ذات حجم غرواني ؛ الماء يشتتهم ببساطة. يتم إنتاج جزيئات الحليب المجفف ذات الحجم الغروي عن طريق تجفيف رذاذ الحليب. تنتج بعض المرذاذات مشتتات غروانية لسائل في الهواء.

يمكن تحضير مستحلب عن طريق الرج معًا أو مزج سائلين غير قابلين للامتزاج. هذا يكسر سائلًا واحدًا إلى قطرات ذات حجم غرواني ، والتي تتشتت بعد ذلك عبر السائل الآخر. قد يكون من الصعب تنظيف انسكاب النفط في المحيط ، ويرجع ذلك جزئيًا إلى أن حركة الأمواج يمكن أن تتسبب في تكوين الزيت والماء لمستحلب. ومع ذلك ، في العديد من المستحلبات ، تميل المرحلة المشتتة إلى الالتحام ، وتشكيل قطرات كبيرة ، والانفصال. لذلك ، عادة ما يتم تثبيت المستحلبات بواسطة عامل استحلاب ، وهي مادة تمنع اندماج السائل المشتت. على سبيل المثال ، القليل من الصابون يثبت مستحلب الكيروسين في الماء. الحليب عبارة عن مستحلب من دهن الزبدة في الماء ، حيث يعمل بروتين الكازين كعامل استحلاب. المايونيز عبارة عن مستحلب الزيت الموجود في الخل ، مع مكونات صفار البيض كعوامل استحلاب.

تشكل طرق التكثيف جسيمات غروانية عن طريق تجميع الجزيئات أو الأيونات. إذا نمت الجسيمات خارج نطاق الحجم الغرواني ، تتشكل قطرات أو ترسبات ، ولا ينتج عن النظام الغرواني. تتكون الغيوم عندما تتجمع جزيئات الماء وتشكل جسيمات بحجم الغروانية. إذا اجتمعت جزيئات الماء هذه لتكوين قطرات ماء كبيرة بشكل كافٍ من الماء السائل أو بلورات الماء الصلب ، فإنها تستقر من السماء على شكل مطر أو صقيع أو ثلج. تتضمن العديد من طرق التكثيف تفاعلات كيميائية. يمكن تحضير معلق غرواني أحمر من هيدروكسيد الحديد (III) عن طريق خلط محلول مركز من كلوريد الحديد (III) مع الماء الساخن:

ينتج محلول الذهب الغروي عن اختزال محلول مخفف للغاية من كلوريد الذهب (III) بواسطة عامل اختزال مثل الفورمالديهايد أو كلوريد القصدير (II) أو كبريتات الحديد (II):

لا تزال بعض أنواع الذهب التي تم تحضيرها في عام 1857 سليمة (لم تتحد الجزيئات وتستقر) ، مما يوضح الاستقرار طويل المدى للعديد من الغرويات.

الصابون والمنظفات

صنع الرواد الصابون عن طريق غليان الدهون بمحلول أساسي قوي مصنوع عن طريق ترشيح كربونات البوتاسيوم ، K₂CO₃، من رماد الخشب بالماء الساخن. تحتوي الدهون الحيوانية على بوليستر من الأحماض الدهنية (أحماض كربوكسيلية طويلة السلسلة). عندما يتم معالجة الدهون الحيوانية بقاعدة مثل كربونات البوتاسيوم أو هيدروكسيد الصوديوم ، يتشكل الجلسرين وأملاح الأحماض الدهنية مثل حمض البالمتيك والأوليك وحمض دهني. تسمى أملاح الأحماض الدهنية بالصابون. يحتوي ملح الصوديوم لحمض دهني ، ستيرات الصوديوم ، على سلسلة هيدروكربونية غير مشحونة ، ووحدة C₁₇H₃₅ ومجموعة أيونية كربوكسيلية ، COO⁻ unit.

يمكن تفسير عملية التنظيف للصابون والمنظفات من حيث تراكيب الجزيئات المعنية. تذوب النهاية الهيدروكربونية (غير القطبية) للصابون أو جزيء المنظف في المواد غير القطبية أو تنجذب إليها ، مثل جزيئات الزيت أو الشحوم أو الأوساخ. الطرف الأيوني ينجذب بالماء (قطبي). ونتيجة لذلك ، فإن جزيئات الصابون أو المنظفات تتجه نحو السطح البيني بين جزيئات الأوساخ والماء ، لذا فهي تعمل كنوع من الجسر بين نوعين مختلفين من المادة ، غير القطبية والقطبية. تسمى جزيئات مثل هذه برمائية لأنها تحتوي على جزء مسعور (“كاره للماء”) وجزء ماء (“محب للماء”). نتيجة لذلك، تصبح جزيئات الأوساخ معلقة كجسيمات غروانية ويتم غسلها بسهولة.

هذا النص مقتبس من Openstax, Chemistry 2e, Section 11.5: Colloids.

Suggested Reading

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