Back to chapter

12.13:

Colloïden

JoVE Core
Química
É necessária uma assinatura da JoVE para visualizar este conteúdo.  Faça login ou comece sua avaliação gratuita.
JoVE Core Química
Colloids

Idiomas

COMPARTILHAR

Wanneer zout aan water wordt toegevoegd, lost het op om een oplossing te vormen. Omgekeerd, wanneer zand wordt toegevoegd aan water en geroerd, worden de zanddeeltjes door de vloeistof verspreid om een suspensie te vormen en uiteindelijk bezinken ze op de bodem. Wanneer bloem echter aan water wordt toegevoegd, wordt het water troebel.Dit komt doordat bloem en water een colloïdale dispersie of een colloïde vormen. Een colloïde is een mengsel waarin deeltjes van een opgeloste stofachtige stof fijn worden gedispergeerd in een oplosmiddelachtig medium. De gedispergeerde deeltjes en het dispergeermedium kunnen elke combinatie zijn van vast en vloeibaar, zoals opaal, vloeistof en vloeistof, zoals melk, vloeistof en gas, zoals slagroom, behalve dat ze niet beide gassen kunnen zijn.Eigenschappen van een colloïde liggen tussen die van suspensies en oplossingen in. Colloïden zijn heterogene mengsels, zoals suspensies, in tegenstelling tot oplossingen die homogeen zijn. Met een grootte van 5 tot 1000 nanometer zijn colloïdale deeltjes veel groter dan de gebruikelijke opgeloste moleculen, die ongeveer 1 nanometer of minder zijn, en kleiner dan zwevende deeltjes, die 10.000 nanometer of groter zijn.Een laserstraal die door een oplossing gaat, is onzichtbaar, maar kan gemakkelijk worden gezien in een colloïdale dispersie. Dit komt doordat de colloïde deeltjes groot genoeg zijn om het licht te verstrooien, terwijl de opgeloste deeltjes te klein zijn om dat te doen. Deze verstrooiing van licht door colloïdale deeltjes wordt het Tyndall-effect genoemd.Colloïdale deeltjes kunnen stabiel door het medium verspreid blijven door in botsing te komen met andere moleculen en constant in een willekeurig pad te bewegen. Deze beweging wordt de browniaanse beweging genoemd. Als een suspensie, een oplossing en een colloïde worden gecentrifugeerd, scheidt alleen de suspensie zich.Colloïden op waterbasis kunnen hydrofiel, waterminnend of hydrofoob, watervrezend zijn. Wanneer bijvoorbeeld agar, een zeewierextract, wordt toegevoegd aan heet water, vormt het een hydrofiel colloïde. Hydrofobe colloïden, zoals olie en azijn, zijn onstabiel in water en hebben de neiging om te scheiden.Dergelijke colloïdale dispersies kunnen worden gestabiliseerd door andere stoffen toe te voegen die zich hechten aan de oppervlakken van de colloïdale deeltjes. Deze additieven kunnen ionen zijn die andere ionen afstoten op naburige colloïdale deeltjes om gedispergeerd te blijven. Andere additieven kunnen het oppervlak van de colloïde deeltjes bedekken met hydrofiele groepen.Natriumstearaat, een soort zeep, heeft bijvoorbeeld een natriumion samen met een polaire kop en een lange niet-polaire staart van vetzuur. In water aggregeren de zeepmoleculen in bollen zodat hun hydrofobe staarten naar binnen wijzen terwijl hun geladen hydrofiele kop naar buiten is gericht. Deze bolvormige structuren worden micellen genoemd.De hydrofobe staarten vangen de niet-polaire olie in de micellen op, terwijl de hydrofiele buitenkant in wisselwerking staat met water. Dit verklaart de verschijnselen die optreden wanneer zeep wordt gewassen met water en olie wordt verwijderd.

12.13:

Colloïden

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.

Leitura Sugerida

  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.