Коллоид — это смесь , в которой одно вещество, состоящее из микроскопически диспергированных нерастворимых частиц , взвешено в другом веществе. Некоторые определения указывают, что частицы должны быть диспергированы в жидкости , [ 1] в то время как другие расширяют определение, включая такие вещества, как аэрозоли и гели . Термин коллоидная суспензия однозначно относится к общей смеси (хотя более узкое значение слова суспензия отличается от коллоидов большим размером частиц). Коллоид имеет дисперсную фазу (взвешенные частицы) и непрерывную фазу (среду суспензии). Частицы дисперсной фазы имеют диаметр приблизительно от 1 нанометра до 1 микрометра . [2] [3]
Некоторые коллоиды полупрозрачны из-за эффекта Тиндаля , который представляет собой рассеяние света частицами в коллоиде. Другие коллоиды могут быть непрозрачными или иметь слабую окраску.
Коллоидные суспензии являются предметом интерфейсной и коллоидной науки . Эта область исследований началась в 1845 году Франческо Селми , [4] [5] [6] [7], который назвал их псевдорастворами, и была расширена Майклом Фарадеем [8] и Томасом Грэхемом , который ввел термин коллоид в 1861 году. [9]
Коллоид : краткий синоним коллоидной системы. [10] [11]
Коллоидный : Состояние разделения, при котором молекулы или полимолекулярные частицы, диспергированные в среде, имеют по крайней мере одно измерение между приблизительно 1 нм и 1 мкм, или при котором в системе обнаруживаются разрывы на расстояниях этого порядка. [10] [11] [12]
Коллоиды можно классифицировать следующим образом:
Гомогенные смеси с дисперсной фазой в этом диапазоне размеров можно назвать коллоидными аэрозолями , коллоидными эмульсиями , коллоидными суспензиями , коллоидными пенами , коллоидными дисперсиями или гидрозолями .
Гидроколлоиды описывают определенные химические вещества (в основном полисахариды и белки ), которые коллоидно диспергируются в воде . Таким образом, становясь эффективно «растворимыми», они изменяют реологию воды, повышая вязкость и/или вызывая гелеобразование. Они могут обеспечивать другие интерактивные эффекты с другими химическими веществами, в некоторых случаях синергические, в других — антагонистические. Используя эти атрибуты, гидроколлоиды являются очень полезными химикатами, поскольку во многих областях технологии от продуктов питания до фармацевтики , средств личной гигиены и промышленных применений они могут обеспечивать стабилизацию, дестабилизацию и разделение, гелеобразование, контроль потока, контроль кристаллизации и множество других эффектов. Помимо использования растворимых форм, некоторые из гидроколлоидов имеют дополнительную полезную функциональность в сухой форме, если после солюбилизации из них удалена вода — как при образовании пленок для полосок для дыхания или оболочек для колбасных изделий или, действительно, волокон для перевязочных материалов, некоторые из которых более совместимы с кожей, чем другие. Существует много различных типов гидроколлоидов, каждый из которых отличается структурной функцией и полезностью, которые, как правило, лучше всего подходят для определенных областей применения в контроле реологии и физической модификации формы и текстуры. Некоторые гидроколлоиды, такие как крахмал и казеин, являются полезными продуктами питания, а также модификаторами реологии, другие имеют ограниченную пищевую ценность, обычно обеспечивая источник клетчатки. [15]
Термин «гидроколлоиды» также относится к типу повязок, предназначенных для удержания влаги в коже и содействия естественному процессу заживления кожи, уменьшая образование рубцов, зуд и болезненность.
Гидроколлоиды содержат некоторые виды гелеобразующих агентов, такие как натриевая соль карбоксиметилцеллюлозы (NaCMC) и желатин. Обычно их комбинируют с некоторыми видами герметиков, например, полиуретаном, чтобы «прилипнуть» к коже.
Коллоид имеет дисперсную фазу и непрерывную фазу, тогда как в растворе растворенное вещество и растворитель составляют только одну фазу. Растворенное вещество в растворе — это отдельные молекулы или ионы , тогда как коллоидные частицы больше. Например, в растворе соли в воде кристалл хлорида натрия (NaCl) растворяется, а ионы Na + и Cl − окружены молекулами воды. Однако в коллоиде, таком как молоко, коллоидные частицы представляют собой глобулы жира, а не отдельные молекулы жира. Поскольку коллоид состоит из нескольких фаз, он имеет совершенно другие свойства по сравнению с полностью смешанным непрерывным раствором. [16]
Важную роль во взаимодействии коллоидных частиц играют следующие силы: [17] [18]
Гравитационное поле Земли действует на коллоидные частицы. Поэтому, если коллоидные частицы плотнее среды суспензии, они будут осаждаться (падать на дно), или если они менее плотные, они будут сливаться (всплывать наверх). Более крупные частицы также имеют большую тенденцию к осаждению, поскольку у них меньшее броуновское движение, чтобы противодействовать этому движению.
Скорость осаждения или седиментации определяется путем уравнивания силы сопротивления Стокса с силой тяжести :
где
и - скорость осаждения или расслоения.
Масса коллоидной частицы находится с помощью:
где
и представляет собой разницу в плотности массы коллоидной частицы и суспензионной среды.
При перегруппировке скорость осаждения или расслоения составляет:
Существует верхний предел размера для диаметра коллоидных частиц, поскольку частицы размером более 1 мкм имеют тенденцию к осаждению, и, таким образом, вещество больше не будет считаться коллоидной суспензией. [19]
Говорят, что коллоидные частицы находятся в седиментационном равновесии , если скорость седиментации равна скорости движения в результате броуновского движения.
Существует два основных способа приготовления коллоидов: [20]
Стабильность коллоидной системы определяется частицами, остающимися взвешенными в растворе, и зависит от сил взаимодействия между частицами. К ним относятся электростатические взаимодействия и силы Ван-дер-Ваальса , поскольку они оба вносят вклад в общую свободную энергию системы. [21]
Коллоид устойчив, если энергия взаимодействия, обусловленная силами притяжения между коллоидными частицами, меньше kT , где k — постоянная Больцмана , а T — абсолютная температура . Если это так, то коллоидные частицы будут отталкиваться или лишь слабо притягиваться друг к другу, и вещество останется суспензией.
Если энергия взаимодействия больше kT, силы притяжения будут преобладать, и коллоидные частицы начнут слипаться. Этот процесс обычно называют агрегацией , но также называют флокуляцией , коагуляцией или осаждением . [22] Хотя эти термины часто используются взаимозаменяемо, для некоторых определений они имеют немного разные значения. Например, коагуляция может использоваться для описания необратимой, постоянной агрегации, когда силы, удерживающие частицы вместе, сильнее любых внешних сил, вызванных перемешиванием или смешиванием. Флокуляция может использоваться для описания обратимой агрегации, включающей более слабые силы притяжения, и агрегат обычно называют хлопьем . Термин осаждение обычно зарезервирован для описания фазового перехода от коллоидной дисперсии к твердому веществу (осадок), когда он подвергается возмущению. [19] Агрегация вызывает седиментацию или расслоение, поэтому коллоид нестабилен: если происходит любой из этих процессов, коллоид больше не будет суспензией.
Электростатическая стабилизация и стерическая стабилизация являются двумя основными механизмами стабилизации против агрегации.
Возможна также комбинация двух механизмов (электростерическая стабилизация).
Метод, называемый стабилизацией гелевой сети, представляет собой основной способ получения коллоидов, устойчивых как к агрегации, так и к седиментации. Метод заключается в добавлении к коллоидной суспензии полимера, способного образовывать гелевую сеть. Оседание частиц затрудняется жесткостью полимерной матрицы, в которой задерживаются частицы, [26] , а длинные полимерные цепи могут обеспечивать стерическую или электростерическую стабилизацию диспергированных частиц. Примерами таких веществ являются ксантан и гуаровая камедь .
Дестабилизация может быть достигнута различными методами:
Нестабильные коллоидные суспензии фракции малого объема образуют кластерные жидкие суспензии, в которых отдельные кластеры частиц оседают, если они более плотные, чем среда суспензии, или сливки, если они менее плотные. Однако коллоидные суспензии фракции большего объема образуют коллоидные гели с вязкоупругими свойствами. Вязкоупругие коллоидные гели, такие как бентонит и зубная паста , текут как жидкости под действием сдвига, но сохраняют свою форму, когда сдвиг снимается. Именно по этой причине зубную пасту можно выдавить из тюбика, но она остается на зубной щетке после нанесения.
Наиболее широко используемым методом мониторинга состояния дисперсии продукта, а также для выявления и количественной оценки явлений дестабилизации является многократное рассеяние света в сочетании с вертикальным сканированием. [28] [29] [30] [31] Этот метод, известный как турбидиметрия , основан на измерении доли света, который после прохождения через образец рассеивается обратно коллоидными частицами. Интенсивность обратного рассеяния прямо пропорциональна среднему размеру частиц и объемной доле дисперсной фазы. Поэтому локальные изменения концентрации, вызванные седиментацией или расслоением, а также слипание частиц, вызванное агрегацией, обнаруживаются и контролируются. [32] Эти явления связаны с нестабильными коллоидами.
Динамическое рассеяние света может быть использовано для определения размера коллоидной частицы путем измерения того, как быстро они диффундируют. Этот метод заключается в направлении лазерного света на коллоид. Рассеянный свет будет формировать интерференционную картину, а флуктуация интенсивности света в этой картине вызвана броуновским движением частиц. Если видимый размер частиц увеличивается из-за их слипания посредством агрегации, это приведет к более медленному броуновскому движению. Этот метод может подтвердить, что агрегация произошла, если видимый размер частиц определяется как выходящий за пределы типичного диапазона размеров для коллоидных частиц. [21]
Кинетический процесс дестабилизации может быть довольно длительным (до нескольких месяцев или лет для некоторых продуктов). Таким образом, часто требуется, чтобы разработчик рецептуры использовал дополнительные методы ускорения, чтобы достичь разумного времени разработки для дизайна нового продукта. Термические методы являются наиболее часто используемыми и состоят из повышения температуры для ускорения дестабилизации (ниже критических температур инверсии фаз или химической деградации). Температура влияет не только на вязкость, но и на межфазное натяжение в случае неионных поверхностно-активных веществ или, в более общем плане, на силы взаимодействия внутри системы. Хранение дисперсии при высоких температурах позволяет имитировать реальные условия для продукта (например, тюбик солнцезащитного крема в машине летом), а также ускорять процессы дестабилизации до 200 раз. Иногда используются механические ускорения, включая вибрацию, центрифугирование и перемешивание. Они подвергают продукт различным силам, которые толкают частицы / капли друг против друга, тем самым помогая дренажу пленки. Некоторые эмульсии никогда не будут коалесцировать при нормальной гравитации, тогда как при искусственной гравитации они это делают. [33] Сегрегация различных популяций частиц была выявлена при использовании центрифугирования и вибрации. [34]
В физике коллоиды являются интересной модельной системой для атомов . [35] Микрометровые коллоидные частицы достаточно велики, чтобы их можно было наблюдать с помощью оптических методов, таких как конфокальная микроскопия . Многие силы, которые управляют структурой и поведением вещества, такие как взаимодействия исключенного объема или электростатические силы, управляют структурой и поведением коллоидных суспензий. Например, те же методы, которые используются для моделирования идеальных газов, могут быть применены для моделирования поведения твердой сферической коллоидной суспензии. Фазовые переходы в коллоидных суспензиях можно изучать в реальном времени с помощью оптических методов, [36] и они аналогичны фазовым переходам в жидкостях. Во многих интересных случаях оптическая текучесть используется для управления коллоидными суспензиями. [36] [37]
Коллоидный кристалл представляет собой высокоупорядоченный массив частиц, которые могут формироваться на очень большом расстоянии (обычно порядка от нескольких миллиметров до одного сантиметра) и которые кажутся аналогичными своим атомным или молекулярным аналогам. [38] Один из лучших природных примеров этого явления упорядочения можно найти в драгоценном опале , в котором блестящие области чистого спектрального цвета возникают из плотно упакованных доменов аморфных коллоидных сфер диоксида кремния (или кремнезема , SiO 2 ). [39] [40] Эти сферические частицы осаждаются в сильно кремнистых бассейнах в Австралии и других местах и образуют эти высокоупорядоченные массивы после многих лет седиментации и сжатия под действием гидростатических и гравитационных сил. Периодические массивы субмикрометровых сферических частиц обеспечивают аналогичные массивы интерстициальных пустот, которые действуют как естественная дифракционная решетка для видимых световых волн , особенно когда междоузлие имеет тот же порядок величины, что и падающая световая волна. [41] [42]
Таким образом, уже много лет известно, что из-за отталкивающих кулоновских взаимодействий электрически заряженные макромолекулы в водной среде могут проявлять дальнодействующие кристаллоподобные корреляции с расстояниями между частицами, часто значительно превышающими диаметр отдельных частиц. Во всех этих случаях в природе та же блестящая иризация (или игра цветов) может быть приписана дифракции и конструктивной интерференции видимых световых волн, которые удовлетворяют закону Брэгга , в материи, аналогичной рассеянию рентгеновских лучей в кристаллических твердых телах.
Большое количество экспериментов, исследующих физику и химию этих так называемых «коллоидных кристаллов», возникло в результате относительно простых методов, которые были разработаны за последние 20 лет для приготовления синтетических монодисперсных коллоидов (как полимерных, так и минеральных) и, посредством различных механизмов, реализации и сохранения их дальнего порядка формирования. [43]
Коллоидное фазовое разделение является важным организующим принципом для компартментализации как цитоплазмы , так и ядра клеток в биомолекулярные конденсаты — по важности схожим с компартментализацией через липидные бислойные мембраны , тип жидких кристаллов . Термин биомолекулярный конденсат использовался для обозначения кластеров макромолекул , которые возникают посредством разделения фаз жидкость-жидкость или жидкость-твердое тело внутри клеток. Макромолекулярная скученность значительно усиливает коллоидное фазовое разделение и образование биомолекулярных конденсатов .
Коллоидные частицы также могут служить переносчиками [44] различных загрязняющих веществ в поверхностных водах (морская вода, озера, реки, пресноводные водоемы) и в подземных водах, циркулирующих в трещиноватых породах [45] (например, известняк , песчаник , гранит ). Радионуклиды и тяжелые металлы легко сорбируются на коллоидах, взвешенных в воде. Различают различные типы коллоидов: неорганические коллоиды (например, глинистые частицы, силикаты, оксигидроксиды железа ), органические коллоиды ( гумусовые и фульвокислые вещества). Когда тяжелые металлы или радионуклиды образуют свои собственные чистые коллоиды, термин « собственный коллоид » используется для обозначения чистых фаз, т. е. чистый Tc(OH) 4 , U(OH) 4 или Am(OH) 3 . Коллоиды подозревались в дальнем переносе плутония на ядерном испытательном полигоне в Неваде . Они были предметом подробных исследований в течение многих лет. Однако подвижность неорганических коллоидов очень низкая в уплотненных бентонитах и в глубоких глинистых образованиях [46] из-за процесса ультрафильтрации, происходящего в плотной глинистой мембране. [47] Вопрос менее ясен для небольших органических коллоидов, часто смешиваемых в поровой воде с действительно растворенными органическими молекулами. [48]
В почвоведении коллоидная фракция в почвах состоит из мельчайших частиц глины и гумуса , которые имеют диаметр менее 1 мкм и несут либо положительный, либо отрицательный электростатический заряд , который варьируется в зависимости от химических условий образца почвы, то есть pH почвы . [49]
Коллоидные растворы, используемые во внутривенной терапии, относятся к основной группе расширителей объема и могут использоваться для внутривенного замещения жидкости . Коллоиды сохраняют высокое коллоидное осмотическое давление в крови, [50] и, следовательно, они должны теоретически преимущественно увеличивать внутрисосудистый объем , тогда как другие типы расширителей объема, называемые кристаллоидами, также увеличивают интерстициальный объем и внутриклеточный объем . Однако все еще существуют противоречия относительно фактической разницы в эффективности этой разницы, [50] и большая часть исследований, связанных с этим использованием коллоидов, основана на мошенническом исследовании Иоахима Болдта . [51] Другое отличие заключается в том, что кристаллоиды, как правило, намного дешевле коллоидов. [50]
{{cite book}}
: CS1 maint: location missing publisher (link)