Коллоид — это смесь , в которой одно вещество, состоящее из микроскопически диспергированных нерастворимых частиц , суспендировано в другом веществе. В некоторых определениях указывается, что частицы должны быть диспергированы в жидкости [1] , в то время как другие расширяют определение, включив в него такие вещества, как аэрозоли и гели . Термин «коллоидная суспензия» однозначно относится ко всей смеси (хотя в более узком смысле слова « суспензия» отличается от коллоидов более крупным размером частиц). Коллоид имеет дисперсную фазу (взвешенные частицы) и сплошную фазу (суспензионная среда). Частицы дисперсной фазы имеют диаметр примерно 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 слабый цвет.
Коллоидные суспензии являются предметом изучения интерфейсов и коллоидной науки . Эта область исследований началась в 1845 году Франческо Сельми [4] и была расширена Майклом Фарадеем [5] и Томасом Грэмом , которые ввели термин «коллоид» в 1861 году. [6]
Коллоид : краткий синоним коллоидной системы. [7] [8]
Коллоидный : состояние подразделения, при котором молекулы или полимолекулярные частицы, диспергированные в среде, имеют по крайней мере один размер примерно от 1 нм до 1 мкм или что в системе обнаруживаются разрывы на расстояниях такого порядка. [7] [8] [9]
Коллоиды можно классифицировать следующим образом:
Гомогенные смеси с дисперсной фазой в этом диапазоне размеров называют 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 оказывать другие интерактивные эффекты с другими химическими веществами, в некоторых случаях синергические, в других антагонистические. Используя эти свойства, гидроколлоиды являются очень полезными химическими веществами, поскольку во многих областях технологий, от продуктов питания до фармацевтики , средств личной гигиены и промышленного применения, они могут обеспечивать стабилизацию, дестабилизацию и разделение, гелеобразование, контроль потока, контроль кристаллизации и множество других эффектов. Помимо использования растворимых форм, некоторые из гидроколлоидов обладают дополнительными полезными функциональными свойствами в сухой форме, если после солюбилизации из них удалена вода - например, при формировании пленок для дыхательных полосок или колбасных оболочек или даже волокон перевязочных материалов для ран, причем некоторые из них более совместим с кожей , чем другие. Существует множество различных типов гидроколлоидов, каждый из которых имеет различия в структурных функциях и применении, которые обычно лучше всего подходят для конкретных областей применения при контроле реологии и физической модификации формы и текстуры. Некоторые гидроколлоиды, такие как крахмал и казеин, являются полезными пищевыми продуктами, а также модификаторами реологических свойств, другие имеют ограниченную пищевую ценность и обычно служат источником клетчатки. [12]
Термин «гидроколлоиды» также относится к типу повязок , предназначенных для удержания влаги в коже и содействия естественному процессу заживления кожи, уменьшения рубцов, зуда и болезненности.
Гидроколлоиды содержат гелеобразующие агенты определенного типа, такие как карбоксиметилцеллюлоза натрия (NaCMC) и желатин. Обычно их комбинируют с каким-либо герметиком, например, полиуретаном, чтобы «прилипать» к коже.
Коллоид имеет дисперсную фазу и непрерывную фазу, тогда как в растворе растворенное вещество и растворитель составляют только одну фазу. Растворенным веществом в растворе являются отдельные молекулы или ионы , тогда как коллоидные частицы крупнее. Например, в растворе соли в воде кристалл хлорида натрия (NaCl) растворяется, а ионы Na + и Cl− окружаются молекулами воды. Однако в коллоиде, таком как молоко, коллоидные частицы представляют собой шарики жира, а не отдельные молекулы жира. Поскольку коллоид состоит из нескольких фаз, он имеет совершенно другие свойства по сравнению с полностью перемешанным непрерывным раствором. [13]
Во взаимодействии коллоидных частиц важную роль играют следующие силы: [14] [15]
Гравитационное поле Земли действует на коллоидные частицы. Поэтому, если коллоидные частицы плотнее среды суспензии, они будут осаждаться (падать на дно), а если менее плотные, то кремироваться ( всплывать наверх). Более крупные частицы также имеют большую склонность к осаждению, поскольку они имеют меньшее броуновское движение , противодействующее этому движению.
Скорость седиментации или образования сливок находится путем приравнивания силы сопротивления Стокса силе гравитации :
где
и – скорость седиментации или образования сливок.
Массу коллоидной частицы находят с помощью:
где
и – разница массовой плотности между коллоидной частицей и суспензионной средой.
При перестановке скорость седиментации или образования сливок составит:
Существует верхний предел размера коллоидных частиц, поскольку частицы размером более 1 мкм имеют тенденцию к осаждению, и, следовательно, вещество больше не будет считаться коллоидной суспензией. [16]
Говорят, что коллоидные частицы находятся в седиментационном равновесии , если скорость седиментации равна скорости движения в результате броуновского движения.
Существует два основных способа приготовления коллоидов: [17]
Устойчивость коллоидной системы определяется тем, что частицы остаются во взвешенном состоянии 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. [18]
Коллоид стабилен, если энергия взаимодействия, обусловленная силами притяжения между коллоидными частицами, меньше kT , где k — постоянная Больцмана , а T — абсолютная температура . В этом случае коллоидные частицы будут отталкиваться или слабо притягиваться друг к другу, и вещество останется в виде суспензии.
Если энергия взаимодействия больше kT, то силы притяжения будут преобладать и коллоидные частицы начнут слипаться. Этот процесс обычно называется агрегацией , но его также называют флокуляцией , коагуляцией или осаждением . [19] Хотя эти термины часто используются как взаимозаменяемые, для некоторых определений они имеют несколько разные значения. Например, коагуляцию можно использовать для описания необратимой, постоянной агрегации, когда силы, удерживающие частицы вместе, сильнее, чем любые внешние силы, вызванные перемешиванием или смешиванием. Флокуляцию можно использовать для описания обратимой агрегации с участием более слабых сил притяжения, и агрегат обычно называют флокуляцией . Термин «осаждение» обычно используется для описания фазового перехода от коллоидной дисперсии к твердой фазе (осадку), когда она подвергается возмущению. [16] Агрегация вызывает седиментацию или образование сливок, 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.
Возможно также сочетание двух механизмов (электростерическая стабилизация).
Метод, называемый стабилизацией гелевой сетки, 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 сетку. Осаждению частиц препятствует жесткость полимерной матрицы, в которой задерживаются частицы [23] , а длинные полимерные цепи могут обеспечивать стерическую или электростерическую стабилизацию диспергированных частиц. Примерами таких веществ являются ксантан и гуаровая камедь .
Дестабилизация может осуществляться разными методами:
Нестабильные коллоидные суспензии малообъемной фракции образуют кластерные жидкие суспензии, в которых отдельные скопления частиц оседают, если они более плотны, чем суспензионная среда, или кремируются, если они менее плотны. Однако коллоидные суспензии более объемной фракции образуют коллоидные гели с вязкоупругими свойствами. Вязкоэластичные коллоидные гели, такие как бентонит и зубная паста , текут, как жидкости, при сдвиге, но сохраняют свою форму, когда сдвиг удаляется. 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 выявления и количественной оценки явлений дестабилизации является многократное рассеяние света в сочетании с вертикальным сканированием. [25] [26] [27] [28] Этот метод, известный как турбидиметрия , основан на измерении доли света, которая после прохождения через образец рассеивается обратно коллоидными частицами. Интенсивность обратного рассеяния прямо пропорциональна среднему размеру частиц и объемной доле дисперсной фазы. Таким образом, выявляются и контролируются локальные изменения концентрации, вызванные седиментацией или образованием сливок, а также слипанием частиц, вызванным агрегацией. [29] Эти явления связаны с нестабильными коллоидами.
Динамическое рассеяние света можно использовать для определения размера коллоидных частиц путем измерения скорости их диффузии. Этот метод предполагает направление лазерного света на коллоид. Рассеянный свет образует интерференционную картину, а колебания интенсивности света в этой картине вызваны броуновским движением частиц. Если видимый размер частиц увеличивается из-за их слипания в результате агрегации, это приведет к замедлению броуновского движения. Этот метод может подтвердить, что произошла агрегация, если кажущийся размер частиц окажется за пределами типичного диапазона размеров для коллоидных частиц. [18]
Кинетический процесс дестабилизации может быть достаточно длительным (до нескольких месяцев и лет для некоторых продуктов). Таким образом, разработчику рецептуры часто требуется использовать дополнительные методы ускорения, чтобы достичь разумного времени разработки нового продукта. Термические методы являются наиболее распространенными и заключаются в повышении температуры для ускорения дестабилизации (ниже критических температур инверсии фаз или химического разложения). Температура влияет не только на вязкость, но и на межфазное натяжение в случае неионогенных поверхностно-активных веществ или, в более общем смысле, на силы взаимодействия внутри системы. Хранение дисперсии при высоких температурах позволяет имитировать реальные условия эксплуатации продукта (например, тюбик солнцезащитного крема в машине летом), а также ускорить процессы дестабилизации до 200 раз. Иногда используется механическое ускорение, включая вибрацию, центрифугирование и перемешивание. Они подвергают продукт воздействию различных сил, которые прижимают частицы/капли друг к другу, тем самым помогая дренажу пленки. Некоторые эмульсии никогда не слипаются при нормальной гравитации, тогда как при искусственной гравитации они слипаются. [30] Сегрегация различных популяций частиц была отмечена при использовании центрифугирования и вибрации. [31]
В физике коллоиды представляют собой интересную модельную систему атомов . [32] Коллоидные частицы микрометрового размера достаточно велики, чтобы их можно было наблюдать с помощью оптических методов, таких как конфокальная микроскопия . Многие силы, которые управляют структурой и поведением материи, такие как исключенные объемные взаимодействия или электростатические силы, управляют структурой и поведением коллоидных суспензий. Например, те же методы, которые используются для моделирования идеальных газов, можно применить для моделирования поведения коллоидной суспензии твердых сфер. Фазовые переходы в коллоидных суспензиях можно изучать в реальном времени с помощью оптических методов [33] и они аналогичны фазовым переходам в жидкостях. Во многих интересных случаях оптическую текучесть используют для управления коллоидными суспензиями. [33] [34]
Коллоидный кристалл представляет собой высокоупорядоченный массив частиц, которые могут образовываться на очень большом расстоянии (обычно от нескольких миллиметров до одного сантиметра) и которые кажутся аналогичными своим атомным или молекулярным аналогам. [35] Один из лучших природных примеров этого явления упорядочения можно найти в драгоценном опале , в котором блестящие области чистого спектрального цвета возникают из плотноупакованных доменов аморфных коллоидных сфер диоксида кремния (или кремнезема , SiO 2 ). [36] [37] Эти сферические частицы осаждаются в высококремнистых 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 образуют аналогичные массивы межузельных пустот, которые действуют как естественная дифракционная решетка для видимых световых волн , особенно когда межузельное расстояние того же порядка , что и падающая световая волна. [38] [39]
Так, уже много лет известно, что за счет отталкивающих кулоновских взаимодействий электрически заряженные макромолекулы в водной среде могут проявлять дальнодействующие кристаллоподобные корреляции с расстояниями между частицами, часто значительно превышающими диаметр отдельной частицы. Во всех этих случаях в природе одну и ту же блестящую переливчатость (или игру цветов) можно объяснить дифракцией и конструктивной интерференцией видимых световых волн, удовлетворяющих закону Брэгга , аналогично рассеянию рентгеновских лучей в кристаллических твердых телах.
Большое количество экспериментов, исследующих физику и химию этих так называемых «коллоидных кристаллов», возникло в результате появления относительно простых методов получения синтетических монодисперсных коллоидов (как полимерных, так и минеральных), разработанных за последние 20 лет. через различные механизмы, реализуя и сохраняя их формирование дальнего порядка. [40]
Коллоидное фазовое разделение является важным организующим принципом разделения как цитоплазмы, так и ядра клеток на биомолекулярные конденсаты , аналогичного по важности разделению через липидные двухслойные мембраны , тип жидкого кристалла . Термин « биомолекулярный конденсат» использовался для обозначения кластеров макромолекул , которые возникают в результате разделения фаз жидкость-жидкость или жидкость-твердое тело внутри клеток. Макромолекулярное скучивание сильно усиливает коллоидное фазовое разделение и образование биомолекулярных конденсатов .
Коллоидные частицы могут также служить переносчиками [41] различных загрязняющих веществ в поверхностных водах (морская вода, озера, реки, пресные водоемы) и в подземных водах, циркулирующих в трещиноватых горных породах [42] (например , известняке , песчанике , граните ). Радионуклиды и тяжелые металлы легко сорбируются коллоидами, взвешенными в воде. Выделяют различные типы коллоидов: неорганические коллоиды (например, глинистые частицы, силикаты, оксигидроксиды железа ), органические коллоиды ( гуминовые и фульвовещества ). Когда тяжелые металлы или радионуклиды образуют собственные чистые коллоиды, термин « собственный коллоид » используется для обозначения чистых фаз, т. е. чистых Tc(OH) 4 , U(OH) 4 или Am(OH) 3 . Коллоиды подозреваются в переносе плутония на большие расстояния на ядерном полигоне в Неваде . Они были предметом детальных исследований на протяжении многих лет. Однако в уплотненных бентонитах и глубоких глинистых образованиях подвижность неорганических коллоидов очень мала [43] из-за процесса ультрафильтрации , протекающего в плотной глинистой оболочке. [44] Вопрос менее ясен для небольших органических коллоидов, часто смешанных в поровой воде с действительно растворенными органическими молекулами. [45]
В почвоведении коллоидная фракция почв состоит из крошечных частиц глины и гумуса диаметром менее 1 мкм и несет либо положительные, либо отрицательные электростатические заряды , которые варьируются в зависимости от химических условий образца почвы, то есть pH почвы . [46]
Коллоидные растворы, используемые при внутривенной терапии, относятся к основной группе средств, расширяющих объем , и могут использоваться для внутривенного восполнения жидкости . Коллоиды сохраняют высокое коллоидно-осмотическое давление в крови [47] и, следовательно, теоретически они должны преимущественно увеличивать внутрисосудистый объем , тогда как другие типы расширителей объема, называемые кристаллоидами , также увеличивают интерстициальный объем и внутриклеточный объем . Тем не менее, до сих пор существуют разногласия по поводу фактической разницы в эффективности из-за этой разницы [47] , и большая часть исследований, связанных с использованием коллоидов, основана на мошеннических исследованиях Иоахима Болдта . [48] Еще одно отличие состоит в том, что кристаллоиды обычно намного дешевле коллоидов. [47]
{{cite book}}
: CS1 maint: location missing publisher (link)