KoloidKoloid je označení pro disperzní soustavu obsahující částice, které svou velikostí spadají do rozmezí 1 nm až 1000 nm (případně 500 nm). Nebo se jedná o látku, která tvoří heterogenní disperzní soustavu obsahující částice o velikosti výše zmíněné. Zavedení pojmu koloid souvisí s tím, že částice v tomto rozmezí udělují danému systému specifické vlastnosti, které se v mnoha ohledech nevyskytují u částic s velikostí pod 1 nm (tzv. analytická disperze) a částic nad 1000 nm, event. 500 nm, (hrubá disperze). Koloidy jsou viditelné v ultramikroskopu nebo elektronovém mikroskopu, nikoliv však ve světelném mikroskopu. Částice koloidu jsou často barevné, tvoří průhledné disperzní systémy a v bočním světle opaleskují (tzv. Tyndallův efekt). K dalším charakteristikám koloidů náleží, že procházejí filtračním papírem (ale nikoliv už všemi membránami). Vykonávají slabší tepelný pohyb (Brownův pohyb), pomalu difundují a sedimentují, vyvolávají slabší osmotický tlak. Ovšem nejcharakterističtější vlastností tohoto systému je tvorba gelů (hrubé disperze je tvoří jen výjimečně). Koloidy jsou všudypřítomné, nacházejí se např. v lidském těle, v koupelně jako prací prášek, mýdlo, zubní pasta apod., a mnohé potraviny jsou koloidní povahy (jogurt, máslo, mléko atd.). Navíc v současné době velmi populární nanotechnologie vycházejí z koloidní chemie. HistoriePojem koloid pochází z řeckého slova pro lepivý klih (řecky κόλλα, kolla), kterého poprvé použil v roce 1861 Thomas Graham při svých pokusech týkajících se studia rychlosti difuze látek přes pergamenovou membránu. Skupinu látek, které se chovaly podobně jako klih, označoval slovem koloidy („klihu podobné“). V roce 1906, na základě klasifikace disperzních soustav podle velikosti disperzních částic, dospěl Wilhelm Ostwald k závěru, že tzv. koloidní vlastnosti nevykazuje určitá skupina látek, ale že do „koloidního stavu“ je možno teoreticky uvést jakoukoli látku.[1][2] Vývoj citlivějších metod a teorií umožnil prudký rozvoj koloidní chemie. Je potřeba poznamenat, že s koloidy se člověk setkal již mnohem dříve, než byly pojmenovány. Známým příkladem je Cassiův purpur, který byl od 17. století využíván při výrobě červeného skla a míšeňského porcelánu.[2] Koloidní rozměrHorní a dolní hranice velikosti koloidních částic nebývá udávána zcela shodně:
Rozdělení koloidůNa tuto kapitolu je přesměrováno heslo disperze (chemie).
Koloidy lze dělit dle fázového charakteru na heterogenní a homogenní, ovšem z praktického hlediska je vhodnější zavést následující členění. Lyofobní disperze (koloidní disperze)Na tuto kapitolu jsou přesměrována hesla lyofobní disperze a koloidní disperze.
Lyofobní disperze, též koloidní disperze, jsou příkladem heterogenního systému, v nichž disperzní podíl a disperzní prostředí představují dvě různé fáze. Disperzní podíl a disperzní prostředí jsou od sebe odděleny fázovým rozhraním, které výrazně ovlivňuje jejich vlastnosti. Jsou připravovány buď z velkých částic dispergací nebo z pravých roztoků kondenzací. Jsou termodynamicky nestabilní, samovolně zanikají. Složením a přípravou se podobají hrubým disperzím; liší se však rozměrem částic.[1][2] Výraz lyofobní je termín pocházející z řeckého lyos (kapalina) a fobo (nenávidím). Termín, zavedený Freundlichem, tedy označuje, že částice nejeví afinitu ke kapalině.[3] Na základě skupenství disperzního podílu a disperzního prostředí lze lyofobní disperze dále rozdělovat,[2] např. soustavy obsahující kapalinu dispergovanou v kapalině označujeme jako emulze. Přehled možných lyofobních disperzí je uveden v následující tabulce:
Lyofilní disperze (lyofilní roztok)Na tuto kapitolu jsou přesměrována hesla lyofilní disperze a lyofilní roztok.
Lyofilní roztoky jsou homogenní koloidní systémy, ve kterém tvoří disperzní prostředí a disperzní podíl jednu fázi. Jsou to pravé roztoky makromolekul, které vznikají samovolným rozpouštěním a jsou termodynamicky stálé.[1][2] Výraz lyofilní pochází z řeckého lyos (kapalina) a filo (miluji); byl zavedený Freundlichem. Termín tedy označuje, že látka jeví afinitu ke kapalině (má tendenci být solvatována, tedy rozpuštěna).[3] Asociativní (micelární) koloidyNa tuto kapitolu jsou přesměrována hesla asociativní koloid a micelární koloid.
Micelární koloidy[poz. 1] představují systém skládající se z kapalného disperzního prostředí a micel koloidní velikosti vytvořených asociací amfifilních molekul v pravém roztoku (micelární roztok). Mezi vzniklými micelami a molekulami v roztoku se ustavuje rovnováha. Podobně jako pravé roztoky a jako roztoky polymerů vznikají micelární koloidní roztoky samovolným rozpouštěním; jejich vylučování z roztoku se řídí termodynamickými zákony fázových rovnováh.[1][2] Někteří autoři člení asociativní koloidy mezi homogenní systémy, ovšem vhodnější je samostatně je vymezit, neboť v některých ohledech připomínají dvoufázový systém.[1][2] DestabilizaceNestabilita koloidů se především týká lyofobních systémů, které mohou samovolně přecházet na hrubě disperzní soustavu:
Izotermický převod látkyPředstavuje děj, kdy větší částice daného systému rostou přednostně před malými částicemi. Rychlost celého pochodu závisí na těkavosti, popř. rozpustnosti disperzního podílu v disperzním prostředí, na difuzním koeficientu a na mezifázovém napětí. V soustavách s pevným disperzním prostředí (např. zmrzlina) je Ostwaldovo zrání jedinou možností růstu disperzních částic.[2] AgregaceČastějším a rovněž mnohem rychlejším mechanismem, který má na stabilitu koloidních soustav podstatně větší vliv než Ostwaldovo zrání, je shlukování dispergovaných částic v agregáty. Malé částice se shromažďují do větších útvarů (agregátů), aniž při tom dochází ke zrušení fázového rozhraní mezi jednotlivými částicemi a disperzním prostředím a ke zmenšení plochy jejich povrchu (na rozdíl od koalescence). Malé částice si zachovávají identitu, pouze ztrácejí kinetickou nezávislost – agregát se pohybuje jako celek. Agregace, při níž vznikají shluky volně vázaných částic, se nazývá flokulace. Je vratná – velmi mírným zásahem mohou být agregáty převedeny zpět na koloidní systém (tzv. peptizace). Mohou také přecházet na pevněji vázané shluky. Pochod, při kterém vznikají agregáty pevně vázaných částic, je označován jako koagulace. Koagulace není vratná (na rozdíl od flokulace) – vytvořený koagulát nelze bez vynaložení dostatečně velké energie peptizovat – převést zpět na koloidní systém. Po dosažení určité velikosti agregátů dochází k sedimentaci (podle rozdílu hustot dolů, nebo vzhůru), což vede k zániku disperzního systému. Velmi často je pro agregaci přednostně používán souhrnný výraz koagulace, tedy bez ohledu na její konkrétní mechanismus.[3] PeptizaceNa tuto kapitolu je přesměrováno heslo Peptizace.
Peptizace představuje převod flokulátu a čerstvého koagulátu zpět na koloidní disperzi. Běžně se využívá u lyofobního solu, jehož koagulací vzniká sraženina a je-li v dostatečném čase zahájena peptizace, lze docílit zpětného převodu sraženiny na sol. V čerstvé sraženině jsou krystalky, které byly původně částicemi solu, od sebe odděleny kapalným filmem a jsou drženy adhezními silami. V mnoha případech lze tyto čerstvé sraženiny převést zpět na sol – peptizovat. Výběr vhodného postupu při peptizaci záleží na podmínkách, za kterých došlo ke koagulaci solu. Peptizaci, která je vlastně opakem koagulace, je možno provést
Stáním, zvláště za vyšších teplot, dochází k rekrystalizaci (viz Ostwaldovo zrání), při níž vznikají větší krystaly a sraženinu již není možno peptizovat.[3] StabilizaceStálost disperzních soustav se může pohybovat ve velice širokých mezích od prakticky úplné nestability (v řádu sekund a méně) až po prakticky úplnou stálost.[poz. 2] Lyofobní disperzeElektrostatická stabilizaceAgregaci lze zabránit ve vodném systému pomocí elektrické dvojvrstvy, kdy částice nesou na povrchu náboj (např. získaný adsorpcí iontů, ionizací povrchu) a k ním jsou poutány opačně nabité ionty (vzniká elektrická dvojvrstva). Přiblížením takovýchto částic o stejném náboji dochází k vzájemnému odpuzování.[2][4] Přidáním lyofilního koloidu k lyofobnímu, z nichž jeden nebo dva nesou elektrický náboj, mohou nastat různé případy podle znaménka elektrického náboje obou systémů, podle poměru jejich množství i podle poměru jejich velikostí.[2] a) Shodují-li se znaménka, působí lyofilní koloid většinou ochraně už při nízkých koncentracích. b) Pokud se liší ve znaménku, pak
Stérická stabilizaceLyofobní částice lze stabilizovat vhodnými lyofilními částicemi (makromolekuly, povrchově aktivní látky), jejichž molekuly jsou schopny se silně adsorbovat na povrch. Hustá vrstva pevně adsorbovaných makromolekul na částicích (v podstatě dochází k obalení částic) způsobí v dobrém rozpouštědle vzájemné odpuzování částic. Umístí-li se částice do špatného rozpouštědla, bude docházet k proplétání makromolekul obklopující částice a tím i k shlukování. Teplotou lze změnit charakter rozpouštědla (disperzního prostředí) z dobrého na špatné.[2] Stabilizace pevnými částicemiJe využívána hlavně u emulzí a pěn ve formě jemných prášků, částečně smáčenými oběma fázemi, jejichž částice jsou schopny vytvořit kolem kapének nebo bublin dostatečně pevnou bariéru, která zabraňuje jejich splývání.[2] Lyofilní koloidyJsou mnohem stabilnější než lyofobní koloidy, a to účinkem kombinace interakcí elektrických dvojvrstev a solvatace (ve vodných roztocích hydratace). Rozsah solvatace závisí na afinitě molekul rozpouštědla k povrchu koloidní částice. U systému se slabou solvatací (např. vodný roztok kaseinu) v blízkosti izoelektrického bodu (kde jsou částice zbaveny náboje), „vypadne“ koloid z roztoku – dochází ke koagulaci. Je-li afinita makromolekuly k rozpouštědlu velmi vysoká, solvatace se stává rozhodujícím faktorem. Např. želatina, která má velmi vysokou afinitu k vodě, nekoaguluje ani v izoelektrickém bodě, pokud není koncentrace elektrolytů velmi vysoká. Ionty přidávaného elektrolytu soutěží o hydratační vodu s makromolekulou, která tím ztrácí stabilitu. Účinnost elektrolytu při vylučování vysokomolekulární látky (vysolování) je dána schopností jeho iontu hydratovat se, která bývá vyjadřována tzv. lytropními řadami.[2] Proteiny, mýdla a pektiny jsou příklady lyofilních koloidů, u kterých stabilita závisí, jak na náboji, tak na solvataci částice. Příprava a vznikLyofobní koloidyLze je připravit dvěma základními postupy – dispergačními a kondenzačními metodami. Dispergační metodyČástice hrubě disperzního podílu jsou mechanicky rozmělňovány (mlýnky) nebo vibračně (ultrazvukem). Vznik disperze tedy vyžaduje vynaložení práce.[1] Kondenzační metodyZ analytického disperzního systému jsou vylučovány částice ve formě koloidů. Toho lze dosáhnout vytvořením podmínky přesycení systému.[2] Změnou fyzikálně-chemických podmínekZměna teploty (méně často tlaku), nebo změnou složení rozpouštědla vznikne přesycený roztok a látka vypadává z roztoku. Například koloidní síra se připravuje vkapáváním alkoholického roztoku síry do vody. Chemickou reakcíProběhnutím chemické reakce vznikne nerozpustná látka. Příkladem typu reakce může být např. srážení, redukce, oxidace, hydrolýza apod. Lyofilní koloidyLze je připravit samovolným rozpouštěním polymerů (pouze lineární a globulární). O tom, v kterém rozpouštědle se makromolekulární látka rozpouští, rozhoduje polarita: makromolekuly se silně polárními skupinami se rozpouštějí v polárních rozpouštědlech, nepolární polymery se rozpouštějí v nepolárních rozpouštědlech (např. kaučuk v benzenu nebo toluenu).[2] Asociativní (micelární) koloidyMicelární koloidní roztoky vznikají z analytického roztoku povrchově aktivních látek postupným zvyšováním jejich koncentrace až se dosáhne tzv. kritické micelární koncentrace, kdy začnou molekuly agregovat do koloidních útvarů a tvořit tzv. micely. Asociativní koloidy tedy rovněž vznikají samovolným rozpouštěním.[2] VlastnostiLyofobní disperzeObecné vlastnosti lyofobní disperze se poměrně liší podle skupenství disperzního podílu a disperzního prostředí (emulze, pěny, soli atd.).[1] Lyofilní disperzeKromě translačního a rotačního pohybu jsou schopny polymery (lineární) vykonávat i intramolekulární rotaci, kterou se mění tvar makromolekuly. V kinetických, optických a mechanických vlastnostech se tak projevují některé jevy, které nebyly pozorovány u jiných koloidně disperzních systémů.[2] K charakteristikám náleží:
Asociativní koloidyJejich významnou vlastností, která souvisí se stavbou micel, je solubilizace – schopnost rozpouštět i látky, které jsou jinak v čistém disperzním prostředí nerozpustné. Na principu solubilizace probíhá praní, umývání nádobí, emulzní polymerace a dále nachází uplatnění ve farmaceutickém, kosmetickém průmyslu, při výrobě herbicidů, insekticidů apod.[2] Význam koloidůKoloidy mají velký význam pro lidskou činnost. Je téměř nemožné vyjmenovat všechny oblasti ať technologické, biologické, nebo fyziologické, které s koloidy souvisejí. Potraviny jako máslo, sýr, jogurt a jiné mléčné výrobky, chleba, pečivo, pivo jsou příklady výrobků, které jsou svou povahou koloidní, nebo na jejichž vzniku se koloidní pochody podílejí. Stejně je tomu v případě barviv a barev, papíru, farmaceutických a kosmetických preparátů mnoha druhů či chemikálií používaných v zemědělství a zahradnictví. Velmi významnou roli má koloidní chemie při výrobě různých keramických výrobků od drahého porcelánu, přes nové velmi pevné keramické materiály, používané v raketové technice nebo v lékařství na různé protézy (např. keramické kloubní náhrady, zubní protézy aj.) až po obyčejné cihly. Pochody používané při těžbě ropy a minerálů, při úpravě vody a různých biotechnologií jsou rovněž koloidní povahy. Velký technologický význam má heterogenní katalýza. Metod koloidní chemie se často používá i k studiu řady biologických systémů. Např. tokové vlastnosti krve a jiných tělních tekutin je možné nejlépe studovat, případně upravovat, jestliže se na ně díváme jako na koloidní disperze. Byla připravena vodná emulze, vhodná jako dočasná náhrada krve, která se nekazí při skladování, je kompatibilní se všemi krevními skupinami a není nebezpečí, že bude kontaminovaná (AIDS, žloutenka). Kloubní mazy vděčí za vynikající vlastnosti své koloidní povaze. Moderní koloidní mikrokapsule, používané v lékařství, dovolují řízené podávání léčiv a v některých případech dokonce cílenou farmakoterapii určitých orgánů. Koloidy mají rovněž důležitou úlohu při řešení ekologických problémů. Mnohá znečištění jsou způsobená přítomností koloidních podílů a pro jejich odstranění z ovzduší nebo vodních toků je tedy třeba použít speciálních koloidních metod.[2] Odborné časopisy zabývající se koloidy
OdkazyPoznámky
Reference
Literatura
Související článkyExterní odkazy
|