Koloidni sustavi

Disperzni sustavi sastoje se od dispergirane faze i disperznoga sredstva, tvari koja je u suvišku. Prema veličini čestica dispergirane faze dijelimo ih na suspenzije, koloidne sustave i otopine.

Naziv koloidi potječe od grčke riječi kὀlla, što znači ljepilo, a predložio ga je Thomas Graham, škotski kemičar kojega nazivaju i ocem kemije koloida. U koloidnim je sustavima veličina čestica dispergirane faze od 1 do 1000 nanometara. Budući da je takve čestice moguće vidjeti elektronskim mikroskopom, ali ne i okom, koloidni sustavi izgledaju kao homogene, a zapravo se radi o mikroheterogenim smjesama.

Može se reći da su koloidi svuda oko nas. Boje i lakovi, polistiren, obojena stakla, vuna, svila, kozmetički proizvodi te brojni prehrambeni proizvodi, primjerice želatina, mlijeko, šlag, majoneza, bistra juha itd.

U koloidnim sustavima disperzno sredstvo i dispergirana faza mogu biti u svim trima agregacijskim stanjima, stoga postoje različite vrste koloidnih sustava. 

Koloidni se sustavi od otopina razlikuju prema optičkim svojstvima. Usmjeri li se izvor uskoga snopa svjetlosti kroz koloidni sustav, primjetan je osvijetljeni stožac koji se širi u smjeru prolaska svjetlosti. Ovu pojavu često možemo uočiti u prirodi kada svjetlost prolazi kroz tamniji prostor u kojemu se nalazi aerosol pa nam se čini da vidimo zrake svjetlosti. 

Koloidne čestice mogu biti građene od nakupine atoma, iona, molekula ili, primjerice, može biti jedna makromolekula (DNA ili RNA). Svim je koloidnim česticama zajedničko da imaju relativno veliku ukupnu površinu, stoga imaju i veliku sposobnost adsorpcije. Često se adsorpcija miješa s apsorpcijom, no radi se o dvama različitim procesima. Apsorpcija je vezanje jedne tvari u čitavome volumenu druge tvari za razliku od adsorpcije kod koje se proces vezanja čestica (atoma, iona ili molekula) odvija samo na površini tvari – adsorbensa.

Razlikujemo kemijsku adsorpciju, kemisorpciju, kod koje se čestice na adsorbens vežu kemijskim vezama, i fizikalnu adsorpciju kod koje su između čestica i adsorbensa prisutne van der Waalsove sile.

Jedan od najpoznatijih adsorbenasa jest aktivni ugljen. Za adsorpciju plinova i para najučinkovitiji je onaj dobiven od ljusaka kokosovih oraha i badema, koštica šljiva i trešanja te drva. Upotrebljava se i u medicinske svrhe za ublažavanje probavnih tegoba jer adsorbira na površinu toksine, bakterije i plinove koji se nalaze u crijevima. Jedan gram aktivnoga ugljena može imati površinu od 500 do 3 000 m². Upotrebljava se i za pročišćavanje voda, uklanjanje boja iz otopina, mirisa iz prostora i dr.

Koloidni sustavi su stabilni jer su čestice dispergirane faze dispergirane u obliku koloidnih micela koje imaju manju ukupnu površinu. Koloidne micele nakupine su iona ili molekula koloidnih dimenzija. Micele se međusobno dalje ne udružuju, nego se odbijaju zbog ionskoga ili hidratnoga ovoja adsorbiranoga na svojoj površini. Prema vrsti ovoja, micele mogu biti hidrofilne (na svoju površinu vežu molekule vode) ili hidrofobne (na svoju površinu vežu pozitivne ili negativne ione iz disperznoga sredstva). Micelu koloidnoga sustava čine koloidna čestica i difuzni sloj.

Ako se u otopinu natrijeva klorida doda nekoliko kapi otopine srebrova nitrata, nastaju koloidne čestice srebrova klorida. Zbog velike ukupne površine koloidne čestice srebrova klorida adsorbirat će na svoju površinu kloridne ione koji su u suvišku. Tako će na površini koloidne čestice nastati tanki sloj negativnoga naboja. Adsorbirani negativni ioni privlače suprotno nabijene ione iz otopine te nastaje dvostruki sloj iona na površini koloidne čestice. Ostali ioni iz otopine zbog elektrostatskoga privlačenja okružuju koloidnu česticu i čine difuzni sloj.

Naboj na površini koloidnih čestica može nastati adsorpcijom iona, a koloidne čestice mogu imati vlastiti naboj koji je posljedica ionizacije u samim molekulama, primjerice u molekulama aminokiselina i proteina. Na temelju toga svojstva razvijena je analitička metoda elektroforeze. To je postupak razdvajanja i identifikacije koloidnih čestica djelovanjem istosmjerne struje. Elektroforeza ima veliku primjenu u mnogim područjima znanosti, a posebno u biokemiji gdje se upotrebljava u istraživanju aminokiselina, proteina i nukleinskih kiselina. Uspješno se upotrebljava u identifikaciji i odvajanju različitih molekula koje se razlikuju po veličini i naboju.

Pozorno pogledajte videozapis Brownovo gibanje i prisjetite se kakvo je to gibanje.

Povišenje temperature koloidnoga sustava uzrokuje brže gibanje i više sudara koloidnih čestica. One imaju veću energiju, stoga se mogu asocirati u veće, a samim time i teže čestice koje se zatim mogu spontano istaložiti pod utjecajem gravitacijske sile, tj. sedimentirati. Ako promatramo svaku koloidnu česticu zasebno, na nju djeluje gravitacijska sila, njoj suprotstavljena sila koja je posljedica vertikalne komponente Brownova gibanja i sila trenja. Kad se izjednače gravitacijska sila i sila trenja, doći će do sedimentacije koloidnih čestica.

Pozorno pogledajte videozapis Difuzija i prisjetite se kakav je to proces. 

Koloidne čestice većih su dimenzija od molekula i iona, stoga i sporije difundiraju kroz disperzno sredstvo. Na temelju toga svojstva s pomoću polupropusne membrane koloidne čestice mogu se odvojiti od čestica koje su u sastavu prave otopine. Thomas Graham tu je pojavu nazvao dijaliza. Polupropusne membrane u dijalizi ne djeluju kao sita kroz koja koloidne čestice neće proći, nego se one od iona ili manjih molekula iz otopine odvajaju na temelju mnogo manje brzine difuzije. Polupropusne se membrane s vrlo sitnim porama prema koloidnim česticama ponašaju i kao filtri, stoga se upotrebljavaju za pročišćavanje koloidnih sustava. Postupak se može ubrzati povećanjem tlaka zbog čega će ioni i manje molekule brže prolaziti kroz polupropusnu membranu. Taj postupak naziva se ultrafiltracija.