Dobivanje i primjena koloidnih sustava

Kondenzacija (okrupnjivanje) i disperzija (usitnjavanje) dva su načina priprave koloidnih sustava.

Površinski aktivne tvari ili tenzidi jesu molekule građene od dvaju dijelova: hidrofilne glave i hidrofobnoga repa. Najpoznatije površinski aktivne tvari jesu sapuni i deterdženti. 

Osnovna svojstva površinski aktivnih tvari su samoudruživanje i adsorpcija.

Adsorpcija se može pojaviti i na granici vodene i uljne faze, a makroskopsku pojavu nazivamo emulgiranje. Pomiješamo li vodu i ulje, tvari polarne i nepolarne građe, u heterogenoj će smjesi nastati dva sloja. Donji sloj bit će voden zbog veće gustoće vode, a gornji sloj uljni koji je manje gustoće. Dodatkom površinski aktivnih tvari smjesi vode i ulja nastat će emulzija jer površinski aktivne tvari djeluju kao emulgatori.

Ako je voda u suvišku, nastat će emulzija ulja u vodi u kojoj molekule površinski aktivnih tvari svojim nepolarnim hidrofobnim repićima okružuju nepolarne kapljice ulja, a hidrofilnim su glavama okrenute prema vodi. Ako je ulje u suvišku, nastat će emulzija vode u ulju.

Površinski ativne tvari smanjuju površinsku napetost vode što omogućava bolje kvašenje čvrstih površina.

Stabilnost emulzije, osim površinski aktivnih tvari, mogu uzrokovati i polimerne molekule, primjerice proteini. Takve vrste stabilizacije nazivamo steričke stabilizacije jer makromolekule koje se adsorbiraju na površini koloidnih čestica sprečavaju mogućnost njihova međudjelovanja, a time i agregaciju u veće čestice.

Stabilizacija koloida može se postići i elektrostatskim interakcijama pri čemu ionski sloj na površini koloidnih čestica sprečava nastajanje agregata. Primjer elektrostatske stabilizacije jest koloidni sustav srebrova klorida koji je stabiliziran viškom kloridnih iona.

Do destabilizacije koloida može doći promjenom pH-vrijednosti koloidnoga sustava, dodatkom otopina soli (elektrolita) ili nekoga dehidratacijskog sredstva, djelovanjem električne struje ili svjetlosti te promjenom temperature. Prilikom destabilizacije dolazi do promjene ustroja molekula ili iona koji okružuju čestice i tvore zaštitni plašt te sprečavaju međusobno povezivanje čestica koloida. Nakon što se molekule ili ioni uklone s površine, dolazi do agregacije čestica i koagulacije, pri čemu je krajnji ishod nastajanje taloga. Sposobnost taloženja nekoga elektrolita ovisi o karakteru njegovih iona. Veći naboj iona predstavlja i veću sposobnost taloženja, primjerice natrijev i magnezijev sulfat imaju veću sposobnost taloženja od natrijeva ili kalijeva jodida.

Otapanjem želatine u prahu u toploj vodi nastaje sol, a hlađenjem dolazi do koagulacije i nastaje gel. Zagrijavanjem gela želatine dolazi do peptizacije, ponovnoga prijelaza gela u sol, stoga je sol-gel prijelaz reverzibilan.

Stabilnost hidrofilnih solova kao što je želatina neće se narušiti dodavanjem male količine elektrolita. Tek dodatkom elektrolita u suvišku narušit će se hidratni ovoj, stoga se taloženje hidrofilnih solova bitno razlikuje od taloženja hidrofobnih solova. Doda li se u sol želatine natrijev sulfat uz zagrijavanje, doći će do dehidratacije. Prvo će se ukloniti difuzni sloj, čestice naginju koagulaciji, ali ipak još ostaju u otopini. Nastaju dvije tekuće faze od kojih je jedna koncentriraniji koloid oslobođen difuznoga sloja, koacervat, a druga razrjeđeniji koloid. Pojava razdvajanja hidrofilnih koloidnih čestica od kojih jedna sadržava koncentriraniji, a druga razrjeđeniji koloid naziva se koacervacija. Koacervati su mikroskopske kuglice (koncentriraniji koloid) bogate proteinima, makromolekulama ili, primjerice, nukleinskim kiselinama koje su u termodinamičkoj ravnoteži s razrjeđenijim koloidom.

Može se reći da su koloidi svuda oko nas, stoga je njihova primjena vrlo raznolika.

Zašto biste kupovali žele bombone i sir u trgovini kada ih nakon usvojenog znanja o koloidnim sustavima možete i sami pripremiti kod kuće? Istovremeno na temelju pokusa možete ispitati i ponoviti njihova svojstva.

Većina kozmetičkih proizvoda, primjerice šamponi, gelovi za tuširanje, kreme, micelarne vode i dekorativna kozmetika koloidni su sustavi. Površinski aktivne tvari jedan su od glavnih sastojaka tih proizvoda. Proučite upute i pokušajte sami pripraviti kremu za ruke, gel za dezinfekciju ruku i micelarnu vodu.

Po kemijskome sastavu sapuni su smjese natrijevih ili kalijevih soli viših masnih kiselina. Dobivaju se reakcijom saponifikacije, tj. alkalnom hidrolizom masti ili ulja. Uobičajeni sapun kojim se svakodnevno koristimo sadržava visok udio natrijeva stearata i natrijeva laurata.

Deterdženti su sintetski spojevi koji su prema svojstvima slični sapunima. Najpoznatiji su deterdženti natrijev dodecilsulfat i natrijev dodecilbenzensulfonat.

Kako sapun pere? Pozorno pogledajte videozapis i prisjetite se mehanizma djelovanja sapuna.

Poznato je puno onečišćivača voda. U tu skupinu ubrajaju se i deterdženti. Deterdženti za pranje rublja sadrže različite kemikalije. Neke od njih otapaju nečistoće, neke izbjeljuju rublje, neke daju ugodan miris. No često su i veliki problem za okoliš.

Kada štetne kemikalije iz deterdženata dođu u površinske vode, osim što onečišćuju vodu, ugrožavaju i floru i faunu. Danas se nastoje proizvoditi deterdženti čiji sastojci ne ugožavaju ljudsko zdravlje, ne štete okolišu te se gotovo ili u potpunosti razgrađuju. Takvi proizvodi su često skuplji, ali potrošači znaju da kupovinom takvoga deterdženta štite i svoje zdravlje i okoliš.

Kemijske industrije koje proizvode deterdžente nastoje na pakiranjima imati oznaku „Euro Compact“. To znači da je takva kompanija uključena u projekt Europskih proizvođača pod nazivom „Poboljšanje navika pranja rublja u službi očuvanja okoliša“. Cilj projekta je da deterdženti za pranje rublja budu u manjim pakiranjima s uputama za točno doziranje. Na taj način se smanjuje količina potrošnje deterdženta, a troši se i manje energije. Pojedini deterdženti na svojim pakiranjima imaju i „Eko oznaku“ kojom jamče da proizvod poštuje kriterije za zaštitu okoliša od procesa proizvodnje do razgradnje.

Pozorno pogledajte videozapis Elektroforeza i riješite zadatak.

Pozorno proučite grafikon koji prikazuje ovisnosti relativne pokretljivosti proteina analiziranih elektroforezom o njihovoj relativnoj molekulskoj masi.

Pozorno pogledajte videozapis Hemodijaliza i nakon toga riješite zadatak.

Nanočesticama se smatraju čestice kojima je barem jedna dimenzija u rasponu duljine od jednoga do stotinu nanometara. Mogu biti različitih oblika, primjerice zvjezdastoga, kockastoga, kuglastoga, pločastoga ili štapićastoga. Neke su anorganske nanočestice ugljikove nanocijevi, nanočestice zlata i kvantne točke. Organske su nanočestice, primjerice, liposomi, dendrimeri i polimerne nanokapsule.

Nanomaterijali su meterijali kojima su građevne jedinice nanočestice. Istraživanja koja je provela EUON (EU Observatory for Nanomaterials) su pokazala kako građani Europske unije žele bolje označavanje proizvoda koji sadrže nanomaterijale. Građani su svjesni prednosti ovih materijala, ali i rizika koji bi oni mogli predstavljati za zdravlje i okoliš. Rezultati istraživanja također pokazuju kako zabrinutost raste s nedovoljnim poznavanjem nanomaterijala. Građani smatraju kako bi na etiketama proizvoda, posebno prehrambenih, kozmetičkih i medicinskih proizvoda te odjeće i igračaka trebalo pisati sadrže li nanomaterijale. 

Nanomaterijali i nanočestice su zbog svojih posebnih svojstava danas gotovo neizostavni u brojnim proizvodima. Posebni značaj imaju u proizvodnji lijekova, dijagnostici i liječenju bolesti, stoga je proučavanje nanočestica, njihovih svojstava i primjene jedno je od najvažnijih područja moderne znanosti i tehnologije.

Pozorno pogledajte videozapise Što je nanotehnologija? i Je li nanotehnologija sigurna po zdravlje? i promislite o prednostima i nedostatcima nanotehnologije.