11.5: Colloids
- Page ID
- 176209
- Eleza muundo na mali ya kutawanyika kwa colloidal
- Orodha na kuelezea matumizi kadhaa ya teknolojia ya colloids
Kama mtoto, huenda umefanya kusimamishwa kama vile mchanganyiko wa matope na maji, unga na maji, au kusimamishwa kwa rangi imara katika maji, inayojulikana kama rangi ya tempera. Kusimamishwa haya ni mchanganyiko usio na kawaida unaojumuisha chembe kubwa ambazo zinaonekana (au ambazo zinaweza kuonekana kwa kioo cha kukuza). Wao ni mawingu, na chembe zilizosimamishwa hukaa baada ya kuchanganya. Kwa upande mwingine, tunapofanya suluhisho, tunatayarisha mchanganyiko wa homogeneous ambao hakuna kutulia hutokea na ambapo aina zilizovunjwa ni molekuli au ions. Ufumbuzi huonyesha tabia tofauti kabisa kutoka kwa kusimamishwa. Suluhisho linaweza kuwa rangi, lakini ni wazi, molekuli au ions hazionekani, na haziishi juu ya kusimama. Kikundi cha mchanganyiko kinachoitwa colloids (au dispersions colloidal) kuonyesha mali kati ya wale wa kusimamishwa na ufumbuzi (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)). Chembe katika colloid ni kubwa kuliko molekuli rahisi zaidi; hata hivyo, chembe colloidal ni ndogo ya kutosha kwamba hawana kukaa juu ya kusimama.
Chembe katika colloid ni kubwa ya kutosha kueneza mwanga, jambo linaloitwa athari ya Tyndall. Hii inaweza kufanya mchanganyiko colloidal kuonekana mawingu au opaque, kama vile mihimili searchlight inavyoonekana katika Kielelezo\(\PageIndex{2}\). Mawingu ni mchanganyiko wa colloidal. Wao hujumuisha matone ya maji ambayo ni makubwa zaidi kuliko molekuli, lakini hiyo ni ndogo ya kutosha kwamba hawana kukaa nje.
Neno “colloid” —kutoka maneno ya Kigiriki kolla, maana yake ni “gundi,” na eidos, maana yake “kama” —ilitumika mara ya kwanza mwaka 1861 na Thomas Graham kuainisha mchanganyiko kama vile wanga katika maji na gelatin. Chembe nyingi za colloidal ni jumla ya mamia au maelfu ya molekuli, lakini wengine (kama vile protini na molekuli za polymer) zinajumuisha molekuli moja kubwa sana. Molekuli za protini na synthetic za polymer zinazounda colloids zinaweza kuwa na raia wa molekuli kuanzia elfu chache hadi vitengo vya molekuli ya atomia milioni nyingi.
Sawa na utambulisho wa vipengele vya ufumbuzi kama “solute” na “kutengenezea,” vipengele vya colloid vivyo hivyo vinawekwa kulingana na kiasi chao cha jamaa. Sehemu chembechembe kawaida sasa katika kiasi kidogo inaitwa awamu kutawanyika na dutu au ufumbuzi katika ambayo chembechembe ni kutawanyika inaitwa kati ya utawanyiko. Colloids inaweza kuhusisha karibu mchanganyiko wowote wa majimbo ya kimwili (gesi katika kioevu, kioevu katika imara, imara katika gesi, nk), kama inavyoonyeshwa na mifano ya mifumo ya colloidal iliyotolewa katika Jedwali\(\PageIndex{1}\).
| Awamu ya kutawanyika | Utawanyiko kati | Mifano ya kawaida | Jina |
|---|---|---|---|
| thabiti | gesi | moshi, vumbi | — |
| thabiti | kioevu | wanga katika maji, baadhi inks, rangi, maziwa ya magnesia | sol |
| thabiti | thabiti | baadhi Gems rangi, baadhi aloi | — |
| kioevu | gesi | mawingu, ukungu, ukungu, dawa | erosoli |
| kioevu | kioevu | maziwa, mayonnaise, siagi | emalshani |
| kioevu | thabiti | jellies, gel, lulu, opal (H 2 O katika ISO 2) | jeli |
| gesi | kioevu | povu, cream iliyopigwa, wazungu wa yai | povu |
| gesi | thabiti | pumice, sabuni inayozunguka | — |
Maandalizi ya mifumo ya Colloidal
Tunaweza kuandaa mfumo wa colloidal kwa kuzalisha chembe za vipimo vya colloidal na kusambaza chembe hizi katika kati ya usambazaji. Vipande vya ukubwa wa colloidal huundwa na njia mbili:
- Mbinu za utawanyiko: yaani, kwa kuvunja chembe kubwa. Kwa mfano, rangi ya rangi huzalishwa kwa kugawa chembe kubwa kwa kusaga katika viwanda maalum.
- Mbinu za condensation: yaani, ukuaji kutoka vitengo vidogo, kama vile molekuli au ions. Kwa mfano, mawingu huunda wakati molekuli za maji zinavyozidi na kuunda matone madogo sana.
Dutu chache imara, wakati wa kuwasiliana na maji, hueneza kwa hiari na kuunda mifumo ya colloidal. Gelatin, gundi, wanga, na poda ya maziwa yaliyotokana na maji yaliyotokana na maji yanayotokana na maji Chembe tayari ni za ukubwa wa colloidal; maji huwatawanya tu. Chembe za maziwa ya unga ya ukubwa wa colloidal zinazalishwa na dawa ya maziwa ya maji. Baadhi ya atomizers huzalisha dispersions colloidal ya kioevu katika hewa.
Tunaweza kuandaa emulsion kwa kutetemeka pamoja au kuchanganya maji mawili yasiyotumiwa. Hii huvunja kioevu kimoja ndani ya matone ya ukubwa wa colloidal, ambayo hueneza katika kioevu kingine. Mafuta ya maji katika bahari inaweza kuwa vigumu kusafisha, sehemu kwa sababu hatua ya wimbi inaweza kusababisha mafuta na maji kuunda emulsion. Katika emulsions nyingi, hata hivyo, awamu ya kutawanyika huelekea kuunganisha, kuunda matone makubwa, na tofauti. Kwa hiyo, emulsions kawaida imetulia na wakala wa emulsifying, dutu ambayo inhibitisha coalescence ya kioevu kilichotawanyika. Kwa mfano, sabuni kidogo itaimarisha emulsion ya mafuta ya mafuta katika maji. Maziwa ni emulsion ya siagi katika maji, na protini casein kama wakala emulsifying. Mayonnaise ni emulsion ya mafuta katika siki, na vipengele vya yai ya yai kama mawakala wa emulsifying.
Mbinu za condensation huunda chembe za colloidal kwa kukusanya molekuli au ions. Ikiwa chembe zinakua zaidi ya ukubwa wa colloidal, matone au hupunguza fomu, na hakuna matokeo ya mfumo wa colloidal. Mawingu huunda wakati molekuli za maji zinakusanya na kuunda chembe za ukubwa wa collo Ikiwa chembe hizi za maji zinashirikiana kuunda matone makubwa ya maji ya maji ya maji au fuwele za maji imara, hukaa kutoka angani kama mvua, sleet, au theluji. Mbinu nyingi za condensation zinahusisha athari za kemikali. Tunaweza kuandaa kusimamishwa kwa colloidal nyekundu ya chuma (III) hidroksidi kwa kuchanganya suluhisho la kujilimbikizia la chuma (III) kloridi na maji ya moto:
\[\mathrm{Fe^{3+}}_{(aq)}+\mathrm{3Cl^-}_{(aq)}+\mathrm{6H_2O}_{(l)}⟶\mathrm{Fe(OH)}_{3(s)}+\mathrm{H_3O^+}_{(aq)}+\mathrm{3Cl^-}_{(aq)} \label{11.6.1} \]
Colloidal dhahabu sol matokeo ya kupunguza sana ufumbuzi wa dhahabu (III) kloridi kupunguza wakala kama vile formaldehyde, bati (II) kloridi, au chuma (II) sulfate:
\[\ce{Au}^{3+}+ \ce{3e}^− \rightarrow \ce{Au} \label{11.6.2} \]
Baadhi ya sols dhahabu tayari katika 1857 bado intact (chembe si coalesced na makazi), kuonyesha utulivu wa muda mrefu wa colloids wengi.
Sabuni na sabuni
Waanzilishi walifanya sabuni kwa kuchemsha mafuta yenye ufumbuzi mkubwa wa msingi uliofanywa na leaching carbonate ya potasiamu\(\ce{K_2CO_3}\), kutoka kwa majivu ya kuni na maji ya moto. Mafuta ya wanyama yana polyesters ya asidi ya mafuta (asidi ya carboxylic ya muda mrefu). Wakati mafuta ya wanyama yanatendewa na msingi kama carbonate ya potasiamu au hidroksidi ya sodiamu, glycerol na chumvi za asidi za mafuta kama vile palmitic, oleic, na asidi ya stearic hutengenezwa. Chumvi za asidi ya mafuta huitwa sabuni. Chumvi ya sodiamu ya asidi ya stearic, stearate ya sodiamu, ina formula\(\ce{C_{17}H_{35}CO_2Na}\) na ina mlolongo usio na nguvu wa hydrocarbon,\(\mathrm{C_{17}H_{35}-}\) kitengo, na kikundi cha kaboksili ya ionic,\(-\mathrm{\sideset{ }{_{2}^{-}}{CO}}\) kitengo (Kielelezo\(\PageIndex{3}\)).
Mambo ya sabuni (sabuni mbadala) pia yana minyororo isiyo ya kawaida ya hydrocarbon\(\mathrm{C_{12}H_{25}—}\), kama vile, na kikundi cha ionic, kama vile sulfate\(—\mathrm{\sideset{ }{_{3}^{-}}{OSO}}\), au sulfonate\(—\mathrm{\sideset{ }{_{3}^{-}}{SO}}\) (Kielelezo\(\PageIndex{4}\)). Sabuni huunda misombo ya kalsiamu na magnesiamu isiyo na maji katika maji ngumu; sabuni huunda bidhaa za mumunyifu wa maji-faida ya uhakika kwa sabuni.
Hatua ya kusafisha ya sabuni na sabuni inaweza kuelezewa kulingana na miundo ya molekuli zinazohusika. Hydrocarbon (nonpolar) mwisho wa sabuni au molekuli ya sabuni hupasuka katika, au huvutia, vitu visivyo na polar kama vile mafuta, mafuta, au chembe za uchafu. Mwisho wa ionic unavutiwa na maji (polar), iliyoonyeshwa kwenye Kielelezo\(\PageIndex{5}\). Matokeo yake, sabuni au sabuni molekuli kuwa oriented katika interface kati ya chembe uchafu na maji hivyo kutenda kama aina ya daraja kati ya aina mbili tofauti ya suala, nonpolar na polar. Molekuli kama hii huitwa amfifili kwani zina sehemu ya hidrofobiki (“kuogopa maji”) na sehemu ya hydrophilic (“kupenda maji”). Matokeo yake, chembe za uchafu zinasimamishwa kama chembe za colloidal na zinawashwa kwa urahisi.
Mlipuko wa kuchimba visima mafuta ya Deepwater Horizon tarehe 20 Aprili 2010, katika Ghuba ya Mexico karibu na Mississippi ulianza kumwagika kwa mafuta ya baharini kwa ukubwa katika historia ya mafuta ya petroli. Katika siku 87 zilizofuata mlipuko huo, makadirio ya mapipa milioni 4.9 (galoni milioni 210) ya mafuta yalitoka kwenye kisima kilichopasuka futi 5000 chini ya uso wa maji. Kisima hicho hatimaye kilitangazwa kufungwa tarehe 19 Septemba 2010.
Mafuta yasiyofaa hayapatikani na chini ya maji, hivyo mafuta yaliyomwagika yameongezeka kwenye uso wa maji. Vipande vilivyozunguka, meli za skimmer, na kuchomwa kwa kudhibitiwa zilitumika kuondoa mafuta kutoka kwenye uso wa maji katika jaribio la kulinda fukwe na maeneo ya mvua kando ya pwani ya Ghuba. Mbali na kuondolewa kwa mafuta, majaribio pia yalifanywa ili kupunguza athari zake za mazingira kwa kuitoa “mumunyifu” (kwa maana huru ya neno) na hivyo kuruhusu kuwa diluted kwa ngazi pengine chini madhara kwa kiasi kikubwa cha maji ya bahari. Njia hii ilitumia galoni milioni 1.84 ya mafuta ya Corexit 9527, ambayo nyingi ziliingizwa chini ya maji kwenye tovuti ya kuvuja, na kiasi kidogo kinachopunjwa juu ya kumwagika. Corexit 9527 ina 2-butoxyethanol (C 6 H 14 O 2), molekuli amphiphilic ambao polar na nonpolar mwisho ni muhimu kwa emulsifying mafuta katika matone madogo, kuongeza eneo la uso wa mafuta na kuifanya zaidi inapatikana kwa bakteria ya baharini kwa digestion (Kielelezo \(\PageIndex{6}\)). Wakati mbinu hii inaepuka hatari nyingi za haraka ambazo mafuta mengi yanaleta kwa mazingira ya baharini na pwani, inaanzisha uwezekano wa madhara ya muda mrefu kutokana na kuanzishwa kwa vipengele tata na uwezo wa sumu ya mafuta ya petroli katika mlolongo wa chakula wa bahari. Mashirika kadhaa yanahusika katika ufuatiliaji wa athari zilizopanuliwa za kumwagika kwa mafuta haya, ikiwa ni pamoja na Utawala wa Taifa wa Bahari na Anga.
Mali ya umeme ya Chembe za Colloidal
Chembe za colloidal zilizoenea mara nyingi zinashtakiwa umeme. Colloidal chembe ya chuma (III) hidroksidi, kwa mfano, haina ions kutosha hidroksidi fidia hasa kwa ajili ya mashtaka chanya juu ya chuma (III) ions. Hivyo, kila mtu colloidal chembe huzaa malipo chanya, na colloidal utawanyiko lina chembe colloidal kushtakiwa na baadhi ya bure hidroksidi ioni, ambayo kuweka usambazaji umeme upande wowote. Colloids nyingi za hidroksidi za chuma zina mashtaka mazuri, wakati metali nyingi na sulfidi za chuma huunda usambazaji wa kushtakiwa vibaya. Chembe zote za colloidal katika mfumo wowote zina mashtaka ya ishara sawa. Hii husaidia kuwaweka kutawanyika kwa sababu chembe zenye kama mashtaka zinarudiana.
Tunaweza kuchukua faida ya malipo kwenye chembe za colloidal ili kuziondoa kutoka mchanganyiko mbalimbali. Kama sisi kuweka usambazaji colloidal katika chombo na electrodes kushtakiwa, chembe chanya kushtakiwa, kama vile chuma (III) chembe hidroksidi, bila kuhamia electrode hasi. Huko, chembe za colloidal hupoteza malipo yao na kuchanganya kama usahihi.
Chembe za kaboni na vumbi katika moshi mara nyingi hutawanyika kwa colloidally na kushtakiwa kwa umeme. Chembe za kushtakiwa zinavutiwa na electrodes yenye kushtakiwa, ambako hupunguzwa na kuwekwa kama vumbi (Kielelezo\(\PageIndex{7}\). Hii ni moja ya mbinu muhimu zinazotumiwa kusafisha moshi kutoka kwa michakato mbalimbali ya viwanda. Mchakato huo pia ni muhimu katika kurejesha bidhaa muhimu kutoka kwa moshi na vumbi la flue la smelters, tanuu, na kilns. Pia kuna filters hewa ionic iliyoundwa kwa ajili ya matumizi ya nyumbani ili kuboresha ubora wa hewa ya ndani.
Gel
Tunapofanya gelatin, kama Jell-O, tunafanya aina ya colloid (Kielelezo\(\PageIndex{8}\)). Gelatin huweka juu ya baridi kwa sababu mchanganyiko wa maji ya moto wa gelatin huganda kama inavyozidi na molekuli nzima, ikiwa ni pamoja na kioevu, huweka kwenye mwili mkali sana unaojulikana kama gel, colloid ambayo kati ya kutawanyika ni imara na awamu ya kutawanyika ni kioevu. Inaonekana kwamba nyuzi za kati ya kutawanyika huunda mtandao tata wa tatu-dimensional, interstices kujazwa na kati ya kioevu au suluhisho la kuondokana la kati ya kutawanyika. Kwa sababu malezi ya gel inaongozana na kuchukua maji au kutengenezea nyingine, gel inasemekana kuwa hidrati au kutengenezea.
Pectin, kabohaidreti kutoka juisi za matunda, ni dutu ya kutengeneza gel muhimu katika kufanya jelly. Gel ya silika, usambazaji wa colloidal wa dioksidi ya hidrati ya silicon, hutengenezwa wakati kuondokana na asidi hidrokloriki imeongezwa kwa suluhisho la silicate ya s Joto la makopo ni gel iliyofanywa kwa kuchanganya pombe na suluhisho la maji yenye maji ya acetate ya kalsiamu.
Muhtasari
Colloids ni mchanganyiko ambapo dutu moja au zaidi hutawanyika kama chembe kubwa imara au matone ya kioevu katika kati imara, kioevu, au gesi. Chembe za colloid hubakia kutawanyika na hazipatikani kutokana na mvuto, na mara nyingi hushtakiwa umeme. Colloids ni kuenea katika asili na ni kushiriki katika maombi mengi ya teknolojia.
faharasa
- amphilic
- molekuli yenye wote hydrophobic (nonpolar) na hydrophilic (Polar) sehemu
- koloidi
- (pia, colloidal utawanyiko) mchanganyiko ambao chembe kubwa imara au kioevu ni kutawanyika enhetligt katika gesi, kioevu, au imara
- kati ya utawanyiko
- imara, kioevu, au gesi ambayo chembe colloidal ni kutawanyika
- awamu ya kutawanyika
- Dutu ya sasa kama chembe kiasi kikubwa imara au kioevu katika colloid
- wakala wa emulsifying
- amphiphilic Dutu kutumika kwa utulivu wa chembe ya emulsions baadhi
- emalshani
- colloid sumu kutoka vinywaji visivyoweza kushindwa
- jeli
- colloidal utawanyiko wa kioevu katika imara
- Tyndall athari
- kutawanyika kwa mwanga unaoonekana na utawanyiko wa colloidal