11.6: Colloids

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

• 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, suluhisho ni 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. Darasa jingine la mchanganyiko inayoitwa colloids (au dispersions colloidal) inaonyesha mali kati ya wale wa kusimamishwa na ufumbuzi (Kielelezo 11.29). Chembe katika colloid ni kubwa kuliko molekuli rahisi zaidi; hata hivyo, chembe colloidal ni ndogo ya kutosha kwamba hawana kukaa juu ya kusimama.

Kielelezo 11.29 (a) Suluhisho ni mchanganyiko mzuri unaoonekana wazi, kama vile maji ya chumvi katika aquarium hii. (b) Katika colloid, kama vile maziwa, chembe ni kubwa zaidi lakini kubaki kutawanyika na wala kukaa. (c) Kusimamishwa, kama vile matope, ni mchanganyiko tofauti wa chembe zilizosimamishwa ambazo zinaonekana mawingu na ambazo chembe zinaweza kukaa. (mikopo picha: mabadiliko ya kazi na Adam Wimsatt; mikopo b picha: mabadiliko ya kazi na Melissa Wiese; mikopo c picha: mabadiliko ya kazi na Peter Burgess)

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 11.30. 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.

Kielelezo 11.30 Njia za mihimili ya utafutaji zinaonekana wakati mwanga umetawanyika na chembe za ukubwa wa colloidal katika hewa (ukungu, moshi, nk). (mikopo: “Bahman” /Wikimedia Commons)

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 ilivyoonyeshwa na mifano ya mifumo ya colloidal iliyotolewa katika Jedwali 11.4.

Mifano ya mifumo ya Colloidal

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	—

Jedwali 11.4

Maandalizi ya mifumo ya Colloidal

Colloids huandaliwa kwa kuzalisha chembe za vipimo vya colloidal na kusambaza chembe hizi katika kati ya utawanyiko. Vipande vya ukubwa wa colloidal huundwa na njia mbili:

1. Mbinu za kutawanyika: kuvunja chembe kubwa. Kwa mfano, rangi ya rangi huzalishwa kwa kugawa chembe kubwa kwa kusaga katika viwanda maalum.
2. Mbinu za condensation: 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 dehydrating. Baadhi ya atomizers huzalisha dispersions colloidal ya kioevu katika hewa.

Emulsion inaweza kuwa tayari kwa kutetemeka pamoja au kuchanganya maji mawili yasiyotumiwa. Hii huvunja kioevu kimoja ndani ya matone ya ukubwa wa colloidal, ambayo hueneza katika kioevu kingine. Umwagikaji wa mafuta 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 hutumikia kama wakala wa 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. Kusimamishwa kwa colloidal nyekundu ya hidroksidi ya chuma (III) inaweza kuwa tayari kwa kuchanganya suluhisho la kujilimbikizia chuma (III) kloridi na maji ya moto:

$${\text{Fe}}^{\text{3+}}(\mathrm{aq})+3{\text{Cl}}^{\text{-}}(\mathrm{aq})+6{\text{H}}_2\text{O}\left(l\right)⟶\text{Fe}{\left(\text{OH}\right)}_3(s)+{\text{H}}_3{\text{O}}^{\text{+}}(aq)+3{\text{Cl}}^{\text{-}}(aq).$$

Colloidal dhahabu sol matokeo ya kupunguza sana ufumbuzi wa dhahabu (III) kloridi kupunguza wakala kama vile formaldehyde, bati (II) kloridi, au chuma (II) sulfate:

$${\text{Au}}^{\text{3+}}+3{\text{e}}^{\text{-}}⟶\text{Au}$$

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, K ₂ CO 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 sodium ya asidi stearic, sodium stearate, ina formula C ₁₇ H ₃₅ CO ₂ Na na ina uncharged nonpolar hydrocarbon mnyororo, C ₁₇ H ₃₅ — kitengo, na kundi ionic kaboksili, the —${\text{USHIRIKIANO}}_2{}^{\text{-}}$kitengo (Kielelezo 11.31).

Kielelezo 11.31 Sabuni zina mwisho wa hydrocarbon nonpolar (bluu) na mwisho wa ionic (nyekundu). Mwisho wa ionic ni kundi la carboxylate. Urefu wa mwisho wa hydrocarbon unaweza kutofautiana kutoka sabuni hadi sabuni.

Dawa (sabuni substitutes) pia zina minyororo isiyo na polar ya hidrokaboni, kama vile C ₁₂ H ₂₅ —, na kikundi cha ioniki, kama vile sulfate—${\text{OSO}}_3{}^{\text{-}},$au sulfonate—${\text{KWA HIVYO}}_3{}^{\text{-}}$(Kielelezo 11.32). 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.

Kielelezo 11.32 Dawa zina mwisho wa hydrocarbon nonpolar (bluu) na mwisho wa ionic (nyekundu). Mwisho wa ionic unaweza kuwa sulfate au sulfonate. Urefu wa mwisho wa hydrocarbon unaweza kutofautiana kutoka sabuni hadi 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 Mchoro 11.33. 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.

Kielelezo 11.33 Hii diagrammatic msalaba sehemu ya tone emulsified ya mafuta katika maji inaonyesha jinsi sabuni au sabuni vitendo kama emulsifier.

Kemia katika Maisha ya Kila siku

Deepwater horizon mafuta kumwagika

Mlipuko wa kuchimba visima mafuta ya Deepwater Horizon tarehe 20 Aprili 2010, katika Ghuba ya Mexico karibu na Mississippi ulianza kumwagika mafuta ya baharini kwa ukubwa katika historia ya sekta 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 11.34). 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 (tembelea tovuti hii kwa maelezo ya ziada).

Kielelezo 11.34 (a) Hii NASA satellite picha inaonyesha mafuta mjanja kutoka Deepwater Horizon kumwagika. (b) Marekani Air Force ndege dawa Corexit, dispersant. (c) Muundo wa Masi ya 2-butoxyethanol unaonyeshwa. (mikopo a: mabadiliko ya kazi na “NASA, FT2, demis.nl” /Wikimedia Commons; mikopo b: mabadiliko ya kazi na “NASA/MODIS Rapid Response Team” /Wikimedia Commons)

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.

Hali ya kushtakiwa ya chembe za colloidal zinaweza kutumiwa ili kuziondoa kutoka mchanganyiko mbalimbali. Kwa mfano, chembe zinazojumuisha moshi mara nyingi hutawanyika kwa colloidally na kushtakiwa kwa umeme. Frederick Cottrell, mwanakemia wa Marekani, alianzisha mchakato wa kuondoa chembe hizi. Chembe za kushtakiwa zinavutiwa na electrodes yenye kushtakiwa, ambako hupunguzwa na kuwekwa kama vumbi (Kielelezo 11.36). 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 sawa za hewa za umeme zinazopangwa kwa matumizi ya nyumbani ili kuboresha ubora wa hewa ya ndani.

Picha ya Kemia

Frederick Gardner Cottrell

Kielelezo 11.35 (a) Frederick Cottrell alianzisha (b) precipitator ya umeme, kifaa kilichopangwa ili kukabiliana na uchafuzi wa hewa kwa kuondoa chembe za colloidal kutoka hewa. (mikopo b: mabadiliko ya kazi na “Splot” /Wikimedia Commons)

Alizaliwa Oakland, CA, mwaka wa 1877, Frederick Cottrell alikula vitabu vya vitabu kama vile ni riwaya na kuhitimu shule ya sekondari akiwa na umri wa miaka 16. Kisha akaingia Chuo Kikuu cha California (UC), Berkeley, akimaliza shahada ya kwanza katika miaka mitatu. Aliokoa pesa kutokana na mshahara wake wa mwaka wa dola 1200 akiwa mwalimu wa kemia katika shule ya sekondari ya Oakland ili kufadhili masomo yake katika kemia huko Berlin akiwa na mshindi wa tuzo ya Nobel Jacobus Henricus van't Hoff, na huko Leipzig akiwa na Wilhelm Ostwald, mshindi mwingine Baada ya kupata PhD yake katika kemia ya kimwili, alirudi Marekani kufundisha katika UC Berkeley. Pia aliwasiliana na Kampuni ya DuPont, ambako alianzisha precipitator ya umeme, kifaa kilichopangwa ili kukabiliana na uchafuzi wa hewa kwa kuondoa chembe za colloidal kutoka hewa. Cottrell alitumia mapato kutoka kwa uvumbuzi wake kufadhili shirika lisilo la faida la utafiti ili kufadhili utafiti wa kisayansi.

Kielelezo 11.36 Katika precipitator ya Cottrell, chembe chanya na za kushtakiwa vibaya huvutiwa na electrodes yenye kushtakiwa, ambako hutolewa na kuwekwa kama vumbi.

Gel

Gelatin desserts, kama vile Jell-O, ni aina ya colloid (Kielelezo 11.37). Gelatin seti juu ya baridi kwa sababu moto maji mchanganyiko wa gelatin coagulates kama cools, kujitoa mwili KINATACHO sana inayojulikana kama gel. Gel ni usambazaji wa colloidal wa awamu ya kioevu katika awamu imara. 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.

Kielelezo 11.37 Gelatin desserts ni colloids ambayo suluhisho la maji ya vitamu na ladha hutawanyika katika kati ya protini imara. (picha ya mikopo: mabadiliko ya kazi na Steven Depolo)

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 inayowaka inayofanywa kwa kuchanganya pombe na suluhisho la maji yenye maji ya acetate ya kalsiamu.