Koloid

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 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]

Micelární koloidy[poz. 1] představují systém skládající se z kapalného disperzního prostředí a micel koloidní velikosti vytvořených asociací amfifilních molekul v pravém roztoku. 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 vymezit, neboť v některých ohledech připomínají dvoufázový systém.[1][2]

Představuje 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]

Častějším 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]

Agregaci 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

• přídavek malého množství lyofilního koloidu nemůže zajistit stabilizaci a tudíž nastane koagulace
• při dostatečném množství lyofilního koloidu dochází ke stabilizaci.

Lyofobní 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]

Je 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]

Jsou 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.

Lze je připravit dvěma základními postupy - dispergačními a kondenzačními metodami.

Částice hrubě disperzního podílu jsou mechanicky rozmělňovány (mlýnky) nebo vibračně (ultrazvukem). Vznik disperze tedy vyžaduje vynaložení práce.[1]

Z analytického disperzního systému jsou vylučovány částice ve formě koloidů. Toho lze dosáhnout vytvořením podmínky přesycení systému.[2]

Změna 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.

Proběhnutím chemické reakce vznikne nerozpustná látka. Příkladem typu reakce může být např. srážení, redukce, oxidace, hydrolýza apod.

Lze 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]

Micelární 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]

Obecné vlastnosti lyofobní disperze se poměrně liší podle skupenství disperzního podílu a disperzního prostředí (emulze, pěny, soly adt.).[1]

Kromě 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:

• schopnost gelace, což je typická vlastnost,
• difúzní koeficient makromolekul v roztoku bývá nízký,
• obvykle bývají sedimentačně stálé; sedimentují až v dostatečně silném odstředivém poli,
• rozptylují světlo, ale méně než lyofobní disperze,
• roztoky lineárních vysokopolymerních neelektrolytů vykazují odchylky od osmotického tlaku daného van't Hoffovou rovnicí – je ji potřeba rozšířit o druhý viriální člen,
• viskozita zředěných globulárních roztoků se řídí Einsteinovou rovnicí. Lineární koloidy projevují odchylky od této rovnice i v nekonečném zředění.

Jejich 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]

• Baborovský J., Všudypřítomné koloidy. Úvod do chemie a fyziky koloidního stavu, 1944.
• Bartovská, L., Šišková, M., Fyzikální chemie povrchů a koloidních soustav VŠCHT Praha 2005
• Pouchlý J., Vavruch I., Fyzikální chemie koloidních soustav, STNL Praha 1998
• Pouchlý J., Fyzikální chemie makromolekulárních a koloidních soustav, VŠCHT Praha 2008
• Pouchlý J., Koloidní chemie, STNL Praha 1980
• Vojuckij S. S., Kurs koloidní chemie, STNL Praha 1984
• Ščukin E. D., Percov A. V., Amelinová E. A., Koloidní chemie, Academia Praha 1990

• disperzní systém
• sol
• tuhý sol
• solubilizace
• emulze
• gel
• tuhá emulze
• nanotechnologie
• pěna
• aerosol
• polymer
• Brownův pohyb
• tuhá pěna
• elektrická dvojvrstva
• micely
• Tyndallův jev
• Koloidní stříbro

• Obrázky, zvuky či videa k tématu koloid na Wikimedia Commons
• Slovníkové heslo koloid ve Wikislovníku
• on-line dostupná verze knihy Fyzikální chemie povrchů a koloidních soustav