הגדרת מערכת קולואידית: מאפיינים, סוגים, מאפיינים ופונקציות

הגדרת מערכת קולואידית

קולואיד הוא תערובת הטרוגנית של חומרים (שני שלבים) בין שני חומרים או יותר בהם נמצאים חלקיקי החומר גודל קולואיד (שלב מפוזר / שמתפרק) מתפזר באופן אחיד בחומר אחר (מדיום מתפזר / נַחשׁוֹל). גודל החלקיקים הקולואידים נע בין 1-100 ננומטר. הגודל המדובר יכול להיות בצורה של קוטר, אורך, רוחב או עובי של חלקיק. דוגמה נוספת למערכת קולואידית היא דיו, המורכב מאבקות צבעוניות (מוצקים) עם נוזל (מים). מלבד דיו, ישנן מערכות קולואידליות רבות אחרות, כגון מיונז, ספריי לשיער, ג'לי וכו '.

המצב הקולואידלי או מערכת הקולואיד או השעיה קולואידית או תמיסה קולואידית או קולואיד הם תערובת פאזה שניים, כלומר השלב המפוזר והשלב המפוזר בגודל החלקיקים המפוזרים נע בין 10-7 ל 10-4 ס"מ. גודל החלקיק המפוזר אינו מסביר את מצב החלקיק. חלקיקים יכולים להיות מורכבים מאטומים, מולקולות קטנות או מולקולות גדולות מאוד. זהב קולואיד מורכב מחלקיקים בגדלים שונים, שכל אחד מהם מכיל מיליוני אטומי זהב ומעלה. גופרית קולואידית מורכבת מחלקיקים המכילים כאלף מולקולות S8. דוגמה למולקולה גדולה מאוד (הנקראת גם מקרומולקולה) היא המוגלובין. המשקל המולקולרי של מולקולה זו הוא 66800 ס"מ וקוטר כ 6 x 10-7.

---

הגדרת מערכת קולואידית על פי מומחים

גרהם

מצא כי תמיסת נתרן כלורי מתפזרת בקלות בעוד עמילן, ג'לטין וחלבון ביצה מתפשטים לאט מאוד או בכלל לא. חומרים שקשה להבהיר מכונים קולואידים.

אוסטוולד (1907)

מערכת קולואידית היא תערובת הטרוגנית של שניים או יותר חלקיקים בגודל קולואיד (שלב מפוזר) המופצים באופן שווה בחומרים אחרים (מדיה פיזור).

סוגי קולואידים

מערכת קולואידית מורכבת משלב מפוזר שמתפזר באופן שווה במדיום מתפזר. השלב והמפזר המפוזר יכול להיות מוצק, נוזלי וגז. בהתבסס על השלב המפוזר, ניתן לקבץ מערכות קולואידיות לשלוש, כלומר:

סול (שלב מפוזר מוצק)

• א. סול מוצק הוא סול במדיום מתפזר ב
  דוגמה: סגסוגת מתכת, זכוכית צבעונית, יהלום שחור
• ב. סול נוזלי הוא סול במדיום המפזר נוזלים
  דוגמא: צבע, דיו, קמח במים, חימר
• ג. סול גז הוא סול במדיום המפזר גז
  דוגמא: אבק באוויר, עשן בעירה

תחליב (שלב מפוזר בנוזל)

• א. אמולסיה מוצקה היא אמולסיה במדיס פיזור מוצק
  דוגמא: ג'לי, גבינה, חמאה, אורז
• ב. תחליב נוזלי הוא תחליב במדיס פיזור נוזלי
  דוגמא: חלב, מיונז, קרם ידיים
• ג. תחליב גז הוא אמולסיה במדיום המפזר גז
  דוגמה: תרסיס לשיער ודוחה חרקים

קצף (שלב מפוזר בגז)

• א. קצף מוצק הוא קצף במדיום פיזור מוצק.
  דוגמאות: פומיס, מרשמלו, גומי קצף, קלקר
• ב. קצף נוזלי הוא קצף במדיום המפזר נוזלים
  דוגמא: חלבונים טרופים, קצף סבון

לקיבוץ קצף, אם השלב המפוזר ומדיס הפיזור הם גזיים, התערובת מסווגת כפתרון

תכונות קולואידליות

• אפקט טינדל

אפקט Tyndall הוא תופעה של פיזור קרני אור (אור) על ידי חלקיקים קולואידים. זאת בשל גודלה הגדול של מולקולת הקולואיד. אפקט Tyndall התגלה על ידי ג'ון Tyndall (1820-1893), פיזיקאי אנגלי. לכן, אופי מה שנקרא אפקט Tyndall.

אפקט Tyndall הוא האפקט המתרחש כאשר פתרון נחשף לאור. כאשר פיתרון אמיתי (תמונה שמאלית) מואר באור, הפתרון לא יפזר אור, ואילו במערכת קולואידית (תמונה ימנית), האור יפוזר. זה קורה מכיוון שלחלקיקים קולואידים יש חלקיקים גדולים יחסית כדי להיות מסוגלים לפזר את האור. מצד שני, בתמיסה אמיתית, החלקיקים קטנים יחסית, כך שהפיזור מתרחש הוא קטן מאוד וקשה מאוד להתבונן בו.

• תנועת בראון

תנועה בראונית היא תנועה של חלקיקים קולואידיים הנעים תמיד בקו ישר אך באופן סדיר (תנועה אקראית / לא סדירה). אם נצפה בקולואידים במיקרוסקופ אולטרה, נראה שחלקיקים אלה נעים בצורה של זיגזג. תנועת זיגזג זו נקראת תנועה בראונית. חלקיקי החומר נמצאים תמיד בתנועה.

התנועה יכולה להיות אקראית כמו בנוזלים ובגזים, או פשוט לרטוט במקום כמו במוצקים. עבור קולואידים עם מדיום פיזור נוזלים או גז, תנועת החלקיקים תביא להתנגשויות עם החלקיקים הקולואידים עצמם. ההתנגשות התרחשה מכל הכיוונים. מכיוון שגודל החלקיקים קטן למדי, ההתנגשויות המתרחשות נוטות להיות לא מאוזנות. אז יש התנגשות כתוצאה שגורמת לשינוי כיוון תנועת החלקיקים כך שיש תנועת זיגזג או תנועה בראונית. ככל שגודל החלקיקים הקולואידיים קטן יותר, כך מתרחשת תנועה בראונית מהירה יותר. באופן דומה, ככל שגודל החלקיקים הקולואידים גדול יותר, כך התנועה הבראונית המתרחשת איטית יותר. זה מסביר מדוע קשה לצפות בתנועה בראונית בתמיסה ואינה נמצאת במוצקים (השעיות). תנועה בראונית מושפעת גם מהטמפרטורה. ככל שהטמפרטורה של המערכת הקולואידלית גבוהה יותר, כך האנרגיה הקינטית של חלקיקי המדיום המפזר גדולה יותר. כתוצאה מכך, התנועה הבראונית של חלקיקי השלב המפוזר מואצת. ולהיפך, ככל שהטמפרטורה של המערכת הקולואידית נמוכה יותר, התנועה הבראונית איטית יותר.

• קְלִיטָה

ספיגה היא האירוע של ספיגת חלקיקים או יונים או תרכובות אחרות על פני החלקיקים הקולואידים הנגרמים על ידי שטח הפנים הגדול של החלקיקים. (הערה: יש להבדיל בין ספיגה לספיגה שמשמעותה ספיגה המתרחשת בתוך חלקיק). דוגמה: (i) Fe Colloidal (OH) 3 טעון באופן חיובי מכיוון שפני השטח שלו סופגים יונים H +. (ii) As2S3 קולואידלי טעון שלילית מכיוון שפני השטח שלו סופחים יונים S2.

• מטען קולואידלי

ישנם שני סוגים של קולואידים, כלומר קולואידים בעלי טעינה חיובית וקולואידים בעלי טעינה שלילית.

• קרישה קולואידית

קרישה היא צבירת חלקיקים קולואידים ויוצרת משקע. עם הופעת הקרישה, המשמעות היא שהחומר המפוזר אינו יוצר עוד קולואידים. קרישה יכולה להתרחש פיזית כגון חימום, קירור ובחישה או כימית כגון תוספת של אלקטרוליטים, ערבוב קולואידים עם מטענים שונים.

• קולואיד מגן

קולואידים מגנים הם קולואידים בעלי תכונות שיכולות להגן על קולואידים אחרים מתהליך הקרישה.

• דיאליזה

דיאליזה היא הפרדה של קולואידים ליונים המפריעים בדרך זו נקרא תהליך דיאליזה.

• אלקטרופורזה

אלקטרופרזיס הוא הפרדה של חלקיקים קולואידיים טעונים באמצעות זרם חשמלי.

ביצוע מערכת קולואידית

תגובת פירוק כפולה
לדוגמה:

• סול As2S3 מיוצר על ידי הזרמת H2S לאט דרך פתרון As2O3 קר עד
• נוצר סול As2S3 צהוב בוהק;
• As2O3 (aq) + 3H2S (g) As2O3 (colloid) + 3H2O (l)
• (קולואיד As2S3 טעון שלילית מכיוון שפני השטח שלו סופחים יונים S2)
• סול AgCl מוכן על ידי ערבוב תמיסת AgNO3 מדוללת ופתרון HCl מדולל;
• AgNO3 (ag) + HCl (aq) AgClO (colloid) + HNO3 (aq)

חימום חנקתי

כאשר הם מחוממים, רוב החנקות נוטות להתפרק ליצירת תחמוצות מתכת, חנקן דו חמצני בצורת עשן חום וחמצן.

לדוגמא, חנקות פשוטות מקבוצה 2 כגון מגנזיום חנקתי מתפרקות על ידי התגובה הבאה:

בקבוצה 1, ליתיום חנקתי עובר את אותו תהליך פירוק - ייצור תחמוצת ליתיום, חנקן דו חמצני וחמצן. עם זאת, החנקות של אלמנטים שאינם ליתיום בקבוצה 1 אינם מפורקים לחלוטין (לפחות לא מתפרק בטמפרטורת בונסן) - מייצר ניטריט מתכת וחמצן, אך ללא חנקן תַחמוֹצֶת. כל החנקות מנתרן לצזיום מתפרקות על פי התגובה שלעיל, ההבדל היחיד הוא החום שיש לחוות כדי שתתרחש התגובה. ככל שמתחת לקבוצה, הפירוק יהיה קשה יותר ונדרשת טמפרטורות גבוהות יותר.

חימום קרבונט

כאשר הם מחוממים, רוב הפחמתי נוטים להתפרק ליצירת תחמוצות מתכת ופחמן דו חמצני. לדוגמא, פחמתי פשוטים מקבוצה 2 כגון סידן פחמתי מתפרקים באופן הבא:
בקבוצה 1 ליתיום פחמתי עובר את אותו תהליך פירוק לייצור תחמוצת ליתיום ופחמן דו חמצני.

קרבונטים של היסודות שאינם ליתיום בקבוצה 1 אינם מתפרקים בטמפרטורת הבונסן, אם כי בטמפרטורות גבוהות יותר הם עושים זאת. טמפרטורת הפירוק עולה שוב בהמשך הקבוצה.

פונקציות של שימוש קולואידלי

מערכות קולואידליות נמצאים בשימוש נרחב בחיי היומיום, במיוחד בחיי היומיום. זאת בשל המאפיינים החשובים של קולואידים, שניתן להשתמש בהם כדי לערבב חומרים שאינם מסיסים הומוגנית זה בזה ויציבים לייצור בקנה מידה גדול גָדוֹל.

להלן טבלת יישומים קולואידים:

להלן הסבר על יישומי קולואיד:

• הלבנת סוכר

ניתן להלבין סוכר קנים שעדיין צבעוני. על ידי המסת סוכר למים ואז התמיסה מוזרמת דרך מערכת קולואידית של אדמה דיאטומית או פחמן. חלקיקים קולואידים יספגו את הצבע. החלקיקים הקולואידים סופחים את הצבע מסוכר קנים, כך שהסוכר יכול להיות לבן.

• קרישת דם

הדם מכיל מספר קולואידים חלבונים טעונים שלילית. אם מתרחשת פציעה, ניתן לטפל בפצע בעזרת עיפרון טיפולי או אלום המכיל יונים Al3 + ו- Fe3 +. יונים אלה עוזרים לנטרל את החלקיקים הקולואידים בחלבון כך שניתן יהיה לבצע את תהליך קרישת הדם ביתר קלות.

• טיהור מים

מי הברז הנוכחיים (PDAM) מכילים חלקיקים קולואידיים של חימר, בוץ וחלקיקים שונים אחרים בעלי טעינה שלילית. לכן, כדי שיהיה כשיר לשתייה, יש לנקוט בכמה צעדים על מנת שניתן יהיה להפריד בין החלקיקים הקולואידים. זה נעשה על ידי הוספת אלום (Al2SO4) 3. יון ה- Al3 + הכלול באלום יעבור הידרוליזה ליצירת חלקיקים קולואידאליים טעונים באופן חיובי של Al (OH) 3 באמצעות התגובה:

Al3 + + 3H2O Al (OH) 3 + 3H +

לאחר מכן, Al (OH) 3 מסיר מטענים שליליים מחלקיקי החימר / בוץ וקרישה מתרחשת בבוץ. ואז הבוץ מתיישב עם אלום שמתיישב גם בגלל השפעת כוח המשיכה. להלן תכנית מלאה של תהליך טיהור המים.