Koloid

U opštem smislu, koloid ili koloidna disperzija jeste supstanca koju sačinjavaju komponente koje mogu biti u jednom, dva i više različitih faznih stanja, drugim rečima, vrsta mešavine koja je prelaz između homogene mešavine (drugi naziv je rastvor) i heterogene mešavine, i čija su svojstva takođe na prelazu između pomenute dve grupe mešavina. Tipične membrane ograničavaju prolaz dispergovanih koloidnih čestica u većoj meri nego što je to slučaj kod rastvorenih jona ili molekula: tj. joni ili molekuli mogu difundovati kroz membranu kroz koju dispergovne čestice neće moći proći. Čestice dispergovane faze su većinom pod uticajem hemije površinskog napona koja je značajna u koloidima.

Brojne poznate supstance poput putera, mleka, pavlake, aerosoli (magla, smog, dim), asfalta, mastila, farbe, lepkova, i morske pene su koloidi. Ovo polje proučavanja je uvedeno 1861. godine od strane škotskog naučnika Tomasa Grejema.

Veličina čestica koje sačinjavaju dispergovanu fazu unutar koloida varira od 1 nm do 1 000 nm. Disperzije u kojima se veličina čestica kreće u ovom opsegu se nazivaju koloidnim aerosolima, koloidnim emulzijama, koloidnim penama, ili koloidnim suspenzijama ili disperzijama. Koloidi mogu biti obojeni ili prozirni usled Tindalovog efekta, koji predstavlja rasejanje svetlosti koja prolazi kroz koloid.

Klasifikacija koloida 
Koloidi se mogu klasifikovati na sledeći način:

Interakcije između čestica koloida 
Navodimo sile koje igraju važnu ulogu u međudejstvima koloidnih čestica:
 Odbijanja neobuhvaćene zapremine: odnose se na nemogućnost bilo kakvog preklapanja čvrstih čestica.
 Elektrostatičke interakcije: čestice koloida su često naelektrisane i stoga se međusobno privlače ili odbijaju. Naboj bilo sredine bilo dispergovane faze, kao i pokretljivost faza, su činioci koji utiču na ovu vrstu interakcija.
 van der Valsove sile: ova međudejstva nastaju usled interakcija između dipola i indukovanih dipola. Čak iako čestice nisu stalni dipoli, fluktuacije gustine naelektrisanja koja ih okružuju (pripadajući elektroni) stvaraju od njih privremeno naelektrisane čestice. Ovi privremeni dipoli indukuju, svojom blizinom, preraspodelu naelektrisanja i pojavu dipola u okolnim česticama. Privremeni dipol i indukovani dipol se potom međusobno privlače. Ova pojava je poznata kao van der Valsova sila i uvek je prisutna na malim rastojanjima i uvek ima privlačni karakter.
 Entropijske sile: prema drugom zakonu termodinamike, sistem se kreće ka stanju sa maksimalnom entropijom. Ova činjenica može imati za posledicu pojavu sila čak i između sfernih površina čvrstih tela.
 Prostorne sile koje se javljaju između površina prekrivenih polimerima, ili u rastvorima koji sadrže neapsorbujuće polimere, mogu modulisati sile između čestica, stvarajući dodatne odbojne prostorne sile koje su stabilišuće ili dodatne privlačne sile koje iscrpljuju prostor između čestica.

Stabilizacija koloidnih suspenzija 
Stabilizacija služi sprečavanju agregacije koloidnih čestica. Prostorna stabilizacija i elektrostatička stabilizacija su dva glavna mehanizma stabilizacije koloida. Elektrostatička stabilizacija je zasnovana na obostranom odbijanju istorodnih električnih naboja. Različite faze, u opštem slučaju, imaju različite afinitete, tako da se na bilo kojoj dodirnoj površini stvara nabojni dvosloj. Čestice male veličine imaju relativno velike površine (u odnosu na sopstvenu masu) što je izuzetno naglašeno upravo kod koloida. U stabilnom koloidu, masa dispergovane faze je toliko mala da je njena plovljivost ili kinetička energija isuviše mala da bi prevazišla elektrostatičko odbijanje između naelektrisanih slojeva dispergovane faze. Naboj na dispergovanim česticama se može posmatrati primenom električnog polja: sve čestice migriraju prema istoj elektrodi i stoga moraju sve imati istorodni električni naboj.

Destabilizacija koloidnih suspenzija 
Nestabilne koloidne suspenzije se formiraju agregate (flokule) usled prikupljanja čestica nastalog međučestičnim privlačenjem. Ovo se može postići brojnim različitim metodama:
 Uklanjanjem elektrostatičke barijere koja sprečava agregaciju čestica. Ovo se može postići dodatkom soli u suspenziju ili promenom pH čime se delotvorno neutrališe "ekran" površinskog naboja na česticama suspenzije. Ovime se uklanjaju odbojne sile koje razdvajaju čestice koloida i omogućava koagulacija van der Valsovim silama.
 Dodavanje naelektrisanog polimerskog flokula (agregata). Polimerski flokul može premostiti individulane koloidne čestice pomoću privlačnih elektrostatičkih sila. Primera radi, negativno naelektrisane čestice silicijuma mogu biti flokulisane dodavanjem pozivitno naelektrisanog polimera.
 Dodavanje neadsorbovanih polimera, nazvanih osiromašivači, koji dovode do agregacije usled entropijskih efekata.

Nestabilne koloidne suspenzije niskog zapreminskog udela formiraju klasterske tečne suspenzije u kojima individualni klasteri čestica padaju na dno suspenzije (ili plutaju na površini ukoliko čestice imaju manju gustinu od okolne sredine) do trenutka kada klasteri dostignu dovoljnu veličinu pri kojoj ih Braunijevske sile koje deluju u pravcu održanja čestica u suspenziji mogu održati nasuprot dejstvu sile gravitacije. Međutim, koloidne suspenzije većeg zapreminskog udela formiraju koloidne želatine koji poprimaju svojstva viskoelastičnosti. Viskoelastični koloidni želatini poput paste za zube, teku kao tečnosti koje su podvrgnute smicajnim naponima ali zadržavaju svoj oblik kada se dejstvo napona ukloni. Iz ovog razloga se fluidi poput paste za zube mogu istisnuti iz tube ali zadržavaju svoj oblik na četkici za zube nakon što su istisnuti.

Koloidi kao modeli sistema atoma 
U fizici, koloidi su interesantni sistemi za modeliranje sistema atoma. Koloidne čestice su dovoljno velike da bi se mogle posmatrati optičkim tehnikama poput konfokalne mikroskopije. Brojne sile koje upravljaju stanjem strukture i ponašanjem materije, poput interakcije neobuhvaćene zapremine ili elektrostatičke sile upravljaju i ponašanjem koloidnih suspenzija. Primera radi, iste tehnike koje se mogu koristiti u modeliranju idealnih gasova, mogu se koristiti i u modeliranju koloidne suspenzije čvrstog stanja u obliku lopte. Štaviše, fazni prelazi u koloidnim suspenzijama se mogu proučavati u realnom vremenu korišćenjem optičkih tehnika koje su analogne faznim prelazima u tečnostima.

Koloidi u biologiji 
Početkom 20. veka, pre nego što je enzimologija bila dobro razrađena i proučena, koloidi su smatrani ključnim u radu enzima; tj. dodavanje malih količina enzima u količinu vode bi, na način koji je tek trebalo proučiti, suptilnim načinom izmenilo svojstva vode tako da bi ona razložila supstrat specifičan za taj enzim, poput rastvora ATPaze koji razlaže ATP. Štaviše, sam život je bio tumačen kroz agregaciju svojstava svih koloidnih supstanci koje čine organizam. Kako se razvijalo znanje iz biologije tako je napredovala i teorija koja je koloidnu postavku zamenila makromolekulskom teorijom, koja enzim tumači kao skup identičnih ogromnih molekula koji deluju kao sićušne mašine koje se slobodno kreću među molekulima vode u rastvoru i individualno funkcionišu tako što deluju na supstrat, što je svakako manje mistrriozno od koloidne postavke koja podseća na fabriku koja je puna različitih mašina. Osobine vode u rastvoru se ne menjaju, osim u smislu osmotskih promena koje bi nastale i u prisustvu bilo koje druge rastvorene supstance.

Struktura koloidnih cestica 
Koloidna čestica (micela) se sa stoji od jezgra i dvojnog sloja (adsorpcioni + difuzni).  Broj molekula koji grade jezgro micele je veliki i zavisi od uslova dobijanja koloidnog rastvora (ovaj broj je označen sa m). Za slučaj kada je koloidni rastvor dobijen korišćenjem AgNO3 u višku, na jezgru micele se apsorbuju u višku katjoni pozitivnih Ag jona. Oko naelektrisanog jezgra će se nalaziti određena količina negativnih NO3- jona

Osobine koloidnih sistema 
Značajne osobine koloidnih sistema su: molekulsko kinetičke, optičke, adsorpcija i električne osobine.

Molekulsko-kinetičke osobine 
Neprekidno, haotičnokretanje koloidnih čestica u tečnom disperznom sredstvu naziva se Braunovo kretanje. Ovo kretanje je posledica sudara koloidnih čestica sa molekulima disperznog sredstva

Osmoza i osmotski pritisak 
Osmotski pritisak koloidnih rastvora je u poređenju sa osmotskim pritiskom pravih rastvora neznata, jer koloidni rastvori (čije su čestice npr. 100nm) pri istoj koncentraciji supstance sadrži 1000000 puta manje čestica nego pravi rastvor (čije su čestice npr. 1 nm). Zato koloidni rastvor pokazuje i do 1000000 puta manji osmotski pritisak. Isto važi i za sniženje temperature mržnjenja i povećanje temperature ključanja.

Reference

Literatura 

 Lyklema, J. Fundamentals of Interface and Colloid Science, Vol. 2, pp. 3208, 1995
 Hunter, R.J. Foundations of Colloid Science, Oxford University Press, 1989
 Dukhin, S.S. & Derjaguin, B.V. Electrokinetic Phenomena, J.Wiley and Sons, 1974
 Russel, W.B., Saville, D.A. and Schowalter, W.R. Colloidal Dispersions, Cambridge, 1989 Cambridge University Press
 Kruyt, H.R. Colloid Science, Volume 1, Irreversible systems, Elsevier, 1959
 Dukhin, A.S. and Goetz, P.J. Ultrasound for characterizing colloids, Elsevier, 2002
 Rodil, Ma. Lourdes C., Chemistry The Central Science, 7th Ed. ISBN 013533480
 Pieranski, P., Colloidal Crystals, Contemp. Phys., Vol. 24, pp. 25 (1983)
 Sanders, J.V., Structure of Opal, Nature, Vol. 204, pp. 1151, (1964);
 Darragh, P.J., et al., Scientific American, Vol. 234, pp. 84, (1976)
 Luck, W. et al., Ber. Busenges Phys. Chem., Vol. 67, pp. 84 (1963);
 Hiltner, P.A. and Krieger, I.M., Diffraction of Light by Ordered Suspensions, J. Phys. Chem., Vol. 73, pp. 2306 (1969)
 Arora, A.K., Tata, B.V.R., Eds. Ordering & Phase Transitions in Charged Colloids Wiley, New York (1996)
 Sood, A.K. in Solid State Physics, Eds. Ehrenreich, H., Turnbull, D., Vol. 45, pp. 1 (1991)
 Murray, C.A. and Grier, D.G., Colloidal Crystals, Amer. Scientist, Vol. 83, pp. 238 (1995);
 Video Microscopy of Monodisperse Colloidal Systems, Ann. Rev. Phys. Chem., Vol. 47, pp. 421 (1996)
 Tanaka, 1992, Phase Transition of Gel

Vidi još 
 Turbidimetrija
 Nefelometrija

Spoljašnje veze 

Koloidna hemija
Hemijske smeše
Fizika kondenzovanog stanja
Načini doziranja
Meka materija