Os sistemas colóides são extremamente importantes na vida de qualquer pessoa. Isso se deve não apenas ao fato de que quase todos os fluidos biológicos em um organismo vivo formam colóides. Mas muitos fenômenos naturais (nevoeiro, smog), solo, minerais, alimentos, medicamentos também são sistemas coloidais.
A unidade de tais formações, refletindo sua composição e propriedades específicas, é considerada uma macromolécula, ou micela. A estrutura deste último depende de vários fatores, mas é sempre uma partícula multicamada. A teoria cinética molecular moderna considera as soluções coloidais como um caso especial de soluções verdadeiras, com partículas maiores do soluto.
Métodos para obtenção de soluções coloidais
A estrutura de uma micela formada quando um sistema coloidal aparece, depende em parte do mecanismo desse processo. Os métodos para obtenção de coloides são divididos em dois grupos fundamentalmente diferentes.
Os métodos de dispersão estão associados à moagem de partículas bastante grandes. Dependendo do mecanismo desse processo, os seguintes métodos são diferenciados.
- Refinação. Pode ser feito a seco oumaneira molhada. No primeiro caso, o sólido é primeiro triturado e só então o líquido é adicionado. No segundo caso, a substância é misturada a um líquido e somente depois disso é transformada em uma mistura homogênea. A moagem é realizada em moinhos especiais.
- Inchaço. A moagem é conseguida pelo fato de as partículas do solvente penetrarem na fase dispersa, o que é acompanhado pela expansão de suas partículas até a separação.
- Dispersão por ultrassom. O material a ser moído é colocado em um líquido e sonicado.
- Dispersão de choque elétrico. Demandado na produção de sóis metálicos. É realizado colocando eletrodos feitos de um metal dispersível em um líquido, seguido pela aplicação de alta voltagem a eles. Como resultado, um arco voltaico é formado no qual o metal é pulverizado e depois se condensa em uma solução.
Estes métodos são adequados para partículas coloidais liofílicas e liofóbicas. A estrutura micelar é realizada simultaneamente com a destruição da estrutura original do sólido.
Métodos de condensação
O segundo grupo de métodos baseados no aumento de partículas é chamado de condensação. Este processo pode ser baseado em fenômenos físicos ou químicos. Os métodos de condensação física incluem o seguinte.
- Substituição do solvente. Trata-se da transferência de uma substância de um solvente, no qual se dissolve muito bem, para outro, no qual a solubilidade é muito menor. Como resultado, pequenas partículasirá se combinar em agregados maiores e uma solução coloidal aparecerá.
- Condensação de vapor. Um exemplo são os nevoeiros, cujas partículas são capazes de se depositar em superfícies frias e crescer gradualmente.
Os métodos de condensação química incluem algumas reações químicas acompanhadas pela precipitação de uma estrutura complexa:
- Troca iônica: NaCl + AgNO3=AgCl↓ + NaNO3.
- Processos Redox: 2H2S + O2=2S↓ + 2H2O.
- Hidrólise: Al2S3 + 6H2O=2Al(OH) 3↓ + 3H2S.
Condições para condensação química
A estrutura das micelas formadas durante essas reações químicas depende do excesso ou deficiência das substâncias nelas envolvidas. Além disso, para o aparecimento de soluções coloidais, é necessário observar uma série de condições que impedem a precipitação de um composto pouco solúvel:
- teor de substâncias em soluções mistas deve ser baixo;
- sua velocidade de mistura deve ser baixa;
- uma das soluções deve ser tomada em excesso.
Estrutura de micelas
A parte principal de uma micela é o núcleo. É formado por um grande número de átomos, íons e moléculas de um composto insolúvel. Normalmente o núcleo é caracterizado por uma estrutura cristalina. A superfície do núcleo possui uma reserva de energia livre, o que possibilita a adsorção seletiva de íons do ambiente. Este processoobedece à regra de Peskov, que diz: na superfície de um sólido, são predominantemente adsorvidos os íons capazes de completar sua própria rede cristalina. Isso é possível se esses íons estiverem relacionados ou semelhantes em natureza e forma (tamanho).
Durante a adsorção, uma camada de íons carregados positiva ou negativamente, chamados íons determinantes de potencial, é formada no núcleo da micela. Devido às forças eletrostáticas, o agregado carregado resultante atrai contra-íons (íons com carga oposta) da solução. Assim, uma partícula coloidal tem uma estrutura multicamada. A micela adquire uma camada dielétrica construída a partir de dois tipos de íons de cargas opostas.
Hidrosol BaSO4
Como exemplo, é conveniente considerar a estrutura de uma micela de sulfato de bário em uma solução coloidal preparada em excesso de cloreto de bário. Este processo corresponde à equação da reação:
BaCl2(p) + Na2SO4(p)=BaSO 4(t) + 2NaCl(p).
Ligeiramente solúvel em água, o sulfato de bário forma um agregado microcristalino construído a partir do m-ésimo número de moléculas de BaSO4. A superfície deste agregado adsorve a n-ésima quantidade de íons Ba2+. 2(n - x) Íons Cl- são conectados à camada de íons determinantes de potencial. E o restante dos contraíons (2x) está localizado na camada difusa. Ou seja, o grânulo desta micela ficará carregado positivamente.
Se o sulfato de sódio for tomado em excesso, entãoos íons determinantes de potencial serão SO42- íons, e os contra-íons serão Na+. Neste caso, a carga do grânulo será negativa.
Este exemplo demonstra claramente que o sinal da carga de um grânulo de micela depende diretamente das condições de sua preparação.
Micelas de gravação
O exemplo anterior mostrou que a estrutura química das micelas e a fórmula que a reflete é determinada pela substância que é ingerida em excesso. Vamos considerar maneiras de escrever os nomes de partes individuais de uma partícula coloidal usando o exemplo do hidrossol de sulfeto de cobre. Para prepará-lo, a solução de sulfeto de sódio é derramada lentamente em uma quantidade excessiva de solução de cloreto de cobre:
CuCl2 + Na2S=CuS↓ + 2NaCl.
A estrutura de uma micela CuS obtida em excesso de CuCl2 é escrita como segue:
{[mCuS]·nCu2+·xCl-}+(2n-x)·(2n-x)Cl-.
Partes estruturais de uma partícula coloidal
Entre colchetes escreva a fórmula de um composto pouco solúvel, que é a base de toda a partícula. É comumente chamado de agregado. Normalmente, o número de moléculas que compõem o agregado é escrito com a letra latina m.
Íons determinantes de potencial estão contidos em excesso na solução. Eles estão localizados na superfície do agregado e, na fórmula, são escritos imediatamente após colchetes. O número desses íons é indicado pelo símbolo n. O nome desses íons indica que sua carga determina a carga do grânulo da micela.
Um grânulo é formado por um núcleo e uma partecontra-íons na camada de adsorção. O valor da carga do grânulo é igual à soma das cargas dos contra-íons determinantes de potencial e adsorvidos: +(2n – x). A parte restante dos contraíons está na camada difusa e compensa a carga do grânulo.
Se Na2S foi tomado em excesso, então para a micela coloidal formada o esquema de estrutura ficaria assim:
{[m(CuS)]∙nS2–∙xNa+}–(2n – x) ∙(2n – x)Na+.
Micelas de tensoativos
Caso a concentração de substâncias tensoativas (surfactantes) na água seja muito alta, os agregados de suas moléculas (ou íons) podem começar a se formar. Essas partículas aumentadas têm a forma de uma esfera e são chamadas de micelas Gartley-Rebinder. Deve-se notar que nem todos os tensoativos têm essa capacidade, mas apenas aqueles em que a proporção de partes hidrofóbicas e hidrofílicas é ótima. Essa proporção é chamada de equilíbrio hidrofílico-lipofílico. A capacidade de seus grupos polares de proteger o núcleo de hidrocarbonetos da água também desempenha um papel significativo.
Agregados de moléculas de surfactante são formados de acordo com certas leis:
- ao contrário das substâncias de baixo peso molecular, cujos agregados podem incluir um número diferente de moléculas m, a existência de micelas tensoativas é possível com um número de moléculas estritamente definido;
- se para substâncias inorgânicas o início da micelização é determinado pelo limite de solubilidade, então para tensoativos orgânicos é determinado pela obtenção de concentrações críticas de micelização;
- primeiro, o número de micelas na solução aumenta e, em seguida, seu tamanho aumenta.
Efeito da concentração na forma da micela
A estrutura das micelas de surfactante é afetada pela sua concentração em solução. Ao atingir alguns de seus valores, as partículas coloidais começam a interagir umas com as outras. Isso faz com que sua forma mude da seguinte forma:
- esfera se transforma em um elipsóide e depois em um cilindro;
- alta concentração de cilindros leva à formação de uma fase hexagonal;
- em alguns casos, uma fase lamelar e um cristal sólido (partículas de sabão) aparecem.
Tipos de micelas
Três tipos de sistemas coloidais são distinguidos de acordo com as peculiaridades da organização da estrutura interna: suspensóides, colóides micelares, colóides moleculares.
Suspensóides podem ser colóides irreversíveis, assim como colóides liofóbicos. Essa estrutura é típica para soluções de metais, assim como seus compostos (vários óxidos e sais). A estrutura da fase dispersa formada por suspensóides não difere da estrutura de uma substância compacta. Possui uma rede cristalina molecular ou iônica. A diferença das suspensões é uma maior dispersão. A irreversibilidade se manifesta na capacidade de suas soluções após a evaporação formar um precipitado seco, que não pode ser convertido em um sol por simples dissolução. Eles são chamados de liofóbicos devido à fraca interação entre a fase dispersa e o meio de dispersão.
Colóides micelares são soluções cujas partículas coloidais são formadasao colar moléculas difílicas contendo grupos polares de átomos e radicais não polares. Exemplos são sabonetes e surfactantes. Moléculas em tais micelas são mantidas por forças de dispersão. A forma desses colóides pode ser não apenas esférica, mas também lamelar.
Colóides moleculares são bastante estáveis sem estabilizadores. Suas unidades estruturais são macromoléculas individuais. A forma de uma partícula colóide pode variar dependendo das propriedades da molécula e das interações intramoleculares. Assim, uma molécula linear pode formar uma haste ou uma bobina.
