Zmesi vznikajú zmiešaním dvoch alebo viacerých chemicky čistých látok (zložiek zmesi). Zloženie zmesí nie je možné vyjadriť pomocou chemického vzorca. Vlastnosti zmesí závisia od zloženia a pomeru jednotlivých zložiek. Na oddeľovanie zložiek zo zmesí sa využívajú rôzne metódy, ktoré využívajú rozdielne fyzikálne vlastnosti zložiek.
Podľa schopnosti rozlíšiť zložky rozlišujeme rovnorodé (homogénne) a rôznorodé (heterogénne) zmesi. Rozlišovanie medzi homogénnymi a heterogénnymi sústavami závisí od veľkosti rozptýlených častíc.
Rozdelenie zmesí podľa homogénnosti
- Rôznorodé zmesi: Zložky je možné rozlíšiť voľným okom alebo pod mikroskopom (napr. žula, piesok s vodou, olej s vodou, pena).
- Rovnorodé zmesi (roztoky): Zložky nie je možné rozlíšiť voľným okom ani pod mikroskopom (napr. zliatiny kovov, sklo, minerálna voda, ocot, vzduch). Roztoky sú homogénne disperzné sústavy, v ktorých je dispergovaná látka rozptýlená v dispergujúcej látke vo forme častíc s veľkosťou molekúl alebo iónov.
Koloidné zmesi - špeciálny prípad
Špeciálnym prípadom sú koloidné zmesi, ktoré sa nachádzajú na pomedzí homogénnych a heterogénnych zmesí. Koloidné systémy sú fyzikálne a chemicky heterogénne zmesi. Ide o disperzné systémy, zvyčajne dvojzložkové, so vzhľadom fyzikálne homogénnych systémov, aj keď v skutočnosti obe zložky nie sú navzájom molekulárne zmiešané.
Veľkosť častíc v koloidných zmesiach je medzi 10⁻⁹ m až 10⁻⁷ m. Pojem „koloidný“ označuje rádovo veľké častice dispergované v určitom médiu, ktoré má rozmer priemeru približne medzi 1 a 100 nm. Spodná hranica veľkosti koloidnej častice je teda 1 nm, horná hranica je 100 nm.
Je to systém obsahujúci disperzné médium a dispergovanú látku. Dispergovaná (disperzná) fáza je prítomná v malom množstve v porovnaní s množstvom druhej fázy, ktorá tvorí spojité disperzné médium. Kontinuálna fáza (napr. rozpúšťadlo) sa nazýva disperzné médium. Dispergovaná fáza je tvorená druhou zložkou.
Prečítajte si tiež: Bezpečnosť pri používaní koloidného striebra
Jednou zo základných podmienok stabilizácie väčšiny koloidných systémov je elektrický náboj častíc dispergovanej fázy. V dôsledku takéhoto usporiadania iónov a dipólov vzniká na rozhraní medzi koloidnou časticou a disperzným prostredím potenciálny rozdiel.
Klasifikácia koloidov podľa fázy dispergovanej látky a disperzného média
Koloidy nazývame také sústavy, kde jedna látka sa vyskytuje v malých čiastočkách (koloidné častice) a kde sú tieto čiastočky rozptýlené v druhej látke. Táto zmes tvorí koloidný systém (koloidný roztok).
- Plyn disperzný v kvapaline tvorí penu; pena sa získava dispergovaním plynnej látky v kvapaline. Častice plynu sú oddelené tenkými vrstvami kvapaliny, ktoré tvoria penovú kostru.
- Plyn disperzný v tuhej látke tvorí tuhú penu.
- Kvapalina disperzná v plyne tvorí aerosol; aerosóly sa získavajú dispergovaním tuhej látky (dym) alebo kvapaliny (hmly) v plyne.
- Kvapalina disperzná v inej kvapaline tvorí emulziu; emulzie sú koloidné systémy, v ktorých sú disperzné médium aj dispergovaná látka v kvapalnom stave.
- Kvapalina disperzná v tuhej látke tvorí gél; gél je rôsolovitá hmota.
- Pevná látka disperzná v plyne tvorí tuhý aerosol (dym).
- Pevná látka disperzná v kvapaline tvorí sol; pevná látka rozptýlená v inej pevnej látke tvorí pevný sol.
Vzťah k suspenziám a roztokom
Koloidné častice sú obsiahnuté medzi systémami s molekulárnou fragmentáciou (napr. roztoky) alebo mechanickou fragmentáciou (suspenzie). Dispergovaná aj dispergujúca fáza môžu existovať v akomkoľvek stave agregácie. Medzi heterogénne zmesi, nazývané tiež nepravé roztoky (veľkosť častíc od 10⁻⁷ metra) patria: pena a suspenzia. Suspenzia je najbežnejšou rôznorodou zmesou. Suspenziu tvoria čiastočky pevnej látky rozptýlené v kvapaline. Častice v nej sú na rozdiel od roztokov väčšie ako 10⁻⁷ metra.
Metódy prípravy koloidov
Mnohé látky možno previesť do stavu koloidnej fragmentácie použitím vhodného disperzného média, teploty a pracovnej techniky. Môže sa získať v procese disperzie (fragmentácie) makroskopických systémov alebo v procese kondenzácie atómov, iónov alebo molekúl do agregátov (agregovaných častíc) špecifických veľkostí.
Disperzné metódy: mechanické mletie (mletie), elektrická disperzia, ultrazvuková atomizácia, tepelná atomizácia, koloidné rozpúšťanie, peptizačný proces. Výber metódy závisí od stavu agregácie dispergačného média a dispergovanej látky.
Prečítajte si tiež: Výhody Koloidných Minerálov
V prípade makromolekulových látok stačí látku rozpustiť vo vhodnom rozpúšťadle (napr. polystyrén v benzéne ). Pri kondenzačných procesoch sa atómy, ióny alebo častice formujú do agregátov väčších rozmerov. Kondenzácia v roztokoch je spojená s priebehom chemických reakcií alebo so špecifickým fyzikálnym javom, pričom ide zvyčajne o metódy spočívajúce v znižovaní rozpustnosti, redukcii, oxidácii, výmenných reakciách, polymerizácii, hydrolýze.
Analytické a separačné metódy v koloidnej chémii
Koloidná chémia využíva špeciálnu laboratórnu techniku, na separáciu koloidných častíc z disperzného prostredia používa ultracentrifugáciu (odstreďovanie), ultrafiltráciu a i., na pozorovanie a zobrazovanie veľmi malých častíc koloidnej disperznej fázy napr. elektrónovú mikroskopiu.
Boli vyvinuté špecifické metódy, ktoré prispeli k rozšíreniu obsahu koloidnej chémie, napr. ultramikroskopia, centrifugácia, elektrónová mikroskopia, elektroforéza, röntgenografia, elektrónová difrakcia, metódy založené na určení rozptylu svetla v koloidných sústavách, na stanovení rýchlosti sedimentácie častíc v ultracentrifúge, na meraní viskozity koloidných sústav a pod.
Použitie a význam koloidnej chémie
Koloidná chémia má veľký význam pri rôznych vedných odboroch (biológia, lekárske vedy, geológia, meteorológia a i.), ktoré skúmajú koloidné sústavy a javy v objektoch živej a neživej prírody. Jej poznatky sa prakticky využívajú v chemickom, potravinárskom, farmaceutickom, kozmetickom, textilnom, kožiarskom, gumárskom, papierenskom, fotografickom, sklárskom a keramickom priemysle, v metalurgii, v priemysle plastov, ako aj pri výrobe mydiel, tukov, voskov, náterív, lepidiel, čistiacich a leštiacich prípravkov, adsorpčných a filtračných materiálov a stavebných látok.
Krátka historická poznámka
Za priekopníka koloidnej chémie ako samostatnej vednej disciplíny je považovaný škótsky chemik a fyzik T. Graham, ktorý v 60. rokoch 19. stor. publikoval články o koloidnej chémii v časopise Journal of Physical Chemistry. Štúdiom koloidne disperzných sústav sa zaoberali aj J. J. Berzelius, Francesco Selmi, M. Faraday a i.
Prečítajte si tiež: Výroba koloidného striebra
Výrazný rozvoj koloidnej chémie nastal začiatkom 20. stor. v spojení s pokrokom vo fyzike, chémii a fyzikálnej chémii. V roku 1903 R. A. Zsigmondy a H. Siedentopf navrhli ultramikroskop, čo umožnilo určovať rozmery, tvar a počet častíc. Nobelove ceny za významné príspevky k pochopeniu vlastností koloidných sústav získali R. A. Zsigmondy (1925), J.-B. Perrin (1926), T. Svedberg (1926) a I. Langmuir (1932).
Tabuľka: prehľad koloidných systémov podľa fáz
| Disperzná fáza | Disperzné médium | Typ koloidu | Príklady |
|---|---|---|---|
| Plyn | Kvapalina | Pena | peny v potravinárstve, mydlové peny |
| Plyn | Tuhá látka | Tuhá pena | |
| Kvapalina | Plyn | Aerosol | hmly, dym |
| Kvapalina | Kvapalina | Emulzia | olej vo vode, voda v oleji |
| Kvapalina | Tuhá látka | Gél | želatína, koloidné gély |
| Pevná látka | Plyn | Tuhý aerosol (dym) | tabakový dym |
| Pevná látka | Kvapalina | Sol | kovové soli v kvapaline |
| Pevná látka | Pevná látka | Pevný sol | pevné roztoky s koloidnými časticami |
Vlastnosti a veličiny súvisiace s roztokmi a zmesami
Rozpustnosť látky v danom rozpúšťadle je definovaná ako hmotnosť látky, ktorá sa pri danej teplote rozpustí v danom množstve rozpúšťadla za vzniku nasýteného roztoku. Na výpočet koncentrácie roztoku, ak je dané látkové množstvo (resp. hmotnosť látky) a objem roztoku, sa používa vzorec pre koncentráciu látkového množstva (c).
Hmotnostný zlomok (w) je definovaný ako podiel hmotnosti rozpustenej látky m(B) a hmotnosti roztoku m: w = m(B) / m. Premenné vo vzorci: w alebo w(B) - hmotnostný zlomok rozpustenej látky B. Bezrozmerná veličina. m(B) - hmotnosť rozpustenej látky B (v gramoch - g). m - hmotnosť celého roztoku (v gramoch - g), pričom: m = m(B) + m_rozpúšťadla. Hmotnostný zlomok možno vyjadriť aj v percentách.
Na výpočet koncentrácie alebo hmotnostného zlomku zložky roztoku vo výslednom roztoku, ktorý vznikol zmiešaním dvoch roztokov (zrieďovanie a zahusťovanie), sa používa zmiešavacia rovnica.
Tvary zmiešavacej rovnice: Pre výpočet s objemami, hustotami a hmotnostnými zlomkami: V1 ρ1 w1 + V2 ρ2 w2 = V ρ w. Pre výpočet s objemami a koncentráciami látkového množstva: c1 V1 + c2 V2 = c V. Premenné vo vzorcoch: V1, V2, V - objemy roztokov. ρ1, ρ2, ρ - hustoty roztokov. w1, w2, w - hmotnostné zlomky roztokov. c1, c2, c - koncentrácie látkového množstva roztokov. Výsledný objem roztoku nemusí byť vždy súčtom objemov zložiek.
Postup pri zrieďovaní roztoku: Používa sa rozpúšťadlo s w = 0. Použije sa zmiešavacia rovnica na výpočet potrebných objemov alebo hmotností roztokov. Postup pri zahusťovaní roztoku: Pridáva sa rozpustená látka, ktorá sa považuje za roztok s w = 1. Použije sa zmiešavacia rovnica na výpočet potrebných hmotností alebo objemov roztokov.
Objemový zlomok (ϕ) vyjadruje podiel objemu rozpustenej látky a celkového objemu roztoku. Je definovaný vzťahom: ϕ = V(B) / V. Premenné vo vzorci: ϕ alebo ϕ(B) - objemový zlomok rozpustenej látky B. Bezrozmerná veličina. V(B) - objem rozpustenej látky B (v mililitroch alebo dm³). V - celkový objem roztoku (v rovnakých jednotkách ako V(B)), pričom: V = V(B) + V_rozpúšťadla. Objemový zlomok možno vyjadriť aj v percentách. Vynásobením objemového zlomku ϕ číslom 100 získame objemové percento: Φ(B) = ϕ(B) × 100%.
Pri použití objemového zlomku je dôležité, aby boli všetky objemy merané pri rovnakej teplote, pretože objem látok závisí od teploty. Na označenie objemového zlomku sa v chémii namiesto malého „rovného fí“ (φ) často používa „zakrivené fí“ (ϕ), aby sa predišlo zámenám s objemovým percentom, ktoré sa označuje veľkým fí (Φ).
Hustota roztokov a zmesí (ρ) vyjadruje hmotnosť celého roztoku alebo zmesi vzťahovanú na jej objem. ρ = m / V. Premenné vo vzorci: ρ - hustota roztoku alebo zmesi (v jednotkách g/cm³ alebo g/dm³). m - celková hmotnosť roztoku alebo zmesi (v gramoch - g). V - objem roztoku alebo zmesi (v cm³ alebo dm³). Hustota roztoku sa používa najmä pri výpočtoch koncentrácie, keď poznáme hmotnosť a potrebujeme určiť objem, alebo naopak.
Medzi hustotou ρ, hmotnostným zlomkom w a molárnou hmotnosťou M existuje priama súvislosť. Pre molárnu koncentráciu roztoku možno použiť vzťah: c = (w · ρ) / M. Pomocou hustoty a hmotnostného zlomku teda môžeme vypočítať látkovú koncentráciu roztoku, ak poznáme molárnu hmotnosť látky.
Praktický príklad zmiešania roztokov
Príklad: Výpočet koncentrácie výsledného roztoku. Zadanie: Zmiešame 200 ml roztoku NaCl s koncentráciou 0,5 mol/dm³ a 300 ml roztoku NaCl s koncentráciou 0,2 mol/dm³. Pre výpočet s objemami a koncentráciami látkového množstva použijeme zmiešavaciu rovnicu: c1 V1 + c2 V2 = c V.
Ďalšie poznámky
Povrch kontaktných fáz môže byť makroskopický. Hrúbka medzifaciálneho povrchu je asi 0,5-2 nm, preto musí mať koloidná častica aspoň dvojnásobok hrúbky povrchovej vrstvy. Mnohé koloidné systémy sa získavajú napríklad redukčnou reakciou roztokov solí ušľachtilých kovov, pri ktorej sa získajú hydrosóly týchto kovov. Redukčnými činidlami môžu byť peroxid vodíka, formaldehyd, hydrazín a železité soli. Hydrazoly zlata, striebra a platiny sa získali chemickou redukciou. Oddelené atómy kovov sa spájajú do zhlukov atómov s koloidnou veľkosťou.