W przyrodzie, ale i w technice, bardzo rzadko spotykamy czyste chemicznie substancje. Wokół nas królują mieszaniny. Już w szkole podstawowej uczymy się, że dzielimy je przede wszystkim na jednorodne (homogeniczne) i niejednorodne (heterogeniczne). W przypadku pierwszych nie jesteśmy w stanie rozróżnić ich składników, ponieważ ich składniki wymieszały się ze sobą wzajemnie tak bardzo, że dopiero na poziomie cząsteczkowym moglibyśmy zaobserwować co je tworzy.
Drugi przypadek to mieszaniny, w których składniki są od siebie odseparowane, a ich cząsteczki są skupione w większe zgrupowania tworząc tak zwane fazy. Faza, w sensie fizykochemicznym, oznacza taki fragment materii, w którym skład chemiczny i właściwości fizyczne pozostają stałe. Na przykład, jeśli przyjrzymy się kawałkowi betonu, to nawet gołym okiem zobaczymy, że tworzą go drobne kamyczki, piasek oraz szara cementowa masa wiążąca je ze sobą. Pobierając i analizując próbki poszczególnych faz, np. ziarenka piasku lub drobinki cementu, będziemy mogli stwierdzić, że to różne substancje o różnych właściwościach.
W przypadku mieszanin jednorodnych, np. wody z solą kuchenną, mamy do czynienia z jedną fazą, ponieważ niezależnie jak małą porcję mieszaniny pobierzemy (oczywiście porcję większą niż pojedyncza cząsteczka), to skład chemiczny takiej porcji będzie taki sam. Na podstawie liczby występujących w mieszaninach faz możemy je też podzielić na jednofazowe i wielofazowe.
No dobrze, ale przejdźmy do przypadków, kiedy na pierwszy rzut oka nie da się wyróżnić faz i mieszanina wydaje się jednorodna, choć faktycznie nie jest. Oko ludzkie jest w stanie (w optymalnych warunkach) rozróżnić obiekty mające wielkość kilku-kilkunastu mikrometrów. Jeśli jednak takich obiektów jest dużo i nakładają się na siebie? Wówczas po prostu ich obraz „zlewa” nam się w jedną całość. Z tego względu widzimy drobinki piasku w wodzie, ale już drobinki mąki w wodzie nadają jej jednolitą mleczną barwę. Użyłem słowa „mleczną”, ale w sumie i samo mleko też jest zawiesiną różnych, niewidocznych gołym okiem cząsteczek.
[zdjęcie za Benhamou i El-Moudny (2017) doi: 10.17352/2455-3492.000022]
Naukowcy nie byliby sobą, gdyby nie wyróżnili jakąś osobną nazwą takich właśnie mieszanin, które wydają się jednorodne, a nimi nie są. I tu właśnie pojawia się słowo koloid, czy bardziej precyzyjnie układ koloidalny. IUPAC, czyli Międzynarodowa Unia Chemii Czystej i Stosowanej (czytaj: grupa strasznie poważnych renomowanych chemików z całego świata) zaproponowała taką definicję układu koloidalnego: układ, którego choć jeden ze składników jest rozproszony w drugim (tzw. fazie ciągłej) i choć jeden rozmiar tego składnika rozproszonego wynosi od 1 nm do 1 μm. Prościej mówiąc chodzi o cząstki tak małe, że nierozróżnialne gołym okiem, ale wciąż będące większe od pojedynczych cząsteczek.
Opierając się na tym, że mamy trzy podstawowe stany skupienia materii, wyróżnia się osiem typów układów koloidalnych, w zależności co jest w czym rozproszone. A więc jeśli mamy ciało stałe rozproszone w płynie to jest to zawiesina koloidalna (taki „klasyczny” koloid). Jeśli rozpraszane są kropelki innej cieczy , niemieszającej się z fazą ciągłą, to mówimy o emulsji. Wreszcie gaz rozproszony w cieczy to po prostu piana. Dla ścisłości trzeba dodać, że nazwy takie jak emulsja czy piana, często w języku potocznym są odnoszone do układów, które nie są ściśle koloidami, a to dla tego, że występujące w nich cząstki są większe niż 1 μm.
Kiedy rozpraszamy cząstki stałe w gazie (przykładem jest dym z komina), wtedy mamy do czynienia z aerozolem stałym, a kropelki cieczy w gazie to aerozole ciekłe (np. mgła). Nie muszę chyba dodawać, że nie istnieją układy koloidalne, w których gaz jest rozproszony w gazie, ponieważ wszystkie gazy są wzajemnie doskonale mieszalne.
[fir0002 flagstaffotos [at] gmail.com, via Wikimedia Commons]
Zapewne najmniej znane są układy stałe, w których fazą ciągłą jest ciało stałe, jakkolwiek nie są one wcale rzadkością. Gaz rozproszony w ciele stałym to piana stała albo aerożel (przykładem są np. gąbki). Rozpraszając ciecz w ciele stałym uzyskujemy emulsję stałą, a cząstki ciała stałego w innym ciele stałym to zol stały (przykładem są różne odmiany barwnego szkła).
Opisując układy koloidalne pojawiły się dwa istotne pojęcia, a mianowicie zol i żel. Pierwszy z tych terminów czasem bywa stosowany wymiennie z pojęciem „układ koloidalny”. Niemniej w opracowaniach naukowych przyjmuje się jego węższe znaczenie, a mianowicie określa się tak układy koloidów klasycznych, czyli, jak już wcześniej pisałem, takich, w których w cieczy rozproszone są cząstki ciała stałego. Przykładem są zawiesiny różnego rodzaju, np. kredy lub gipsu w wodzie.
[Mark Fickett via Wikimedia Commons]
Jeśli w zolu dojdzie do powstania połączeń między rozproszonymi cząstkami (czyli ich usieciowania) powstaje wtedy żel. Proces taki nazywamy koagulacją. W jej wyniku żel, w przeciwieństwie do zolu, nie jest już cieczą a zyskuje cechy ciała stałego, choć paradoksalnie większą część jego masy stanowi cały czas ciecz. Z procesem przemiany zolu w żel mamy do czynienia zawsze, gdy przygotowujemy galaretkę.
O ciekawych właściwościach zoli i żeli warto jeszcze trochę opowiedzieć, ale pozwólcie, że zaczekam z tym do przyszłego tygodnia. A tymczasem, uwaga! uwaga!, zadaję pracę domową dla chętnych. Proszę więc postudiować w kuchni proces koagulacji i zanalizować różnicę między właściwościami zolu i żelu. Innymi słowy, przygotujcie sobie galaretkę – owocową lub mięsno-warzywną, jak kto woli 😉.
Wojciech Smułek
20.02.2022