κολλοειδή

Διαλύματα που χαρακτηρίζουν μία ορισμένη κατάσταση της ύλης, η οποία ορίζεται από την ύπαρξη σωματιδίων με μεγάλη επιφάνεια ανά μονάδα όγκου ή ανά μονάδα μάζας. Ο όρος αυτός αναφέρεται σε οποιαδήποτε ουσία, ανεξάρτητα από τη χημική σύσταση, τη δομή ή την πυκνότητά της, με την προϋπόθεση ότι μία από τις διαστάσεις της είναι μικρότερη από 1 μm (μικρόμετρο) και μεγαλύτερη από 1 nm (νανόμετρο). Οι κολλοειδείς ουσίες έχουν την ιδιότητα να καθιζάνουν σε ένα διάλυμα με τόσο μικρή ταχύτητα, ώστε να μην είναι εύκολα αντιληπτό το φαινόμενο. Επίσης, δεν διέρχονται μέσω ημιδιαπερατών μεμβρανών (ζωικών, από οξική κυτταρίνη ή άλλα πλαστικά υλικά), εμβαπτισμένων σε μια υγρή φάση. Η πρώτη συστηματική μελέτη για τα ανόργανα κ. έγινε από τον Ιταλό χημικό Φραντσέσκο Σέλμι μεταξύ 1845 και 1850. Τον όρο κ. εισήγαγε ο χημικός Τόμας Γκράχαμ το 1861, για να διακρίνει αυτές τις ουσίες από τις κρυσταλλοειδείς, οι οποίες, αντίθετα, καθιζάνουν σε διαλύματα ταχύτατα και διέρχονται χωρίς δυσκολία από τις ημιδιαπερατές μεμβράνες. Η αρχική κατάταξη του Γκράχαμ σε κρυσταλλοειδή και κ. βασιζόταν στην παρατήρηση ότι τα πρώτα λαμβάνονται εύκολα σε κρυσταλλική κατάσταση, ενώ τα δεύτερα σε κατάσταση στερεάς άμορφης μάζας. Σε μεταγενέστερες εργαστηριακές έρευνες, ωστόσο, κατέστη δυνατόν να ληφθούν σε κρυσταλλική μορφή πολλές κολλοειδείς ουσίες (π.χ. αλβουμίνη) και με κατάλληλη αλλαγή του διαλύτη να μετατραπεί ένας ικανός αριθμός ουσιών που ήταν γνωστές ως κρυσταλλικές σε κολλοειδή διαλύματα. Για τον λόγο αυτό, είναι καταλληλότερος ο όρος κολλοειδήςκατάσταση, αν και εξακολουθεί να χρησιμοποιείται η ονομασία κ. για ουσίες που εμφανίζουν τα τυπικά χαρακτηριστικά αυτής της κατάστασης. Μια ουσία που είναι εμβαπτισμένη σε μια άλλη, με μεγαλύτερο ή μικρότερο βαθμό διασποράς της ύλης, σχηματίζει με αυτήν ένα σύστημα διασποράς. Στο σύστημα αυτό διακρίνεται η λεγόμενη φάση διασποράς (η εμβαπτισμένη ουσία) και το μέσο διασποράς. Ο Γερμανός χημικός και φιλόσοφος Βίλχελμ Όστβαλντ (1853-1932), με βάση το μέγεθος των σωματιδίων που σχηματίζουν τη φάση διασποράς, πρότεινε την ακόλουθη διάκριση: τις μακροδιασπορές, στις οποίες τα σωματίδια έχουν διάμετρο μεγαλύτερη των 100 εκατομμυριοστών του χιλιοστού, δεν διέρχονται από τα κοινά διηθητικά χαρτιά και είναι ορατά στο μικροσκόπιο· τα κολλοειδήδιαλύματα, στα οποία τα σωματίδια έχουν διάμετρο από 1 έως 100 εκατομμυριοστά του χιλιοστού, διέρχονται από τα κοινά διηθητικά χαρτιά, αλλά αποκρούονται από τις ημιδιαπερατές μεμβράνες (δηλαδή δεν υφίστανται διαπίδυση) και είναι ορατά μόνο με τα υπερμικροσκόπια· τις μοριακές διασπορέςαληθινά και πραγματικά διαλύματα, στα οποία τα σωματίδια έχουν διάμετρο μικρότερη από το 1 εκατομμυριοστό του χιλιοστού, διέρχονται από τις ημιδιαπερατές μεμβράνες (δηλαδή υφίστανται διαπίδυση) και δεν είναι ορατά ούτε με τα υπερμικροσκόπια. Στην κατηγορία αυτή ανήκουν τα κρυσταλλοειδή. Ανάλογα με τη φύση της διασπαρμένης ουσίας και του μέσου διασποράς, διακρίνονται οι εξής περιπτώσεις κολλοειδών συστημάτων: υγρή ή στερεά ουσία διαλυμένη σε αέριο μέσο (αεροζόλ), αέρια ουσία διαλυμένη σε υγρό (αφρός) ή στερεό μέσο, υγρή ουσία διαλυμένη σε υγρό (γαλάκτωμα) ή στερεό μέσο και, τέλος, στερεή ουσία διαλυμένη σε υγρό (σολ) ή στερεό μέσο. Οι κατατάξεις των κ. παρουσιάζουν μεγάλη ποικιλία. Περισσότερο όμως αιτιολογημένη φαίνεται, ακόμα και σήμερα, εκείνη που βασίζεται στην υποδιαίρεσή τους σε δύο μεγάλες κατηγορίες: σε λυόφιλα και λυόφοβα κ. Στα λυόφιλα, η φάση διασποράς εμφανίζει κάποια συγγένεια με το μέσο διασποράς, ενώ στα λυόφοβα δεν υπάρχει καμία αλληλεπίδραση μεταξύ των διασπαρμένων σωματιδίων και του διαλύτη. Η διαφορά αυτή αντικατοπτρίζεται και στη συμπεριφορά τους. Τα λυόφιλα, για παράδειγμα, είναι πολύ σταθερά, και αφού καθιζάνουν, μπορούν υπό ορισμένες συνθήκες να επανέλθουν στην κατάσταση αιωρήματος· σχηματίζουν δηλαδή αντιστρεπτά ιζήματα. Επίσης, είναι ικανά να τροποποιήσουν τις φυσικές ιδιότητες του διαλύτη τους, προκαλώντας αύξηση στο ιξώδες του διαλύτη και μείωση της επιφανειακής του τάσης. Τα λυόφοβα κ., αντίθετα, δεν επιστρέφουν στη μορφή αιωρήματος μετά την καθίζησή τους (μη αντιστρεπτά κ.) και δεν επηρεάζουν τόσο το ιξώδες όσο την επιφανειακή τάση του διαλύτη. Στην κατηγορία των λυόφιλων ανήκουν τα οργανικά κ. (άμυλο, γλυκογόνο, δεξτρίνες, κόμμεα, σάπωνες, πρωτεϊνικές ύλες, συνθετικά πολυμερή), ενώ λυόφοβα είναι τα ανόργανα κ. (υδροξείδια του σιδήρου, αργύρου, χρυσού, ψευδαργύρου, τα αρσενικούχα και θειούχα παράγωγα, οι καπνοί του αεροζόλ κλπ.). Μία χαρακτηριστική ιδιότητα των κολλοειδών διαλυμάτων είναι ότι μεταβάλλονται με τον χρόνο. Τα σωματίδια της φάσης διασποράς τείνουν να ενωθούν σε συσσωματώματα μεγαλύτερου μεγέθους, ώσπου να φτάσουν τις διαστάσεις ενός μακροαιωρήματος. Στο σημείο αυτό παρατηρείται το φαινόμενο της κροκίδωσης, δηλαδή η καθίζηση της διασπαρμένης φάσης. Κατά την κροκίδωσή του το κ. εγκλείει πάντοτε ένα μέρος του διαλύτη. Στην περίπτωση που εγκλείει ολόκληρη την ποσότητα του διαλύτη, η πηγμένη μάζα που προκύπτει έχει ζελατινώδη μορφή και το φαινόμενο ονομάζεται ζελατινοποίηση, ενώ το ίζημα ζελ, σε αντίθεση με το σολ που χαρακτηρίζει την κατάσταση του κολλοειδούς διαλύματος. Η παρουσία ηλεκτρολυτών και ο χρόνος είναι δύο παράγοντες που καθορίζουν την καθίζηση των κ. Ενδεικτικό παράδειγμα στιγμιαίας κροκίδωσης αποτελεί η συμπεριφορά διαλύματος πυριτικού οξέος, το οποίο σχηματίζεται με την αντίδραση υδροχλωρικού οξέος με πυριτικό άλας. Στην αρχή, το πυριτικό οξύ βρίσκεται με τη μορφή της ελάχιστης υποδιαίρεσης και δίνει ένα πραγματικό διάλυμα. Με την πάροδο όμως του χρόνου, τα σωματίδια του οξέος συσσωματώνονται, σχηματίζοντας σταδιακά με το μέσο διασποράς ένα κολλοειδές διάλυμα. Η πορεία της συσσωμάτωσης συνεχίζεται και, κάποια στιγμή, οι διαστάσεις των σωματιδίων φτάνουν στο σημείο να σχηματίζουν ένα μακροαιώρημα. Στο σημείο αυτό λαμβάνει χώρα η κροκίδωση. Μια άλλη ιδιότητα των κ. εκδηλώνεται με την εφαρμογή διαφοράς δυναμικού: παρατηρείται τότε ότι τα σωματίδια της φάσης διασποράς μετατοπίζονται προς τον έναν πόλο· το φαινόμενο αυτό καλείται ηλεκτροφόρηση. Η συμπεριφορά αυτή οδηγεί στο συμπέρασμα ότι τα κολλοειδή σωματίδια φέρουν ηλεκτρικό φορτίο, το οποίο είναι το ίδιο σε όλα τα σωματίδια, και ότι σε αυτό οφείλεται η κολλοειδής κατάσταση του διαλύματος. Τα σωματίδια που φέρουν το ίδιο φορτίο θα ασκούσαν μεταξύ τους μια απωστική δύναμη, ισορροπώντας έτσι τις δυνάμεις μοριακής συνοχής, οι οποίες αντίθετα τείνουν να τα ενώσουν. Αν τα ηλεκτρικά φορτία των κολλοειδών σωματιδίων εξουδετερωθούν, υπερτερούν οι δυνάμεις συνοχής και έχουμε, ως συνέπεια, την κροκίδωση του σολ. Η συνθήκη, λοιπόν, κατά την οποία υπάρχει εξουδετέρωση των ηλεκτρικών φορτίων του κ. είναι η καθίζησή του και ονομάζεται ισοηλεκτρικό σημείο. Ένας απλός τρόπος για να προκύψει κροκίδωση είναι να αναμειχθούν δύο κολλοειδή διαλύματα με αντίθετο φορτίο ή να προστεθεί ένας ηλεκτρολύτης με διαφορετικό φορτίο από το αντίστοιχο της φάσης διασποράς. Τα κολλοειδή διαλύματα εμφανίζουν ένα ιδιαίτερο οπτικό φαινόμενο, που ονομάζεται φαινόμενο Τίνταλ. Μια φωτεινή ακτίνα που διέρχεται από ένα καθαρό υγρό ή ένα πραγματικό διάλυμα παραμένει αόρατη, ενώ, αντίθετα, η πορεία της μέσα από ένα κολλοειδές διάλυμα μπορεί να διακριθεί. Tέλος τα κ. παρουσιάζουν μια ιδιότητα με σημαντική πρακτική εφαρμογή. Είναι γνωστό ότι η λεπτότατα επεξεργασμένη σκόνη του άνθρακα, το αργίλιο και το πυρίτιο μπορούν να κατακρατήσουν στην εκτεταμένη επιφάνειά τους τα αέρια που υπάρχουν στον περιβάλλοντα χώρο ή να προσροφήσουν ορισμένες ουσίες που υπάρχουν σε ένα διάλυμα. Φαίνεται ότι και τα κ., η επιφάνεια των οποίων είναι σε κατάσταση ελάχιστης υποδιαίρεσης, εμφανίζουν αυτό το φαινόμενο της προσρόφησης και γι’ αυτό ονομάζονται προσροφητές. Το φαινόμενο αυτό αξιοποιείται σε διάφορες βιομηχανικές μεθόδους και στα ερευνητικά εργαστήρια. Για παράδειγμα, με την εισαγωγή στο διάλυμα ενός κ. ή κάποιας άλλης προσροφητικής ουσίας, ικανής να απομακρύνει τις έγχρωμες ξένες προσμείξεις, μπορεί να επιτευχθεί αποχρωματισμός ενός υγρού. Τα προσροφητικά χρησιμοποιούνται, επίσης, για τον διαχωρισμό αέριων μειγμάτων, όπως είναι ο διαχωρισμός των ατμών του βενζολίου από το φωταέριο. Η σταθερότητα της κολλοειδούς κατάστασης μιας ουσίας μπορεί να αυξηθεί με την προσθήκη ενός άλλου κ., το οποίο –για τον λόγο αυτό– ονομάζεται προστατευτικό κ. Τέτοια δράση έχουν, γενικά, οι οργανικές ουσίες, αν και είναι γνωστή μια περίπτωση ανόργανων ουσιών που χρησιμοποιούνται ως προστατευτικά κ. Η προστατευτική δράση ενός κ. μετράται με τον αριθμό χρυσού, που δείχνει τον αριθμό των αναγκαίων χιλιοστογράμμων ενός προστατευτικού για να εμποδιστεί η εκτροπή προς το ιώδες 10 κ. εκ. ερυθρού κολλοειδούς διαλύματος χρυσού με την προσθήκη ενός κ. εκ. χλωριούχου νατρίου 10%. Η προστατευτική δράση ενός κ. θα είναι, προφανώς, τόσο μεγαλύτερη όσο μικρότερος είναι ο αριθμός του χρυσού. Η μελέτη των κ. παρουσιάζει μεγάλο επιστημονικό και βιομηχανικό ενδιαφέρον. Πολλές βιομηχανικές μέθοδοι για τον χρωματισμό των γυαλιών, την ωρίμανση των αργίλων στην κεραμική βιομηχανία και στην παραγωγή τσιμέντων στηρίζονται σε εφαρμογές των κολλοειδών διαλυμάτων. Η χημεία των κ. ασχολείται, εξάλλου, με πολλά φαινόμενα συνήθη στο ζωικό και στο φυτικό βασίλειο. Από τα φυσικά κ. συνηθέστερα είναι το γάλα, το βούτυρο, το τυρί, η αλβουμίνη, το αίμα, η άργιλος και ο χυμός του καουτσούκ. Τα τεχνητά κ. είναι σχεδόν άπειρα και περιλαμβάνουν, μεταξύ άλλων, όλα τα γαλακτώματα, τα βερνίκια και τα συνθετικά πολυμερή.