11.7: Colloïdale suspensies (2023)

Colloïden en suspensies

Colloïden werden voor het eerst gekarakteriseerd rond 1860 door Thomas Graham, die ons ook de wet van diffusie en effusie van Graham gaf. Hoewel sommige stoffen, zoals zetmeel, gelatine en lijm, lijken op te lossen in water om oplossingen te produceren, ontdekte Graham dat ze heel langzaam of helemaal niet diffunderen in vergelijking met oplossingen van stoffen zoals zout en suiker. Graham bedacht het woord colloïde (van het Griekse kólla, wat "lijm" betekent) om deze stoffen te beschrijven, evenals de woorden sol en gel om bepaalde soorten colloïden te beschrijven waarin al het oplosmiddel is geabsorbeerd door de vaste deeltjes, dus voorkomen dat het mengsel gemakkelijk stroomt, zoals we zien in Jell-O. Twee andere belangrijke soorten colloïden zijn aerosolen, dit zijn dispersies van vaste of vloeibare deeltjes in een gas, en emulsies, dit zijn dispersies van een vloeistof in een andere vloeistof waarmee het niet mengbaar is.

Colloïden delen veel eigenschappen met oplossingen. De deeltjes in beide zijn bijvoorbeeld onzichtbaar zonder een krachtige microscoop, blijven niet staan ​​en gaan door de meeste filters. De deeltjes in een colloïde verstrooien echter een straal zichtbaar licht, een fenomeen dat bekend staat als het Tyndall-effect. Het effect is genoemd naar de ontdekker, John Tyndall, een Engelse natuurkundige (1820-1893). terwijl de deeltjes van een oplossing dat niet doen. Het Tyndall-effect is verantwoordelijk voor de manier waarop de stralen van koplampen van auto's op een mistige nacht duidelijk zichtbaar zijn vanaf de zijkant, maar niet vanaf de zijkant op een heldere nacht. Het is ook verantwoordelijk voor de gekleurde lichtstralen die bij veel zonsondergangen te zien zijn, waarbij het zonlicht wordt verstrooid door waterdruppels en stofdeeltjes hoog in de atmosfeer. Een voorbeeld van het Tyndall-effect wordt weergegeven in afbeelding \(\PageIndex{1}\).

Hoewel colloïden en suspensies deeltjes van vergelijkbare grootte kunnen hebben, verschillen de twee in stabiliteit: de deeltjes van een colloïde blijven voor onbepaalde tijd verspreid tenzij de temperatuur of de chemische samenstelling van het dispergerende medium wordt veranderd. De chemische verklaring voor de stabiliteit van colloïden hangt af van het feit of de colloïdale deeltjes hydrofiel of hydrofoob zijn.

De meeste eiwitten, inclusief de eiwitten die verantwoordelijk zijn voor de eigenschappen van gelatine en lijm, zijn hydrofiel omdat hun buitenoppervlak grotendeels bedekt is met polaire of geladen groepen. Zetmeel, een lang vertakt polymeer van glucosemoleculen, is ook hydrofiel. Een hydrofiel colloïde deeltje interageert sterk met water, wat resulteert in een omhulsel van stevig gebonden watermoleculen die voorkomen dat de deeltjes aggregeren wanneer ze botsen. Het verhitten van zo'n colloïde kan aggregatie veroorzaken omdat de deeltjes met grotere energie botsen en de beschermende schil van oplosmiddel verstoren. Bovendien zorgt warmte ervoor dat eiwitstructuren zich ontvouwen, waardoor eerder begraven hydrofobe groepen worden blootgelegd die nu kunnen interageren met andere hydrofobe groepen en ervoor zorgen dat de deeltjes aggregeren en uit de oplossing neerslaan. Wanneer bijvoorbeeld een ei wordt gekookt, ontvouwt het eiwit, dat in de eerste plaats een colloïdale suspensie is van een eiwit genaamd albumine, zich en legt zijn hydrofobe groepen bloot, die aggregeren en ervoor zorgen dat het albumine neerslaat als een witte vaste stof.

In sommige gevallen kan een stabiel colloïde worden omgezet in een geaggregeerde suspensie door een kleine chemische wijziging. Denk bijvoorbeeld aan het gedrag van hemoglobine, een belangrijk bestanddeel van rode bloedcellen. Hemoglobinemoleculen vormen normaal gesproken een colloïdale suspensie in rode bloedcellen, die meestal een "donut" -vorm hebben en gemakkelijk kunnen worden vervormd, waardoor ze door de haarvaten kunnen persen om zuurstof aan weefsels te leveren. Bij een veel voorkomende erfelijke ziekte die sikkelcelanemie wordt genoemd, wordt een van de aminozuren in hemoglobine met een hydrofiele carbonzuurzijketen (glutamaat) vervangen door een ander aminozuur met een hydrofobe zijketen (valine). Onder bepaalde omstandigheden kunnen de abnormale hemoglobinemoleculen samenklonteren om lange, stijve vezels te vormen die ervoor zorgen dat de rode bloedcellen vervormen en een karakteristieke sikkelvorm aannemen die voorkomt dat ze door de haarvaten gaan (Afbeelding \(\PageIndex{2}\)) . De vermindering van de bloedstroom resulteert in ernstige krampen, gezwollen gewrichten en leverschade. Tot voor kort stierven veel patiënten met sikkelcelanemie vóór de leeftijd van 30 jaar aan infectie, bloedstolsels of hart- of nierfalen, hoewel personen met de genetische eigenschap van sikkelcel beter bestand zijn tegen malaria dan mensen met "normaal" hemoglobine. .

Aggregatie en neerslag kunnen ook het gevolg zijn wanneer de buitenste, geladen laag van een deeltje wordt geneutraliseerd door ionen met de tegengestelde lading. In de binnenwateren vormen kleideeltjes, die een geladen oppervlak hebben, een colloïdale suspensie. Hoge zoutconcentraties in zeewater neutraliseren de lading op de deeltjes, waardoor ze neerslaan en land vormen aan de mondingen van grote rivieren, zoals te zien is in de satellietweergave in figuur \(\PageIndex{3}\). Ladingsneutralisatie is ook een belangrijke strategie voor het neerslaan van vaste deeltjes uit gasvormige colloïden zoals rook, en wordt veel gebruikt om de uitstoot van deeltjes te verminderen door elektriciteitscentrales die fossiele brandstoffen verbranden.

Emulsies

Emulsies zijn colloïden die worden gevormd door de dispersie van een hydrofobe vloeistof in water, waardoor twee onderling onoplosbare vloeistoffen, zoals olie en water, in nauw contact komen. Er zijn verschillende middelen ontwikkeld om emulsies te stabiliseren, de meest succesvolle zijn moleculen die een relatief lange hydrofobe "staart" combineren met een hydrofiele "kop":

(Video) BBrown AP Chapter 13.5-13.6 Notes

Voorbeelden van dergelijke emulgatoren zijn zepen, dit zijn zouten van carbonzuren met lange ketens, zoals natriumstearaat \(\ce{[CH_3(CH_2)_{16}CO_2−Na^{+}]}\), en wasmiddelen , zoals natriumdodecylsulfaat \(\ce{[CH_3(CH_2)_{11}OSO_3−Na^{+}]}\), waarvan de structuur als volgt is:

Wanneer u uw wasgoed wast, interageren de hydrofobe staarten van zeep en wasmiddelen met hydrofobe vuil- of vetdeeltjes door verspreidingskrachten, waardoor ze oplossen in het inwendige van het hydrofobe deeltje. De hydrofiele groep wordt vervolgens blootgesteld aan het oppervlak van het deeltje, waardoor het door middel van ion-dipoolkrachten en waterstofbinding met water kan interageren. Hierdoor verspreiden de vuil- of vetdeeltjes zich in het waswater en kunnen ze door spoelen worden verwijderd. Soortgelijke middelen worden in de voedingsindustrie gebruikt om emulsies zoals mayonaise te stabiliseren.

Een verwant mechanisme stelt ons in staat om de vetten in beboterde popcorn en frites te absorberen en te verteren. Om de vetten op te lossen zodat ze kunnen worden opgenomen, scheidt de galblaas een vloeistof genaamd gal af in de dunne darm. Gal bevat een verscheidenheid aan galzouten, wasmiddelachtige moleculen die de vetten emulgeren.

micellen

Wasmiddelen en zepen zijn verrassend goed oplosbaar in water, ondanks hun hydrofobe staarten. De reden voor hun oplosbaarheid is dat ze in feite geen eenvoudige oplossingen vormen. In plaats daarvan vormen ze boven een bepaalde concentratie spontaan micellen, bolvormige of cilindrische aggregaten die het contact tussen de hydrofobe staarten en water minimaliseren. In een micel staan ​​alleen de hydrofiele koppen in direct contact met water en de hydrofobe staarten bevinden zich in het inwendige van het aggregaat (Figuur \(\PageIndex{4a}\)).

Een grote klasse biologische moleculen, fosfolipiden genaamd, bestaat uit wasmiddelachtige moleculen met een hydrofiele kop en twee hydrofobe staarten, zoals te zien is in het molecuul fosfatidylcholine. De extra staart resulteert in een cilindrische vorm die voorkomt dat fosfolipiden een bolvormige micel vormen. Bijgevolg vormen fosfolipiden dubbellagen, verlengde vellen bestaande uit een dubbele laag moleculen. Zoals weergegeven in figuur \(\PageIndex{4b}\), bevinden de hydrofobe staarten zich in het midden van de dubbellaag, waar ze niet in contact komen met water, en de hydrofiele koppen op de twee oppervlakken, in contact met de omringende waterige laag. oplossing.

Een celmembraan is in wezen een mengsel van fosfolipiden die een fosfolipidendubbellaag vormen. Een definitie van een cel is een verzameling moleculen omgeven door een fosfolipide dubbellaag die zichzelf kan reproduceren. De eenvoudigste cellen zijn bacteriën, die uit slechts een enkel compartiment bestaan, omgeven door een enkel membraan. Dierlijke en plantaardige cellen zijn echter veel complexer en bevatten veel verschillende soorten compartimenten, elk omgeven door een membraan en in staat om gespecialiseerde taken uit te voeren.

Samenvatting

Een suspensie is een heterogeen mengsel van deeltjes van één stof verdeeld over een tweede fase; de gedispergeerde deeltjes scheiden zich bij staan ​​af van de dispergerende fase. De deeltjes in een colloïde daarentegen zijn kleiner en scheiden niet bij staan. Een colloïde kan worden geclassificeerd als een sol, een dispersie van vaste deeltjes in een vloeistof of vaste stof; een gel, een halfvaste sol waarin alle vloeibare fase is geabsorbeerd door de vaste deeltjes; een aerosol, een dispersie van vaste of vloeibare deeltjes in een gas; of een emulsie, een dispersie van de ene vloeibare fase in de andere. Een colloïde kan worden onderscheiden van een echte oplossing door zijn vermogen om een ​​lichtstraal te verstrooien, bekend als het Tyndall-effect. Hydrofiele colloïden bevatten een buitenste schil van groepen die gunstig interageren met water, terwijl hydrofobe colloïden een buitenoppervlak hebben met weinig affiniteit voor water. Emulsies worden bereid door een hydrofobe vloeistof in water te dispergeren. Bij afwezigheid van een gedispergeerde hydrofobe vloeibare fase vormen oplossingen van wasmiddelen in water georganiseerde bolvormige aggregaten die micellen worden genoemd. Fosfolipiden zijn een klasse van wasmiddelachtige moleculen met twee hydrofobe staarten die aan een hydrofiele kop zijn bevestigd. Een dubbellaag is een tweedimensionaal vel dat bestaat uit een dubbele laag fosfolipidemoleculen die staart aan staart zijn gerangschikt met een hydrofobe binnenkant en een hydrofiele buitenkant. Cellen zijn verzamelingen van moleculen die zijn omgeven door een fosfolipide dubbellaag, een celmembraan genaamd, en die zichzelf kunnen reproduceren.