| Kolloide in der schematischen Einteilung der Stoffe |
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Als Kolloide (von altgriechisch κόλλα kólla „Leim“ und εἶδος eidos „Form, Aussehen“) oder Kolloiddispersion werden Teilchen oder Tröpfchen bezeichnet, die im Dispersionsmedium (Feststoff, Gas oder Flüssigkeit) fein verteilt sind. Die Größe der einzelnen Teilchen liegt im Bereich von einem Nanometer bis zu einem Mikrometer.
In diesem Größenbereich liegen viele Moleküle sowie die meisten Viren.
Neben der Größe der Teilchen ist auch ihre gleichmäßige Verteilung für ein kolloidales System kennzeichnend, die sich nicht oder nur langsam ändert. Sind die Teilchen beweglich (etwa in einem flüssigen Dispersionsmedium), so zeigen sie Brownsche Bewegung.
Je nach Bindungsart zwischen den Atomen der Kolloide können unterschieden werden:
- Dispersionskolloide enthalten Teilchen, die durch Zerkleinerung, Kondensation oder Peptisation von beliebigen (lyophoben) Stoffen entstanden sind, die sich nicht im Dispersionsmedium lösen, z. B. Tonkolloid in Wasser. Eine elektrostatische oder sterische Stabilisierung mit Schutzkolloiden ist notwendig, um eine Auflösung oder Aggregation zu verhindern. Ein thermodynamisches Gleichgewicht liegt nicht vor.
- Molekülkolloide enthalten Teilchen die typischerweise aus etwa 100 Atomen bestehen, die über Hauptvalenzen gebunden sind. Beispiele sind Heteropolysäuren, Polysaccharide und Polyphosphate. Der Aufbau entspricht niedermolekularen Substanzen.
- Assoziationskolloide/ Mizellkolloide enthalten Mizellen, die sich ab einer bestimmten Massenkonzentration selbsttätig, d. h. ohne Mitwirkung von Schutzkolloiden oder Peptisatoren, bilden. Beispiele sind Seifen, Tenside und manche Farbstoffe.
Kolloidale Suspensionen haben große Bedeutung in der Nahrungsmittel- und Kosmetikindustrie und in der Grundlagenforschung, insbesondere in der statistischen Physik. Die Kolloidchemie ist der Bereich der Chemie, der sich mit ihren stofflichen Eigenschaften befasst.
Definitionen und Formen Bearbeiten
Meist wird für Kolloide angenommen, dass es Emulsionen oder Suspensionen von Flüssigkeiten oder Feststoffen in einer Flüssigkeit sind. Grundsätzlich kann sowohl die disperse Phase als auch das Dispersionsmedium jeden der drei Aggregatzustände einnehmen, also ein Feststoff, eine Flüssigkeit oder ein Gas sein.
| Disperse Phase | Dispersionsmedium | Kolloid | Beispiele |
|---|---|---|---|
| Flüssigkeit | Flüssigkeit | Emulsionen, Mikroemulsion | Milch, Blut, Mayonnaise, Kosmetika |
| Gas | Flüssigkeit | Mikroschaum | Schlagsahne |
| Feststoff | Flüssigkeit | Sol, auch: kolloidale Suspension, kolloidale Lösung | Tinte, Schlamm, Kaffee, kolloidales Gold oder kolloidales Silber |
| Flüssigkeit | Gas | Aerosol | Nebel |
| Feststoff | Gas | Rauch | |
| Flüssigkeit | Feststoff | Festemulsion | Materialfeuchte, etwa in Holz |
| Gas | Feststoff | Festschaum | Schaumstoff, Milchquarz |
| Feststoff | Feststoff | Festsuspension | Spezielle Verbundwerkstoffe, Farbstoff/ Pigmente in Kunststoff, Gold-Rubin-Glas, Opalglas |
Kolloidale Lösungen stehen aufgrund der Teilchengröße zwischen echten Lösungen (molekulardispers) und grobdispersen Suspensionen oder Emulsionen.
- Pasten haben eine hohe Konzentration der dispersen Phase, so dass keine oder nur eine sehr geringe Fließfähigkeit vorliegt
- Gele haben statt einzelner Partikel meist langkettige Makromoleküle wie bei Gelee oder Leim.
- Flüssigkristalle sind Kolloide, die in einer Flüssigkeit geordnete Strukturen bilden.
- Aerosole sind Kolloiddispersionen in Gasen, wie Rauch und Nebel.
Disperse Systeme mit annähernd gleicher Teilchengröße werden als monodispers oder isodispers, solche mit unterschiedlicher Teilchengröße als polydispers bezeichnet. Sind disperse Phase und Dispersionsmittel sicher zu unterscheiden, handelt es sich um „einfache Kolloide“. Bilden sie ineinander verschlungene Netzwerke ohne eine klare Zuordnung sind es „Netzwerk-Kolloide“.
Die Größenordnung von Kolloiden kann sich nur auf eine Dimension beziehen, so dass man in der Struktur von Kolloiden differenzieren kann. Kaolinit ist ein Beispiel für ein sehr dünnplattiges Tonmineral und bildet auch ein kolloidales System. Dies gilt gleichfalls für faser- oder netzwerkartige Strukturen, die in zwei Raumrichtungen kolloidale Dimensionen aufweisen. Kolloide müssen nicht zwangsläufig aus einzelnen Partikeln bestehen. Markanter ist die Untergrenze von etwa einem Nanometer, da es hier zu einem recht einheitlichen Übergang hin zu den Eigenschaften molekular-disperser Systeme kommt.
Geschichte und Herkunft des Begriffs Bearbeiten
Kolloide wurden schon genutzt, als noch keinerlei Kenntnis über ihre Systematik bestand. Die wissenschaftliche Auseinandersetzung mit Kolloiden ist erst in jüngerer Zeit zu verzeichnen, als sich die früher begrenzten technischen Möglichkeiten für eine gezielte, reproduzierbare Herstellung wohldefinierter Kolloide verbesserte.
Bereits den Alchimisten waren Formen des kolloidalen Goldes bekannt und Pierre Joseph Macquer vermutete 1744, dass es sich hierbei um eine feine Verteilung des Goldes in einer Dispersion handeln könnte. Erste empirische Untersuchungen führte Selmi 1845 durch, 1856 folgten die Versuche Michael Faradays mit kolloidalem Gold.
Der britische Physiker Thomas Graham führte 1861 den englischen Begriff „colloid“ ein, den er von dem griechischen Wort für Leim ableitete. Er benutzte ihn, um Stoffe aufgrund ihres Diffusionsverhaltens durch poröse Membranen in „kristalloide“ und „kolloidale“ Substanzen zu unterteilen. Grahams Kriterien waren jedoch nicht zielführend. Was er als kolloidal bezeichnete, war nicht eine chemische Eigenschaft, sondern ein Zustand der feinen physikalischen Unterteilung bestimmter Proben. Seit Beginn des zwanzigsten Jahrhunderts wird der Begriff im Sinne der modernen Definition verwendet. Im Jahr 1922 gründete Wolfgang Ostwald in Leipzig die Kolloid-Gesellschaft zur Pflege und Förderung der Kolloidwissenschaft, die bis heute noch besteht.
Eine kinetische Theorie für kolloidale Systeme wurde erstmals von Marian Smoluchowski geschaffen. Die Chemie der Kolloide und deren Eigenschaften wurden besonders von Richard Zsigmondy (Nobelpreis 1925) und seinen Mitarbeitern untersucht.
Eigenschaften Bearbeiten
Makroskopisch Bearbeiten
Aufgrund ihrer im Verhältnis zum Volumen vergleichsweise großen Grenzflächen spielen Effekte der Oberflächenchemie für Kolloide eine besondere Rolle. Kolloide weisen zudem in der Regel den Tyndall-Effekt auf. Durch Lichtstreuung an den Grenzflächen erscheinen selbst Dispersionen aus transparenten Phasen milchig oder trüb (es kann auch Opaleszenz auftreten), solange die Brechungsindizes nicht genau gleich sind.
Mikroskopisch Bearbeiten
Folgende Wechselwirkungen können zwischen Kolloidteilchen auftreten.
Bedeutung und Anwendungen Bearbeiten
Chemie Bearbeiten
Die Kolloidchemie untersucht die Eigenschaften kolloiddisperser Systeme und ist ein selbständiges Gebiet der physikalischen Chemie.
Physik Bearbeiten
Kolloidsuspensionen sind wichtige Modellsysteme um Vorhersagen der statistischen Thermodynamik zu überprüfen oder atomare Festkörperprozesse zu simulieren.
- Die Wechselwirkungen zwischen einzelnen Kolloidteilchen lassen sich durch Auswahl der Teilchen, Behandlung ihrer Oberfläche und Zusammensetzung der Flüssigkeit einstellen. Man kann Stärke und Reichweite der Wechselwirkung separat einstellen und damit verschiedenartige Potentialverläufe modellieren. Die Teilchen verhalten sich wie Atome eines Metalls oder wie die eines ionischen Systems und bilden entsprechende Kristalle. Bei hinreichender Konzentration tritt die Kristallisation sogar bei nicht wechselwirkenden Partikeln („Harte Kugeln“) ein, was paradoxerweise entropische Ursachen hat.
- Kolloide sind etwa um den Faktor 1000 bis 10.000 größer als Atome. Daher sind sie wesentlich einfacher und mit deutlich weniger experimentellem Aufwand (dynamischer Lichtstreuung oder Konfokalmikroskopie) zu beobachten.
- Ihre Bewegung ist deutlich langsamer als die von Atomen. Das erlaubt die Beobachtung von Prozessen wie Kristallisation, die in atomaren Systemen zu schnell ablaufen.
Verfahrenstechnik Bearbeiten
Kolloiddisperse Systeme haben durch die feine Verteilung der einen Phase in der anderen im Verhältnis zu ihrem Volumen eine enorm große Grenzfläche. Dies wird überall ausgenutzt, wo Grenzflächeneffekte wichtig sind, wie in der Trocknungstechnik oder bei der Reaktion zweier nichtmischbarer Flüssigkeiten.
Bodenkunde Bearbeiten
In der Bodenkunde wird das Größenspektrum der Kolloide bis zwei Mikrometer erweitert. Diese Einteilung schließt die bodenkundlich relevante Tonfraktion ein, da Bodenteilchen mit einem Durchmesser bis etwa 2 μm kolloidale Eigenschaften aufweisen. Dies ist unter anderem Folge des blattförmigen Habitus von Tonteilchen. Dabei treten Eigenschaften, die auf Grund der Masse der Teilchen auftreten, gegenüber den Eigenschaften aus der großen spezifischen Oberfläche, zurück.
Medizin Bearbeiten
In der Infusionstherapie werden kolloidale Infusionslösungen eingesetzt, die eine Stabilisierung oder Zunahme des Volumens in den Blutgefäßen bewirken. Sie enthalten kolloidale Makromoleküle wie Kohlenhydrate (Hydroxyethylstärke, Dextrane) oder Proteine (Gelatine oder humanes Albumin).
Siehe auch Bearbeiten
Literatur Bearbeiten
- Wolfgang Ostwald: Die Welt der vernachlässigten Dimensionen. Verlag Theodor Steinkopff, Dresden/Leipzig 1914, OCLC 14782110.
- Thilo Hoffmann: Kolloide: Die Welt der vernachlässigten Dimensionen. In: Chemie in unserer Zeit. 38, Nr. 1, 2004, S. 24–35, doi:10.1002/ciuz.200400294.
- Douglas H. Everett: Grundzüge der Kolloidwissenschaften. Steinkopff, Darmstadt 1992, ISBN 3-7985-0871-2.
- J. C. Daniel, R. Audebert: Small Volumes and Large Surfaces: The World of Colloids. In: M. Daoud, C. E. Williams (Hrsg.): Soft Matter Physics. Springer, Berlin/Heidelberg 1999, ISBN 3-540-64852-6.
- Jacob N. Israelachvili: Intermolecular and Surface Forces, Third Edition. Academic Press, Oxford 2011, ISBN 978-0-12-375182-9.
- Drew Myers: Surfaces, Interfaces, and Colloids, Second Edition. Wiley-VCH, New York 1999, ISBN 0-471-33060-4.
Einzelnachweise Bearbeiten
- Dispersionen - Kolloiddispersionen, Bereich Physikalische Chemie (Kolloide) der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
- ↑ Kolloide, Abschnitt 1.1. In: TU-Chemnitz.de. Abgerufen im Januar 2022
- M. Daoud, C. E. Williams (Hrsg.): Soft Matter Physics. Springer, Berlin und Heidelberg 1999, ISBN 3-540-64852-6.
- Günter Jakob Lauth, Jürgen Kowalczyk: Einführung in die Physik und Chemie der Grenzflächen und Kolloide. Springer, Berlin, Heidelberg, ISBN 978-3-662-47017-6, S. 354 f., doi:10.1007/978-3-662-47018-3_10.
- V. Prasad, D. Semwogerere, E. Weeks: Confocal microscopy of colloids. In: Journal of Physics: Condensed Matter. Band 19, 2007, S. 113102, doi:10.1088/0953-8984/19/11/113102 (PDF).