Дисперсните системи, при които частичките на дисперсната фаза са в размерите 0,1-0,001 Мm (1-100 нм) се обозначават като колоиди. Поради някои особености в свойствата им в миналото те бяха отделени от останалите вещества и наречени с горното название. Останалите се нарекоха кристалоиди. Впоследствие се оказа, че принципна разлика между колоиди и кристалоиди не съществува - има по-скоро колоидно и кристалоидно състояние и че всяко вещество може да бъде в тези състояния, стига само да се създадат съответните условия. Основните понятия при колоидите са: 0 ол-дисперсната фаза е хомогенно разпределена в целия обем на дисперсната среда. Според последната съществуват хидрозоли, бензолозоли, органозоли, аерозоли (дисперсна среда - газ например мъглата), кристалозоли (дисперсна среда - твърдо например оцветените диаманти, рубинът, аметистът и прочие), стъклозоли (оцветените стъкла и прочие) и други Гел (галерт) - дисперсната фаза не е хомогенно разпределена и формира маса с донякъде изразено външно очертание, включила известни количества от дисперсната среда. Според последната съществуват хидрозоли, бензолозоли, органозоли, аерозоли /дисперсна среда - газ например мъглата/, кристалозоли /дисперсна среда - например твърдо оцветените диаманти, рубинът, аметистът и прочие/, стъклозоли /оцветените стъкла и прочие/ и други Гел /галерт/ - дисперсната фаза не е хомогенно разпределена и формира маса с донякъде изразено външно очертание, включила известни количества от дисперсната среда. Когато са застъпени двете преминавания - зол в гел и гел в зол, първото се обозначава като лоагулация, а второто като пептизация, и колоидът се явява обратим. Ако е застъпен само първият процес, а вторият не е застъпен - необратим. При коагулацията не става уголемяване на частичките, а събиране на последните в съответно големи агрегати.
Методите за получаване на колоидно-дисперсни системи са:
- Кондензационни, при които се излиза от молекулни или йонни разтвори и се създават условия за кондензация на молекулите или йоните до размерите на колоидните частички. Тук са главно химичните процеси утаяване, хидролиза, обменни процеси и прочие. Дисперсионни - раздробяване на твърди вещества до размерите на колоидните частички. Използват се така наречечените колоидни мелници. Някои вещества при разтворителния процес направо дават колоид /белтъкът, скорбялата, желатинът и прочие/. Получените по двата метода колоидни разтвори са онечистени от йони и от молекули на чуждии вещества. Премахването на последните става по пътя на така наречената диализа, при която се използва мембрана /пергаментова хартия/, която пропуска през себе си йоните и молекулите, но не и колоидните частички. Съществува и междинен метод дисперсионно-кондензационен, при който се използва електрическата дъга. Чрез него се получават метални хидролизи от злато, сребро, кадмий и прочие. В определена дисперсна среда се поставят два електрода от метала /например злато/, между които се формира мощна електрическа искра. При създадените условия протича процес на директно диспергиране на метала и на изпаряването му до атоми, които кондензират до колоидни размери.
Колоидно дисперсните системи притежават редица характерни свойства в отпично и други отношения.
Оптични свойства
Ако се пропусне сноп светлинни лъчи през колоиден разтвор, пътят им се вижда подобно както в прашна стая или през мътна течност. Явлението се обяснява със страниното разсейване на преминаващата свелина, така нареченият Тиндалов ефект. Той не е присъщ на молекулните и йонните разтвори.
Тъй като колоидните частички са много малки, те не се наблюдават с обикновения оптичен микроскоп, а се откриват с така наречения ултрамикроскоп в основата на който стои Тиндаловият ефект. В общи черти представлява обикновен микроскоп, при който светлината пада отстрани. При това, докато с обикновения микроскоп се наблюдава формата на отделната частичка, при ултрамикроскопа се откриват множество непрекъснато трептящи точки, но не и формата на частичките. С конструирания през 1934 г. електронен микроскоп се установява както формата, така и големината на колоидните частички.
Колоидните разтвори са полидисперсни системи, при които частичките са с различна големина, но обезателно включени в колоидния дисперзитет за разлика от обикновените разтвори, които са монодисперсни. При едно и също вещество колоидните разтвори показват ясно изразени цветни явления. При процеса Na2S2O3 + H3PO4=NaH2PO4+SO2+H2O+S сярата, като расте от молекулни размери до размерите на грубата дисперсна система, през колоидния дисперзитет се явява синкаво, розово, червеникаво и сивобяло оцветена. Колоидният разтвор на среброто според големината на частичките се оцветявя в жълто, червеникаво, зелено и синьо в зависимост от каква посока се наблюдава золът.
Кинетични свойства
Ако се наблюдават под ултрамикроскоп частичките на един колоиден разтвор, вижда се, че те непрекъснато зигзагообразно се движат или извършват така нареченото Броуново движение /Р. Броун, 1826). То бе изучавано от големи учени - Айнщайн, Перен, Смохуловски, Сведберг и други, и изигра огромна роля в признаването на реалното съществуване на атомите и молекулите. ОБясни се, с уставеновеното собствено топлинно движение на колоидните частички, както и с ударите на молекулите на дисперсната среда. Чрез Броуновото движение и други факти се подчерта, че принципна разлика между колоидните разтвори и обикновените разтвори не съществува. Различието се свежда до степени разлики, обусловени от броя колоидни частички в единица обем, тоест че колоидните разтвори, дори много концентрирани, могат да се разглеждат като обикновени разтвори, извънредно разредени и че уравнението на Менделеев-Клапейрон pv=nRT е съответно валидно при колоидните разтвори.
Поради много малките размери колоидните частички не седиментират както частичките на суспензиите. Но ако колоидният разтвор се постави в така наречената ултрацентрофуга, която има оборото от 20 000 до около 150 000 в минута, благодарение на развитата центробежна сила, надвишаваща земното притегляне няколко десетки хиляди пъти, колоидните частички се утаяват /седиментират/.
Поради същата причина /много малките размери/ колоидно диспергираното вещество не може да се отдели от дисперсната среда чрез филтруване през обикновения книжен филтър, който има диаметър на порите няколко десетки пъти по-голям от диаметъра на колоидните частички. Но са развити тка наречените ултрафилтри, които имат диаметър на порите от колоидния дисперзитет. Това са ципи от целофан, колодиум и други. Чрез тях при съответна уредба на ултрафилтруването /под вакуум или под налягане/ е възможно да се отделя твърдата дисперсна фаза от дисперсната среда.
Електрически свойства
Ако в една U-видна тръба се налее диализиран колоиден разтвор Fe(OH)3 /кафяво оцветен/ и в него се поставят два платинови електрода, включени в източник за прав ток /около 100 волта/, опитът показва, че обикновено след няколко минути цветът на колоида около катода става по-тъмно кафяв, а около анода - разсветлява. Това говори, че колоидните астички са електрически заредени положително. Те се отблъскват от анода +електрод/ и се привличат от катода /-електрод/. Придвижването на колоидните частички под влиянието на електричното поле се нарича електрофореза. Ако е към анода - анафореза, ако е към катода - катафореза. Причината за електричния заряд на колоидните частички са няколко, на допирната повърхност между две фази - фазата с по-голяма диелектрична константа се наелектризирва положително и обратно с по-малка - отрицателно. Второ, собствена електролитна дисоциация, при която от колоидната частичка се отделят известен брой йони с едноименен заряд и остава йон-колоидна частичка с противоположен заряд. Трето, адсорбцията на йони, протичаща в съответствие с правилото на Панет-Фаянс (вж. в "Адсорбция").
От изложеното следва, че колоидните частички представляват нещо като молекулен /йонен/ или атомен агрегат, обкръжен от сложен електричен слой. На този "агрегат" понякога се дава по-определена схема на състава /формула/. Без да се изтъкват подробности, придобитият по гореизложените причините едноименен електричен заряд определя колоидните частички да се отблъскват една с друга и чрез това колоидният разтвор като цяло да притежава известна стабилност. Всяко нейно нарушение води до намаление или унищожаване на електричния заряд и дава възможност колоидните частички да се събират и утаяват - золът да преминава в гел и да протича процесът коагулация. Факторите, които предизвикват последната, са повишение на температурата, разни видове механично въздействие, увеличение на концентрацията на зола и други, особено прибавката на електорлити. Докато едни от причините на коагулацията са върху основата на преодоляване на силите на отблъсвкане между колоидните частички, прибавката на електролита има съвършено друг механизъм. А той се състои в отелектризирването на колоидните частички от онези йони на електролита, които имат заряд противоположен на техния заряд и събирането им съответно в по-големи агрегати. При еднакви други условия коагулационната способност на електролитите показва следните особености: всички йони от една и съща валентност притежават почти еднаква коагулационна способност и ако валентността се изменя в отношение 1:2:3 и прочие, коагулационната способност се изменя приблизително в съотношение 1:10:500 и прочие. Впрочем това е коагулационното правило на Шулце-Харди. То намира приложение в практиката - дъбенето на кожите, при коагулация на белтъчините, при слаби кръвоизливи и прочие се използват тривалентни йони Al3+, Cr3+ и други. Ако се използват два електролита в общ разтвор, коагулационната им способност може да бъде следна аритметична, съответно увеличена и съответно намалена. В първия случай се говори за адитивност /KCl и NaCl; KCl и KNO3 и прочие/ , във втория за синергизъм /LiCl и CaCl спрямо HgS - колоид/, в третия за антагонизъм /LiCl и MgCl2 спрямо A2S3 - колоид/. Един природен масовоизвършващ се процес на коагулация е образуването на делтите на големите реки Нил, Дунав и прочие под влиянието на електролитите, съдържащи се в морската вода.
Ако се смесят два колоида с противоположни заряди, протича проце на взаимна коагулация. Тя е от значение за образуването на почвените колоиди и прочие.
Наблюдавани са случаи, когато прибавката на даден електролит към определен колоид да предизвика промяна на знака на електричния заряд - например Pt - хидрозол и FeCl3 - електролит. Онзи пункт, при който колоидните частички имат нулев заряд, се нарича изоелектричен пункт. При него свойствата на колоида съществено се променят /особено коагулацията/.
Пептизацията /декоагулацията/ на гелните формации става чрез пептизатори. В общи черти механизмът на възстановяване на електричен заряд /първоначалния или противоположния/. Това може да стане или чрез промиване на гела с вода, при което се отмиват повърхностно йоните, предизвикали коагулацията и възстановяване на предишния заряд, или пък чрез обработката му с подходящо концентриран разтвор на електролит, при което колоидните частички, събрани в гелни агрегати получават заряд и започват да се отблъскват една от друга. Пептизацията играе немалка роля при много явление в природата и техниката - при пептизацията на почвата, очистване на повърхности, замърсени с колоидно дисперсни системи и прочие.
Лиофолни и лиофобни колоиди
КОлоидно дисперсните системи наред с адсорбцията на йони имат способността да адсорбират известни количества молекули от дисперсната среда. И според това, доколко тя е изразена, биват лиофобни и лиофолни, а при дисперсна среда вода - хидрофобни и хидрофилни колоиди. Първите почти не включват части, а вторите включват значителни количества от дисперсната среда. При дисперсна среда вода хидрофобни са метални хидрозоли, сулфидите и много други, а хидрофолни са желатинът, белтъкът, скорбялата и много други. Между тези две групи имат голям брой колоидни системи, които заемат средно място - металните хидроокиси, силициевата киселина и други. Разликата между тях се проявява в много от техните отнасяния. Хидрофилните колоиди съдържат големи количества вода, която образува хидратна обвивка, преминават от зол в гел и обратно, подчертано вискозни са, не са така чувствителни към електролити, и прочие. За тяхната коагулация трябва да се употребят големи концентрации електролит, като при това от същствено значение е анионът. И по своето влияние анионите се подреждат в така наречения ред на Хофмайстер на анионите - цитратен >SO42- > CH3COO- > Cl- > NO3- ... CNS-. Интересно е, че този ред е валиден за много процеси, които нямат нищо общо с колоидите и в този случай се нарича лиотропен ред. Хидрофобните колоиди не са така устойчиви както хидрофилните и ако се прибавят към първите колоиди известни количества от вторите, те като че ли придават стабилността си на първите. Такава стабилизация на хидрофобните колоиди се нарича колоидна защита. Обяснява се с адсорбцията на хидрофилния колоид върху частичките на хидрофобния. Тя е важна за практиката при производството на фотографските плаки и филми, в медицината за приготвяне н терапевтични метални хидрозоли /коларгол, протаргол и други/ и прочие.
Золите на много хидрофолни колоиди при коагулцията си дават сравнително плътна, неразливаща се повече маса, известна като галерт или желе. Това се дължи, че с времето на хидрофилните частички се свързват с голям брой водни молекули и образуват система с изразена донякъде форма. При по-дълго престояване галертът се руши и отделя течна фаза. Явлението се нарича синерезис - киселото мляко и други.
Ако сухото вещество на даден хидрофилен колоид /желатина/ се постави във вода, то набъбва, протича процесът набъбване. Той може да бъде неограничен и ограничен. При дисперсна среда бензол неограничено набъбване съществува при невулканизиран каучук, а ограничено - при вулканизиран каучук и прочие.
При хидрофилните колоиди е наблюдавано явлението тиксотропия, което се състои в това, че галертът, подложен на енергично механично въздействие се превръща в зол, който с времето пак се превръща в гел.
Интересно е протичането на утаечните процеси в галерти. Би могло да се сметне, че те протичат като във водни ратвори, но опитът показва, че при съответни закономерности се извършва ритмично /периодично/ утаяване. Формират се така наречените Лизегангови пръстени.
Емулсии
Дисперсната система е течна, образувана от две ограничено смесващи се течности - петро-вода и други. Дисперсната фаза е под формата на капчици с размери -1-50 Мm. С времето тя разслоява емулсията коалисцира. За да се стабилизира, прибавят се подходящи - емулгатори. Ако към емулсията петрол-вода се прибави малко сапун, коалисценцията практически отпада. Подкисели ли се, веднага коалисцира и се образува двуслойна система. Емулсиите са важни за живота и техниката. Млякото е емулсия на масло във вода. В техниката се използват така наречените емулсионни смазочни масла. В каучуковата промишленост се работи също с емулсии и прочие.
Аерозоли
Това са дисперсни системи, при които дисперсната среда е обезателно газ. Биват дим и мъгла. Формирането им в практиката, смело може да се каже, че е нежелано. Например в циментовите заводи, в металургичните заводи, в мините, в заводите за сярна киселина. Върху основата на аерозолите от горливи вещества /брашно, каменни въглища и прочие/ протичат понякога така наречените прахови експлозии. Но редица аерозоли намират приложение в практиката - военното дело /димни завеси/, в медицината /инхалации с антибиотици/, в селското стопанство /предпазване на растенията от замръзване и в борбата с редители по растенията/ и прочие. Размерите на частичките на дисперсната фаза е от 10-3 до 10-7 см. В кинетично отношение показват известни особености - термофореза /самоволно отделяне на аерозолните частички от нагрети повърхности/; фотофореза /придвижването им под влияние на светлинен лъч/ и прочие. Най-пълно пресичане на аерозолите става чрез електрофилтъра. При него аерозолната система преминава през силно електрично поле, при което частичките на дисперсната фаза, като се зареждат отрицателно, се отлагат на положителния полюс на електрофилтъра.
Значение на колоидно-дисперсните системи
Значението на колоидно дисперсните системи е огромно както в техничко, така и в биологично отношение. Основните градивни елементи на организма - белтъка, кръвта, лимфата, ензимите, стомашния сок и прочие са колоидни разтвори. Съединителната тъкан, мускулните влакна, сухожилията, стъкловидното вещество на окото са ограничено набъбнали гелни системи. Клетката в своята цялост е колоидна система. Старостта и смъртта настъпват върху основата на бавна или рязка коагулация на колоидите в живия организъм.
Получаването на изкуствени влакна, пластмаси, каучуковата, хартиената, фармацевтичната, козметичната, хранителната, багрилната, нефтохимичната и други промишлености са повече или по-малко свързани с колоидни разтвори.
Почвата в голямата си част представлява огромна колоидна система. Формирането на дъжда, облаците, мъглата, светкавиците стои в тясна връзка със съответните колоидни процеси.
Върху основата, че междузвездната материя е огромен аерозол, са изградени теории за възникването на планетите и редица звездни системи.
Днес колоидно-дисперсните системи се изучават в обособен клон от химията, така наречената колоидна химия.
