Koloidi

V seminarju se bom posvetil koloidom, snovem, ki so sestavljene iz dveh ali več komponent. Ena ima
vlogo topila, druge pa so razpršene v obliki drobnih delcev, kapljic, mehurčkov . . . Snovi, kot so mleko,
smetana, megla, opal, razne barve, plastične pene idr. so vse koloidi. Ime koloid je izumil britanski fizik
Thomas Graham leta 1861 med študijem difuzijskih lastnosti raztopin. Ugotovil je, da nekatere snovi
ne difundirajo skozi pergament, ampak se nanj "prilepijo". Te snovi je imenoval koloidi (kolla v grščini
pomeni lepilo) [3].
2 Vrste koloidov
Koloidi so raztopine manjših delcev, velikosti tipično med 1 nm in 1 µm, ki so razpršeni v gostiteljskem
mediju (trdni snovi, kapljevini, plinu). Koloidni delci se od molekul se razlikujejo v tem, da za njihov
opis ne potrebujemo poznati notranjih prostostnih stopenj (diskretna atomska narava nas ne zanima).
Zanje je značilno, da je ravnovesna dinamika posledica termičnega (Brownovega) gibanja, torej se delci
praviloma gibljejo difuzijsko. Ta lastnost postavlja zgornjo velikostno mejo delcev. Na Zemlji delci
čutijo gravitacijsko polje in verjetnost, da delec z maso m najdemo na višini h nad površino efektivne
posode podaja Boltzmannova formula P(h) ∝ exp(−mgh/kbT). Za koloidni režim je povprečna višina, na
kateri najdemo delec, večja od premera delca, kar pomeni, da je gravitacijska interakcija precej šibkejša
od ostalih meddelčnih interakcij. Za delce z relativno gostoto 1 g/cm 3 je pogoj izpolnjen pri velikosti
delcev manjših od 1 µm.
Koloidni delci so primerni za opazovanje neravnovesnih pojavov zaradi dolgih relaksacijskih časov
v primerjavi z atomsko skalo. Relaksacijski čas τr je čas, ki ga delec potrebuje, da difundira čez razdaljo,
ki je primerljiva njegovi velikosti. V času t delec difundira čez razdaljo √ 2Dt. Difuzijsko konstanto pa
izračunamo iz pogoja za stacionarnost sistema. V sistemu sta prisotna tokova delcev zaradi difuzije ( jD)
in gravitacijske sile ( jg). Velja
jD = −D∇n = D nmg
(1)
kbT
jg = nv = − nmg
, (2)
6πηr
kjer je n številska gostota delcev, m masa, g gravitacijska konstanta, η viskoznost in r radij sferičnih
delcev. Upoštevali smo Stokesov zakon upora (F = 6πηrv). Sistem je stacionaren, ko je vsota vseh tokov
∼ 1 s
enaka nič. Odtod dobimo difuzijsko konstanto D = kbT/(6πηr). Za mikronski delec je τr = 3πηr3
kbT
[4, 5].
Za koloide je značilno tudi veliko razmerje med površino in volumnom. Precejšnje število atomov
koloidnega delca je na površini in lahko interagira z okolico. Za makroskopske delce z velikostjo 1 mm
je razmerje atomov na površini proti vsem atomom v delcu okrog 10−6 , medtem ko znaša razmerje za
10 nm kroglice že približno 20 %. Če imamo 1g steklenih kroglic s premerom 1 mm, je njihova skupna
površina enaka le 30 cm2 , če pa imamo kroglice s premerom 1 µm, se površina poveča na 300 m2 .
Koloide delimo glede na fazo topila in dispergirane snovi [3, 6]. Različne vrste koloidov so prikazane
v Tabeli 1.
3