Kolloidale Lösungen

Als Kolloide (von griechisch κόλλα „Leim“ und εἴδος „Form, Aussehen“) werden Teilchen oder Tröpfchen bezeichnet, die in einem anderen Medium (Feststoff, Gas oder Flüssigkeit), dem Dispersionsmedium, fein verteilt sind. Das einzelne Kolloid ist typischerweise zwischen 1 nm und 10 µm groß. Sind sie beweglich (z. B. in einem flüssigen Dispersionsmedium), so zeigen Kolloide meist Brownsche Bewegung. Kolloidale Suspensionen haben große Bedeutung in der Nahrungsmittel- und Kosmetikindustrie, jedoch auch in der Grundlagenforschung, insbesondere in der statistischen Physik. Der Bereich der Chemie, der sich mit Kolloiden befasst, ist die Kolloidchemie.

Definitionen und Formen

Meist wird bei Kolloiden an Emulsionen oder Suspensionen von Tröpfchen oder Teilchen in einer Flüssigkeit gedacht. Grundsätzlich können jedoch sowohl die disperse Phase als auch das Dispersionsmedium ein Feststoff, eine Flüssigkeit oder ein Gas sein. Zielführender als eine starre Definition, die ohnehin nur sehr unscharf sein könnte, ist eine Auflistung von Beispielen. Bei allen folgenden Systemen handelt es sich um Kolloidsysteme:

• Milch, Majonaise, Kosmetika (Emulsionen – Tröpfchen in Flüssigkeit)
• Tinte, Schlamm, kolloidales Gold (feste Teilchen in Flüssigkeit, auch kolloidale Suspensionen)
• Schlagsahne (Gas in Flüssigkeit)
• Schaumstoff, Milchquarz (Gas in Feststoff)
• Spezielle Verbundwerkstoffe, Opalglas (feste Teilchen in Feststoff)
• Butter (Tröpfchen in Feststoff)
• Rauch (Teilchen im Gas)
• Nebel (Tröpfchen im Gas)

Kolloiddispersionen in Gasen (Rauch, Nebel) nennt man auch Aerosole. Kolloidale Lösungen stehen zwischen echten Lösungen (molekulardispers) und Suspensionen (grob dispers). Ist dabei die Konzentration der dispersen Phase so hoch, dass keine bzw. nur eine sehr geringe Fließfähigkeit vorliegt, spricht man von einer Paste. Handelt es sich statt einzelner Partikel um langkettige Makromoleküle, wie zum Beispiel bei Gelee oder Leim, so bezeichnet man dies als Gel. Bilden Kolloide in einer Flüssigkeit geordnete Strukturen, spricht man von Flüssigkristallen.

Disperse Systeme mit annähernd gleicher Teilchengröße werden als monodispers oder isodispers, solche mit unterschiedlicher Teilchengröße als polydispers bezeichnet. Sind disperse Phase und Dispersionsmittel klar zu unterscheiden, handelt es sich um ein einfaches Kolloid. Bilden sie jedoch ineinander verschlungene Netzwerke, ohne eine klare Möglichkeit der Zuordnung, spricht man von Netzwerk-Kolloiden.

Die Größenordnung von Kolloiden kann sich nur auf eine Dimension beziehen, so dass man auch in der Struktur von Kolloiden differenzieren kann. Kaolinit ist ein Beispiel für ein sehr dünnplattiges Tonmineral und bildet daher auch ein kolloidales System. Dies gilt auch für faser- oder netzwerkartige Strukturen, die in zwei Raumrichtungen kolloidale Dimensionen aufweisen. Kolloide müssen daher nicht zwangsläufig aus einzelnen Partikeln bestehen. Etwas 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

Kolloide wurden schon von der Menschheit genutzt, als man noch keinerlei Kenntnis davon hatte, worum es sich wirklich handelt. Eine intensive wissenschaftliche Auseinandersetzung mit Kolloiden ist erst in jüngster Zeit zu verzeichnen, was auch an den früher begrenzten technischen Möglichkeiten für die gezielte reproduzierbare Herstellung wohldefinierter Kolloide lag.

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. Es stellte sich später heraus, dass Grahams Kriterien nicht sinnvoll waren. 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.^[1]

Eine kinetische Theorie für kolloidale Systeme wurde erstmals von Marian Smoluchowski geschaffen. Die Chemie der Kolloide und ihre Eigenschaften wurden besonders von Richard Zsigmondy (Nobelpreis 1925) und seinen Mitarbeitern untersucht.

Eigenschaften

makroskopisch

Aufgrund ihrer im Verhältnis zum Volumen vergleichsweise sehr großen Grenzflächen spielen Effekte der Oberflächenchemie für Kolloide eine besondere Rolle. Kolloide weisen zudem in der Regel den Tyndall-Effekt auf. Durch die Lichtstreuung an den Grenzflächen erscheinen selbst Dispersionen aus transparenten Phasen milchig oder trüb, es sei denn, die Brechzahlen sind genau gleich.

mikroskopisch

Folgende Wechselwirkungen können zwischen Kolloidteilchen auftreten:

• Abstoßung harter Kugeln: Dies ist die einfachste Wechselwirkung. Harte Kolloidteilchen können sich beim Zusammenstoß gegenseitig nicht verformen oder durchdringen. Dies erscheint trivial, das „Harte Kugel“-Modell, in dem keine andere Wechselwirkung herrscht, ist jedoch eines der wichtigsten Systeme in der statistischen Physik. Das zugehörige Potential ist unendlich für Abstände kleiner der Partikeldurchmesser und null sonst.
• Elektrostatische Wechselwirkung: Elektrisch gleichnamig geladene Kolloidteilchen stoßen sich gegenseitig ab. Das Wechselwirkungspotential hat die Form $V \sim \frac{1}{r}$. Haben die Kolloide unterschiedliche Ladungen, so bilden sie ein ionisches Modellsystem (einige Teilchen ziehen sich gegenseitig an, andere stoßen sich ab). In der Flüssigkeit vorhandene Ionen (z. B. gelöstes Salz) können das elektrostatische Potential mehr oder weniger abschirmen.
• Van-der-Waals-Kräfte kommen durch fluktuierende Dipole zustande und bilden ein Potential der Form $V \sim \frac{1}{r^6}$ aus. Sie lassen sich minimieren, indem die Brechzahl der Flüssigkeit auf die der Teilchen abgestimmt wird.
• Entropische Wechselwirkung: Noch kleinere Partikel oder Polymerketten, die sich zusätzlich zu den eigentlichen Kolloiden in der Flüssigkeit befinden, üben einen osmotischen Druck aus und pressen die Kolloide zusammen. Anschaulich lässt sich dies so verstehen, dass die Gesamtentropie des Systems steigt, wenn die großen Partikel zusammenrücken, da die kleinen Partikel dann mehr Raum zur Verfügung haben.

Bedeutung und Anwendungen

Chemie

Die Kolloidchemie, die die Eigenschaften kolloiddisperser Systeme untersucht, ist ein selbstständiges Gebiet innerhalb der physikalischen Chemie.

Physik

Kolloidsuspensionen sind wichtige Modellsysteme um Vorhersagen der statistischen Thermodynamik zu überprüfen oder atomare Festkörperprozesse zu simulieren.^[2]

• Die Wechselwirkungen (siehe unten) zwischen einzelnen Kolloidteilchen lassen sich durch Auswahl der Teilchen, Behandlung ihrer Oberfläche und der Zusammensetzung der Flüssigkeit einstellen. Man kann Stärke und Reichweite der Wechselwirkung separat einstellen und damit auch verschiedenartige Potentialverläufe modellieren. Die Teilchen verhalten sich dann z. B. wie Atome eines Metalls oder auch 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 (z. B. mit dynamischer Lichtstreuung oder Konfokalmikroskopie) zu beobachten.
• Ihre Bewegung ist deutlich langsamer als die von Atomen. Das erlaubt die Beobachtung von Prozessen (z. B. Kristallisation, die in atomaren Systemen zu schnell ablaufen.

Verfahrenstechnik

Kolloiddisperse Systeme haben durch die feine Verteilung der einen Phase in die andere im Verhältnis zu ihrem Volumen eine enorm große Grenzfläche. Dies wird überall ausgenutzt, wo Grenzflächeneffekte wichtig sind, z. B. in der Trocknungstechnik oder bei der Reaktion zweier nichtmischbarer Flüssigkeiten.

Einzelnachweise

1. ↑ M. Daoud und C. E. Williams (Hrsg.): Soft Matter Physics. Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg 1999, ISBN 3-540-64852-6
2. ↑ V. Prasad, D. Semwogerere und E. Weeks: Confocal microscopy of colloids. In: Journal of Physics: Condensed Matter. Band 19, 2007 113102

Siehe auch: Kolloidosom, Kolluvium

Literatur

• Wolfgang Ostwald: Die Welt der vernachlässigten Dimensionen (1914)
• Thilo Hoffmann: Kolloide: Die Welt der vernachlässigten Dimensionen. Chemie in unserer Zeit 38(1), S. 24–35 (2004), ISSN 0009-2851
• Douglas H. Everett: Grundzüge der Kolloidwissenschaften. Steinkopf Verlag Darmstadt 1992. ISBN 3-7985-0871-2
• J. C. Daniel and R. Audebert: Small Volumes and Large Surfaces: The World of Colloids. In: M. Daoud und C. E. Williams (Hrsg.): Soft Matter Physics. Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg 1999, ISBN 3-540-64852-6

Weblinks

• Allgemeines über Kolloide