Fondamenti e Applicazioni dei Colloidi: Caratteristiche e Comportamento

I Colloidi: Introduzione e Classificazione

Definizione e Caratteristiche

I colloidi sono sistemi con particelle disperse di dimensioni comprese tra 1 e 100 nm. Rappresentano un caso intermedio tra le soluzioni e le sospensioni. La fase dispersa è costituita da particelle colloidali o micelle. La fase disperdente è il mezzo in cui le particelle sono diffuse. La diffusione (o scattering) della luce dipende da: dimensioni delle particelle, tipo di sistema, interfaccia, sedimentazione delle particelle e separazione delle particelle.

Confronto tra Soluzioni, Colloidi e Sospensioni

• Soluzioni (<1 nm): Sistemi omogenei, non sedimentano, non separabili per filtrazione.
• Colloidi (1-100 nm): Sistemi eterogenei, non sedimentano, non separabili per filtrazione.
• Sospensioni (>100 nm): Sistemi eterogenei, sedimentano nel tempo, separabili per filtrazione.

Tipi di Colloidi

I colloidi sono classificati in base alla fase dispersa e alla fase disperdente:

• Sol: Solido/Liquido (es. vernice), Solido/Solido (es. porcellana).
• Aerosol: Solido/Gas (es. fumo), Liquido/Gas (es. nebbia).
• Emulsione: Liquido/Liquido (es. maionese), Liquido/Solido (es. formaggio).
• Schiuma: Gas/Liquido (es. schiuma da barba), Gas/Solido (es. pomice).
• Gel: Sol liquido solidificato.

Proprietà e Comportamento dei Colloidi

Vantaggi delle Emulsioni

Le emulsioni presentano:

• Grande potere di penetrazione e reattività chimica grazie alla loro vasta superficie specifica.
• Sono facili da applicare.
• Sono applicabili su superfici bagnate.

Applicazioni: vernici, lacche, rivestimenti. Le emulsioni asfaltiche sono utilizzate per strade, tetti e impregnazione.

Molecole Anfipatiche e Micelle

Le molecole anfipatiche (es. tensioattivi) sono molecole organiche composte generalmente da lunghe catene idrocarburiche (idrofobiche e rivolte verso l'interno) con gruppi polari (idrofili e rivolti verso l'esterno) a un'estremità (es. COO-, -OH). Esempio: il sapone forma micelle con la catena idrofobica rivolta verso l'interno. È possibile osservare schemi di micelle e bistrati.

I Gel: Formazione e Classificazione

Il gel si forma per il rigonfiamento delle particelle colloidali e l'intrappolamento di una grande parte del liquido di sospensione, che rimane occluso. Sono classificati in base alle loro proprietà strutturali:

• Gel rigidi: Es. gel di silice, formato dall'aggiunta di acido a una soluzione di silicato di sodio, che produce acido ortosilicico. Questo polimerizza rapidamente formando una struttura ad alta resistenza meccanica. È un processo irreversibile. (Es. Xerogel).
• Gel elastici: Le particelle costituenti sono coinvolte nella struttura tramite forze di Van der Waals (deboli), il che conferisce reversibilità. Es. gomma, pelli, vari saponi, gelatina in polvere.

Tixotropia

A determinate concentrazioni, i gel presentano la proprietà di fluidificare (trasformarsi in sol) quando agitati o sottoposti a intense tensioni meccaniche, pur ritornando allo stato di gel a riposo.

Colloidi Idrofobi e Idrofili

• Colloidi Idrofobi: Le forze di attrazione tra molecole simili sono maggiori rispetto a quelle tra molecole diverse, per cui non possono sostituire l'acqua e non si ha stabilizzazione della dispersione colloidale senza l'intervento di stabilizzanti.
• Colloidi Idrofili: Formano un monostrato che circonda le particelle o goccioline, generando emulsioni. Questo è alla base dell'azione pulente dei saponi. La stabilizzazione può avvenire tramite adsorbimento ionico.

Proprietà Generali dei Colloidi

I colloidi presentano le seguenti proprietà:

• Devono avere un'alta superficie specifica.
• Sono sistemi dispersi con due o più fasi.
• Non sono separabili per filtrazione.
• Il movimento delle particelle colloidali è caotico (browniano).
• La densità delle dispersioni varia con l'altezza.
• Le particelle sono cariche elettricamente.

Dialisi

Utilizzo di membrane semipermeabili per separare la fase dispersa dal disperdente e dagli ioni in eccesso.

Effetto Tyndall

Utilizzato per la rilevazione di particelle colloidali la cui dimensione è dell'ordine di grandezza della luce visibile e che provocano diffrazione della luce.

Elettroforesi

Segregazione della fase dispersa e disperdente in un campo elettrico applicato.

Applicazioni: Saponi e Detergenti

Saponi

I saponi sono sali di sodio o di potassio di acidi grassi, ottenuti per saponificazione di grassi animali o oli vegetali, a caldo con una base forte.

Azione Detergente del Sapone

Agisce rivestendo le particelle colloidali di sporco e grasso con un film di fini particelle di sapone, che vengono così facilmente rimosse dall'acqua.

Svantaggi dei Saponi

• Formano sali insolubili di calcio e magnesio (schiuma di sapone).
• Essendo derivati da un acido debole e una base forte, la loro soluzione acquosa ha un pH basico, dannoso per la pelle delicata e molti tessuti.

Detergenti Sintetici

I detergenti sono composti chimici sintetici (sostituti del sapone) le cui molecole sono anch'esse formate da una lunga catena idrocarburica come i saponi, ma il gruppo polare è un solfato (-O-SO3-) o un solfonato (-SO3-). Hanno la stessa azione detergente dei saponi.

Vantaggi dei Detergenti

• Sono sali di acidi forti, per cui le loro soluzioni acquose hanno un pH neutro.
• I sali di calcio e magnesio sono solubili in acqua.

Svantaggi dei Detergenti

• Eutrofizzazione dei fiumi (sovraffollamento di piante acquatiche che riducono l'ossigeno, impedendo la vita acquatica).
• Rilascio nell'ambiente di sostanze non biodegradabili.
• Formazione di schiuma.

Stabilità dei Colloidi e Metodi di Controllo

Una delle proprietà più importanti è la carica elettrica delle particelle colloidali, che impedisce loro di unirsi formando particelle di dimensioni maggiori, prevenendo la coagulazione.

Coagulazione dei Colloidi

Coagulazione dei Colloidi Idrofobi

Il metodo più comune è l'aggiunta di piccole quantità di un elettrolita.

Coagulazione dei Colloidi Idrofili

Richiede una maggiore quantità di elettroliti.

Stabilizzazione dei Colloidi

Stabilizzazione dei Colloidi Idrofili

Si ottiene rimuovendo l'eccesso di ioni tramite dialisi. Questo prevede il posizionamento del colloide in un contenitore con pareti permeabili solo agli ioni, immerso in un altro contenitore con acqua pura. In questo modo, gli ioni migrano per diffusione dalla dispersione colloidale al solvente puro.

Stabilizzazione dei Colloidi Idrofobi

L'eliminazione totale a lungo termine dell'elettrolita assorbito tramite dialisi porta alla coagulazione del colloide.

Fattori che Influenzano la Stabilità e Metodi di Rimozione

• Il semplice riscaldamento può rompere l'equilibrio tra le forze di attrazione tra specie diverse, portando a destabilizzazione.
• La miscelazione di due colloidi con micelle di segno opposto può causare coagulazione.

Metodo Cottrell per Aerosol

Le particelle vengono caricate passando attraverso un elettrodo a punta ad alto potenziale elettrico. Le micelle acquisiscono un'alta carica per adsorbimento di ioni prodotti vicino agli elettrodi, o per contatto diretto con essi, e vengono depositate sull'altro elettrodo.