Koloidy v životním prostředí ÚVOD Jiří Faimon Koloidy v životním prostředí •Úvod •Pravé roztoky – hrubé suspenze •Koloidní roztoky –Th. Graham, 1860: Různé chování „roztoků“: zadržování „rozpuštěných látek různými membránami. –průhledné, jakoby homogenní, průchod filtračním papírem. –malá difúzní schopnost, malý osmotický tlak, –rozptyl dopadajícího světla (Tyndallův jev), –nestálost vůči agregaci. •Dvě skupiny látek? –amorfní, koloidy (klih)? Tvoří soly… –krystaloidy? Tvoří pravé roztoky… •Koloidní stav hmoty! •1) Všechny látky se mohou vyskytovat v koloidním stavu •2) Různé látky mají různý sklon k tvorbě koloidů Koloidy v životním prostředí •Role koloidů v životním prostředí •Pozitivní role •Koloidy jsou důležitou součástí řady geologických systémů /půdy, sedimenty, oceán/ •Anorganické koloidy (+ pravé roztoky a hrubé suspenze) přispívají k tokům hmoty z primárních hornin do sekundárních produktů •Významně se spolupodílí na tvorbě sedimentů a půd! V důsledku termodynamické nestability dochází k •agregaci koloidních částic (Hall et al. 1991, Overbeek 1977, Stumm a Morgan 1981) •sedimentaci těchto agregátů (Mills et al. 1991, Thornber et al. 1987). •Funkce odklízečů polutantů po agregaci a sedimentaci (Mills et al. 1991, Kühnel 1987). Tato druhá možnost je stále více sledována v souvislosti se znečisťováním životního prostředí migrací těžkých kovů, organických látek, popř. radioaktivního odpadu. – Koloidy v životním prostředí •Negativní role •Velká mobilita (pohyblivost v pórovitém prostředí): • Řada látek (polutanty) může migrovat sama v koloidní formě! •Sorpční schopnosti koloidních částic: • Řada látek (polutanty) se sorbují na povrchu koloidních částic a mohou migrovat spolu s koloidy. •Koloidy mohou působit jako nosiči polutantů (Means a Wijayaratne 1982, VonGunten et al. 1988, Degueldre et al. 1989, Puls et al. 1990, 1991, Waber et al. 1990, Mills et al. 1991, Vilks et al.1991, Bates et al. 1992, Puls a Powell 1992) • Koloidy v životním prostředí •Systémy •Část světa vymezená reálnými nebo imaginárními hranicemi –Systémy otevřené, uzavřené, izolované. –Fáze a složky, fázové rozhraní, homogenita a heterogenita •Stavy •Procesy •Stabilita systémů, vývoj systémů. •Časová stálost. Dynamika, potenciálová bariéra. •Stacionární stavy, rovnováha. Koloidy v životním prostředí •Disperzní systémy –dispergace – proces rozptylování hmoty v daném prostředí –disperzní prostředí –disperzní podíl •Disperzní stupeň - míra rozptýlení látky - poměr povrchu všech částic k jejich celkovému objemu (Fisher 1983). –Běžné soustavy jsou polydisperzní - obsahují různě velké částice s proměnlivým stupněm disperzity [1]. –hrubé disperze (suspenze) –koloidní disperze (např. koloidní roztoky) –molekulární disperze (např. pravé roztoky) •[1] Soustavy s částicemi jedné velikosti - monodispezní soustavy - jsou známé jen uměle připravené. Koloidy v životním prostředí •Koloidní systémy •Koloidní systém bývá klasicky definován jako vícefázová soustava, ve které je jedna z fází v nadbytku (prostředí, rozpouštědlo) a další je rozptýlena (dispergována) ve formě částic s rozměry 1 až 1000 nm [1]. • Klasická definice koloidních systémů vychází výhradně z rozměrů rozptýlených částic, aniž by nějak dále definovala jejich povahu[2] (struktura, náboj atd.). •[1] V názorech na hraniční rozměry koloidních částic nepanuje úplná shoda a někteří autoři (např. Stumm a Morgan 1981) považují v závislosti na tvaru částic za horní hranici rozměr až 10mm. Stejná nejistota vládne kolem spodní hranice v souvislosti s velikostí nižších polymerů (oligomerů). •[2] Je nutné se oprostit od geology zažité představy koloidů, jako výhradně amorfních látek. Koloidy v životním prostředí •Koloidní částice •Struktura koloidních částic •O vnitřní struktuře koloidní částice toho často není mnoho známo •Z hlediska chování koloidu to nebývá ani příliš důležité. •Představa koloidní částice spolu s jejím blízkým okolím: Struktura koloidní částice - micela Koloidy v životním prostředí •Dispergovaná látka tvoří tzv. jádro částice. •Povrch jádra se nabíjí díky ionizaci vlastních povrchových skupin nebo díky adsorpci ionů z roztoku (cizích nebo vlastních) •Náboj jádra s elektrostaticky vázanými proti-iony vytváří elektrickou dvojvrstvu (Stumm, Morgan 1981, Moore 1981). •Jádro spolu s dvojvrstvou se nazývá granule. •Granule s difuzní vrstvou, která je tvořena dalšími proti-iony kompenzující náboj jádra, se nazývá micela[1], (Fischer 1983). • • [1] Zvláštním typem koloidu je tzv. micelární koloid. Tvoří jej látka s difilním (amfipatickým) charakterem. To bývá nízkomolekulární látka (mol. hmot. 100-500), která obsahuje jak silně polární skupinu, tak hydrofobní zbytek. Tyto látky mají nejvìtší význam v organické geochemii. Při vyšších koncentracích, při tzv. kritické micelární koncentraci c.m.c., se tyto molekuly reversibilně shlukují do útvarů kolidních rozměrů – micel, vytvořených velkým počtem (20-100 primárních částic). Polární skupina difilní molekuly je v roztoku hyrofilně hydratována, zatímco hydrofobní je vytlačována z hlavního objemu vody. Koloidy v životním prostředí •Zobecnění: kromě koloidních roztoků axistují koloidy v různých skupenstvích •Celou řadu přírodních systémů lze interpretovat jako koloidní: • Atmosféru, moře a oceány, magma, sedimenty, půdy, povrchové a podzemní vody a některé další. •Geologicky nejdůležitější jsou –aerosoly prachu rozptýlených v atmosféře, –koloidní roztoky, –emulze ropných uhlovodíků, –koloidní částice v půdách a sedimentech –gely tuhých látek s dispergovanými roztoky (Yariv a Cross 1979). • Koloidy v životním prostředí •Disperzní soustavy •Heterogenní soustavy •Heterogenní soustavy jsou složené minimálně ze dvou fází, které jsou oddělené fázovým rozhraním. Heterogenní soustava s částicemi o rozměrech 1 < d < 1000 nm se nazývá fázový koloid (Fischer 1983). Tato soustava je termodynamicky nestabilní. Tendence přecházet do pravých roztoků nebo (častěji) do hrubých suspenzí (soustava s rozptýlenou fází, tvořenou tuhými částicemi většími jak 2-10 μm). •Homogenní soustavy •Homogenní soustavu, byť vícesložkovou (roztok), tvoří jediná fáze. Pokud obsahuje velké molekuly s rozměrem 1< d < 1000 nm, má taková soustava vlastnosti koloidních roztoků a rozpuštěná hmota je považována za molekulární koloid (Moore 1981). Každá taková makromolekula je sama o sobě koloidní částicí, která je obklopena pevným hydratačním obalem. Koloidy v životním prostředí •Molekulární koloidy vznikají •kondenzací •přímým rozpouštěním – Rozpouštění tuhé fáze, jejíž makromolekuly jsou k sobě vázány jen slabými van der Waalsovými silami a mohou být snadno překonány solvatační energií rozpouštědla. – Takto vzniklé roztoky jsou obecně nazývány latexy. Typickým příkladem jsou organické polymery. – Také anorganické polymery, jako polysilikátové kyseliny nebo polymery hydroxidu hlinitého, se mohou jevit v určitém stadiu vývoje jako molekulární koloidy (Yariv, Cross 1979). •Molekulárné koloidy jsou termodynamicky stabilní, díky velké hydratační energii, uvolněné při rozpouštění (hydrataci) molekuly. Koloidy v životním prostředí Prostředí Částice Název systému Příklady Tuhé tuhé tuhý sol skla Tuhé kapalné gel voda v půdách Tuhé plynné tuhá koloidní pěna pemza Kapalné tuhé koloidní roztok (sol) koloidní roztok Kapalné kapalné emulze tavenina sulfidů v magmatu Kapalné plynné pěna bublinky v magmatu Plynné tuhé aerosol vulkanický kouř Plynné kapalné aerosol opar, mlha Aerosoly, koloidní roztoky, gely v závislosti na disperzním prostředí. Rozdělení koloidních soustav podle skupenství Koloidy v životním prostředí •Hydrofilní a hydrofobní povrchy •Hydrofilní a hydrofobní koloidy –Na fázové a molekulární koloidy můžeme pohlížet také z úhlu hydrofilních a hydrofobních povrchů. Z tohoto hlediska, můžeme rozlišit dvě skupiny koloidů: –1) Hydrofilní koloidy - v podstatě odpovídají molekulárním koloidům, stabilizovaným uvolněnou hydratační energii. –2) Hydrofobní koloidy - odpovídají fázovým koloidům, termodynamicky nestabilním, stabilizovaným povrchovým nábojem nebo polymery, viz. dále. Koloidy v životním prostředí •Hydrofilní a hydrofobní povrchy •Rozdělení koloidů podle jejich vlastností povrchů Vlastnost Fázový koloid Molekulární koloid Povrch lyofobní lyofilní Vznik dispergací, kondenzací rozpouštění Stálost malá velká Stabilizace povrchovým nábojem hydratačním obalem Podle počtu fází heterogenní homogenní agregace probíhá nevratně přídavkem soli vratně vysolením Příklady Fe(OH)3 , jílové min. huminy, polymery Koloidy v životním prostředí •Na částice menší jak 1 nm se již nedíváme jako na diskrétní fázi a systém který je obsahuje, považujeme za pravý roztok. Tak se plynule dostaneme zpět k homogenním soustavám. •Rozdělení na fázové a molekulární koloidy je pouze formální a je mezi nimi, podobně jako mezi homogenními a heterogenními soustavami, plynulý přechod.