Un colloide è un tipo di miscela meccanica dove una sostanza è dispersa uniformemente per tutte le altre. Le particelle della sostanza dispersa sono solo sospese nella soluzione, diversamente da una soluzione, dove esse sono completamente dissolte in essa. Questo accade perché le particelle nel colloide sono più grandi di quelle in una soluzione - piccolo abbastanza per esser disperse completamente e mantenere un'omogeneità, ma larghe abbastanza da disperdere la luce e non dissolvere. A causa di questa dispersione, alcuni colloidi hanno l'aspetto di soluzioni.
Un sistema colloidale è costituito da due fasi separate: una fase dispersa (o fase interna) ed una fase continua (o mezzo di dispersione).
Può essere solido, liquido, o gassoso.
Diametro particellare
< 10-9 m Miscele omogenee
da 10-9 m a 10-6 m Colloidi
> 10-6 m Miscele non omogenee
Così, i colloidi sono intermedi tra miscele omogenee ed eterogenee. Sono a volte classificate come o "omogenee" o "eterogenee" secondo il loro aspetto.
Le particelle della fase dispersa hanno un diametro compreso tra approssimativamente 5 e 200 nanometri. Alcune particelle sono normalmente invisibili ad un microscopio ottico, quindi la loro presenza può esser confermata con l'uso di un ultramicroscopio o di un microscopio elettronico. Miscele omogenee con un fase dispersa in questo range di dimensioni può esser chiamata aerosol colloidale, emulsione colloidale, schiuma colloidale, dispersione colloidale, o idrosol. Le particelle della fase dispersa sono largamente interessate dalla chimica di superficie presente nel colloide.
Alcuni colloidi sono translucidi a causa dell'effetto Tyndall, che è lo scattering della luce provocato dalle particelle nel colloide. Altri colloidi possono essere opachi o possedere un colore leggero.
Un bel esempio di colloide è l'oro colloidale:
se il diametro particellare dell'oro è minore di 100 nm si ha una colorazione rossa; se son più grandi le particelle il colore sarà sul giallastro.
Generalmente tali particelle vengono prodotte in soluzione a partire da HAuCl4, l'acido cloroaurico, il quale viene ridotto aggiungendo ad una soluzione tenuta in rapida agitazione un agente riducente; si ha riduzione dell'Au(III) a Au(0). Man mano che aumenta il numero di atomi di oro neutri, la soluzione diventa sovrassatura finché l'oro inizia a precipitare in forma di nanoparticelle; mantenendo la veloce agitazione si ha un'uniformazione delle particelle ad uno stesso diametro.
Ci son varie sintesi, alcune più avanzate di altre, ma due son più famose:
- Turkevich et al.
* Prendere 5.0×10−6 mol di HAuCl4, dissolvere in 19 ml di acqua deionizzata (la soluzione risultante dovrebbe essere debolmente giallastra).
* Scaldare fino ad ebollizione.
* Continuare a scaldare e, mentre si agita vigorosamente, aggiungere 1 ml di una soluzione al 0.5% di sodio citrato; mantenere l'agitazione per i successivi 30 minuti.
* Il colore della soluzione cambierà gradualmente da giallastro debole a incolore a grigio a viola a viola scuro, fino a mantenersi sul rosso-vino.
* Aggiungere acqua alla soluzione quanto è necessaria per riportare il volume a 20 ml.
Il sodio citrato agisce prima da agente riducente; poi gli ioni carichi negativamente di citrato vengon adsorbiti sulla superficie degli atomi di oro, generando una separazione di carica che tiene le cariche separate ed impedisce l'aggregazione.
- Brust et al.
* Dissolvere 9.0×10−4 mol di HAuCl4 (circa 0.3 g) in 30 ml di acqua.
* Dissolvere 4.0×10−3 mol di tetraottilammonio bromuro (TOAB) (circa 2.187 g) in 80 ml di toluene.
* Aggiungere la soluzione di HAuCl4 alla soluzione di TOAB ed agitare vigorosamente per circa 10 minuti. Il colore della fase acquosa dovrebbe diventare incolore, e il colore della fase organica (toluene) dovrebbe diventare arancio.
* Mentre si agita vigorosamente, aggiungere (preferibilmente goccia a goccia, ma non è un problema l'aggiunta in altro modo) sodio boroidruro (NaBH4); il colore dovrebbe cambiare da arancio a bianco a viola fino eventualmente a rossastro, sebbene i colori precedenti dovrebbero esser debolmente discernibili, fino a che la soluzione sarà abbastanza concentrata e allora sembrerà molto scura.
* Mantenere in agitazione la soluzione per più di 24 h per garantire monodispersività (specialmente se NaBH4 non è stato aggiunto goccia a goccia; in altri casi una o due ore son sufficienti).
* Separare la fase organica, lavarla una volta con H2SO4 diluito per neutralizzarlo, e diverse volte con acqua distillata.
Qui, la nanoparticelle di oro dovrebbero esser attorno ai 5–6 nm; NaBH4 è l'agente riducente, e il TOAB è sia catalizzatore a trasferimento di fase che l'agente stabilizzante.
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Sospensione colloidale
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