Вертикальная наука 7 класса

Коллоиды, мыла и поверхностно-активные вещества

Когда мы рассматривали смеси и соединения, мы смотрели на некоторые повседневные жидкости, и я сказал, что молоко представляет собой смесь различных молекул: молочного жира, витамина А, витамина D, белков. , лактозу и фосфат кальция. Чего я не упомянул, так это того, что коровье молоко также примерно на 88% состоит из воды по массе. Так как же неполярные триглицериды в молочном жире остаются в смеси с полярной водой, а не отделяются в отдельный слой?

Молоко определенно не является решением, и молочный жир в молоке выделится, если вы оставите молоко на достаточно долгое время. Но триглицериды и молекулы воды в молоке также не являются гетерогенной смесью, как в чистой смеси масла и воды. Если бы вы могли увеличить образец молока, вы бы обнаружили шарики жира, наполненные молекулами триглицеридов, равномерно взвешенными в жидкой воде. Эти жировые шарики в среднем имеют диаметр около 4 мкм (4 × 10-6 м), что означает, что каждая из них содержит около 10 000 000 000 молекул триглицеридов.

Капли жира в молоке придают молоку кремовый белый цвет. Жировые шарики оставались бы во взвешенном состоянии в жидкой воде неопределенное время, если бы они имели ту же плотность, что и жидкая вода. Но поскольку масла обычно менее плотны, чем вода, шарики жира со временем будут медленно подниматься на поверхность, образуя слой молочного жира над молоком. Процесс гомогенизации предназначен для увеличения плотности жировых шариков, чтобы этого разделения не происходило (по крайней мере, не так быстро).

Жировые шарики могут образовываться из-за присутствия фосфолипидов в молоке. Фосфолипиды представляют собой класс липидов, содержащих фосфатную группу. Молекулы фосфолипидов в основном состоят из водорастворимой «головы» и жирорастворимого «хвоста». Одним из фосфолипидов в молоке, показанным ниже, является сфингомиелин (SPH). Полярные ковалентные связи отмечены красным цветом.

Фосфолипиды способны образовывать барьер между водорастворимыми и жирорастворимыми веществами, способствуя образованию жировых глобул из-за их двойной полярной и неполярной природы. Полярный конец молекулы фосфолипида взаимодействует с полярными молекулами по одну сторону барьера, а неполярный конец взаимодействует с неполярными молекулами по другую сторону.

Жировые глобулы формируются по мере того, как фосфолипиды окружают кластеры триглицеридов, образуя водорастворимую поверхность над большим набором неполярных молекул. Благодаря этой водорастворимой поверхности шарики жира могут оставаться в полярной среде и «смешиваться» (по крайней мере, до некоторой степени) с полярными молекулами. В дополнение к триглицеридам, другие жирорастворимые молекулы, такие как витамин А и витамин D, также будут собираться и растворяться внутри этих жировых шариков.

Коллоиды и гомогенные смеси

Молоко является примером коллоида. Коллоиды представляют собой смеси, гетерогенные на молекулярном уровне, но гомогенные на микроскопическом уровне. В типичной смеси масла и воды молекулы масла и воды вообще не смешиваются. В коллоиде масла и воды отдельные молекулы масла и воды еще не смешиваются, а смешиваются микроскопические капли молекул масла и воды. С помощью фосфолипидов эти микроскопические капли масла равномерно распределяются по сплошной жидкой водной фазе. Это означает, что, по крайней мере, в микроскопическом масштабе около 10 мкм (0,01 мм) химический состав коллоидного молока однороден.

В молоке дисперсная фаза (триглицериды) и непрерывная фаза (вода) являются жидкостями. Однако существуют и другие коллоиды, в которых вещества в дисперсной фазе и сплошной фазе находятся в разных состояниях. Дым состоит из твердых частиц, рассеянных в газе. Каждая отдельная частица содержит триллионы молекул, и эти молекулы существуют в твердом состоянии. Как правило, твердые вещества более плотные, чем газы, и твердые частицы осаждаются из газа. Однако твердые частицы в дыме настолько малы (микроскопичны), что естественных потоков дыма достаточно, чтобы удерживать частицы на плаву. Подумайте о пыли в воздухе. Частицы пыли представляют собой твердые частицы. Они парят в воздухе, несмотря на то, что пыль плотнее воздуха. Но частицы пыли осядут из воздуха, если воздух перестанет циркулировать, например, в герметичном помещении.

Дым является примером твердого аэрозоля… коллоида, в котором твердое вещество диспергировано в газе. Когда жидкость диспергирована в газе, коллоид называется жидким аэрозолем. Туман представляет собой жидкий аэрозоль. В тумане в воздухе взвешены микроскопические капли воды. Каждая микроскопическая капля содержит триллионы молекул воды, и эти молекулы воды находятся в жидком состоянии. Туман — это не то же самое, что водяной пар от испарения. Водяной пар – это молекулы воды в газообразном состоянии. В водяном паре молекулы воды не в каплях; они находятся в газообразном состоянии и смешаны на молекулярном уровне с молекулами азота (N2) и кислорода (O2) в воздухе.

		дисперсная фаза
		газ	жидкость	твердый
непрерывная фаза	газ	—	жидкий аэрозоль (туман, лак для волос)	твердый аэрозоль (дым, выхлопы автомобилей)
	жидкость	пенопласт (взбитые сливки)	эмульсия (молоко, майонез)	соль (чернила, краски)
	цельный	твердый пенопласт (пенопласт, поролон)	гель (желатин, масло сливочное, желе)	твердый золь (цветное стекло, фарфор)

Разница между газированной водой и взбитыми сливками иллюстрирует разницу между раствором и коллоидом. Газированная вода – это углекислый газ (CO2), растворенный в воде. Это означает, что молекулы CO2 и молекулы h3O смешаны на молекулярном уровне, а молекулы CO2 находятся в жидком состоянии. С другой стороны, взбитые сливки — это пузырьки воздуха (а не отдельные молекулы), смешанные со сливками. Непрерывной фазой крема является жидкая вода. В жидкой воде равномерно распределены микроскопические капли жидкого жира и микроскопические пузырьки воздуха… а молекулы N2 и O2 в пузырьках воздуха находятся в газообразном состоянии.

вода газированная

(раствор)

взбитые сливки

(коллоид)

Эмульгаторы и поверхностно-активные вещества

Эмульгатор – это вещество, стабилизирующее эмульсию… коллоид с жидкой сплошной фазой в жидкой дисперсной фазе. Фосфолипиды, такие как сфингомиелин, действуют как эмульгаторы в молоке. Эмульгаторы можно найти во многих распространенных кулинарных ингредиентах, таких как яичные желтки и горчица. Яичные желтки используются для стабилизации майонеза и голландского соуса, а горчица иногда используется для стабилизации винегретов.

Майонез, голландский соус и винегреты готовятся взбиванием жира (обычно оливкового масла или сливочного масла) с кислотой (обычно лимонным соком или уксусом). Интенсивное взбивание растворяет кислоту в жире, создавая однородный сливочный соус. Но если не использовать эмульгатор, такие соусы «сломаются», а жиры и кислоты быстро отделятся. Поскольку жиры составляют примерно 75% этих рецептов, жиры представляют собой непрерывную фазу, а кислота и вода диспергированы в микроскопических каплях. Использование эмульгатора позволяет эмульсии оставаться смешанной, окружая капли полярной кислоты и молекулы воды неполярной (жирорастворимой) поверхностью.

Молекула фосфатидилхолина

Основным эмульгирующим агентом в яичных желтках является лецитин… желто-коричневое жирное вещество, содержащее фосфолипиды, такие как фосфатидилхолин. Лецитин продается на коммерческой основе. Его добавляют в шоколад, чтобы какао и какао-масло в шоколадных батончиках не расслаивались, в кулинарные спреи, чтобы уменьшить прилипание, и в выпечку, чтобы сделать тесто более гладким.

Мыло и моющие средства используют эмульгаторы, называемые поверхностно-активными веществами, для удаления масляных и жирных пятен. Стирка одежды или посуды в воде растворит и удалит грязь и пятна, растворимые в воде, но не удалит грязь и пятна, растворимые в жире. Добавляя поверхностно-активные вещества в воду, мыла и моющие средства позволяют жирорастворимым молекулам растворяться в воде и вымываться. Обычным поверхностно-активным веществом в мыле является стеарат натрия.

Когда в воду добавляют поверхностно-активное вещество, полярная головка молекулы притягивается к окружающим молекулам воды, а неполярный хвост – нет. Есть только две устойчивые конфигурации молекул ПАВ в воде. Молекулы поверхностно-активного вещества могут образовывать один слой вдоль поверхности воды… и как только это пространство заполняется, они могут образовывать кластеры, называемые мицеллами. Затем любые жирорастворимые молекулы будут абсорбированы и растворены внутри мицеллы.

стабильные конфигурации в воде

Вы можете увидеть поверхностно-активные вещества в действии, добавив жидкость для мытья посуды в смесь масла и воды. Энергично взбейте смесь, и вы увидите форму эмульсии. Если воды больше, чем масла, то образуются мицеллы с маслом внутри. Однако, если масла больше, чем воды, то вместо этого будут образовываться мицеллы с водой внутри.

стабильные конфигурации в масле

Фосфолипиды и поверхностно-активные вещества играют важную роль в клеточной химии. Вы узнаете больше о фосфолипидных бислоях, клеточных мембранах и везикулах позже в этом разделе.

Коллоиды — Химия LibreTexts

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

Идентификатор страницы

1595

Коллоид — это один из трех основных типов смесей, два других — раствор и суспензия. Коллоид представляет собой смесь, состоящую из частиц диаметром от 1 до 1000 нанометров, которые при этом могут оставаться равномерно распределенными по всему раствору. Они также известны как коллоидные дисперсии, потому что вещества остаются диспергированными и не оседают на дно контейнера. В коллоидах одно вещество равномерно диспергировано в другом. Диспергируемое вещество называется находящимся в дисперсной фазе, а вещество, в котором оно диспергировано, находится в непрерывной фазе.

Чтобы быть классифицированным как коллоид, вещество в дисперсной фазе должно быть больше, чем размер молекулы, но меньше, чем то, что можно увидеть невооруженным глазом. Это может быть более точно определено количественно, поскольку один или несколько размеров вещества должны составлять от 1 до 1000 нанометров. Если размеры меньше этого, то вещество считается раствором, а если они больше, то вещество является суспензией.

Классификация коллоидов

Обычный метод классификации коллоидов основан на фазе диспергированного вещества и фазе, в которой оно диспергировано. Типы коллоидов включают золь, эмульсию, пену и аэрозоль.

1. Sol представляет собой коллоидную суспензию с твердыми частицами в жидкости.
2. Эмульсия находится между двумя жидкостями.
3. Пена образуется, когда многие частицы газа задерживаются в жидкости или твердом веществе.
4. Аэрозоль содержит мелкие частицы жидкости или твердого вещества, диспергированные в газе.

Рисунок 1: Примеры стабильной и нестабильной коллоидной дисперсии. Из Википедии.

Когда дисперсионной средой является вода, коллодиальная система часто упоминается как гидроколлоид . Частицы в дисперсной фазе могут находиться в разных фазах в зависимости от того, сколько воды доступно. Например, порошок желе, смешанный с водой, образует гидроколлоид. Обычно гидроколлоиды используются для изготовления медицинских повязок.

Таблица 1: Примеры коллоидов

Дисперсионная среда	Дисперсная фаза	Тип коллоида	Пример
Твердый	Твердый	Твердый золь	Рубиновое стекло
Твердый	Жидкость	Твердая эмульсия/гель	Жемчуг, сыр
Твердый	Газ	Твердая пена	Лава, пемза
Жидкость	Твердый	Соль	Краски, клеточные жидкости
Жидкость	Жидкость	Эмульсия	Молоко, масло в воде
Жидкость	Газ	Пена	Мыльная пена, взбитые сливки
Газ	Твердый	Аэрозоль	Дым
Газ	Жидкость	Аэрозоль	Туман, мгла

Простой способ определить, является ли смесь коллоидной или нет, — использовать эффект Тиндаля. Когда свет проходит через истинный раствор, свет чисто проходит через раствор, однако, когда свет проходит через коллоидный раствор, вещество в дисперсных фазах рассеивает свет во всех направлениях, делая его хорошо видимым. Например, посветить фонариком в туман. Луч света можно легко увидеть, потому что туман представляет собой коллоид.

Рисунок 2: Свет проходит сквозь воду и молоко. Свет не отражается при прохождении через воду, потому что это не коллоид. Однако он отражается во всех направлениях, когда проходит через молоко, которое является коллоидным.

Другой метод определения того, является ли смесь коллоидной, заключается в ее пропускании через полупроницаемую мембрану. Более крупные диспергированные частицы в коллоиде не могут пройти через мембрану, в то время как окружающие молекулы жидкости могут. Диализ использует тот факт, что коллоиды не могут диффундировать через полупроницаемые мембраны, чтобы отфильтровать их из среды.

Проблемы

1. Является ли пыль коллоидом? Если да, то какой это тип?
2. Является ли взбитые сливки коллоидом? если да, то какой это тип?
3. Что означает Сол?
4. Что происходит с коллоидной смесью при попадании света?
5. Какой считается смесь, если частицы крупнее частиц коллоидного вещества

Ответы

1. Пыль представляет собой коллоид, если она взвешена в воздухе.