Koagulacja

Koagulacja - proces polegający na łączeniu się pojedynczych cząstek substancji rozproszonej w większe skupienia (agregaty) i następnie wypadaniu ich z układu w postaci osadu [I. Duda 1994, s. 70]

Koagulacja jest więc procesem niszczenia stanu koloidalnego i prowadzi do wydzielenia się fazy rozproszonej w postaci większych skupisk osadu lub kropli cieczy.[D. Grześkowiak 2011 s. 33]

TL;DR

Koagulacja to proces łączenia się cząstek substancji rozproszonej w większe skupiska i wypadanie ich z układu w postaci osadu. Koagulację można wywołać poprzez dodatek elektrolitu, koloidu o przeciwnym ładunku, naświetlanie promieniowaniem jonizującym, ogrzewanie, działanie mechaniczne, dehydratację, odparowywanie lub wymrażanie ośrodka dyspersyjnego. Koloidy posiadają cechy takie jak uleganie koagulacji, efekt Tyndalla, niemożność dyfuzji przez błony półprzepuszczalne, elektroforeza i ruchy Browna. Koloidy można otrzymać poprzez kondensację lub dyspersję. Zole to koloidy, których cząsteczki substancji rozproszonej są mniejsze od cząsteczek w zawiesinach, ale większe od cząsteczek w roztworach. Koloidy liofobowe są trwałe, a koloidy liofilowe mają otoczkę solwatacyjną. Koloidy liofobowe mogą ulec koagulacji poprzez ogrzewanie, dodanie koloidu o przeciwnym ładunku lub elektrolitu. Koloidy liofilowe mogą ulec koagulacji poprzez desolwatację za pomocą elektrolitu. Koloidy liofilowe często prowadzą do otrzymania żeli. Koloidy można podzielić na cząsteczkowe, fazowe i micelarne oraz na liofilowe i liofobowe. Istnieje klasyfikacja koloidów ze względu na ośrodek dyspersyjny, fazę rozproszoną i nazwę koloidu.

Czynniki powodujące koagulację

Koagulację koloidów mogą na ogół wywołać następujące czynniki:

• dodatek elektrolitu, który powoduje zmniejszenie się potencjału elektrokinetycznego cząstek i ułatwia ich agregację,
• dodatek koloidu o ładunku przeciwnym co powoduje rozładowanie cząstek,
• naświetlenie promieniowaniem jonizującym (np. promieniowanie B powoduje zazwyczaj koagulację zoli dodatnich),
• ogrzewanie (np. ścinanie się białka)
• działanie mechaniczne (np. mieszanie, wstrząsanie),
• dehydratacja lub desolwatacja przez dodanie środków odwadniających, np. etanolu lub acetonu (koagulacja żelatyny, denaturacja białka),
• odparowywanie lub wymrażanie ośrodka dyspersyjnego [PWN 1980 s. 738]

Właściwości koloidów

Koloidy posiadają następujące właściwości:

• Ulegają koagulacji.
• Wykazują bardzo charakterystyczne zjawisko, polega ono na rozproszeniu światła, które przechodzi przez roztwór koloidalny w taki sposób, że smuga światła jest widoczna dla obserwatora. Zjawisko to jest nazywane efektem (zjawiskiem) Tyndalla.

Przykładem tego zjawiska występującego w roztworze gazowym są smugi świateł reflektorów które zauważalne są w zamglony dzień.

• Nie dyfundują przez błony półprzepuszczalne (przykładem takiej błony jest błona komórkowa). Taka własność koloidów wpływa na to że tego typu roztworów nie da się przesączyć przed koagulacją.
• Elektroforeza - ruch cząstek w polu elektrycznym. Występuje anaforeza, czyli ruch ku anodzie oraz kataforeza, czyli ruch ku katodzie.
• Ruchy Browna - niewielkie lecz gwałtowne przesunięcia mikroskopijnej wielkości drobinek, które spowodowane są nierównomiernością zderzeń atomów z tymi drobinkami.

Metody otrzymywania koloidów

Koloidy można otrzymać poprzez:

• Kondensację, która polega na łączeniu się cząsteczek lub jonów w większe zespoły.
• Dyspersję, która polega na rozdrabnianiu większych cząstek w ośrodku dyspersyjnym (np. oleju, wodzie) na skutek:

1. Działania mechanicznego (np. mielenia, ucierania)
2. Obróbki termicznej
3. Zastosowania fal ultradźwiękowych

Duże znaczenie ma dobór odpowiedniego rozpuszczalnika, który będzie tworzył z daną substancją koloid.

Zol jako przykład koloidu

Zole zalicza się do koloidów, czyli mieszanin których właściwości są pośrednie między roztworami rzeczywistymi a zawiesinami czyli mieszaninami heterogenicznymi. W zolach cząsteczki substancji rozproszonej w rozpuszczalniku ciekłym są mniejsze od cząsteczek które występują w zawiesinie ale większe od tych cząsteczek które występują w roztworach właściwych.

Właściwości zoli

Niektóre zole są bardzo trwałe, cząsteczki fazy rozproszonej tych zoli obdarzone są ładunkami jednoimiennymi, gdyż selektywnie zaadsorbowały jeden z jonów który zawarty był w mieszaninie. W takiej sytuacji dochodzi do elektrostatycznego odpychania się tych cząsteczek. Mówimy wówczas o koloidach liofobowych. Wyróżniamy także koloidy liofilowe. Trwałość tych koloidów jest wynikiem wytworzenia na powierzchni cząsteczek fazy rozproszonej warstwy ochronnej, która złożona jest z cząsteczek ośrodka dyspersyjnego.

Zole w których ośrodek dyspersyjny stanowi woda nazywane są hydrozolami i zaliczane są do koloidów hydrofobowych lub hydrofilowych.

Pod wpływem soli zole ulegają koagulacji. Produktem takiej reakcji są żele, które są bezpostaciowymi, galaretowatymi osadami. Z żelu może ponownie powstać zol, reakcja ta jest skutkiem dodania do żelu wody. Proces ten nazywamy peptyzacją.

Koagulacja koloidów liofobowych

Trwałość koloidów liofobowych uwarunkowana jest ładunkiem elektrycznym warstwy adsorpcyjnej, micele obdarzone ładunkiem elektrycznym o takim samym znaku odpychają się, co zapobiega łączeniu się cząstek w większe agregaty. Zatem jeśli chce się doprowadzić koloid liofobowy do koagulacji, należy zmniejszyć lub zniwelować ładunek warstwy adsorpcyjnej. Można tego dokonać poprzez:

• ogrzanie lub naświetlenie promieniami UV, czynności te sprzyjają desorpcji jonów z warstwy adsorpcyjnej, a także zwiększają energie i częstotliwość zderzeń cząstek,
• dodanie koloidu o przeciwnych znaku powoduje zobojętnienie ładunków warstw adsorpcyjnych w obu koloidach i umożliwia agregację cząstek fazy rozproszonej,
• dodanie elektrolitu, ponieważ koloidy liofobowe są bardzo wrażliwe na obecność jonów w roztworze; dodatek niewielkiej ilości elektrolitów może spowodować ich koagulację.

Koagulacja koloidów liofilowych

Czynnikiem stabilizującym koloidy liofilowe jest cząstka solwatacyjna utworzona z zaadsorbowanych na powierzchni cząstki koloidalnej cząsteczek rozpuszczalnika. Otoczka solwatacyjna stanowi swoisty płaszcz ochronny, który zapobiega łączeniu się cząstek w większe zespoły, Aby koloid liofilowy doprowadzić do koagulacji trzeba usunąć otoczkę solwatacyjną czyli spowodować desolwatację. Desolwatację można wywołać dodając do koloidu elektrolit o dużym stężeniu rzędu kilku moli na 1 dm3. Działanie koagulujące elektrolitu zależy też od jego powinowactwa do rozpuszczalnika. Jony z dodanego elektrolitu, ulegając solwatacji "odbierają" cząstkom koloidu rozpuszczalnik i niszczą ich otoczkę solwatacyjną. Im silniejsza solwatacja jonów dodanego do koloidu elektrolitu, tym większa zdolność do desolwatacji cząstek koloidalnych i w rezultacie silniejsze działanie koagulacyjne.

Koagulację koloidów liofilowych pod wpływem elektrolitu nazywamy wysalaniem. Koagulacja koloidów liofilowych prowadzi często do otrzymywania żeli, które swym wyglądem przypominają galarety.[D. Grześkowiak 2011 s. 33-34] Wysalanie jest procesem odwracalnym, a zatem nie narusza struktury przestrzennej cząsteczki białka. Stężenie soli wysalanym białku można zmniejszyć na przykład poprzez dializę lub chromatografię żelową. Po ponownym rozpuszczeniu białka wykazuje ono swoje niezmienione właściwości. Z tego powodu proces wysalania jest często stosowany w procesie izolacji białek.

• Dodanie do wodnego roztworu białka mniej polarnego rozpuszczalnika na przykład etanolu lub acetonu działa podobnie jak duże stężenie soli. To znaczy powoduje obniżenie stopnia hydratacji i rozpuszczalności białek.
• Dodanie większej ilości takiego rozpuszczalnika powoduje wytrącenia białka z roztworów. Warunkiem jest jednak krótkie działanie rozpuszczalnika i niska temperatura procesu.

Długotrwałe działanie rozpuszczalników organicznych w temperaturze pokojowej spowodowałyby denaturację białka. W wypadku białek hydrofobowych doprowadzenie do koagulacji wymaga zobojętnienia ładunku elektrycznego, dzięki któremu utrzymuje się ono w roztworze. Osiąga się to przez dodanie odpowiedniego elektrolitu [J. Kączkowski 2004 s73]

Podział koloidów

Ze względu na sposób tworzenia cząstki koloidowej wyróżniamy:

• Koloidy cząsteczkowe w których fazę rozproszoną stanowią pojedyncze makrocząsteczki, przykładem takich makrocząsteczek mogą być białka i tworzywa sztuczne.
• Koloidy fazowe w których fazę rozproszoną stanowią bardzo małe kryształy, przykładem kryształów jest złoto koloidalne.
• Koloidy micelarne w których fazę rozproszoną stanowią micele, przykładem takich polimolekularnych jąder otoczonych warstwami jonów o znakach przeciwnych lub otoczonych warstwą rozpuszczalnika jest stężony roztwór mydła.

Ze względu na stosunek do ośrodka rozpraszającego:

• Liofilowe (hydrofilowe, fazę rozpraszającą stanowi woda),
• Liofobowe (hydrofobowe).

Porównywanie koloidów

Własności	Koloid liofilowy	Koloid liofobowy
Otrzymywanie	zwykłe rozpuszczanie	metody dyspersyjne
Stężenie fazy rozpuszczonej	duże	małe
Ładunek elektryczny	brak	zawsze naładowane
Piana	łatwo ją tworzy	nie tworzy
Pęcznienie	pęcznieją, zwiększając swoją objętość	nie pęcznieją
Galarety	łatwo je tworzy	nie tworzy
Charakter koagulacji	odwracalna	nieodwracalna
Wrażliwość na działanie substancji zawierającej jony	mała	duża

Klasyfikacja koloidów

Ośrodek dyspresyjny	Faza rozproszona	Nazwa koloidu	Przykłady
Gaz	1. gaz 2. ciecz 3. substancja stała	1. - 2. aerozol 3. aerozol	1. - 2. mgła, chmury 3. dym, kurz
Ciecz	1. gaz 2. ciecz 3. substancja stała	1. piana 2. emulsja 3. zol	1. bita śmietana 2. mleko, niektóre farby malarskie 3. tlenki metali
Substancja stała	1. gaz 2. ciecz 3. substancja stała	1. piana stała 2. emulsja stała 3. zol stały (dyspersja stała)	1. pianka izolacyjna 2. lody, kwarc mleczny 3. ametyst, rubin

Koagulacja — artykuły polecane

Pęcznienie — Dehydratacja — Lipoliza — Blocking — Antystatyki — Pilling — Liofilizacja — Emulgowanie — Galwanizacja

Bibliografia

• Duda I. (red.) (1995), Słownik pojęć towaroznawczych, Wydawnictwo Akademii Ekonomicznej w Krakowie, Kraków
• Filipiak M. (2009), Podstawy biochemii dla towaroznawców, Wydawnictwo Uniwersytetu Ekonomicznego w Poznaniu
• Grześkowiak D. (2011), Chemia fizyczna - ćwiczenia laboratoryjne, Wydawnictwo Uniwersytetu Ekonomicznego we Wrocławiu
• Hejwowska S., Marcinkowski R., (2011), Chemia 1, Wydawnictwo Operon, Gdynia
• Janik J. (1980), Fizyka chemiczna, PWN, Warszawa
• Kączkowski J. (2005), Podstawy biochemii, Wydawnictwo Naukowo - Techniczne, Warszawa
• Kłobukowski J., Prokop E., Szpendowski J., (2005)Wpływ dodarku chlorku wapnia i ogrzewania mleka na skład chemiczny serów twarogowych, Żywność. Nauka. Technologia. Jakość, 3 (44), 36-45
• Król I. (2012), Repetytorium maturzysty, chemia, Wydawnictwo Greg, Kraków
• Krupińska I., Świderska-Bróż M. (2002), Skuteczność procesu koagulacji w usuwaniu związków żelaza z wód podziemnych, Ochrona środowiska, nr 3(86)
• Litwin M., Styka-Wlazło S., Szymońska J., (2014), To jest chemia 1, Wydawnictwo Nowa Era, Warszawa
• Polowczyk I. (2016), Koagulacja hydrofobowa łupka miedzionośnego, [w:] Łupek miedzionośny II, Kowalczuk P.B., Drzymała J. (red.), WGGG PWr

Autor: Jakub Michalski, Karolina Bućkowska