Kolloid

Grundidee und Abgrenzung

Kolloide, auch Kolloiddispersionen genannt, sind fein verteilte Teilchen oder Tröpfchen in einem Dispersionsmedium. Das Dispersionsmedium kann ein Feststoff, ein Gas oder eine Flüssigkeit sein. Die einzelnen Teilchen liegen in der Größenordnung von einem Nanometer bis zu einem Mikrometer. In diesem Bereich liegen auch viele Moleküle und die meisten Viren.

Kennzeichnend ist nicht nur die Größe der Teilchen, sondern auch ihre gleichmäßige Verteilung. Diese Verteilung verändert sich nicht oder nur langsam. Wenn die Teilchen beweglich sind, zum Beispiel in einer Flüssigkeit, zeigen sie Brownsche Bewegung, also eine unregelmäßige Eigenbewegung durch Stöße mit den Teilchen des umgebenden Mediums.

Kolloidale Lösungen stehen wegen ihrer Teilchengröße zwischen echten Lösungen, die molekulardispers sind, und grobdispersen Suspensionen oder Emulsionen. In einer echten Lösung sind die Teilchen auf molekularer Ebene verteilt; bei grobdispersen Systemen sind die Bestandteile deutlich größer und leichter voneinander zu trennen.

Arten und Formen

Bei Kolloiden können sowohl die disperse Phase als auch das Dispersionsmedium grundsätzlich jeden der drei Aggregatzustände haben: fest, flüssig oder gasförmig. Dadurch entstehen verschiedene Formen. Flüssigkeit in Flüssigkeit bildet Emulsionen oder Mikroemulsionen, zum Beispiel Milch, Blut, Mayonnaise und Kosmetika. Gas in Flüssigkeit bildet Mikroschaum, zum Beispiel Schlagsahne. Feststoff in Flüssigkeit bildet ein Sol, auch kolloidale Suspension oder kolloidale Lösung genannt; Beispiele sind Tinte, Schlamm, Kaffee, kolloidales Gold und kolloidales Silber.

Wenn eine Flüssigkeit in einem Gas verteilt ist, spricht man von einem Aerosol, etwa bei Nebel. Ein Feststoff in einem Gas bildet Rauch. Flüssigkeit in Feststoff ergibt eine Festemulsion, zum Beispiel Materialfeuchte in Holz. Gas in Feststoff ergibt Festschaum, etwa Schaumstoff oder Milchquarz. Feststoff in Feststoff ergibt eine Festsuspension, zum Beispiel spezielle Verbundwerkstoffe, Farbstoffe oder Pigmente in Kunststoff, Gold-Rubin-Glas und Opalglas.

Weitere wichtige Formen sind Pasten, Gele, Flüssigkristalle und Aerosole. Pasten enthalten eine hohe Konzentration der dispersen Phase und fließen deshalb nicht oder kaum. Gele enthalten statt einzelner Partikel meist langkettige Makromoleküle, wie bei Gelee oder Leim. Flüssigkristalle sind Kolloide, die in einer Flüssigkeit geordnete Strukturen bilden. Aerosole sind Kolloiddispersionen in Gasen, zum Beispiel Rauch und Nebel.

Disperse Systeme mit annähernd gleicher Teilchengröße heißen monodispers oder isodispers. Systeme mit unterschiedlicher Teilchengröße heißen polydispers. Wenn sich disperse Phase und Dispersionsmittel klar unterscheiden lassen, spricht man von einfachen Kolloiden. Wenn beide ineinander verschlungene Netzwerke bilden und nicht klar zugeordnet werden können, spricht man von Netzwerk-Kolloiden.

Teilchentypen und Aufbau

Je nach Bindungsart zwischen den Atomen unterscheidet man Dispersionskolloide, Molekülkolloide und Assoziationskolloide beziehungsweise Mizellkolloide.

Dispersionskolloide enthalten Teilchen, die durch Zerkleinerung, Kondensation oder Peptisation aus Stoffen entstanden sind, die sich nicht im Dispersionsmedium lösen. Solche Stoffe werden als lyophob bezeichnet. Ein Beispiel ist Tonkolloid in Wasser. Damit sich die Teilchen nicht auflösen oder zusammenlagern, ist eine elektrostatische oder sterische Stabilisierung mit Schutzkolloiden nötig. Bei Dispersionskolloiden liegt kein thermodynamisches Gleichgewicht vor.

Molekülkolloide enthalten Teilchen, die typischerweise aus etwa 100 Atomen bestehen. Diese Atome sind über Hauptvalenzen gebunden, also über starke chemische Bindungen. Beispiele sind Heteropolysäuren, Polysaccharide und Polyphosphate. Ihr Aufbau entspricht dem niedermolekularer Substanzen.

Assoziationskolloide oder Mizellkolloide enthalten Mizellen. Mizellen bilden sich ab einer bestimmten Massenkonzentration selbsttätig, also ohne Schutzkolloide oder Peptisatoren. Beispiele sind Seifen, Tenside und manche Farbstoffe.

Die kolloidale Größenordnung muss sich nicht auf alle Raumrichtungen beziehen. Sie kann auch nur eine Dimension betreffen. Kaolinit, ein sehr dünnplattiges Tonmineral, kann deshalb ein kolloidales System bilden. Entsprechendes gilt für faserartige oder netzwerkartige Strukturen, die in zwei Raumrichtungen kolloidale Dimensionen besitzen. Kolloide müssen also nicht immer aus einzelnen kugelförmigen Partikeln bestehen. Besonders wichtig ist die Untergrenze von etwa einem Nanometer, weil dort der Übergang zu molekular-dispersen Systemen relativ einheitlich wird.

Eigenschaften und Wechselwirkungen

Kolloide besitzen im Verhältnis zu ihrem Volumen eine große Grenzfläche. Deshalb spielen Effekte der Oberflächenchemie eine besonders wichtige Rolle. Häufig zeigen Kolloide den Tyndall-Effekt: Licht wird an den Grenzflächen gestreut, wodurch selbst Dispersionen aus eigentlich transparenten Phasen milchig oder trüb erscheinen können. Auch Opaleszenz kann auftreten. Dieser Effekt bleibt aus, wenn die Brechungsindizes der beteiligten Phasen genau gleich sind.

Zwischen Kolloidteilchen können verschiedene Wechselwirkungen auftreten. Beim Modell der harten Kugeln können sich harte Kolloidteilchen beim Zusammenstoß weder verformen noch durchdringen. Obwohl dies einfach klingt, ist das Harte-Kugel-Modell eines der wichtigsten Systeme in der statistischen Physik. Das zugehörige Potential ist unendlich für Abstände kleiner als der Partikeldurchmesser und sonst null.

Bei elektrostatischen Wechselwirkungen stoßen sich gleichnamig geladene Kolloidteilchen gegenseitig ab. Das Wechselwirkungspotential hat die Form V ∼ 1/r. Haben Kolloide unterschiedliche Ladungen, können sie ein ionisches Modellsystem bilden, in dem einige Teilchen einander anziehen und andere einander abstoßen. Ionen in der Flüssigkeit, zum Beispiel aus gelösten Salzen, können das elektrostatische Potential abschirmen.

Van-der-Waals-Kräfte entstehen unter anderem durch fluktuierende Dipole. Die Hamaker-Konstante A beschreibt die Van-der-Waals-Wechselwirkung zweier makroskopischer Körper. Aus ihr folgt, dass diese Wechselwirkung minimiert wird, wenn der Brechungsindex der Flüssigkeit und der Teilchen ähnlicher gemacht wird.

Entropische Wechselwirkungen treten auf, wenn sich neben den eigentlichen Kolloiden noch kleinere Partikel oder Polymerketten in der Flüssigkeit befinden. Sie üben einen effektiven osmotischen Druck aus und pressen die Kolloide zusammen. Anschaulich steigt die Gesamtentropie des Systems, wenn große Partikel zusammenrücken, weil dann die kleinen Partikel mehr Raum zur Verfügung haben.

Bedeutung in Wissenschaft und Technik

Kolloidale Suspensionen sind wichtig in der Nahrungsmittelindustrie, in der Kosmetikindustrie und in der Grundlagenforschung. Die Kolloidchemie untersucht die Eigenschaften kolloiddisperser Systeme und ist ein eigenständiges Gebiet der physikalischen Chemie.

In der Physik dienen Kolloidsuspensionen als Modellsysteme, um Vorhersagen der statistischen Thermodynamik zu überprüfen oder Vorgänge in atomaren Festkörpern zu simulieren. Die Wechselwirkungen zwischen den Teilchen lassen sich durch Auswahl der Teilchen, Behandlung ihrer Oberfläche und Zusammensetzung der Flüssigkeit einstellen. So können Stärke und Reichweite der Wechselwirkung getrennt verändert und verschiedene Potentialverläufe modelliert werden. Die Teilchen können sich wie Atome eines Metalls oder wie Teilchen eines ionischen Systems verhalten und entsprechende Kristalle bilden. Bei ausreichend hoher Konzentration tritt Kristallisation sogar bei nicht wechselwirkenden Partikeln, den harten Kugeln, auf; dies hat entropische Ursachen.

Kolloide sind etwa um den Faktor 1000 bis 10.000 größer als Atome. Deshalb lassen sie sich leichter beobachten, zum Beispiel mit dynamischer Lichtstreuung oder Konfokalmikroskopie. Außerdem bewegen sie sich deutlich langsamer als Atome. Dadurch können Prozesse wie Kristallisation beobachtet werden, die in atomaren Systemen zu schnell ablaufen.

Anwendungen in Böden und Medizin

In der Verfahrenstechnik sind kolloiddisperse Systeme wichtig, weil die feine Verteilung einer Phase in einer anderen eine sehr große Grenzfläche erzeugt. Das wird überall genutzt, wo Grenzflächeneffekte eine Rolle spielen, zum Beispiel in der Trocknungstechnik oder bei der Reaktion zweier nichtmischbarer Flüssigkeiten.

In der Bodenkunde wird das Größenspektrum der Kolloide bis zwei Mikrometer erweitert. Damit ist auch die Tonfraktion eingeschlossen, weil Bodenteilchen mit einem Durchmesser bis etwa 2 μm kolloidale Eigenschaften zeigen. Das hängt unter anderem mit dem blattförmigen Habitus von Tonteilchen zusammen. Bei solchen Teilchen treten Eigenschaften, die von der Masse abhängen, gegenüber Eigenschaften der großen spezifischen Oberfläche zurück.

In der Medizin werden in der Infusionstherapie kolloidale Infusionslösungen eingesetzt. Sie sollen das Volumen in den Blutgefäßen stabilisieren oder erhöhen. Solche Lösungen enthalten kolloidale Makromoleküle, zum Beispiel Kohlenhydrate wie Hydroxyethylstärke oder Dextrane sowie Proteine wie Gelatine oder humanes Albumin.