Quelltext der Seite Kolloid

{{Schema Einteilung Stoffe}}
Als '''Kolloide''' (von {{grcS|κόλλα}} ''kólla'' „[[Leim]]“ und {{lang|grc|εἶδος}} ''eidos'' „Form, Aussehen“) oder '''Kolloiddispersion'''<ref>[https://www.colloids.uni-freiburg.de/Methoden/dispersionen Dispersionen - Kolloiddispersionen], Bereich Physikalische Chemie (Kolloide) der [[Albert-Ludwigs-Universität Freiburg]]</ref> werden Teilchen oder Tröpfchen bezeichnet, die im [[Dispersion (Chemie)|Dispersionsmedium]] (Feststoff, Gas oder Flüssigkeit) fein verteilt sind. Die Größe der einzelnen Teilchen liegt im Bereich von einem [[Nanometer]] bis zu einem [[Meter#Gebräuchliche dezimale Vielfache|Mikrometer]].

In diesem Größenbereich liegen viele [[Molekül]]e sowie die meisten [[Viren]].<ref name="Chemnitz">[https://www.tu-chemnitz.de/physik/OSMP/Soft/ws0506_V14.pdf Kolloide], Abschnitt 1.1. In: TU-Chemnitz.de. Abgerufen im Januar 2022</ref>

Neben der Größe der Teilchen ist auch ihre gleichmäßige Verteilung für ein kolloidales System kennzeichnend, die sich nicht oder nur langsam ändert.<ref name="Chemnitz" />
Sind die Teilchen beweglich (etwa in einem flüssigen Dispersionsmedium), so zeigen sie [[Brownsche Bewegung]].

Je nach Bindungsart zwischen den Atomen der Kolloide können unterschieden werden: <ref name="Chemnitz" />
* Dispersionskolloide enthalten Teilchen, die durch Zerkleinerung, [[Kondensation]] oder [[Peptisation]] von beliebigen ([[lyophob]]en) Stoffen entstanden sind, die sich nicht im Dispersionsmedium lösen, z.&nbsp;B. [[Tonmineral|Ton]]kolloid in Wasser. Eine elektrostatische oder sterische Stabilisierung mit Schutzkolloiden ist notwendig, um eine Auflösung oder [[Aggregation (Chemie)|Aggregation]] zu verhindern. Ein [[thermodynamisches Gleichgewicht]] liegt nicht vor.
* Molekülkolloide enthalten Teilchen die typischerweise aus etwa 100 Atomen bestehen, die über Hauptvalenzen gebunden sind. Beispiele sind [[Heteropolysäure]]n, [[Polysaccharid]]e und [[Polyphosphat]]e. Der Aufbau entspricht niedermolekularen Substanzen.
* Assoziationskolloide/ Mizellkolloide enthalten [[Mizellen]], die sich ab einer bestimmten [[Massenkonzentration]] selbsttätig, d.&nbsp;h. ohne Mitwirkung von Schutzkolloiden oder Peptisatoren, bilden. Beispiele sind [[Seife]]n, [[Tensid]]e und manche [[Farbstoff]]e<!-- Im allgemeinen sind Farbstoffe wohl löslich. Sollten sie trotzdem hier erwähnt werden? -->.

Kolloidale [[Suspension (Chemie)|Suspensionen]] haben große Bedeutung in der Nahrungsmittel- und Kosmetikindustrie und in der Grundlagenforschung, insbesondere in der [[Statistische Physik|statistischen Physik]]. Die [[Kolloidchemie]] ist der Bereich der Chemie, der sich mit ihren stofflichen Eigenschaften befasst.

== Definitionen und Formen ==
Meist wird für Kolloide angenommen, dass es [[Emulsion]]en oder Suspensionen von Flüssigkeiten oder Feststoffen in einer Flüssigkeit sind. Grundsätzlich kann sowohl die disperse Phase als auch das Dispersionsmedium jeden der drei [[Aggregatzustand|Aggregatzustände]] einnehmen, also ein {{Farbindex|D9FED8|5=g}} [[Feststoff]], eine {{Farbindex|BCDDFF|5=g}} [[Flüssigkeit]] oder ein {{Farbindex|FFFFB7|5=g}} [[Gas]] sein.

{| class="wikitable sortable"
|-
! Disperse Phase
! Dispersionsmedium
! class="unsortable"|Kolloid<ref name="Chemnitz" />
! class="unsortable"|Beispiele<ref name="Chemnitz" />
|-
| style="background-color:#BCDDFF"|Flüssigkeit
| style="background-color:#BCDDFF"|Flüssigkeit
| [[Emulsion]]en, [[Mikroemulsion]]
| [[Milch]], [[Blut]], [[Mayonnaise]], Kosmetika
|-
| style="background-color:#FFFFB7"|Gas
| style="background-color:#BCDDFF"|Flüssigkeit
| [[Mikroschaum]]
| [[Schlagsahne]]
|-
| style="background-color:#D9FED8"|Feststoff
| style="background-color:#BCDDFF"|Flüssigkeit
| Sol, auch: kolloidale Suspension, kolloidale Lösung
| [[Tinte]], [[Schlamm]], [[Kaffee]], [[kolloidales Gold]] oder [[kolloidales Silber]]
|-
| style="background-color:#BCDDFF"|Flüssigkeit
| style="background-color:#FFFFB7"|Gas
| rowspan="2"|[[Aerosol]]
| [[Nebel]]
|-
| style="background-color:#D9FED8"|Feststoff
| style="background-color:#FFFFB7"|Gas
| [[Rauch]]
|-
| style="background-color:#BCDDFF"|Flüssigkeit
| style="background-color:#D9FED8"|Feststoff
| Festemulsion
| [[Materialfeuchte]], etwa in [[Holz]] 
|-
| style="background-color:#FFFFB7"|Gas
| style="background-color:#D9FED8"|Feststoff
| [[Festschaum]]
| [[Schaumstoff]], [[Milchquarz]]
|-
| style="background-color:#D9FED8"|Feststoff
| style="background-color:#D9FED8"|Feststoff
| Festsuspension
| [[Verbundwerkstoff|Spezielle Verbundwerkstoffe]], Farbstoff/ Pigmente in Kunststoff, [[Gold-Rubin-Glas]] [[Opalglas]]
|}

Kolloidale Lösungen stehen aufgrund der Teilchengröße zwischen echten [[Lösung (Chemie)|Lösungen]] (molekulardispers) und grobdispersen [[Suspension (Chemie) | Suspensionen]] oder [[Emulsion | Emulsionen]].
* [[Paste (Stoff)|Pasten]] haben eine hohe Konzentration der dispersen Phase, so dass keine oder nur eine sehr geringe Fließfähigkeit vorliegt
* [[Gel]]e haben statt einzelner Partikel meist langkettige Makromoleküle wie bei [[Gelee]] oder [[Leim]].
* [[Flüssigkristall]]e sind Kolloide, die in einer Flüssigkeit geordnete Strukturen bilden.
* [[Aerosol]]e sind Kolloiddispersionen in Gasen, wie [[Rauch]] und [[Nebel]].

Disperse Systeme mit annähernd gleicher Teilchengröße werden als ''monodispers'' oder ''isodispers'', solche mit unterschiedlicher Teilchengröße als ''polydispers'' bezeichnet. Sind disperse Phase und Dispersionsmittel sicher zu unterscheiden, handelt es sich um „einfache Kolloide“. Bilden sie ineinander verschlungene Netzwerke ohne eine klare Zuordnung sind es „Netzwerk-Kolloide“.

Die Größenordnung von Kolloiden kann sich nur auf eine Dimension beziehen, so dass man in der Struktur von Kolloiden differenzieren kann.<!-- "Kann sich nur auf eine Dimension beziehen ..." - Heißt dies "darf sich nur auf eine Dimension beziehen"?. Der Satz ist insgesamt unklar. --> [[Kaolinit]] ist ein Beispiel für ein sehr dünnplattiges [[Tonmineral]] und bildet auch ein kolloidales System.<!-- Wieso "auch"? Was tut es denn noch? --> Dies gilt gleichfalls für faser- oder netzwerkartige Strukturen, die in zwei Raumrichtungen kolloidale Dimensionen aufweisen. Kolloide müssen nicht zwangsläufig aus einzelnen Partikeln bestehen.<!-- Sondern? Was wäre die Alternative? --> Markanter ist die Untergrenze von etwa einem Nanometer, da es hier zu einem recht einheitlichen Übergang hin zu den Eigenschaften molekular-disperser Systeme kommt.<!-- Was wären diese? -->

== Geschichte und Herkunft des Begriffs ==
Kolloide wurden schon genutzt, als noch keinerlei Kenntnis über ihre Systematik bestand. Die wissenschaftliche Auseinandersetzung mit Kolloiden ist erst in jüngerer Zeit zu verzeichnen, als sich die früher begrenzten technischen Möglichkeiten für eine gezielte, reproduzierbare Herstellung wohldefinierter Kolloide verbesserte.

Bereits den [[Alchemie|Alchimisten]] waren Formen des [[Kolloidales Gold|kolloidalen Goldes]] bekannt und [[Pierre Joseph Macquer]] vermutete 1744, dass es sich hierbei um eine feine Verteilung des Goldes in einer Dispersion handeln könnte. Erste empirische Untersuchungen führte Selmi 1845 durch, 1856 folgten die Versuche [[Michael Faraday]]s mit kolloidalem Gold.

Der britische Physiker [[Thomas Graham (Chemiker)|Thomas Graham]] führte 1861 den englischen Begriff „colloid“ ein, den er von dem griechischen Wort für Leim ableitete. Er benutzte ihn, um Stoffe aufgrund ihres Diffusionsverhaltens durch poröse Membranen in „kristalloide“ und „kolloidale“ Substanzen zu unterteilen. Grahams Kriterien waren jedoch nicht zielführend. Was er als kolloidal bezeichnete, war nicht eine chemische Eigenschaft, sondern ein Zustand der feinen physikalischen Unterteilung bestimmter Proben. Seit Beginn des zwanzigsten Jahrhunderts wird der Begriff im Sinne der modernen Definition verwendet.<ref>M. Daoud, C. E. Williams (Hrsg.): ''Soft Matter Physics.'' Springer, Berlin und Heidelberg 1999, ISBN 3-540-64852-6.</ref> Im Jahr 1922 gründete [[Wolfgang Ostwald]] in Leipzig die [[Kolloid-Gesellschaft]] zur Pflege und Förderung der Kolloidwissenschaft, die bis heute noch besteht.

Eine kinetische Theorie für kolloidale Systeme wurde erstmals von [[Marian Smoluchowski]] geschaffen. Die Chemie der Kolloide und deren Eigenschaften wurden besonders von [[Richard Zsigmondy]] (Nobelpreis 1925) und seinen Mitarbeitern untersucht.

== Eigenschaften ==
=== Makroskopisch ===
[[Datei:Opaleszens Kolloid SiO2.jpg|mini|Eine leichte Opaleszenz bei kolloidalem Siliciumdioxid (hydrodynamischer Durchmesser: 92,7 nm).]]
Aufgrund ihrer im Verhältnis zum Volumen vergleichsweise großen [[Grenzfläche]]n spielen Effekte der [[Oberflächenchemie]] für Kolloide eine besondere Rolle. Kolloide weisen zudem in der Regel den [[Tyndall-Effekt]] auf. Durch Lichtstreuung an den Grenzflächen erscheinen selbst Dispersionen aus transparenten Phasen milchig oder trüb (es kann auch [[Opaleszenz]] auftreten), solange die [[Brechungsindex|Brechungsindizes]] nicht genau gleich sind.

=== Mikroskopisch ===
Folgende Wechselwirkungen können zwischen Kolloidteilchen auftreten.
; Abstoßung [[Harte Kugel|harter Kugeln]]: Dies ist die einfachste Wechselwirkung. Harte Kolloidteilchen können sich beim Zusammenstoß gegenseitig nicht verformen oder durchdringen. Dies erscheint trivial, das „Harte Kugel“-Modell, in dem keine andere Wechselwirkung herrscht, ist jedoch eines der wichtigsten Systeme in der statistischen Physik. Das zugehörige Potential ist unendlich für Abstände kleiner der Partikeldurchmesser und null sonst.
; [[Elektrostatik|Elektrostatische Wechselwirkung]]: Elektrisch gleichnamig geladene Kolloidteilchen stoßen sich gegenseitig ab. Das Wechselwirkungspotential hat die Form <math>V \sim \frac{1}{r}</math>. Haben die Kolloide unterschiedliche Ladungen, so bilden sie ein ionisches Modellsystem (einige Teilchen ziehen einander an, andere stoßen einander ab). In der Flüssigkeit vorhandene Ionen (wie bei gelösten Salzen) können das elektrostatische Potential mehr oder weniger [[Abschirmung (Atomphysik)|abschirmen]].
; [[Van-der-Waals-Kräfte]]: kommen unter anderem durch fluktuierende Dipole zustande. Die [[Hamaker-Konstante]] <math>A</math> beschreibt die Van-der-Waals-Wechselwirkung zweier makroskopischer Körper. Aus der Hamaker-Konstante folgt, dass die Van-der-Waals-Wechselwirkung minimiert wird, wenn der [[Brechungsindex]] der Flüssigkeit und der Teilchen ähnlicher gemacht wird.
; [[Entropie (Thermodynamik)|Entropische Wechselwirkung]]: Noch kleinere Partikel oder Polymerketten, die sich zusätzlich zu den eigentlichen Kolloiden in der Flüssigkeit befinden, üben einen effektiven osmotischen Druck aus und pressen die Kolloide zusammen. Anschaulich lässt sich dies so verstehen, dass die Gesamtentropie des Systems steigt, wenn die großen Partikel zusammenrücken, da die kleinen Partikel dann mehr Raum zur Verfügung haben.

== Bedeutung und Anwendungen ==
=== Chemie ===
Die [[Kolloidchemie]] untersucht die Eigenschaften kolloiddisperser Systeme und ist ein selbständiges Gebiet der [[Physikalische Chemie|physikalischen Chemie]].<ref name="lauth">{{Literatur |Autor=Günter Jakob Lauth, Jürgen Kowalczyk |Titel=Einführung in die Physik und Chemie der Grenzflächen und Kolloide |Verlag=Springer |Ort=Berlin, Heidelberg |ISBN=978-3-662-47017-6 |Seiten=354 f. |DOI=10.1007/978-3-662-47018-3_10}}</ref>

=== Physik ===
Kolloidsuspensionen sind wichtige Modellsysteme um Vorhersagen der statistischen Thermodynamik zu überprüfen oder atomare Festkörperprozesse zu simulieren.<ref>V. Prasad, D. Semwogerere, E. Weeks: ''Confocal microscopy of colloids.'' In: ''Journal of Physics: Condensed Matter.'' Band 19, 2007, S. 113102, [[doi:10.1088/0953-8984/19/11/113102]] [http://www.physics.emory.edu/~weeks/lab/papers/prasad06b.pdf (PDF)].</ref>
* Die Wechselwirkungen zwischen einzelnen Kolloidteilchen lassen sich durch Auswahl der Teilchen, Behandlung ihrer Oberfläche und Zusammensetzung der Flüssigkeit einstellen. Man kann Stärke und Reichweite der Wechselwirkung separat einstellen und damit verschiedenartige [[Potential (Physik)|Potentialverläufe]] modellieren. Die Teilchen verhalten sich wie Atome eines Metalls oder wie die eines ionischen Systems und bilden entsprechende Kristalle. Bei hinreichender Konzentration tritt die Kristallisation sogar bei nicht wechselwirkenden Partikeln („Harte Kugeln“) ein, was paradoxerweise [[Entropie (Thermodynamik)|entropische]] Ursachen hat.
* Kolloide sind etwa um den Faktor 1000 bis 10.000 größer als Atome. Daher sind sie wesentlich einfacher und mit deutlich weniger experimentellem Aufwand ([[Dynamische Lichtstreuung|dynamischer Lichtstreuung]] oder [[Konfokalmikroskop]]ie) zu beobachten.
* Ihre Bewegung ist deutlich langsamer als die von Atomen. Das erlaubt die Beobachtung von Prozessen wie [[Kristallisation]], die in atomaren Systemen zu schnell ablaufen.

=== Verfahrenstechnik ===
Kolloiddisperse Systeme haben durch die feine Verteilung der einen Phase in der anderen im Verhältnis zu ihrem Volumen eine enorm große Grenzfläche. Dies wird überall ausgenutzt, wo Grenzflächeneffekte wichtig sind, wie in der Trocknungstechnik oder bei der Reaktion zweier nichtmischbarer Flüssigkeiten.

=== Bodenkunde ===
In der Bodenkunde wird das Größenspektrum der Kolloide bis zwei [[Meter#Gebräuchliche dezimale Vielfache|Mikrometer]] erweitert. Diese Einteilung schließt die bodenkundlich relevante [[Ton (Bodenart)|Tonfraktion]] ein, da Bodenteilchen mit einem Durchmesser bis etwa 2 μm kolloidale Eigenschaften aufweisen. Dies ist unter anderem Folge des blattförmigen [[Kristallhabitus|Habitus]] von Tonteilchen. Dabei treten Eigenschaften, die auf Grund der Masse der Teilchen auftreten, gegenüber den Eigenschaften aus der großen [[Innere Oberfläche|spezifischen Oberfläche]], zurück.

=== Medizin ===
In der [[Infusionstherapie]] werden [[kolloidale Infusionslösung]]en eingesetzt, die eine Stabilisierung oder Zunahme des Volumens in den [[Blutgefäß]]en bewirken. Sie enthalten kolloidale [[Makromolekül]]e wie [[Kohlenhydrat]]e ([[Hydroxyethylstärke]], [[Dextrane]]) oder [[Protein]]e ([[Gelatine]] oder humanes [[Albumin]]).

== Siehe auch ==
* [[Kolloidosom]]
* [[Kolluvium]]
* [[Sol-Gel-Prozess]]
* [[Cluster (Physik)]]

== Literatur ==
* [[Wolfgang Ostwald]]: ''Die Welt der vernachlässigten Dimensionen.'' [[Verlag Theodor Steinkopff]], Dresden/Leipzig 1914, {{OCLC|14782110}}.
* Thilo Hoffmann: ''Kolloide: Die Welt der vernachlässigten Dimensionen.'' In: ''Chemie in unserer Zeit.'' 38, Nr. 1, 2004, S. 24–35, [[doi:10.1002/ciuz.200400294]].
* Douglas H. Everett: ''Grundzüge der Kolloidwissenschaften.'' Steinkopff, Darmstadt 1992, ISBN 3-7985-0871-2.
* J. C. Daniel, R. Audebert: ''Small Volumes and Large Surfaces: The World of Colloids.'' In: M. Daoud, C. E. Williams (Hrsg.): ''Soft Matter Physics.'' Springer, Berlin/Heidelberg 1999, ISBN 3-540-64852-6.
* Jacob N. Israelachvili: ''Intermolecular and Surface Forces, Third Edition.'' Academic Press, Oxford 2011, ISBN 978-0-12-375182-9.
* Drew Myers: ''Surfaces, Interfaces, and Colloids, Second Edition.'' Wiley-VCH, New York 1999, ISBN 0-471-33060-4.

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Dispersion (Chemie)]]
[[Kategorie:Weiche Materie (Stoff)]]
[[Kategorie:Biophysik]]