11.5 Kvoður

Sem barn gætir þú hafa búið til sviflausnir, til dæmis blöndur úr drullu og vatni, hveiti og vatni eða sviflausn fastra litarefna í vatni, svokallaða tempera-liti. Slíkar sviflausnir eru misleitar blöndur með tiltölulega stórum ögnum sem eru sýnilegar eða sjást með stækkunargleri. Þær eru skýjaðar og svifagnirnar setjast til botns eftir blöndun. Lausn er hins vegar einsleit blanda þar sem ekkert botnfall myndast og leystu efnin eru sameindir eða jónir. Lausnir hegða sér því allt öðruvísi en sviflausnir. Lausn getur verið lituð en er gegnsæ; sameindirnar eða jónirnar eru ósýnilegar og setjast ekki til botns þegar lausnin stendur. Annar flokkur blandna, kvoður eða kvoðudreifingar, hefur eiginleika sem eru mitt á milli eiginleika sviflausna og lausna (mynd 11.29). Agnirnar í kvoðu eru stærri en flestar einfaldar sameindir, en nógu litlar til að setjast ekki til botns þegar kvoðan stendur.

Agnirnar í kvoðu eru nógu stórar til að dreifa ljósi, fyrirbæri sem kallast Tyndall-áhrifin. Þetta getur gert kvoðublöndur skýjaðar eða ógagnsæjar, eins og leitarljósgeislarnir sem sýndir eru á mynd 11.30. Ský eru kvoðublöndur. Þau samanstanda af vatnsdropum sem eru mun stærri en sameindir, en eru þó nógu litlir til að þeir setjast ekki til botns.

Hugtakið „kvoða“ — úr grísku orðunum kolla, sem þýðir „lím“, og eidos, sem þýðir „líkt“ — notaði Thomas Graham fyrst árið 1861 til að flokka blöndur á borð við sterkju í vatni og gelatín. Margar kvoðuagnir eru samsafn hundruða eða þúsunda sameinda, en aðrar (eins og prótein og fjölliðusameindir) samanstanda af einni, afar stórri sameind. Prótein og gervifjölliðusameindir sem mynda kvoður geta haft mólmassa sem spannar allt frá nokkrum þúsundum upp í margar milljónir atómmassaeininga.

Rétt eins og efnisþættir lausnar eru nefndir „leyst efni“ og „leysir“ eru efnisþættir kvoðu flokkaðir eftir hlutfallslegu magni þeirra. Agnahlutinn, sem yfirleitt er í minna magni, kallast dreififasi, en efnið eða lausnin sem agnirnar dreifast í kallast dreifimiðill. Kvoður geta falið í sér nánast hvaða samsetningu eðlisástanda sem er (gas í vökva, vökvi í föstu efni, fast efni í gasi o.s.frv.), eins og sýnt er með dæmum um kvoðukerfi í töflu 11.4.

Gerð kvoðukerfa

Kvoður eru búnar til með því að framleiða agnir af kvoðustærð og dreifa þeim um dreifimiðil. Agnir af kvoðustærð myndast með tveimur aðferðum:

1. Dreifiaðferðir: stærri agnir eru brotnar niður. Til dæmis eru litarefni í málningu framleidd með því að dreifa stórum ögnum með mölun í sérstökum kvörnum.
2. Þéttiaðferðir: vöxtur úr smærri einingum, svo sem sameindum eða jónum. Til dæmis myndast ský þegar vatnssameindir þéttast og mynda mjög litla dropa.

Nokkur föst efni dreifast sjálfkrafa og mynda kvoðukerfi þegar þau komast í snertingu við vatn. Gelatín, lím, sterkja og þurrkað mjólkurduft hegða sér á þennan hátt. Agnirnar eru þegar af kvoðustærð; vatnið dreifir þeim einfaldlega. Mjólkurduftsagnir af kvoðustærð eru framleiddar með úðaþurrkun mjólkur. Sumir úðarar framleiða kvoðudreifingu vökva í lofti.

Fleyti má búa til með því að hrista saman eða blanda tvo óblandanlega vökva. Við það brotnar annar vökvinn niður í dropa af kvoðustærð sem dreifast um hinn vökvann. Erfitt getur verið að hreinsa olíuleka í sjó, meðal annars vegna þess að öldugangur getur valdið því að olía og vatn mynda fleyti. Í mörgum fleytum hefur dreifði fasinn þó tilhneigingu til að renna saman, mynda stóra dropa og skiljast að. Þess vegna eru fleyti venjulega stöðguð með fleytiefni, efni sem hindrar að dreifði vökvinn renni saman. Til dæmis gerir lítið magn af sápu fleyti af steinolíu í vatni stöðugt. Mjólk er fleyti af smjörfitu í vatni þar sem próteinið kaseín þjónar sem fleytiefni. Majónes er fleyti af olíu í ediki þar sem efni í eggjarauðu virka sem fleytiefni.

Þéttiaðferðir mynda kvoðuagnir með samsöfnun sameinda eða jóna. Ef agnirnar stækka út fyrir stærðarmörk kvoðu, myndast dropar eða botnfall og ekkert kvoðukerfi verður til. Ský myndast þegar vatnssameindir safnast saman og mynda agnir af kvoðustærð. Ef þessar vatnsagnir renna saman og mynda nægilega stóra vatnsdropa af fljótandi vatni eða kristalla af föstu vatni, falla þær úr lofti sem rigning, slydda eða snjór. Margar þéttiaðferðir fela í sér efnahvörf. Hægt er að búa til rauða kvoðudreifingu járn(III)hýdroxíðs með því að blanda þéttri lausn af járn(III)klóríði við heitt vatn:

Kvoðukennd gullsól myndast við afoxun mjög þunnrar lausnar af gull(III)klóríði með afoxara á borð við formaldehýði, tin(II)klóríð eða járn(II)súlfat:

Sum gullsól sem útbúin voru árið 1857 eru enn óskemmd (agnirnar hafa ekki runnið saman og fallið til botns), sem sýnir fram á langtímastöðugleika margra kvoða.

Sápur og hreinsiefni

Landnemar bjuggu til sápu með því að sjóða fitu ásamt sterkri basalausn sem gerð var með því að skola kalíumkarbónat, K₂CO₃, úr viðarösku með heitu vatni. Dýrafita inniheldur pólýestera fitusýra, það er langra karboxýlsýra. Þegar dýrafita er meðhöndluð með basa á borð við kalíumkarbónat eða natríumhýdroxíð myndast glýseról og sölt fitusýra eins og palmitínsýru, olíusýru og sterínsýru. Sölt fitusýra kallast sápur. Natríumsalt sterínsýru, natríumsterat, hefur formúluna C₁₇H₃₅CO₂Na og inniheldur óhlaðna, óskautaða kolvetniskeðju, C₁₇H₃₅-eininguna, og jónaðan karboxýlathóp, CO₂⁻-eininguna (mynd 11.31).

Hreinsiefni (sápulíki) innihalda einnig óskautaðar kolvetniskeðjur, eins og C₁₂H₂₅-, og jónaðan hóp, eins og súlfat, OSO₃⁻, eða súlfónat, SO₃⁻ (mynd 11.32). Sápur mynda óleysanleg kalsíum- og magnesíumsambönd í hörðu vatni. Hreinsiefni mynda hins vegar vatnsleysanleg efni, sem er ótvíræður kostur þeirra.

Hreinsivirkni sápu og hreinsiefna má skýra með byggingu sameindanna sem eiga í hlut. Kolvetnisendinn (óskautaður) á sápu- eða hreinsiefnasameind leysist upp í, eða dregst að, óskautuðum efnum eins og olíu, fitu eða óhreinindaögnum. Jónaði endinn dregst að vatni (skautað), eins og sýnt er á mynd 11.33. Þar af leiðandi raða sápu- eða hreinsiefnasameindirnar sér á skilflötinn milli óhreinindaagnanna og vatnsins þannig að þær virka sem nokkurs konar brú milli tveggja ólíkra tegunda efnis, óskautaðs og skautaðs. Sameindir sem þessar kallast tvísæknar þar sem þær hafa bæði vatnsfælinn hluta og vatnssækinn hluta. Fyrir vikið svífa óhreinindaagnirnar sem kvoðuagnir og auðvelt er að skola þeim burt.

Rafmagnseiginleikar kvoðuagna

Dreifðar kvoðuagnir eru oft rafhlaðnar. Kvoðuögn úr járn(III)hýdroxíði inniheldur til dæmis ekki nógu margar hýdroxíðjónir til að vega nákvæmlega upp á móti jákvæðu hleðslunum á járn(III)jónunum. Þannig ber hver einstök kvoðuögn jákvæða hleðslu og kvoðudreifingin samanstendur af hlöðnum kvoðuögnum og nokkrum frjálsum hýdroxíðjónum sem halda dreifingunni rafhlutlausri. Flestar kvoður úr málmhýdroxíðum hafa jákvæða hleðslu, en flestir málmar og málmsúlfíð mynda neikvætt hlaðnar kvoðudreifingar. Allar kvoðuagnir í sama kerfi hafa hleðslu með sama formerki. Þetta hjálpar til við að halda þeim dreifðum þar sem agnir með sömu hleðslu hrinda hver annarri frá sér.

Hægt er að nýta hleðslu sumra kvoðuagna til að fjarlægja þær úr ýmsum blöndum. Til dæmis eru agnirnar sem mynda reyk oft dreifðar sem kvoða og eru rafhlaðnar. Bandaríski efnafræðingurinn Frederick Cottrell þróaði aðferð til að fjarlægja þessar agnir. Hlöðnu agnirnar dragast að rafskautum með hárri hleðslu, þar sem þær afhlaðast og falla út sem ryk (mynd 11.36). Þetta er ein af mikilvægu aðferðunum sem notaðar eru til að hreinsa reyk frá ýmsum iðnaðarferlum. Ferlið er einnig mikilvægt við endurheimt verðmætra efna úr reyk og reykháfsryki frá bræðslum, ofnum og brennsluofnum. Einnig eru til svipaðar rafstöðusíur sem hannaðar eru til heimilisnota til að bæta loftgæði innandyra.

Hlaup

Matarlímsbúðingar, eins og Jell-O, eru tegund kvoðu (mynd 11.37). Matarlím stífnar við kælingu vegna þess að heit vatnsblanda matarlímsins hleypur þegar hún kólnar og myndar afar seigfljótandi massa sem kallast hlaup. Hlaup er kvoðudreifing vökvafasa í föstum fasa. Svo virðist sem þræðir dreifimiðilsins myndi flókið þrívítt net þar sem millirýmin fyllast af vökvamiðlinum eða þunnri lausn dreifimiðilsins.

Pektín, kolvetni úr ávaxtasafa, er hlaupmyndandi efni sem er mikilvægt við sultugerð. Kísilhlaup, kvoðudreifing af vötnuðu kísildíoxíði, myndast þegar þynntri saltsýru er bætt út í þunna lausn af natríumsílíkati. Canned Heat er eldfimt hlaup sem búið er til með því að blanda saman alkóhóli og mettaðri vatnslausn af kalsíumasetati.