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3節 コロイド

 

 

チンダル現象 

 コロイド粒子により光線が散乱され,光の通路が輝いて見える現象。普通の分

子もわずかに散乱するが,コロイド粒子に比べてずっと弱い。この現象は,

1868年,イギリスのチンダル(18201893)が発見し,彼は空が青色を示すこと

をこの現象から説明した。図50は,水,Fe(OH)3コロイド水溶液,CuSO4水溶液,

デンプン水溶液に右側からレーザー光を当てたもので,Fe(OH)3コロイド水溶液と

デンプン水溶液では光の通路が輝いて見える。これは,レーザー光が散乱された

ためで,コロイド粒子の大きさが原因である。

 

 

コロイド粒子,コロイド溶液(ゾル) 

 昔は,溶質が分子やイオンの状態で分散しているものを普通の溶液とし,分子や

イオンが集まって顕微鏡では見えない程度の粒子となって分散しているものをコロ

イド溶液としていた。しかし,今日では高分子化合物が知られ,これらは1つの分

子がコロイド粒子となっている。また,線状や板状のコロイドが知られているので,

粒子の直径だけでコロイド粒子を定義することが困難になった。それでシュタウジン

ガーの説に従い,原子数が103109個ぐらいのものをコロイド粒子というようになっ

た。

 

STM

STMとは走査型トンネル顕微鏡(Scanning Tunnelling Microscopy)のことである。こ

の顕微鏡の中心部品はビエゾ素子(円筒形の圧電性セラミックス)に取り付けた白

金−ロジウム電極である。これを導電性試料の表面に1nm以下の距離まで近づけ試

料に沿って走査させると,電子がトンネル効果で空間を通り抜け電位差を変化させ

るので,ビエゾ素子に電流を流して電極を上下させ,電極と試料の間のギャップの

大きさを一定に保つ。このビエゾ素子に加えた電圧の二次元分布を測定して,像と

して形成する。

 

ブラウン運動 

 イギリスの植物学者ブラウン(Robert Brown17731858)が,1827年に植物の花粉

から生じた微粒子について発見したのであるが,初めは生命力に基づくものと誤解さ

れていた。ブラウン運動は粒子が小さいほど激しく,粒子の平均速度はボルツマンの

分布則に従い,溶媒の分子と同じ運動のエネルギーをもって運動している。

 コロイド粒子は重力によって下に沈もうとするが,一方ではブラウン運動によっ

て拡散しようとする。したがって,コロイド粒子の分布は下のほうほど濃くなるは

ずである。スウェーデンのスウェードベリ(Svedberg)は超遠心分離機で重力の

10000300000倍の遠心力を作用させ,コロイド粒子を沈殿させた。その沈降速度

からタンパク質などの粒子の分子量を算出することができる。

 

限外顕微鏡 

 普通の顕微鏡の解像力は0.2μmが限界であるが,限外顕微鏡では4nmの大きさの粒

子の存在を認めることができる。微粒子と分散媒との屈折率が白色光で見分けにくい

ときは,単色光を用いたり偏光を用いたりする。

 

乳濁液,懸濁液

 乳濁液の例に牛乳がある。牛乳は水の中に油滴が分散したものである。このよう

に,液体中に他の液体粒子が分散して乳状をなしたものを乳濁液(エマルジョン)とい

う。乳濁液をつくるには適当な乳化剤が必要である。たとえば,油を水中に分散させ

るにはオレイン酸ナトリウム・ゼラチン・アルブミン・カゼインなどが用いられ,水

を油中に分散させるにはオレイン酸カルシウム。ラノリン・ゴムなどが用いられる。

 懸濁液は,液体中に固体粒子が分散したものである。金,水酸化鉄(V),硫黄な
どのゾルはこの例である。懸濁液をつくるには特別の方法が必要であり,生成した
コロイドは凝析しやすい。

コロイドの分類  コロイドは,コロイド粒子が分散した物質またはその状態を
示す。コロイド粒子の構成の違いにより,教科書p.6614のように分類される。

また,次表のように分類される。

コロイド粒子の構成による分類

名   称

コロイド粒子

分散質の特徴

分子コロイド

1個の分子

高分子化合物

卵白,うすいのり,豆乳,
ゴムのり,寒天,ゼラチン

ミセルコロイド

(会合コロイド)

多数の分子・

イオンの集合体

会合しやすい

分子やイオン

セッケン水,色素溶液,

界面活性剤水溶液

分散コロイド

固体を分散

不溶性固体

金属ゾル,硫黄ゾル,水酸
化鉄(III)ゾル

 

 

 

 

 

状態によるコロイドの分類

分 散 質

固 体

液 体

気 体



固 体

色ガラス,ルビー

ゼリー

軽石,マシュマロ

液 体

金属ゾル,泥水

牛乳,マヨネーズ

泡,生クリーム

気 体

煙,炭塵

霧,もや

 

 

ゲル 

 コロイド溶液中のコロイド粒子の間に引力が作用して,粒子が互いにつながり,

三次元的な網目構造やハチの巣構造をとり,ゾルから溶媒を分離した固状の物質

や,溶液全体がゼリー状に固化してしまったものがゲルである。とうふ,ゼラチン

や寒天のゼリー,こんにゃく,ゆで卵などはゲルの例である。ゲルから水分を無理

に取り去ると,あとに網状組織だけが残り,キセロゲル(xerogel)と呼ばれるものに

なる。このものはシリカゲルのように多孔質で,気体の吸着や乾燥によく用いられ

る。また,凍り豆腐や棒状寒天などもキセロゲルであり,これらは多量の水を吸収

して膨潤し,ゲルになる。

 

透析 

 魚の浮き袋,硫酸紙,コロジオン膜,セロハン紙などが透析に用いられる。透析

の実験をするには,教科書p.6652のようにするとよい。コンゴーレッドとピク

リン酸ナトリウムの混合水溶液を100cm3取り,セロハンの袋に入れて水中に放置

する。ピクリン酸ナトリウムは袋を通って出てくるので,セロハン紙の中はしだい

にコンゴーレッドの赤色が増してくる。また,外側の水はピクリン酸ナトリウムに

よって黄色となる。外側の水を流して入れ換えれば,両方の色素を分離できる。

 透析は,タンパク質の精製などに利用されている。

 

電気泳動 

 コロイド溶液や懸濁液,乳濁液の中に電極を入れ,直流電圧をかけると,コロイ

ド粒子や微細な粒子がどちらか一方の電極へ移動する現象。粒子の移動は,粒子の

大きさ・形・表面の電荷・加えた電圧,pH,温度などによって影響される。

 応用例として,コロイド粒子の分別,粘土の精製,合成樹脂やゴムなどの電着な

どがある。

 

コロイド粒子の電荷の種類

(1) 正電荷を帯びたコロイド粒子

 Fe(OH)3Zn(OH)2Al(OH)3Fe2O3ZnOTi2O3,ヘモグロビン,塩基性染料

(ビスマルクブラウン,マラカイトグリーン,メチレンブルー,メチルバイオレッ

 ト)

(2) 負電荷を帯びているコロイド粒子

 AgAuPtSSeAgBrAs2S3CuS,硝子末,石灰末,粘土,アスベ

 スト,デンプン,羊毛,酸性染料(アニリンブルー,インジゴ,エオシン,ベル

 リンブルー)

 

コロイド粒子の帯電の原因

 コロイド粒子は前項にあげたように,正または負に帯電している。これは次のよ

うな原因によるものと考えられている。

(1) コロイド粒子がイオン生成の原子団をもつ場合

たとえば,セッケンやその他の洗剤(ラウリン酸ナトリウムやドデシルベン

 ゼンスルホン酸ナトリウムなど)では,1つのコロイド粒子が多数のイオン生

 成分子からできており,ミセルの表面は多くのCOOまたはSO32原子団によ

 って生じる負の電荷を帯びることになる。

    RCOOHRCOOH

  イオン生成の原子団をもつことによって帯電すると考えられるものに,タン

 パク質,ペクチン等がある。

(2) 溶液からのイオンの吸着が原因となる場合

 たとえば,ヨウ化銀コロイドは,硝酸銀水溶液をかくはんしながらヨウ化カリ

 ウム水溶液を加えて生成させると銀イオンが過剰となり,正に帯電し,逆に,

 ヨウ化物イオンを過剰にすると負に帯電することが知られている。これは,過

 剰になった銀イオン(またはヨウ化物イオン)が,生成したコロイド粒子の表面

 に吸着するために,吸着したイオンと同じ電荷を帯びることによる。

 金属コロイド,硫化物および水酸化物コロイドの場合は,解離または吸着のいず

れかと考えられ,たとえば,銀,金コロイド粒子の負の帯電性は,粒子表面に吸着

された銀または金の錯化合物の解離によるものと考えられる。また,水酸化鉄(III)

コロイドも表面での解離が有力な原因であると考えられている。

 

 

凝析(凝結) 

 疎水コロイドの粒子は,普通,正または負の電荷をもっている。たとえば,金・

銀などの金属や,硫化ヒ素などの硫化物のコロイド粒子は負電気を帯びている。水

酸化鉄(V)や水酸化アルミニウムなどのコロイド粒子は正電気を帯びている。この

ため,コロイド粒子は互いに近づいてもはねかえされて,粒子が集まって大きくな

ることはない。

 この帯電は図のように,粒子が溶液中に微量に存在する陽イオン,ま

たは陰イオンを吸着しているために生じ,これに電解質の溶液を少量加えると,コ

ロイド粒子は相互の反発がおさえられ,集まってしだいに大きい粒子をつくり,つ

いに沈殿する。この現象を凝析という。


 疎水コロイドの凝析には,コロイド粒子と反対符号の電荷を帯びたイオンが有効で,

しかもそのイオンの価数が増すと,凝析能力が著しく増す。たとえば,負電気を帯び

たコロイドを完全に凝析させるのに必要な,Al3Ba2Kの濃度の比は,

1201000である。表に,各ゾルに対して凝析力の強いイオンから順に並べた。
泥水中では,粘土がコロイド粒子となって分散しており,負電荷をもっている。
したがって,価数の大きい陽イオンにより凝析されて沈殿する。水の除濁にAl3
Fe3を含む塩を用いるのは,このような理由による。また,河川水が海に達し
て三角州をつくるのも,海水中の陽イオンの働きで凝析が起こるためである。

イオンの凝析力

ゾ  ル

測 定 者

(凝析力大)←イオン→(凝析力小)

As2S3

Linder

Al3Fe3Pb2Mg2Ba2Co2Ca2Ni2Na

S

Odén

Ba2Ca2Al3Mg2Cu2KLiNaH

Pt

Freundlich

Al3Pb2Ba2UO22AgKNa

Ag

Pappada

Al3Ba2Ca2HCsRbKNaLi

Fe(OH)3

Freundlich

CrO42SO42OHClNO3BrI

 

 

疎水コロイド,親水コロイド  水が分散媒のゾルをヒドロゾルという。ヒドロ
ゾルでは,コロイド粒子と水分子の親和性の違いで親水コロイドと疎水コロイドに
分かれる。 分散コロイドは疎水コロイドになる。

 

ヒドロゾルの分類

種類

分 散 質

安定性

凝析・塩析

親水コ

ロイド

OH基やCONH

などをもち,水和
されやすい

水和によ

って安定

少量の電解質で沈

殿しない。多量で
は沈殿する。

デンプン,タンパク質,セ

ッケンなどのコロイド

疎水コ

ロイド

水和されにくい。

不安定

少量の電解質で沈

殿する。

硫黄,金,銀,水酸化鉄

(III)などのコロイド

 

 

 

 

 

 

 

 

 

塩析と保護コロイド

 親水コロイドは水分子と親和性があり,水分子を引きつけ,水分子の被膜をもっ

ている。このため,電解質を加えても凝析しにくい。しかし,多量のアルコールや,

多量の硫酸アンモニウムなどの電解質を加えると,水分子がアルコール分子や電解

質イオンに引きつけられて,表面の被膜がなくなるため,コロイドが沈殿する。こ

の現象を塩析という。

 凝析された疎水コロイドは,沈殿を洗っても,再びもとのコロイド状態にならな

いことが多いが,親水コロイドは電解質を除けば,多くの場合再びもとのコロイド

溶液にもどる。

 疎水コロイドに少量の親水コロイドを加えると,疎水コロイドの周りを親水コロ

イドの粒子が取り巻いて,少量の電解質を加えても凝析しにくくなる。このような

目的に用いる親水コロイドを保護コロイドという。

 保護コロイドには,ゼラチン,カゼイン,デキストリン,アラビアゴムなどがよ

く用いられる。

保護コロイド

物     質

保護コロイド

牛     乳

カ ゼ イ ン

墨     汁

ニ  カ  ワ

イ   ン  キ

アラビアゴム

アイスクリーム

ゼ ラ チ ン

マ ヨ ネ ー ズ

卵    黄

 

 

参考 とうふのゲル

 大豆のタンパク質は種子の1/3を占め,主としてグリシニン(グロブリンの一種)

で,純水には溶けにくい。しかし,大豆中にはかなり塩類が含まれているため,塩

類が水に溶けだすとともにグリシニンも溶けだしてくる。こうして豆乳ができ,こ

れに凝固剤(塩類)を加えると,塩析されてとうふができる。凝固剤には,従来ニガ

(主成分MgCl2)が,最近では硫酸カルシウムが用いられている。

 

参考 水と油の混合

 互いに溶け合わない例に水と油がある。しかし,互いにコロイド粒子となって分

散したもの(乳濁液)は,日常よく見られる。乳濁液には,水に油滴が分散したもの

(O/W)と,油に水滴が分散したもの(W/O)とがある。

 牛乳(O/W);密度の小さい油滴が表面に集まり固まるとクリームになる。

 バター(W/O);クリームから水分を除き,かき混ぜて固めたもの。

 マヨネーズ(O/W);食酢中に,卵黄を乳化剤として油脂が分散したもの。

 化粧品のコールドクリーム;W/O型が多い。油分が多く,べとつく。

 化粧品のバニシングクリーム;O/W型が多い。さっぱりしている。

 

参考 吸着

不均一系の異なる相の間に考えられる境界面を界面という。界面では相の内部と

異なった物理的および化学的現象が見られる。特にコロイド溶液のように2つの相

の界面が非常に広い場合では,いろいろな現象が見られる。

吸着とは,物質が相の界面と内部とでその濃度を変える現象である。界面の濃度

が内部より大きい場合を正吸着といい,正吸着を多く起こさせる界面をもつ物質を

吸着剤という。活性炭やシリカゲルなどがその例である。吸着剤の多くは,表面積

を大きくするために粉末状にして用いられ,脱色,脱臭,脱湿,触媒などに用いら

れている。

 

参考 活性炭

活性炭は,微結晶炭素が不規則に配列した多孔質炭素である。黒鉛の密度は約2

g /cm3であるが,活性炭では0.150.60 g /cm3であり,16nm程度の直径の孔が無

数にあいていると考えられ,細孔容積は0.451.4cm3/g,比表面積は7001600m2/g

にもなる。活性炭は非極性(疎水性)吸着剤で,非極性物質を選択的に吸着する。活

性炭は,日本では年間約2tも使用され,精糖などの食品工業・薬品工業・水道

事業などで脱色,脱臭,不純物除去に広く用いられてきた。最近では,タバコフィ

ルター,SOxNOxなどの大気汚染物質,水質汚濁物質,悪臭物質の除去吸着剤と

して,新しい用途が増大している。

 

◆透析

 半透膜を用いてコロイドや高分子の溶液から塩類などの低分子物質を分離するこ

とをいう。沸騰水にFeCl3水溶液を滴下して得られた溶液をセロハン袋に入

れて純水中につるすと,この反応で生じるHClや未反応のFe3

どはセロハン膜を通過するが,Fe(OH)3コロイド粒子は大きいため通過できない。

よって,コロイド粒子をセロハン袋中に精製することができる。

 

◆血漿分離器

 腎臓には,血液中の老廃物(特に尿素など)を取り除く働きがある。腎臓病により

腎臓の機能が低下してくると,老廃物を体外に排泄できなくなり,「尿毒症」により

生命の危機に陥る。これを回避するために「透析療法」が行われ,血漿分離器(透析

)が用いられる。透析器に導かれた血液の中で,血液は透析膜を通過しないが小

さい分子である尿素は通過するので分離できる。しかし,同時にCa2HCO3

ども通過してしまうので,それらを補うため透析液にそれらを入れて補充している。

 

◆電気泳動

 コロイド溶液に直流電圧をかけると,コロイド粒子がどちらかの電極に向かって

移動する現象を電気泳動という。これは,コロイド粒子が電荷を帯びているためで

ある。水酸化鉄(III)のコロイド粒子は正電荷を帯びているので,高電圧を

加えると陰極側に移動する。したがって,p.6754ではコロイド溶液と水の境界

面が,陽極側では下に,陰極側では上に動くのが観察できる。コロイド溶液に直接

電極を入れると実際に放電が起こり,コロイドが凝固して電極表面の状態が変化す

る。それで,コロイド溶液の上部に純水を加え,この中に電極を入れるようにする。

これによりコロイド溶液の放電をおさえ,また界面の移動も観察しやすくなる。水

酸化鉄(III)のコロイド溶液は,沸騰水にFeCl3を加えてつくる。

    FeCl33H2OFe(OH)33HCl

したがって,HClを含むので,これを充分透析して用いる。それでも多少はH

Clを伴うのが常である。このような溶液を用いると,陰極ではH2,陽極ではO2

Cl2が発生するので,金属電極では傷みが大きくなる。電極に炭素棒を用いると,

このような傷みは生じない。

 

 

 

 








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