1.2. Primjena koloidnih sustava, površinski aktivnih tvari i nanočestica

Opisuje djelovanje čimbenika koji utječu na stabilnost koloidnih sustava.
Objašnjava procese dijalize i elektroforeze u kontekstu primjene koloidnih sustava u znanosti i tehnologiji.
Poznaje primjene koloidnih sustava u prehrani, kozmetici, medicini Poznaje osnovne primjene nanomaterijala.
Kritički razmatra primjenu koloida, površinski aktivnih tvari i nanomaterijala te njihov utjecaj na čovjeka i okoliš.

Uvod

Svakodnevno se susrećemo s brojnim proizvodima koji su koloidni sustavi, primjerice, prehrambeni proizvodi sladoled i majoneza. Kozmetički proizvodi poput krema, tekućih pudera i vrlo popularnih micelarnih voda primjeri su ove posebne skupine smjesa.

Sladoled

Fotografija prikazuje bočicu micelarne vode.

Micelarna voda

Stabilnost koloidnih sustava

Koloidni sustavi često su nestabilni, čestice dispergirane faze udružuju se u veće čestice, pa se na taj način smanjuje ukupna površina čestica. Ovakva neželjena pojava naziva se agregacija. Stvaranje ionskog sloja na površini uzrokuje stabilizaciju koloidnog sustava. Takva stabilizacija temelji se na međusobnom odbijanju istoimenih naboja na površini čestica dispergirane faze te se na taj način sprječava agregacija čestica. Stabilizacija koloidnog sustava može se postići i oblaganjem čestica dispergirane faze polimernim molekulama koje sprječavaju približavanje čestica i na taj način se onemogućava privlačno međučestično djelovanje. Promjena pH, dodavanje soli ili zagrijavanje, narušava ionski ili zaštitni sloj na površini čestica dispergirane faze, pa se one međusobno više ne odbijaju i dolazi do agregacije.

Mlijeko je emulzija u kojoj su kapljice masti raspršene u vodi. Protein kazein sprječava izdvajanje kapljica masti iz vode, on djeluje kao emulgator, tvar koja stabilizira emulziju. Dodatkom kiseline dolazi do koagulacije, kazeinske micele se destabiliziraju i nastaje sir.

Fotografija prikazuje koagulaciju mlijeka. Tim procesom nastaje sir.

Koagulacija mlijeka, proces u proizvodnji sira

Primjena koloidnih sustava

Dijaliza je postupak odvajanja čestica na temelju njihove veličine pomoću polupropusne membrane, primjerice, celofana ili životinjskog mjehura. Veličina pora prilagođava se veličini čestica koje želimo žele razdvojiti. Hemodijaliza je postupak pročišćavanja krvi kod pacijenata kojima bubrezi ne rade pravilno ili ih nemaju. Krv se izvlači iz tijela te prolazi kroz aparat za hemidijalizu u kojemu kroz polupropusnu membranu prolazi urea, višak vode i druge štetne tvari, a pročišćena krv se vraća u tijelo.

Video 1.

Hemodijaliza

0

Odaberite točan odgovor.

U procesu dijalize kroz polupropusnu membranu prolaze:

krvne stanice

urea i štetne tvari

bakterijske stanice

1. Pokus

Fotografija prikazuje ukapavanje prozirne tekućine u epruvetu kapaljkom.

Dijaliza

Pročitaj

Elektroforeza je analitička metoda koja se često primjenjuje u biokemiji. Postupak je to razdvajanja te identificiranja koloidnih čestica djelovanjem istosmjerne struje. Smjer kretanja čestice određen je njezinim nabojem, a to znači da se čestice gibaju prema suprotno nabijenoj elektrodi. Brzina kretanja čestica ovisi o gustoći naboja, jakosti električnog polja i masi čestice (lakše čestice se brže gibaju). Elektroforeza na gelu agaroze koristi se, primjerice, za analizu proteina i nukleinskih kiselina. Nakon elektroforeze bojenjem, imunološkom reakcijom ili detekcijom radioaktivnosti te fotografiranjem gela dobiva se grafički prikaz ili elektroforetogram.

Fotografija prikazuje uzorke DNA u agaroznom gelu.

Uzorci DNA u agaroznom gelu

Elektroforetogram

Što je prikazano na slici?

Poznato je da su mlijeko, majoneza, šlag, putar i sladoled različiti primjeri koloidnih sustava koje se koristi u prehrani. Želatina je neizostavan sastojak u pripremi ukusnih bombona i slastica.

Fotografija prikazuje tortu od jagoda s preljevom od želatine.

Želatina na torti

1. Riješeni primjer

Slika 1.

Mlijeko je emulzija u kojoj su sitne kapljice masti raspršene u vodi. Osim mliječne masti, u mlijeku se nalaze još i bjelančevine, mliječni šećer i naravno voda.

Fotografija prikazuje bijelu šalicu s mlijekom postavljenu na crveno-bijelu kuhinjsku krpu.

Mlijeko je emulzija u kojoj su sitne kapljice masti raspršene u vodi. Osim mliječne masti, u mlijeku se nalaze još i bjelančevine, mliječni šećer i naravno voda.

Zadatak

Izračunajte masu mliječne masti koju unesete u organizam kada popijete šalicu mlijeka s udjelom mliječne masti 3,6 %. Volumen jedne šalice je dva decilitra, a gustoća mlijeka je 1,034 g/cm³.

Izradak

Zadano je:

w(mliječna mast) = 3,6 %

V(mlijeka) = 2 dL = 200 cm³

ρ(mlijeka) = 1,034 g/cm³

Traži se:

m(mliječna mast)=?

Pomoću izraza za gustoću mlijeka možemo izračunati masu mlijeka:

$\mathit{\rho }\left(mlijeko\right)=\frac{\mathit{m}\left(mlijeko\right)}{\mathit{V}\left(mlijeko\right)}$

Iz toga slijedi:

$\mathit{m}\left(mlijeko\right)=\mathit{\rho }\left(mlijeko\right)\cdot \mathit{V}\left(mlijeko\right)$

$=1,034\space g\space \operatorname{cm}^{–3}\cdot 200\space cm^3$

$=206,8\space g$

Pomoću mase mlijeka možemo izračunati i masu mliječne masti:

$\mathit{w}\left(mliječna\space mast\right)=\frac{\mathit{m}\left(mliječna\space mast\right)}{\mathit{m}\left(mlijeko\right)}$

Iz toga slijedi:

$\mathit{m}\left(mliječna\space mast\right)=\mathit{w}\left(mliječna\space mast\right)\cdot \mathit{m}\left(mlijeko\right)$

$=0,036\cdot 206,8\space g$

$=7,4\space g$

Odgovor

U dva decilitra mlijeka ima 7,4 grama mliječne masti.

Kreme, šamponi, dezodoransi i dekorativna kozmetika samo su neki od primjera koloidnih sustava koje svakodnevno koristimo.

Fotografija prikazuje razbacanu preparaivnu kozmetiku (ruževi, sjajila, maskare). Vidi se i bočica parfema.

Kozmetički proizvodi

Gotovo je nemoguće pronaći proizvod koji ne sadrži emulgatore i stabilizatore, bilo to u prehrambenim ili kozmetičkim proizvodima. Emulgatori su tvari koje održavaju emulzije stabilnima, a to su uglavnom površinski aktivne tvari. Tenzidi ili površinski aktivne tvari su ampifilni koloidi, sastoje se od hidrofilne „glave” i hidrofobnog „repa”. U unutrašnjost micela, među „repove”, može se smjestiti kapljica nepolarne tvari, primjerice ulja. Na tom principu djeluju sapuni, deterdženti i vrlo popularne micelarne vode. Natrijev dodecilsulfat i natrijev dodecilbenzensulfonat su neke od naprimjenjivanijih površinski aktivnih tvari.

Fotografija prikazuje shemu mehanizma djelovanja površinski aktivnih tvari.

Mehanizam djelovanja površinski aktivnih tvari: Površinski aktivne tvari svojim hidrofobnim krajevima okružuju česticu nečistoće, a hidrofilnim krajevima su okrenute prema vodi. Na taj se način uklanjaju masne nečistoće inače netopljive u vodi.

Primjene nanomaterijala

Prema veličini za nanočestice može se reći da su podskupina koloidnih čestica. Nanočestice zlata može se prirediti kao koloidnu suspenziju. Zlato se prvo otopi u smjesi poznatoj pod nazivom zlatotopka. To je smjesa koncentrirane dušične i klorovodične kiseline volumnog omjera 1:3. Tom reakcijom nastaje tetrakloraureatna(III) kiselina. Oksidirano zlato reducira se pomoću natrijeva citrata, koji ujedno služi i za stabilizaciju nastalih nanočestica zlata.

Nanočestice zlata imaju široku primjenu, predmet su brojnih medicinskih istraživanja, primjerice pospješuju distribuciju „pametnih” lijekova u organizmu.

Slika 2.

Nanočestice zlata

Fotografija prikazuje mikroskopski preparat nanočestica zlata. Čestice plutaju po tamnozelenoj podlozi.

Prikazan je skup nanočestica zlata. Skup nanočestica zlata fullscreen Pokreni play_arrow

U prazna polja teksta o formiranju nanočestica zlata umetnite jedan od ponuđenih pojmova iz padajućeg izbornika.

Reakcijom zlata i

nastaje

te dušikov monoksid i voda.
Natrijev citrat, Na₃C₆H₅O₇, uzrokuje

zlata iz tetrakloraureatne kiseline te nastaju

elementarnog zlata.
Tako dobiveno zlato naziva se još i

zlato, a citratni ioni stabiliziraju suspenziju.

Nanočestice srebra imaju izraženo antibakterijsko djelovanje stoga je njihova primjena vrlo raznolika. Koriste se u medicini, kozmetičkoj, prehrambenoj, tekstilnoj i brojnim drugim granama industrije.

Nanočestice cinkova oksida i titanijeva dioksida već dugo vremena koristi se u kremama za sunčanje zbog njihove sposobnost upijanja štetnog UV-zračenja.

Fotografija prikazuje ilustraciju nanočestica cinkova oksida.

Ilustracija nanočestica cinkova oksida

Utjecaj na okoliš

Koloidni sustavi i nanomaterijali prisutni su u prirodi i u živim bićima i u anorganskim tvarima. Proizvodnja takvih čestica umjetnim putem uvelike nam koristi u svakodnevnom životu, ali uzrokuje i posljedice na živi svijet jer se akumuliraju u okolišu, a zbog svoje veličine i svojstava ulaze i u prehrambeni lanac. Danas je većina proizvedenih površinski aktivnih tvari biorazgradljiva. S druge strane, posljednjih godina raste i broj istraživanja štetnog utjecaja nanomaterijala na zdravlje i okoliš. Vrijeme će pokazati jesu li koristi ovakvih proizvoda veće nego li mogući štetni učinci.

Istražite koje su prednosti, a koje moguće opasnosti u primjeni nanotehnologije. Pri tome se poslužite stručnim mrežnim stranicama. Primjerice, pronađite stručne članke po zadanoj temi služeći se tražilicom Google znalac. Prezentirajte informacije i zainteresirajte i druge učenike u razredu.