غرواني

فيزياء المادة المكثفة

أطوار · Phase transition حالات المادة Solid · سائل · غاز · مكثف بوز-أينشتاين · Fermionic condensate· غاز فرمي · سائل فرمي · Supersolid · مائع فائق · Luttinger liquid ظواهر الأطوار Order parameter · تحول طوري الأطوار الإلكترونية عازل · عازل موت · شبه موصل · Semimetal · Conductor · موصل فائق · Thermoelectric · كهرباء انضغاطية · Ferroelectric الظواهر الإلكترونية تأثير هول الكمي · Spin Hall effect · Kondo effect الأطوار المغناطيسية مغناطيس معاكس · Superdiamagnet مغناطيس مساير · Superparamagnet مغناطيس حديدي · Antiferromagnet Ferrimagnet · Metamagnet Spin glass أشباه الجسيمات فونون · إكسايتون · پلازمون پولاريتون · پولارون · ماگنون Soft matter مادة لابلورية • Colloid • · Granular matter · بلور سائل · پوليمر العلماء Van der Waals • Onnes • von Laue • Bragg • Debye • Bloch • Onsager • Mott • Peierls • Landau • Luttinger • Anderson • Van Vleck • Mott • Hubbard • Shockley • Bardeen • Cooper • Schrieffer • Josephson • Louis Néel • Esaki • Giaever • Kohn • Kadanoff • Fisher • Wilson • von Klitzing • Binnig • Rohrer • Bednorz • Müller • Laughlin • Störmer • Tsui • Abrikosov • Ginzburg • Leggett · غيرهم

الغرواني أو الغرويد أو المبعثر الغروي إنگليزية: Colloid هو أحد انماط المزائج المتجانسة. colloid is a mixture in which one substance consisting of microscopically dispersed insoluble particles is suspended throughout another substance. Some definitions specify that the particles must be dispersed in a liquid, while others extend the definition to include substances like aerosols and gels. The term colloidal suspension refers unambiguously to the overall mixture (although a narrower sense of the word suspension is distinguished from colloids by larger particle size). A colloid has a dispersed phase (the suspended particles) and a continuous phase (the medium of suspension).

Scanning electron microscope image of a colloid

اللبن هو غرواني مستحلب من كريات دهن الزبد السائلة منتشرة في محلول مائي.

Since the definition of a colloid is so ambiguous, the International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) formalized a modern definition of colloids:

The term colloidal refers to a state of subdivision, implying that the molecules or polymolecular particles dispersed in a medium have at least in one direction a dimension roughly between 1 nanometre and 1 micrometre, or that in a system discontinuities are found at distances of that order. It is not necessary for all three dimensions to be in the colloidal range…Nor is it necessary for the units of a colloidal system to be discrete…The size limits given above are not rigid since they will depend to some extent on the properties under consideration.

This IUPAC definition is particularly important because it highlights the flexibility inherent in colloidal systems. However, much of the confusion surrounding colloids arises from oversimplifications. IUPAC makes it clear that exceptions exist, and the definition should not be viewed as a rigid rule. D.H. Everett—the scientist who wrote the IUPAC definition—emphasized that colloids are often better understood through examples rather than strict definitions.

Some colloids are translucent because of the Tyndall effect, which is the scattering of light by particles in the colloid. Other colloids may be opaque or have a slight color.

Colloidal suspensions are the subject of interface and colloid science. This field of study began in 1845 by Francesco Selmi, who called them pseudosolutions, and expanded by Michael Faraday and Thomas Graham, who coined the term colloid in 1861.

IUPAC definition

Colloid: Short synonym for colloidal system. Colloidal: State of subdivision such that the molecules or polymolecular particles dispersed in a medium have at least one dimension between approximately 1 nm and 1 μm, or that in a system discontinuities are found at distances of that order.

 تصنيف الغروانيات

Colloids can be classified as follows:

Medium/phase		Dispersed phase
		Gas	Liquid	Solid
Dispersion medium	Gas	No such colloids are known Helium and xenon are known to be immiscible under certain conditions.	Liquid aerosol Examples: fog, clouds, condensation, mist, steam, hair sprays	Solid aerosol Examples: smoke, ice cloud, atmospheric particulate matter
	Liquid	Foam Examples: whipped cream, shaving cream	Emulsion or Liquid crystal Examples: milk, mayonnaise, hand cream, latex, biological membranes, liquid biomolecular condensate	Sol Examples: pigmented ink, sediment, mud, precipitates, solid biomolecular condensate
	Solid	Solid foam Examples: aerogel, floating soap, styrofoam, pumice	Gel Examples: agar, gelatin, jelly, gel-like biomolecular condensate	Solid sol Example: cranberry glass

Homogeneous mixtures with a dispersed phase in this size range may be called colloidal aerosols, colloidal emulsions, colloidal suspensions, colloidal foams, colloidal dispersions, or hydrosols.

• 

  Colloidal silica gel with light opalescence

• 

  A dollop of hair gel

• 

  Creams are semi-solid emulsions of oil and water. Oil-in-water creams are used for cosmetic purpose while water-in-oil creams for medicinal purpose

• 

  Tyndall effect in an opalite:
  it scatters blue light making it appear blue from the side, but orange light shines through.
  Opal is a gel in which water is dispersed in silica crystals.

• 

  Mist

 شرح

لابد قبل الخوض في مجال الغرويات من التفريق بين المحاليل solutions والتبعثرات الغروية colloidal dispersions والمعلَّقات suspensions فهي جميعها مزائج. والمزيج هو أي شيء يتألف من مكوِّنين (عنصرين أو مركبين) أو أكثر بحيث تتحد المواد الداخلة في المزيج فيزيائياً أي تتحد هذه المواد من دون نسبة معينة، أي ليس لها تركيب معروف معيّن. وفي الواقع، عدد المزائج لايحصى لأنها لاتخضع لقانون النسب المعينة [ر: الاتحادات الكيميائية (قوانين ـ)]. فعلى سبيل المثال مزيج السكر العادي مع الماء يمكن أن يحضر بأي نسبة كانت، فالسكر له تركيب معين C12H22O11 والماء تركيبه معين أيضاً H2O، ولكن مزيج المادتين معاً يمكن أن يحضر بأي نسبة كانت، فقد يكون المحلول ممدداً بحيث يصعب الشعور بطعم السكر بالمحلول، أو يكون المحلول كثيفاً شديد الحلاوة. ومعظم الخواص الكيمياوية لمحلول السكر بالماء يمكن توقعها مع الأخذ بالحسبان الخواص الكيمياوية للسكر من جهة وللماء من جهة أخرى. أما بالنسبة للخواص الفيزيائية لمزائجهما فالأمر مختلف تماماً. إذ إن الخواص الفيزيائية للمزيج تتعلق بتآثر مكوِّناته. والفرق الرئيسي بين المحاليل وبين التبعثرات الغروية وبين المعلَّقات يكمن في اختلاف حجم دقائق مكوّناتها.

المعلَّق مزيج فيه دقائق، واحدٌ أو أكثر من مكوِّناته كبير نسبياً أي يكون أحد أبعاده على الأقل أكبر من 100 نانومتر (100 نانومتر أو 100×10-9 متر)، مثال ذلك محلول الرمل الناعم في الماء. فإذا ترك المعلق، دون تحريكه أو خضه، ترسبت الدقائق الكبيرة بعد فترة طالت أو قصرت. ومعلقات المواد الصلبة في السوائل يمكن فصلها دوماً بعملية ترشيح عادية باستعمال ورق ترشيح أو بالمثـفِّلة cenrtifuge بفعل القوة النابذة. فالدم، على سبيل المثال، معلق للكريات الحمراء والبيضاء في البلازما.

تمثل التبعثرات الغروية حالة وسطية بين المحلول والمعلق، ومثال ذلك الجيلاتين، والحليب، والضباب، والبورسلين.

"أنماط التبعثرات الغروية"

الطور المتبَعثِر (شبيه بالمنحل)	الوسط المبعثِر (شبيه بالمحِل)	الاسم الشائع	أمثلة
صلب	صلب	حلالة صلبة	سبائك(خلائط) كثيرة (مثل الفولاذ) بعض الأحجار الكريمة الملونة المطاط المقسّ البورسلين ضروب البلاستيك
سائل	صلب	مستحلب صلب	الجبن الزبدة
غاز	صلب	الرغوة الصلبة	الإسفنج المطاط
صلب	سائل	حلالة أو هلام	الدهان الطين المانيزا
سائل	سائل	مستحلب	حليب المايونيز كريم الوجه
غاز	سائل	رغوة	كريم الحلاقة الرغوة التي تتشكل فوق البيرة
صلب	غاز	الرذاذ الصلب (دخان)	الغبار الدقائق الصلبة الصغيرة في الضباب الدخاني
سائل	غاز	إيروسول مائع	السحب الضباب بعض ملوثات الجو

يتألف الغرواني من طورين منفصلين، طور مبعثر dispersed phase وطور مستمر continuous phase. يتألف الطور المبعثر من جزيئات دقيقة أو قطيرات موزعة ضمن الطور المستمر . قطر جزيئات الطور المبعثر بين 1 نانومتر و 1000 نانومتر على الأقل ضمن بعد واحد . المزائج المتجانسة ذات الطور المبعثر ضمن هذه القياسات تتراوح بين : مبعثرات غازية غروانية colloidal aerosols، أو مستحلبات غروانية colloidal emulsions أو رغوات غروانية colloidal foams أو مبعثرات غروانية colloidal dispersions. جزيئات أو قطيرات الطور المبعثر تتأثر بشكل كبير بكيمياء السطوح الموجودة في الغرويدات .

بسبب قياسات وأحجام الطور المبعثر يمكن ان يكون صعب القياس، كما ان تظهر الغروانيات على أنها محاليل، لذا فإن تمييز الغرويدات يتم أساسا بناء على خواصها وليس مظهرها. إذا كان الغرويد مكون من تبعثر جزيئات صلبة ضمن طور سائل فإن الجزيئات الصلبة لن تستطيع اجتياز غشاء غير نفوذ، في حين ان الأيونات أو الجزيئات المنحلة يمكنها ذلك ضمن المحلول: أي ان ما هو منحل يمكنه الانتشار عبر الغشاء في حين ما هو مبعثر لا يمكنه ذلك.

 خواص التبعثرات الغروية

وجد توماس گراهام الكيميائي الاسكتلندي نحو عام 1860 أن مواد مثل الألبومين المأخوذ من البيض والنشاء والجلاتين والصمغ لا تنفذ في الماء إلا ببطء شديد، إذا ما قورنت مع السكر والملح. وتختلف هذه المواد بصورة رئيسية عن السكر والملح بقدرتها على النفوذ من خلال غشاء رقيق، فالسكر ينفذ خلال أنماط كثيرة من الأغشية، ولكن النشاء والألبومين والجلاتين لاتنفذ. وقد وجد غراهام، إضافة إلى ذلك، أن تلك المواد لايمكن بلورتها في حين يمكن بلورة السكر والملح من محاليلهما، ولهذا أطلق گراهامعلى هذه المحاليل اسم غروي colloid (وهي تعني صمغ باللغة اليونانية).

وقد وجد فيما بعد أنه يمكن بلورة بعض الغرويات من محاليلها بصعوبة، فليس هناك حدود واضحة فاصلة بين هذين النوعين المعلق والتبعثر الغروي. وعلى أي حال، هناك بعض الصفات التي تتميز بها الغرويات دون غيرها من المزائج:

• للمواد الغروية أوزان جزيئية عالية، ومثال ذلك خلايا الإنسان، والبروتينات كالهيموغلوبين التي لها أوزان جزيئية تقدر بالآلاف.
• دقائق الغروي كبيرة نسبياً، لذلك تبعثر الضوء المرئي عندما تبعثَر في المحِل فيبدو المحلول غائماً. وتدعى هذه الحادثة أثر تايندل Tyndall effect، ويلاحظ هذا الأثر في صباح ضبابي ورطب. ولهذا السبب، يصعب القيادة في الضباب بالليل، ولكن يخف هذا الفعل باستعمال مصابيح الضباب الصفراء، لأن طول موجة الضوء أطول من قطر الدقيقة ولهذا لا يتبعثر الضوء الأصفر في الضباب.

اكتشف روبرت براون عالم النبات الإنگليزي، باستعمال المجهر، أن الدقائق الصغيرة والمعلقة في السائل الغروي تتحرك باستمرار حركة عشوائية، وقد سميت هذه الحركة الحركة البراونية، نسبة له، وهي تنتج من اصطدامات الدقائق الغروية بجزيئات السائل المحيط، وتحول هذه الحركة دون تجمع هذه الدقائق وانفصالها عن المحلول الغروي.

إن معظم التبعثرات الغروية للصلب في سائل (أي الحلالات) sols تكون مشحونة بشحنة من نوع واحد (سالبة أو موجبة) ناتجة إما من ادمصاص (امتصاص على السطح) الأيونات أو بوجود مواقع مشحونة في الجزيئات المكوِّنة للدقائق. فهذه الشوارد المتماثلة الشحنة تتنافر بعضها مع بعض ولهذا لا تنمو إلى الوزن الذي يسمح لها بالانفصال عن محلولها. فحلالة أكسيد الحديد Fe2O3 (III) بالماء على سبيل المثال، تتثبت بفعل قوى التنافر الكهراكدي. وتتألف كل دقيقة غروية من عدد كبير من وحدات Fe2O3 المميهة. وتنجذب شوارد Fe+3 نحو مواقع موجودة على الدقيقة فتمنحها شحنة موجبة، (لا تدمص الشوارد الأخرى على السطح لأن شوارد Fe3+ تدمص انتقائياً على سطح الدقائق).

وقد درس ف. سيلمي الكيمائي الإيطالي، الغرويات اللاعضوية وبيّن أن بعض الأملاح، مثل كلوريد الفضة Ag Cl، تتجمع مثل المواد الغروية.

أما المستحلبات (جملة سائل في سائل) فمعظمها يثبَّت بإضافة مكوِّن ثالث هو عامل الاستحلاب، فالمايونيز، على سبيل المثال، هو مستحلب زيت في الماء، وهو مكون من زيت صالح للأكل، في محلول ممدد لحمض عضوي صالح للأكل، وهو يثبَّت بفعل بياض البيض، فجزيئات البروتين الموجودة في بياض البيض تقوم بدور جلدة حول القطرات المكروئية الزيتية.

 نقنية مراقبة الاستقرار الغرواني

مبدأ قياس التشتت الضوئي المتعدد المقرون بمسح رأسي

 انظر أيضاً

• رذاذ
• Bacteriophage
• Colloid-facilitated transport
• Dispersion
• Eigencolloid
• Electrical double layer (EDL)
• مستحلب
• Entropic force
• Flocculation
• رغوة
• هلام
• Gum (botany)
• Hydrosol
• Interface
• Miscibility
• Micromeritics
• Nanoparticle
• Non-Newtonian fluid
• Peptization
• حلالة
• Sol-gel
• Streaming potential
• Superplasticizer
• Suspension
• Zeta potential

 المراجع

• روبرت. آ. ألبرتي وروبرت .ج. سيلبي، الكيمياء الفيزيائية، ترجمة حسن كلاوي ويحيى البزرة وفؤاد الصالح (المركز العربي للتعريب والتأليف والترجمة والنشر، دمشق 1996).

 اقرأ أيضا

• قوة إنتروبية Entropic force

‏