Všudypřítomné koloidy

Od klihu k vědnímu oboru

V titulku jsme si posloužili názvem knížky vydané v roku .... . Její autor, Jiří Baborovský (1875 – 1946), byl od roku 1912 profesorem fyzikální chemie na české technice v Brně. Toto dílo napsal populární formou a věnoval ho oblasti chemie, která zaznamenala v první polovině minulého století významný rozvoj a stala se samostatnou oblastí bádání. Dnes se koloidy studují i nadále, protože jsou opravdu všudypřítomné; setkáváme se s nimi na každém kroku aniž bychom si to uvědomovali. Někdy jsou prospěšné, jindy právě naopak. Je to velmi pestrý svět, ale než ho alespoň zčásti představíme, je na místě úvod a to jak historický, tak i odborný.

Omyl Thomase Grahama

Tento Angličan narozený roku 1805 (v Glasgowě, takže spíš Skot) se roku 1837 stal profesorem proslulé University College v Londýně, kde velmi úspěšně působil až do své smrti roku 1869. Věnoval se především anorganické chemii a stal se také jedním ze zakladatelů koloidní chemie. A právě v ní se dopustil omylu, za který ho ale nemůžeme plísnit, protože s tehdejšími technickými možnostmi se mu sotva mohl vyhnout. Během svých pokusů si totiž všiml, že při chemických reakcích, na jejichž konci se očekává, že vypadne nerozpustná sraženina a roztok nad ní bude čirý, se občas stávalo, že se sraženina neobjevila a roztok zůstal zakalený. Usoudil, a to zcela správně, že příčinou jsou asi větší částice rozptylující světlo, a zřejmě si vzpomněl na tehdy oblíbené lepidlo, klih. Jeho roztok je také kalný a skutečně má některé vlastnosti stejné, jaké vykazovaly ony kalné roztoky solí. Pak už byl jen krůček k navržení nového termínu. Kolla je totiž řecky klih.

Profesor Graham se nemýlil v tom, že příčinou zákalu jsou větší částice v roztoku, ale netušil rozdíl mezi klihem a koloidním roztokem nějaké soli – v klihu mohou za zákal jednotlivé velké molekuly, v koloidním roztoku soli to jsou shluky velkého počtu malých částic. Ovšem kalné je to v obou případech. Mylný byl také jeho názor, že se koloidní roztok dá připravit jen z některých solí. Jde to z čehokoli, ale někdy se musí použít jiné rozpouštědlo než voda, či obecně jiné prostředí. Nemusí být jen kapalné. Potud historie, v níž bychom mohli pokračovat dalšími jmény. Snad ještě dvě – složitý pohyb koloidních částic v kapalině nebo v plynu popsali matematicky nezávisle na sobě profesoři Marian Smoluchowski a Albert Einstein. Neuvěřitelně jednoduchá rovnice z roku 1905 nese dnes jejich jméno. Teď musíme uvést trochu moderní teorie.

Co je to koloid?

Už tato otázka není dnes úplně správná, hovoří se o koloidně disperzních soustavách, v nichž jsou – a teď co? Nejčastěji máme tendenci říci koloidní částice, což je sice pravda, ale žádá si komentář. Předešleme, že budeme po upozornění na terminologii psát dál pro jednoduchost o koloidech či koloidních soustavách s vědomím toho, že název je delší. Podstatnější je, co tedy máme v naznačených soustavách hledat? Odpověď zní, že buď částice, jejichž rozměr je alespoň v jednom směru v rozmezí 0,000 001 až 0,000 1 mm, nebo dutiny těchto rozměrů. Jinými slovy, bublinky plynu v kapalině, dokud jsou tak malé, jsou koloidní soustavou. To, co posléze vidíme na hladině piva, nese odborný název hrubá pěna. Pokud jde o částice, mají-li mít alespoň jeden rozměr jak je vymezen, znamená to, že může jít o vlákna, destičky a konečně o kuličky, což bývá uváděno jako nejčastější tvar.

Jak vzniká koloidní soustava? Napovídá to jedno slovo z jejího odborného názvu, totiž „disperzní“. Dispergovat znamená rozmělňovat. Když se nám podaří něco rozemlít na tak jemné mletí, můžeme připravit koloidní systém. Nebo naopak můžeme nechat částice narůstat. To se stalo profesoru Grahamovi (a mnoha jiným před ním, ale ti se tomu nevěnovali), když se při chemické reakci začaly reagující částice shlukovat, ale proces se zastavil moc brzy. Vznikly příliš malé částice, než aby klesly na dno, ale dost velké na to, aby byl roztok zakalený. Ovšem koloidní částice mohou být v plynném, kapalném nebo tuhém prostředí. V následujících příkladech naznačíme, jednak že je to možné, jednak, že to bývá neobyčejně významné.

Vzduch a s ním spjaté koloidní systémy

Už teď se naše líčení rozdvojuje, protože vzduch jako bublinka může být koloidní částicí, ale stejně tak mohou být rozptýleny ve vzduchu tuhé nebo kapalné koloidní částice. Začněme touto možností, protože bychom sotva hledali lepší příklad všudypřítomnosti koloidních soustav. Vyjdeme-li ve městě, zvlášť pak v průmyslovém, na ulici za nepříznivého počasí, špatně se nám dýchá. V mediích se pak upozorňuje na smog, což je ale prostě koloidní soustava, kdy jsou ve vzduchu tuhé částečky, obvykle prach, popílek a jemné saze, a současně kapalné, drobné kapičky vody, v níž jsou rozpuštěny například plyny vznikající v automobilových motorech nebo spalováním uhlí. Moc si nevybereme, protože první z nich jsou obvykle velmi zředěnou kyselinou dusičnou, druhé pak, rovněž zředěnou, kyselinou siřičitou. Navíc můžeme vdechovat také kapičky kapalných uhlovodíků vznikajících při spalování. Zatímco media varují před smogem, pro odborníky je to aerosol. Nám je to vcelku jedno, protože to dráždí plíce pod oběma názvy.

Když je ve vzduchu jen prach, hospodyňky znají tento aerosol, protože je zvlášť nápadný při pohledu ze strany ve slunečních paprscích jako zářící světlé body. Nevíme, zda Angličan John Tyndall (1820 – 1893), profesor fyziky, doma uklízel, ale v každém případě tuto podívanou popsal, takže se dnes jmenuje Tyndallův jev. Na koloidních částicích se dopadající světlo rozptyluje. Později Rakušan maďarského jména, profesor Richard Zsigmondy (1865 – 1929) sestrojil na tomto principu mikroskop, kterým se dají pozorovat koloidní částice. Jsou totiž příliš malé, než aby se daly vidět v nejsilnějších běžných optických mikroskopech. Teď ještě pár drobností. Prachové částice mají tendenci pohybovat se proti směru dopadajícího slunečního paprsku, což by tolik nevadilo, ale velmi snadno se usazují na všech možných površích. Někdy tam drží překvapivě pevně.

S částicemi prachu to není zdaleka jednoduché. Když jsou ve vzduchu, pak díváme-li se na ně ze strany, jsou modravé. To je důvod, proč nám při tomto směru pohledu připadá takový také cigaretový kouř. Ale při pohledu proti paprsku vidíme červenou barvu. To jsou červánky na nebi, kdy k nám sluneční paprsky procházejí dlouhou dráhou prachem vznášejícím se ve vzduchu. Tím to nekončí. Tohle rozptýlené světlo slábne, přičemž to modré na mnohem kratší vzdálenosti, než červené. Jinými slovy, červené vidíme na větší dálku. To je důvod, proč jsou varovná signální světla červená; ona i mlha je aerosol. Na druhé straně automobily jezdily za války v noci s reflektory zakrytými modrým průsvitným papírem. Jejich modré světlo bylo špatně vidět shora, kde byla doména nočních stíhačů. Pravda, řidiči moc neviděli na cestu, ale raději hůř vidět, než být terčem.

Zůstaňme ještě ve vzduchu. Co se v něm děje, když je vlhký? Začínají se objevovat mikroskopické kapičky vody, právě koloidních rozměrů. Postupně narůstají až přesáhnou tuto velikost, stanou se hrubou disperzí a změní se v déšť. Když zmrznou, je to sníh, někdy kroupy. Mraky se dnes zkoumají velmi intenzívně, a to z více hledisek. Nejde jen o jejich vznik, ale o složité pohyby vzduchu, kdy se občas objeví tornádo, už i u nás. Neméně zajímavé, a stále neúplně prozkoumané je to, že se tyto kapičky nabíjejí elektřinou. Výsledkem je blesk. To je obrovský elektrický výboj, který může napáchat hodně škody. U tohoto dramatického jevu není pořád všechno vysvětleno.

Elektřina bývá nebezpečná. Znají to výrobci sušených práškových potravin, přičemž tyto výrobky mívají rozměry částic v nejlepším případě na horní hranici koloidních rozměrů. Obvykle jsou větší, ale zkoumají se v rámci koloidní chemie. Na kolik různých potravin v prášku si vzpomeneme? Káva, puding, prášek do pečiva, ... Při výrobě se prášek pohybuje v továrně potrubími, a má tendenci elektricky se nabíjet. Jde o tak zvanou statickou elektřinu. Před mnoha lety došlo v americké potravinářské továrně k dramatickému výbuchu – v potrubí explodoval práškový špenát. Získal příliš velký elektrický náboj, proskočil blesk, malý, ne jako na obloze, ale stačil k tomu, aby přivedl směs špenátu a vzduchu k výbuchu. Úsměvné, ale nebezpečné. Dnes už si výrobci takových potravin dávají pozor.

Pěna

Na začátku předchozího odstavce jsme ponechali vzduch jako nosič koloidních částic. Teď ho naopak učiňme částicí. Již jsme říkali, že je to pěna, ale má tak malé bublinky, že je prakticky neuvidíme. Ty vznikají okamžitě, když například otevřeme láhev piva. Ale pěna je nejméně stálá koloidní soustava, bublinky nesmírně rychle narůstají, stoupají k hladině, kde postupně praskají. Tam už je vidíme, ale to je hrubá pěna. Je také zajímavá. Když necháte stát pivo ve sklenici, bublinky na hladině postupně mizí a nejdéle vydrží ty u stěn. Dodnes není spolehlivě vysvětleno proč.

Hrubé pěny zajímají vědce i firmy. Co dělat, aby mýdlo tvořilo bohatou a stálou pěnu? Tady se koloidní chemie setkává s dalšími oblastmi, do nichž se nepustíme. Pěna má význam i jinde, třeba v umělých hmotách, které bývají pěnové. To znamená, že se musí dosáhnout toho, aby jakási pěna vydržela tak dlouho, než vznikne daná umělá hmota. Je pořád co zkoumat.

Ale nechejme výzkumníky bádat a věnujme se na závěr jedné zvláštní historii, kde pěnění bylo měřítkem kvality. Či přesněji poctivosti. V první polovině minulého století zavedli v USA prohibici, což, jak se ukázalo, byl nejlepší způsob jak zvýšit kriminalitu, přičemž se spotřeba alkoholu prakticky nezměnila. Tvrdý alkohol se prostě začal do země pašovat, což byl roh hojnosti pro různé gangy, ale bohužel se z tohoto rohu kromě nezdaněných dolarů sypala také mrtvá lidská těla. Ostatně tento motiv se objevuje v proslulé komedii„Někdo to rád horké“, kde hned na začátku přichází závan této reality.

Destilát, který se pašoval, byla v Americe samozřejmě whisky. Někteří podnikavci nahlédli, že by se jejich výdělky mohly zvýšit, kdyby tento nápoj prostě jen napodobili. K tomu naředili čistý líh vodou, obarvili na hnědo karamelem, a přidali jen něco málo pravé whisky, aby byla aspoň trochu cítit nezbytná kouřová příchuť. Podvody se začaly rozmáhat, když se najednou ukázalo, že se dají snadno odhalit. Stačí takový nápoj protřepat, aby se vytvořila pěna. Jestliže pěna velmi rychle zmizí, je to napodobenina, pokud se udrží déle, dá se soudit na pravý nápoj. Výsledkem bylo, že se překupníci záhy vybavili úzkými zkumavkami, v nichž se dal nápoj snadno protřepat.

Až o desítky let později, v sedmdesátých letech, se tomu věnovali odborníci, kteří jen potvrdili praktické pozorování, ovšem navíc ho vysvětlili. Pěna je totiž soustava, která je velmi nestálá. Pokud se ale do kapaliny přidají vhodné látky, prodlouží se její životnost, což je například u mýdla. Ukazuje se, že během zrání v sudech přecházejí z jejich stěn do whisky složité organické sloučeniny, které slouží jako tzv. stabilizátory pěny. Prodlužují její životnost. Takže pozorování učiněné za prohibice bylo úplně správné. Potud několik obrázků ze světa koloidů, kde je důležitý vzduch. Příště se, obrazně řečeno, ponoříme do vody.

V.K. 17.4.2015
Reklama