कोलाइड: Difference between revisions

[[File:SEM Image of Colloidal Particles.jpg|thumb|कोलाइड की स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप छवि।|303x303px]]'''कोलाइड''' एक ऐसा मिश्रण है जिसमें एक पदार्थ सूक्ष्मदर्शी रूप से फैले हुए विलेयता कणों से मिलकर दूसरे पदार्थ में निलंबन (रसायन विज्ञान) होता है। कुछ परिभाषाएँ निर्दिष्ट करती हैं कि कणों को एक तरल में फैलाया जाना चाहिए,<ref name=":0">{{Cite book |last=Israelachvili |first=Jacob N. |title=इंटरमॉलिक्युलर और सतही बल|date=2011 |publisher=Academic Press |isbn=978-0-08-092363-5|edition=3rd |location=Burlington, MA |oclc=706803091}}</ref> जबकि अन्य एरोसोल और जैल जैसे पदार्थों को सम्मिलित करने के लिए परिभाषा का विस्तार करते हैं। कोलाइडल निलंबन शब्द स्पष्ट रूप से समग्र मिश्रण को संदर्भित करता है (चूँकि 'सस्पेंशन (रसायन विज्ञान)' शब्द का एक संकीर्ण अर्थ बड़े कण आकार द्वारा कोलाइड्स से अलग है)। कोलाइड में परिक्षिप्त प्रावस्था (निलंबित कण) और सतत प्रावस्था (निलंबन का माध्यम) होती है। फैली हुई अवस्था के कणों का व्यास लगभग 1 नैनोमीटर से 1 माइक्रोमीटर होता है।<ref>{{Cite book|last=International Union of Pure and Applied Chemistry. Subcommittee on Polymer Terminology|url=https://www.worldcat.org/oclc/406528399|title=पॉलिमर शब्दावली और नामकरण का संग्रह: आईयूपीएसी सिफारिशें, 2008|date=2009|publisher=Royal Society of Chemistry|others=Richard G. Jones, International Union of Pure and Applied Chemistry. Commission on Macromolecular Nomenclature|isbn=978-1-84755-942-5|location=Cambridge|oclc=406528399}}</ref><ref>{{Cite journal|last=Stepto|first=Robert F. T.|date=2009-01-01|title=बहुलक विज्ञान में फैलाव (IUPAC अनुशंसाएँ 2009)|url=https://www.degruyter.com/document/doi/10.1351/PAC-REC-08-05-02/html|journal=Pure and Applied Chemistry|volume=81|issue=2|pages=351–353|doi=10.1351/PAC-REC-08-05-02|s2cid=95122531|issn=1365-3075}}</ref>

File:Aerogel hand.jpg|ऐरोजेल

File:Jello Cubes.jpg|जेलो क्यूब्स

File:Opaleszens Kolloid SiO2.jpg|कोलाइडल [[सिलिका जेल]] प्रकाश के साथ [[ओपेलेसेंस]]

File:Crème Chantilly.jpg|व्हीप्ड क्रीम

File:Dollop of hair gel.jpg|हेयर जेल की एक बूंद

File:Cream in round container.jpg|[[क्रीम]] तेल और पानी के अर्ध-ठोस इमल्शन हैं। पानी में तेल वाली क्रीम का उपयोग कॉस्मेटिक प्रयोजन के लिए किया जाता है जबकि पानी में तेल वाली क्रीम का उपयोग औषधीय प्रयोजन के लिए किया जाता है

File:Why is the sky blue.jpg|[[टाइन्डल प्रभाव]] एक [[ओपल]] में:<br>यह नीली रोशनी बिखेरता है जिससे यह किनारे से नीला दिखाई देता है, लेकिन नारंगी रोशनी चमकती है।<br>[[ओपल]] एक जेल है जिसमें पानी होता है सिलिका में बिखरा हुआ [[कोलाइडल क्रिस्टल|क्रिस्टल]]

File:Milk and straw.jpg|[[दूध]] - [[इमल्शन]] तरल [[बटरफैट]] ग्लोब्यूल्स पानी में बिखरे हुए

*कूलम्ब का नियम: कोलॉइडी कणों में अधिकांशतः विद्युत आवेश होता है और इसलिए वे एक-दूसरे को आकर्षित या प्रतिकर्षित करते हैं। निरंतर और फैली हुई दोनों अवस्थाओं का आवेश, साथ ही चरणों की गतिशीलता इस अंतःक्रिया को प्रभावित करने वाले कारक हैं।

*वैन डेर वाल्स बल: यह दो द्विध्रुवों के बीच परस्पर क्रिया के कारण होता है जो या तो स्थायी या प्रेरित होते हैं। तथापि कणों में स्थायी द्विध्रुव न हो, इलेक्ट्रॉन घनत्व के उतार-चढ़ाव एक कण में एक अस्थायी द्विध्रुव को जन्म देते हैं। यह अस्थायी द्विध्रुव पास के कणों में द्विध्रुव को प्रेरित करता है। अस्थायी द्विध्रुव और प्रेरित द्विध्रुव तब एक दूसरे की ओर आकर्षित होते हैं। इसे वैन डेर वाल्स बल के रूप में जाना जाता है, और यह सदैव उपस्थित रहता है (जब तक फैली हुई और निरंतर चरणों के अपवर्तक सूचकांकों का मिलान नहीं किया जाता है) जो की कम दूरी का होता है, और यह आकर्षक होता है।

एक कोलाइडयन प्रणाली की स्थिरता समाधान में निलंबित शेष कणों द्वारा परिभाषित की जाती है और कणों के बीच अन्योन्यक्रिया बलों पर निर्भर करती है। इनमें इलेक्ट्रोस्टैटिक इंटरैक्शन और वैन डेर वाल्स बल सम्मिलित हैं क्योंकि वे दोनों प्रणाली की समग्र थर्मोडायनामिक मुक्त ऊर्जा में योगदान करते हैं।<ref name=":1">{{Cite book|last=Everett|first=D. H.|url=https://www.worldcat.org/oclc/232632488|title=कोलाइड विज्ञान के मूल सिद्धांत|date=1988|publisher=Royal Society of Chemistry|isbn=978-1-84755-020-0|location=London|oclc=232632488}}</ref>

यदि अन्योन्यक्रिया ऊर्जा kT से अधिक है, तो आकर्षक बल प्रबल होंगे, और कोलाइडल कण आपस में टकराना प्रारंभ कर देंगे। इस प्रक्रिया को सामान्यतः कण एकत्रीकरण के रूप में संदर्भित किया जाता है, किंतु इसे फ्लोक्यूलेशन, जमावट (जल उपचार) या अवक्षेपण (रसायन विज्ञान) के रूप में भी जाना जाता है।<ref>{{Cite journal|last1=Slomkowski|first1=Stanislaw|last2=Alemán|first2=José V.|last3=Gilbert|first3=Robert G.|last4=Hess|first4=Michael|last5=Horie|first5=Kazuyuki|last6=Jones|first6=Richard G.|last7=Kubisa|first7=Przemyslaw|last8=Meisel|first8=Ingrid|last9=Mormann|first9=Werner|last10=Penczek|first10=Stanisław|last11=Stepto|first11=Robert F. T.|date=2011-09-10|title=बिखरी हुई प्रणालियों में पॉलिमर और पोलीमराइज़ेशन प्रक्रियाओं की शब्दावली (IUPAC अनुशंसाएँ 2011)|url=https://www.degruyter.com/document/doi/10.1351/PAC-REC-10-06-03/html|journal=Pure and Applied Chemistry|language=de|volume=83|issue=12|pages=2229–2259|doi=10.1351/PAC-REC-10-06-03|s2cid=96812603|issn=1365-3075}}</ref> चूँकि इन शब्दों का अधिकांशतः एक दूसरे के स्थान पर उपयोग किया जाता है, कुछ परिभाषाओं के लिए उनके अर्थ थोड़े भिन्न होते हैं। उदाहरण के लिए, जमावट का उपयोग अपरिवर्तनीय, स्थायी एकत्रीकरण का वर्णन करने के लिए किया जा सकता है, जहां कणों को एक साथ रखने वाली ताकतें सरगर्मी या मिश्रण के कारण होने वाली किसी भी बाहरी ताकत से अधिक प्रबल होती हैं। फ्लोकुलेशन का उपयोग अशक्त आकर्षक बलों से जुड़े प्रतिवर्ती एकत्रीकरण का वर्णन करने के लिए किया जा सकता है, और कुल मिलाकर सामान्यतः फ्लोक कहा जाता है। अवक्षेपण शब्द सामान्य रूप से कोलाइड फैलाव से एक ठोस (अवक्षेपण) में एक चरण परिवर्तन का वर्णन करने के लिए आरक्षित होता है, जब यह एक क्षोभ के अधीन होता है।<ref name="cosgrove2010" /> एकत्रीकरण अवसादन या क्रीमिंग का कारण बनता है, इसलिए कोलाइड अस्थिर है: यदि इनमें से कोई भी प्रक्रिया होती है तो कोलाइड अब निलंबन नहीं रहेगा।[[File:ColloidalStability.png|thumb|upright=1.4|स्थिर और अस्थिर कोलाइडल फैलाव के उदाहरण।]]एकत्रीकरण के विपरीत स्थिरीकरण के लिए इलेक्ट्रोस्टैटिक स्थिरीकरण और स्टेरिक स्थिरीकरण दो मुख्य तंत्र हैं।

दो तंत्रों का संयोजन भी संभव है (इलेक्ट्रोस्टेरिक स्थिरीकरण)।

[[File:ComparisonStericStab-ShearThinningFluids2.png|thumb|स्टेरिक और जेल नेटवर्क स्थिरीकरण।|276x276px]]जेल नेटवर्क स्थिरीकरण नामक विधि एकत्रीकरण और अवसादन दोनों के लिए स्थिर कोलाइड्स का उत्पादन करने के प्रमुख विधि का प्रतिनिधित्व करती है। विधि में कोलाइडयन निलंबन में एक बहुलक को जोड़ने में सम्मिलित होता है जो जेल नेटवर्क बनाने में सक्षम होता है। पॉलीमेरिक आव्यूह की कठोरता से कणों का जमना बाधित होता है, जहां कण फंस जाते हैं, <ref><रेफरी नाम = कोम्बा 2009 3717-3726>{{cite journal|last=Comba|first=Silvia|author2=Sethi|title=ज़ैंथन गम के कतरनी-पतले जैल का उपयोग करके लोहे के नैनोकणों के अत्यधिक केंद्रित निलंबन का स्थिरीकरण|journal=Water Research|date=August 2009|volume=43|issue=15|pages=3717–3726|doi=10.1016/j.watres.2009.05.046|pmid=19577785}}</रेफरी></ref> और लंबी बहुलक श्रृंखला बिखरे हुए कणों को स्टेरिक या इलेक्ट्रोस्टेरिक स्थिरीकरण प्रदान कर सकती है। ऐसे पदार्थों के उदाहरण ज़ैंथन गम और ग्वार गम हैं।

अस्थिरता को विभिन्न विधि से पूरा किया जा सकता है:

* इलेक्ट्रोस्टैटिक बैरियर को हटाना जो कणों के एकत्रीकरण को रोकता है। यह कणों की डिबाई लंबाई (विद्युत दोहरी परत की चौड़ाई) को कम करने के लिए निलंबन में नमक मिलाकर पूरा किया जा सकता है। यह निलंबन में कणों के सतह आवेश को प्रभावी रूप प्रभावहीन करने के लिए निलंबन के पीएच को बदलकर भी पूरा किया जाता है।<ref name=":0" /> यह प्रतिकूल बलों को हटा देता है जो कोलाइडयन कणों को अलग रखता है और वैन डेर वाल्स बलों के कारण एकत्रीकरण की अनुमति देता है। पीएच में सामान्य परिवर्तन जेटा क्षमता में महत्वपूर्ण परिवर्तन में प्रकट हो सकते हैं। जब जीटा क्षमता का परिमाण एक निश्चित सीमा से नीचे होता है, सामान्यतः लगभग ± 5mV, तेजी से जमावट या एकत्रीकरण होता है।<ref>{{Cite journal|last1=Bean|first1=Elwood L.|last2=Campbell|first2=Sylvester J.|last3=Anspach|first3=Frederick R.|last4=Ockershausen|first4=Richard W.|last5=Peterman|first5=Charles J.|date=1964|title=जमावट रासायनिक खुराक के नियंत्रण में जीटा संभावित माप [चर्चा के साथ]|url=https://www.jstor.org/stable/41264141|journal=Journal (American Water Works Association)|volume=56|issue=2|pages=214–227|doi=10.1002/j.1551-8833.1964.tb01202.x|jstor=41264141|issn=0003-150X}}</ref>

*एक आवेश पॉलीमर फ्लोकुलेंट का जोड़ पॉलिमर फ़्लोकुलैंट्स आकर्षक इलेक्ट्रोस्टैटिक इंटरैक्शन द्वारा व्यक्तिगत कोलाइडल कणों को पाट सकते हैं। उदाहरण के लिए, नकारात्मक रूप से आवेशित कोलाइडल सिलिका या मिट्टी के कणों को सकारात्मक रूप से आवेशित बहुलक के अतिरिक्त प्रवाहित किया जा सकता है।

कम मात्रा अंश के अस्थिर कोलाइडल निलंबन क्लस्टर तरल निलंबन बनाते हैं, जिसमें कणों के अलग-अलग समूह तलछट माध्यम से अधिक घने होते हैं, या क्रीम यदि वे कम घने होते हैं। चूँकि उच्च मात्रा अंश के कोलाइडल निलंबन विस्कोलेस्टिक गुणों के साथ कोलाइडयन जैल बनाते हैं। विस्कोइलास्टिक कोलाइडियल जैल, जैसे बेंटोनाइट और टूथपेस्ट, कतरनी के नीचे तरल पदार्थ की तरह बहते हैं, किंतु जब कतरनी हटा दी जाती है तो उनका आकार बनाए रखता है। यही कारण है कि टूथपेस्ट ट्यूब से टूथपेस्ट को निचोड़ा जा सकता है, किंतु इसे लगाने के बाद टूथब्रश पर रहता है।

[[File:MLS scan.gif|thumb|वर्टिकल स्कैनिंग के साथ मिलकर मल्टीपल लाइट स्कैटरिंग का मापन सिद्धांत]]किसी उत्पाद के फैलाव की स्थिति की निगरानी करने के लिए सबसे व्यापक रूप से इस्तेमाल की जाने वाली तकनीक, और अस्थिरीकरण की घटनाओं की पहचान करने और इसकी मात्रा निर्धारित करने के लिए, ऊर्ध्वाधर स्कैनिंग के साथ युग्मित कई प्रकाश प्रकीर्णन हैं।<ref>{{cite journal|doi=10.1016/S0378-5173(03)00364-8|title=सूत्रीकरण डिजाइन के लिए पानी में तेल पायस का व्यवस्थित लक्षण वर्णन|year=2003|last1=Roland|first1=I|journal=International Journal of Pharmaceutics|volume=263|pages=85–94|pmid=12954183|last2=Piel|first2=G|last3=Delattre|first3=L|last4=Evrard|first4=B|issue=1–2}}</ref><ref>{{cite journal|doi=10.1023/A:1025017502379|year=2003|last1=Lemarchand|first1=Caroline|last2=Couvreur|first2=Patrick|last3=Besnard|first3=Madeleine|last4=Costantini|first4=Dominique|last5=Gref|first5=Ruxandra|s2cid=24157992|journal=Pharmaceutical Research|volume=20|pages=1284–92|pmid=12948027|title=उपन्यास पॉलिएस्टर-पॉलीसेकेराइड नैनोपार्टिकल्स|issue=8}}</ref><ref>{{cite journal|doi=10.1016/S0927-7757(98)00680-3|title=एक नए ऑप्टिकल विश्लेषक द्वारा केंद्रित फैलाव की अस्थिरता की विशेषता: टर्बिस्कैन एमए 1000|year=1999|last1=Mengual|first1=O|journal=Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects|volume=152|issue=1–2|pages=111–123 }}</ref><ref>{{cite book|author=Bru, P. |title= कण आकार और लक्षण वर्णन|editor1=T. Provder |editor2=J. Texter |year=2004|display-authors=etal}}</ref> टर्बिडीमेट्री के रूप में जानी जाने वाली यह विधि, प्रकाश के उस अंश को मापने पर आधारित है, जो नमूने के माध्यम से भेजे जाने के बाद, कोलाइडयन कणों द्वारा बैकस्कैटर किया गया। बैकस्कैटरिंग तीव्रता औसत कण आकार और फैलाव चरण के वॉल्यूम अंश के सीधे आनुपातिक है। इसलिए अवसादन या क्रीमिंग के कारण एकाग्रता में स्थानीय परिवर्तन और एकत्रीकरण के कारण कणों के एक साथ टकराने का पता लगाया जाता है और निगरानी की जाती है।<ref>{{Cite journal|last1=Matusiak|first1=Jakub|last2=Grządka|first2=Elżbieta|date=2017-12-08|title=कोलाइडल सिस्टम की स्थिरता - स्थिरता माप विधियों की समीक्षा|url=https://journals.umcs.pl/aa/article/view/4877|journal=Annales Universitatis Mariae Curie-Sklodowska, sectio AA – Chemia|volume=72|issue=1|pages=33|doi=10.17951/aa.2017.72.1.33|issn=2083-358X|doi-access=free}}</ref> ये घटनाएं अस्थिर कोलाइड्स से जुड़ी हैं।

कोलाइडल कण के आकार का पता लगाने के लिए गतिशील प्रकाश प्रकीर्णन का उपयोग किया जा सकता है, यह मापने के लिए कि वे कितनी तेजी से फैलते हैं। इस विधि में लेजर प्रकाश को कोलाइड की ओर निर्देशित करना सम्मिलित है। प्रकिर्णित प्रकाश एक हस्तक्षेप प्रतिरूप बनाएगा और इस प्रतिरूप में प्रकाश की तीव्रता में उतार-चढ़ाव कणों की ब्राउनियन गति के कारण होता है। यदि कणों का स्पष्ट आकार एकत्रीकरण के माध्यम से एक साथ टकराने के कारण बढ़ता है, तो इसका परिणाम धीमी ब्राउनियन गति में होगा। यह तकनीक पुष्टि कर सकती है कि एकत्रीकरण हुआ है यदि स्पष्ट कण आकार कोलाइडल कणों के लिए विशिष्ट आकार सीमा से परे निर्धारित किया गया है।<ref name=":1" />

अस्थिरता की काइनेटिक प्रक्रिया अधिक लंबी हो सकती है (कुछ उत्पादों के लिए कई महीनों या वर्षों तक) और नए उत्पाद डिजाइन के लिए उचित विकास समय तक पहुंचने के लिए फॉर्म्युलेटर को और त्वरित विधि का उपयोग करने की आवश्यकता होती है। थर्मल विधियों का सबसे अधिक उपयोग किया जाता है और अस्थिरता में तेजी लाने के लिए तापमान में वृद्धि होती है (चरण विपरीत या रासायनिक गिरावट के महत्वपूर्ण तापमान के नीचे) तापमान न केवल श्यानता को प्रभावित करता है, चूँकि गैर-आयनिक सर्फेक्टेंट या अधिक सामान्यतः प्रणाली के अंदर अंतःक्रियात्मक बलों के स्थिति में इंटरफेशियल तनाव को भी प्रभावित करता है। उच्च तापमान पर फैलाव को एक उत्पाद के लिए वास्तविक जीवन स्थितियों को अनुकरण करने में सक्षम बनाता है (उदाहरण के लिए गर्मियों में एक कार में सनस्क्रीन क्रीम की ट्यूब) किंतु 200 गुना तक अस्थिरता प्रक्रियाओं को तेज करने के लिए भी कंपन सेंट्रीफ्यूगेशन और आंदोलन सहित यांत्रिक त्वरण का कभी-कभी उपयोग किया जाता है। वे उत्पाद को विभिन्न बलों के अधीन करते हैं जो कणों / बूंदों को एक दूसरे के विपरीत धकेलते हैं, इसलिए फिल्म जल निकासी में सहायता करते हैं। चूँकि कुछ इमल्शन सामान्य गुरुत्व में कभी नहीं जुड़ते हैं, जबकि वे कृत्रिम गुरुत्व के तहत होते हैं।<ref>{{cite book|url=https://books.google.com/books?id=hDOS5OfL_pQC&pg=PA89|page=89|author= Salager, J-L |title=फार्मास्यु