कोलाइड

File:SEM Image of Colloidal Particles.jpg

कोलाइड की स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप छवि।

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, 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।

टिंडल प्रभाव के कारण कुछ कोलाइड पारभासी होते हैं, जो कि कोलाइड में कणों द्वारा प्रकाश का प्रकीर्णन है। अन्य कोलाइड अपारदर्शिता (ऑप्टिक्स) हो सकते हैं या उनका रंग हल्का हो सकता है।

कोलाइडल निलंबन इंटरफ़ेस और कोलाइड विज्ञान का विषय है। अध्ययन के इस क्षेत्र को 1845 में इटली के रसायनज्ञ फ्रांसेस्को सेलमी द्वारा पेश किया गया था और स्कॉटलैंड के वैज्ञानिक थॉमस ग्राहम (रसायनज्ञ) द्वारा 1861 से आगे की जांच की गई।

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.

वर्गीकरण

कोलाइड्स को निम्नानुसार वर्गीकृत किया जा सकता है:

मध्यम/चरण		प्रकीर्णित चरण
		गैस	तरल	ठोस
फैलाव मध्यम	गैस	No such colloids are known. Helium and xenon are known to be immiscible under certain conditions.	तरल एयरोसोल उदाहरण: कोहरा, बादल, संघनन, धुंध, भाप, हेयर स्प्रे	ठोस एयरोसोल उदाहरण: धुआं, बर्फ का बादल, वायुमंडलीय कण पदार्थ
	तरल	फोम उदाहरण: व्हीप्ड क्रीम, शेविंग क्रीम	इमल्शन या लिक्विड क्रिस्टल उदाहरण: दूध, मेयोनेज़, हाथ क्रीम, लेटेक्स, जैविक झिल्ली, तरल बायोमोलेक्यूलर कंडेनसेट	सोल उदाहरण: रंजित स्याही, तलछट, अवक्षेप, ठोस जैव आणविक संघनन
	ठोस	ठोस फोम उदाहरण: एरोजेल, स्टायरोफोम, प्यूमिस	जेल उदाहरण: अगर, जिलेटिन, जेली, जेल जैसा बायोमोलेक्यूलर कंडेनसेट	ठोस सोल उदाहरण: क्रैनबेरी ग्लासs

इस आकार सीमा में फैले हुए चरण के साथ सजातीय मिश्रण को कोलाइडियल एरोसोल, कोलाइडियल इमल्शन, कोलाइडियल निलंबन, कोलाइडियल फोम, कोलाइडियल फैलाव या हाइड्रोसोल कहा जा सकता है।

• Aerogel hand.jpg

  ऐरोजेल

• Jello Cubes.jpg

  जेलो क्यूब्स

• Opaleszens Kolloid SiO2.jpg

  कोलाइडल सिलिका जेल प्रकाश के साथ ओपेलेसेंस

• Crème Chantilly.jpg

  व्हीप्ड क्रीम

• Dollop of hair gel.jpg

  हेयर जेल की एक बूंद

• 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

• Why is the sky blue.jpg

  टाइन्डल प्रभाव एक ओपल में:
  यह नीली रोशनी बिखेरता है जिससे यह किनारे से नीला दिखाई देता है, लेकिन नारंगी रोशनी चमकती है।
  ओपल एक जेल है जिसमें पानी होता है सिलिका में बिखरा हुआ क्रिस्टल

• Milk and straw.jpg

  दूध - इमल्शन तरल बटरफैट ग्लोब्यूल्स पानी में बिखरे हुए

• Mist - Ensay region3.jpg

  मिस्ट

हाइड्रोकोलोइड्स

हाइड्रोक्लोइड्स कुछ रसायनों (अधिकत्तर पॉलीसेकेराइड और प्रोटीन) का वर्णन करते हैं जो पानी में कोलाइड रूप से फैलाने योग्य होते हैं। इस प्रकार प्रभावी रूप से घुलनशील बनने से वे श्यानता और/या उत्प्रेरण जेलेशन को बढ़ाकर पानी के रिओलॉजी को बदल देते हैं। वे अन्य रसायनों के साथ अन्य संवादात्मक प्रभाव प्रदान कर सकते हैं, कुछ स्थितियों में सहक्रियात्मक अन्य विरोधी में इन विशेषताओं का उपयोग करके हाइड्रोकोलॉइड बहुत उपयोगी रसायन हैं क्योंकि फार्मास्यूटिकल्स, व्यक्तिगत देखभाल और औद्योगिक अनुप्रयोगों के माध्यम से खाद्य पदार्थों से प्रौद्योगिकी के कई क्षेत्रों में, वे स्थिरीकरण, अस्थिरता और पृथक्करण, जेलेशन, प्रवाह नियंत्रण, क्रिस्टलीकरण नियंत्रण और कई अन्य प्रभाव प्रदान कर सकते हैं। घुलनशील रूपों के उपयोग के अतिरिक्त कुछ हाइड्रोकोलोइड्स में सूखे रूप में अतिरिक्त उपयोगी कार्यक्षमता होती है यदि घुलनशीलता के बाद उन्हें पानी हटा दिया जाता है - जैसे सांस स्ट्रिप्स या सॉसेज केसिंग या वास्तव में, घाव ड्रेसिंग फाइबर के लिए फिल्मों के निर्माण में, कुछ अधिक दूसरों की तुलना में त्वचा के साथ संगत हाइड्रोकार्बन के कई अलग-अलग प्रकार हैं जिनमें से प्रत्येक संरचना, कार्य और उपयोगिता में अंतर के साथ है जो सामान्यतः रियोलॉजी के नियंत्रण और रूप और बनावट के भौतिक संशोधन में विशेष अनुप्रयोग क्षेत्रों के लिए सबसे उपयुक्त हैं। स्टार्च और कैसिइन जैसे कुछ हाइड्रोकार्बन उपयोगी खाद्य पदार्थ होने के साथ-साथ रियोलॉजी संशोधक भी हैं, अन्य में सीमित पोषक मूल्य होते हैं, जो सामान्यतः फाइबर का स्रोत प्रदान करते हैं।

हाइड्रोकोलॉइड्स शब्द भी एक प्रकार की ड्रेसिंग को संदर्भित करता है जिसे त्वचा में नमी को लॉक करने के लिए डिज़ाइन किया गया है और त्वचा की प्राकृतिक उपचार प्रक्रिया में सहायता करता है,जिससे निशान, खुजली और खराश को कम किया जा सकता है।

घटक

हाइड्रोकार्बन में कुछ प्रकार के जेल बनाने वाले एजेंट होते हैं, जैसे सोडियम कार्बोक्सिमिथाइलसेलुलोज (एनएसीएमसी) और जिलेटिन वे सामान्यतः त्वचा से 'चिपकने' के लिए किसी प्रकार के सीलेंट,अथार्त पॉलीयुरेथेन के साथ मिलाए जाते हैं।

समाधान के साथ तुलना में कोलाइड

कोलाइड में परिक्षिप्त प्रावस्था और सतत प्रावस्था होती है, जबकि विलयन (रसायन) में विलेय और विलायक केवल एक प्रावस्था बनाते हैं। एक घोल में एक विलेय व्यक्तिगत अणु या आयन होते हैं, जबकि कोलाइडल कण बड़े होते हैं। उदाहरण के लिए, पानी में नमक के घोल में सोडियम क्लोराइड (एनएसीएल) क्रिस्टल घुल जाता है, और Na⁺ और Cl⁻ आयन पानी के अणुओं से घिरे होते हैं। चूँकि दूध जैसे कोलाइड में, कोलाइडल कण अलग-अलग वसा अणुओं के अतिरिक्त वसा के ग्लोब्यूल्स होते हैं। क्योंकि कोलाइड कई चरणों वाला होता है, इसमें पूरी तरह मिश्रित, निरंतर समाधान की तुलना में बहुत भिन्न गुण होते हैं।

कणों के बीच सहभागिता

कोलॉइडी कणों की अन्योन्यक्रिया में निम्नलिखित बल महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं:

• बहिष्कृत मात्रा: यह कठोर कणों के बीच किसी भी ओवरलैप की असंभवता को संदर्भित करता है।
• 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।
• पॉलीमर से ढकी सतहों के बीच या गैर-सोखने वाले पॉलीमर वाले समाधानों में स्टेरिक प्रभाव इंटरपार्टिकल बलों को संशोधित कर सकते हैं, जिससे एक अतिरिक्त स्टेरिक प्रतिकारक बल (जो मुख्य रूप से मूल रूप से एंट्रोपिक होता है) या उनके बीच एक आकर्षक कमी बल उत्पन्न होता है।

अवसादन वेग

File:Brownian Motion.gif

350 एनएम व्यास बहुलक कोलाइडल कणों की ब्राउनियन गति।

पृथ्वी का गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र कोलाइडल कणों पर कार्य करता है। इसलिए, यदि कोलाइडल कण निलंबन के माध्यम से सघन हैं, तो वे अवसादन (नीचे की ओर गिरना) करेंगे, या यदि वे कम घने हैं, तो वे क्रीमिंग (रसायन विज्ञान) (ऊपर की ओर तैरेंगे) बड़े कणों में तलछट की प्रवृत्ति भी अधिक होती है क्योंकि उनके पास इस गति का प्रतिकार करने के लिए छोटी ब्राउनियन गति होती है।

स्टोक्स के नियम को गुरुत्वाकर्षण के साथ जोड़कर अवसादन या क्रीमिंग वेग पाया जाता है:

$m_{A}g=6\pi \eta rv$

जहाँ पर

$m_{A}g$ कोलाइडल कणों का आर्किमिडीज का सिद्धांत है,

$\eta$ निलंबन माध्यम की श्यानता है,

$r$ कोलाइडल कण की त्रिज्या है,

तथा $v$ अवसादन या क्रीमिंग वेग है।

कोलाइडल कण का द्रव्यमान निम्नलिखित का उपयोग करके पाया जाता है:

$m_{A}=V(\rho _{1}-\rho _{2})$

जहाँ पर

$V$ कोलाइडल कण का आयतन है, जिसकी गणना गोले के आयतन $V={\frac {4}{3}}\pi r^{3}$ का उपयोग करके की जाती है और कोलाइडल कण और निलंबन माध्यम के बीच द्रव्यमान घनत्व में अंतर है।

तथा $\rho _{1}-\rho _{2}$ कोलाइडल कण और निलंबन माध्यम के द्रव्यमान घनत्व में अंतर है।

पुनर्व्यवस्थित करके, अवसादन या क्रीमिंग वेग है:

$v={\frac {m_{A}g}{6\pi \eta r}}$

कोलाइडल कणों के व्यास के लिए एक ऊपरी आकार-सीमा है क्योंकि 1 माइक्रोन से बड़े कण तलछट की ओर जाते हैं, और इस प्रकार पदार्थ को कोलाइडल निलंबन नहीं माना जाएगा।

कोलाइडल कणों को अवसादन संतुलन में कहा जाता है यदि अवसादन की दर ब्राउनियन गति से गति की दर के समान होती है।

तैयारी

कोलाइड्स तैयार करने के दो प्रमुख विधि हैं:

• मिलिंग, एयरोसोल स्प्रे, या कतरनी के अनुप्रयोग (जैसे, हिलाना, मिलाना, या उच्च-कतरनी मिक्सर) द्वारा बड़े कणों या बूंदों को कोलाइडल आयामों में फैलाया जाता था।
• वर्षा (रसायन विज्ञान), संघनन, या रेडॉक्स प्रतिक्रियाओं द्वारा बड़े कोलाइडल कणों में छोटे घुले हुए अणुओं का संघनन ऐसी प्रक्रियाओं का उपयोग कोलाइडल स्टोबर प्रक्रिया या कोलाइडयन सोने की तैयारी में किया जाता है।

स्थिरीकरण

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।

एक कोलाइड स्थिर होता है यदि कोलाइडल कणों के बीच आकर्षक बलों के कारण अन्योन्यक्रिया ऊर्जा KT (ऊर्जा) से कम होती है, जहां k बोल्ट्ज़मान स्थिरांक है और T निरपेक्ष तापमान है। यदि ऐसा है तो कोलॉइडी कण एक दूसरे को प्रतिकर्षित करेंगे या केवल अशक्त रूप से आकर्षित करेंगे और पदार्थ निलंबन बना रहेगा।

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। 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। 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

स्थिर और अस्थिर कोलाइडल फैलाव के उदाहरण।

एकत्रीकरण के विपरीत स्थिरीकरण के लिए इलेक्ट्रोस्टैटिक स्थिरीकरण और स्टेरिक स्थिरीकरण दो मुख्य तंत्र हैं।

• इलेक्ट्रोस्टैटिक स्थिरीकरण समान विद्युत आवेशों के पारस्परिक प्रतिकर्षण पर आधारित है। कोलाइडल कणों का आवेश एक दोहरी परत (सतही विज्ञान) में संरचित होता है, जहाँ कण सतह पर आवेशित होते हैं, किंतु फिर कण को ​​​​चारों ओर घेरने वाले काउंटरों (विपरीत आवेश के आयनों) को आकर्षित करते हैं। जीटा क्षमता के संदर्भ में निलंबित कोलाइडल कणों के बीच इलेक्ट्रोस्टैटिक प्रतिकर्षण सबसे आसानी से निर्धारित होता है। एकत्रीकरण पर वैन डेर वाल्स आकर्षण और इलेक्ट्रोस्टैटिक प्रतिकर्षण के संयुक्त प्रभाव को डीएलवीओ सिद्धांत द्वारा मात्रात्मक रूप से वर्णित किया गया है। कोलाइड को स्थिर करने का एक सामान्य विधि पेप्टाइजेशन है, एक प्रक्रिया जहां इसे इलेक्ट्रोलाइट से मिलाया जाता है।
• स्टेरिक स्थिरीकरण में कणों पर एक बहुलक या सर्फेक्टेंट की एक परत को अवशोषित करना सम्मिलित होता है जिससे उन्हें आकर्षक बलों की सीमा में बंद होने से रोका जा सकता है । बहुलक में श्रृंखलाएँ होती हैं जो कण की सतह से जुड़ी होती हैं और श्रृंखला का वह भाग जो बाहर फैला होता है,जो निलंबन माध्यम में घुलनशील होता है। इस तकनीक का उपयोग कार्बनिक सॉल्वैंट्स सहित सभी प्रकार के सॉल्वैंट्स में कोलाइडयन कणों को स्थिर करने के लिए किया जाता है।

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

File:ComparisonStericStab-ShearThinningFluids2.png

स्टेरिक और जेल नेटवर्क स्थिरीकरण।

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, 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

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। 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।
• 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।
• गैर-अवशोषित पॉलीमर का जोड़ जिसे डेप्लेटेंट कहा जाता है जो एन्ट्रोपिक प्रभावों के कारण एकत्रीकरण का कारण बनता 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।

निगरानी स्थिरता

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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। 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 जात�