الغرويات والأسطح البينية

الغرويات هي تشتتات لجسيمات يتراوح حجمها بين النانومتر والميكرومتر، وتحدد مساحتها السطحية البينية الهائلة والقوى المؤثرة عبرها ما إذا كانت ستبقى مستقرة أم تتجمع.

Definition

الغرويات هي أنظمة غير متجانسة تتشتت فيها جسيمات طور واحد، متوسطة الحجم بين الجزيئات والمادة الكتلية، في طور آخر، وتتحكم الأسطح البينية بينهما في استقرار النظام وخصائصه.

Scope

يغطي هذا الموضوع الأنظمة الغروية والأسطح البينية داخلها: تصنيف الغرويات إلى محاليل غروية (sols)، ومستحلبات (emulsions)، ورغاوي (foams)، وهلاميات (gels)، وهباءات جوية (aerosols)؛ والخصائص البصرية وخصائص النقل مثل تأثير تيندال (Tyndall effect) والحركة البراونية (Brownian motion)؛ والقوى التي تحكم الاستقرار، بما في ذلك تجاذب فان دير فالس (van der Waals attraction)، وتنافر الطبقة المزدوجة الكهروستاتيكية (electrostatic double-layer repulsion)، والتثبيت الفراغي (steric stabilization). يطور هذا الموضوع نظرية DLVO لاستقرار الغرويات، وعمليات التلبد (flocculation) والتخثر (coagulation)، ودور الجهد زيتا (zeta potential). يتم تناول التجمع الذاتي للمواد الخافضة للتوتر السطحي (surfactant self-assembly) والتركيب التفصيلي للأسطح البينية المشحونة في مواضيع شقيقة.

Core questions

• كيف تُصنف الغرويات، وما الذي يمنحها خصائصها المميزة؟
• ما هي القوى التي تؤثر بين الجسيمات الغروية عبر الوسط الفاصل؟
• كيف تفسر نظرية DLVO استقرار الغرويات وتلبدها؟
• كيف تحافظ الآليات الكهروستاتيكية والفراغية على استقرار التشتتات؟

Key concepts

• تصنيف الغرويات
• تأثير تيندال والحركة البراونية
• قوى فان دير فالس والطبقة المزدوجة
• نظرية DLVO
• التلبد، التخثر، والجهد زيتا

Key theories

نظرية DLVO

التفاعل بين الجسيمات الغروية المشحونة هو مجموع مساهمات فان دير فالس الجاذبة ومساهمات الطبقة المزدوجة الكهربائية التنافرية؛ يحدد حاجز الطاقة الناتج ما إذا كانت الجسيمات ستتجمع، وتؤدي إضافة الملح إلى خفض الحاجز عن طريق حجب التنافر.

التثبيت الفراغي والكهروستاتيكي

يتم الحفاظ على استقرار التشتتات إما عن طريق الشحنات المتماثلة على أسطح الجسيمات التي تتنافر مع بعضها البعض أو عن طريق طبقات البوليمر الممتزة التي تقاوم التداخل، وهما الآليتان الرئيسيتان المستخدمتان لمنع التجمع الغروي.

Clinical relevance

تحكم علوم الغرويات استقرار وصياغة الدهانات والأحبار والأطعمة ومستحضرات التجميل وأنظمة توصيل الأدوية، وتوضيح المياه ومياه الصرف الصحي، وسلوك الطين والتربة، والعديد من التشتتات البيولوجية، مع كون التلبد المتحكم فيه أمرًا أساسيًا للفصل والتنقية.

History

صاغ غراهام مصطلح الغروي في عام 1861، وشهد أوائل القرن العشرين إثبات أينشتاين وبيرين للواقع الجزيئي للحركة البراونية الغروية؛ وقد أعطت نظرية DLVO، التي طورها بشكل مستقل ديرجاغين ولانداو وفيروي وأوفربيك في الأربعينيات من القرن الماضي، أساسًا كميًا لاستقرار الغرويات.

Key figures

• Thomas Graham
• Boris Derjaguin
• Jan Theodoor Gerard Overbeek

Seminal works

• israelachvili2011
• adamson1997

Frequently asked questions

لماذا غالبًا ما تتسبب إضافة الملح في تكتل الغروي؟

تحجب الأيونات المذابة التنافر الكهروستاتيكي بين الجسيمات المشحونة عن طريق ضغط الطبقة المزدوجة الكهربائية؛ وبمجرد أن ينخفض حاجز التنافر بما يكفي، تسود قوى فان دير فالس الجاذبة وتتلبد الجسيمات وتترسب.

ما الذي يجعل شعاع الضوء مرئيًا عند مروره عبر غروي؟

الجسيمات الغروية كبيرة بما يكفي لتشتيت الضوء، مما ينتج عنه تأثير تيندال؛ أما المحاليل الحقيقية، التي تكون جسيمات المذاب فيها بحجم جزيئي، فتشتت الضوء بشكل ضئيل، وهي إحدى الطرق للتمييز بين الغروي والمحلول.