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Als Kolloide (von griechisch κόλλα „Leim“ und εἴδος „Form, Aussehen“; auch Sole) werden Teilchen oder Tröpfchen bezeichnet, die in einem anderen Medium (Feststoff, Gas oder Flüssigkeit), dem Dispersionsmedium, fein verteilt sind. Das einzelne Kolloid ist typischerweise zwischen 1 nm und 1 µm groß. Sind sie beweglich (etwa in einem flüssigen Dispersionsmedium), so zeigen Kolloide meist Brownsche Bewegung.
Kolloidale Suspensionen haben große Bedeutung in der Nahrungsmittel- und Kosmetikindustrie, jedoch auch in der Grundlagenforschung, insbesondere in der statistischen Physik. Der Bereich der Chemie, der sich mit Kolloiden befasst, ist die Kolloidchemie.
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Meist wird bei Kolloiden an Emulsionen oder Suspensionen von Tröpfchen oder Teilchen in einer Flüssigkeit gedacht. Grundsätzlich können jedoch sowohl die disperse Phase als auch das Dispersionsmedium ein Feststoff, eine Flüssigkeit oder ein Gas sein. Zielführender als eine starre Definition, die ohnehin nur sehr unscharf sein könnte, ist eine Auflistung von Beispielen. Bei allen folgenden Systemen handelt es sich um Kolloidsysteme:
Kolloiddispersionen in Gasen (Rauch, Nebel) nennt man auch Aerosole. Kolloidale Lösungen stehen zwischen echten Lösungen (molekulardispers) und Suspensionen (grob dispers). Ist dabei die Konzentration der dispersen Phase so hoch, dass keine bzw. nur eine sehr geringe Fließfähigkeit vorliegt, spricht man von einer Paste. Handelt es sich statt einzelner Partikel um langkettige Makromoleküle, wie zum Beispiel bei Gelee oder Leim, so bezeichnet man dies als Gel. Bilden Kolloide in einer Flüssigkeit geordnete Strukturen, spricht man von Flüssigkristallen.
Disperse Systeme mit annähernd gleicher Teilchengröße werden als monodispers oder isodispers, solche mit unterschiedlicher Teilchengröße als polydispers bezeichnet. Sind disperse Phase und Dispersionsmittel klar zu unterscheiden, handelt es sich um ein einfaches Kolloid. Bilden sie jedoch ineinander verschlungene Netzwerke, ohne eine klare Möglichkeit der Zuordnung, spricht man von Netzwerk-Kolloiden.
Die Größenordnung von Kolloiden kann sich nur auf eine Dimension beziehen, so dass man auch in der Struktur von Kolloiden differenzieren kann. Kaolinit ist ein Beispiel für ein sehr dünnplattiges Tonmineral und bildet daher auch ein kolloidales System. Dies gilt auch für faser- oder netzwerkartige Strukturen, die in zwei Raumrichtungen kolloidale Dimensionen aufweisen. Kolloide müssen daher nicht zwangsläufig aus einzelnen Partikeln bestehen. Etwas markanter ist die Untergrenze von etwa einem Nanometer, da es hier zu einem recht einheitlichen Übergang hin zu den Eigenschaften molekular-disperser Systeme kommt.
Kolloide wurden schon von der Menschheit genutzt, als man noch keinerlei Kenntnis davon hatte, worum es sich wirklich handelt. Eine intensive wissenschaftliche Auseinandersetzung mit Kolloiden ist erst in jüngster Zeit zu verzeichnen, was auch an den früher begrenzten technischen Möglichkeiten für die gezielte reproduzierbare Herstellung wohldefinierter Kolloide lag.
Bereits den Alchimisten waren Formen des kolloidalen Goldes bekannt und Pierre Joseph Macquer vermutete 1744, dass es sich hierbei um eine feine Verteilung des Goldes in einer Dispersion handeln könnte. Erste empirische Untersuchungen führte Selmi 1845 durch, 1856 folgten die Versuche Michael Faradays mit kolloidalem Gold.
Der britische Physiker Thomas Graham führte 1861 den englischen Begriff „colloid“ ein, den er von dem griechischen Wort für Leim ableitete. Er benutzte ihn, um Stoffe aufgrund ihres Diffusionsverhaltens durch poröse Membranen in „kristalloide“ und „kolloidale“ Substanzen zu unterteilen. Es stellte sich später heraus, dass Grahams Kriterien nicht sinnvoll waren. Was er als kolloidal bezeichnete, war nicht eine chemische Eigenschaft, sondern ein Zustand der feinen physikalischen Unterteilung bestimmter Proben. Seit Beginn des zwanzigsten Jahrhunderts wird der Begriff im Sinne der modernen Definition verwendet.[1]
Eine kinetische Theorie für kolloidale Systeme wurde erstmals von Marian Smoluchowski geschaffen. Die Chemie der Kolloide und ihre Eigenschaften wurden besonders von Richard Zsigmondy (Nobelpreis 1925) und seinen Mitarbeitern untersucht.
Aufgrund ihrer im Verhältnis zum Volumen vergleichsweise sehr großen Grenzflächen spielen Effekte der Oberflächenchemie für Kolloide eine besondere Rolle. Kolloide weisen zudem in der Regel den Tyndall-Effekt auf. Durch die Lichtstreuung an den Grenzflächen erscheinen selbst Dispersionen aus transparenten Phasen milchig oder trüb, es sei denn, die Brechzahlen sind genau gleich.
Folgende Wechselwirkungen können zwischen Kolloidteilchen auftreten:
Die Kolloidchemie, die die Eigenschaften kolloiddisperser Systeme untersucht, ist ein selbstständiges Gebiet innerhalb der physikalischen Chemie.
Kolloidsuspensionen sind wichtige Modellsysteme um Vorhersagen der statistischen Thermodynamik zu überprüfen oder atomare Festkörperprozesse zu simulieren.[2]
Kolloiddisperse Systeme haben durch die feine Verteilung der einen Phase in die andere im Verhältnis zu ihrem Volumen eine enorm große Grenzfläche. Dies wird überall ausgenutzt, wo Grenzflächeneffekte wichtig sind, in der Trocknungstechnik oder bei der Reaktion zweier nichtmischbarer Flüssigkeiten.
In der Bodenkunde wird das Größenspektrum der Kolloide von 1 µm auf 2 µm erweitert. Diese Einteilung beinhaltet die bodenkundlich relevante Tonfraktion, da Bodenteilchen mit einem Durchmesser bis etwa 2 μm kolloidale Eigenschaften aufweisen. Dies ist unter anderem Folge des blattförmigen Habitus von Tonteilchen. Dabei treten Eigenschaften welche aufgrund der Masse der Teilchen auftreten gegenüber den Eigenschaften die aus der großen spezifischen Oberfläche der Tonteilchen resultieren zurück.
