Colloïdes : Types, Propriétés et Applications

Colloïdes : Les Systèmes à Particules Dispersées

Définition et Caractéristiques

Les colloïdes sont des systèmes à particules dispersées de 1 à 100 nm, se situant entre les solutions et les suspensions. La phase dispersée est constituée de particules colloïdales ou de micelles. La phase dispersante est le milieu dans lequel les particules sont distribuées. Les différences entre les solutions, colloïdes et suspensions sont basées sur la taille des particules, le type de système, l'interface, la sédimentation et la séparation des particules.

• Solution : <1 nm, homogène, pas de sédimentation, ne peut pas être séparée par filtration.
• Colloïde : 1-100 nm, hétérogène, surface élevée, pas de sédimentation, ne peut pas être séparé par filtration.
• Suspension : >100 nm, hétérogène, surface réduite, sédimente avec le temps, séparable par filtration.

Types de Colloïdes

Les colloïdes sont classés en fonction des phases dispersée et dispersante :

• Sol : Solide dispersé dans un liquide (peinture) ou un solide (porcelaine).
• Aérosol : Solide (fumée) ou liquide (brouillard) dispersé dans un gaz.
• Émulsion : Liquide dispersé dans un liquide (mayonnaise) ou un solide (fromage).
• Mousse : Gaz dispersé dans un liquide (mousse à raser) ou un solide (pierre ponce).
• Gel : Sol liquide solidifié.

Avantages des Émulsions

Les émulsions présentent une grande puissance de pénétration et de réactivité chimique grâce à leur grande surface. Elles sont faciles à appliquer, même sur des surfaces mouillées. Exemples d'applications : peintures, laques, vernis, revêtements, routes, toits, imprégnation de tissus.

Colloïdes Hydrophiles

Les colloïdes hydrophiles sont généralement composés de molécules organiques avec de longues chaînes hydrocarbonées hydrophobes dirigées vers l'intérieur et un groupe polaire hydrophile (ex : -COO-, -OH) à l'une de leurs extrémités. Par exemple, les savons forment des micelles avec les chaînes hydrophobes à l'intérieur.

Gels

Les gels sont formés par le gonflement des particules colloïdales et la capture d'une grande partie du liquide de suspension. Ils sont classés en fonction de leurs propriétés structurelles :

• Gels rigides (ex : gel de silice) : Formés par polymérisation, ils ont une structure à haute résistance mécanique. Processus irréversible.
• Gels élastiques ou xérogels (ex : caoutchouc, cuir, gélatine) : Impliquent des forces de Van der Waals faibles, ce qui les rend réversibles.
• Gels thixotropiques : À certaines concentrations, ils présentent la propriété de se liquéfier sous agitation ou sous tension mécanique intense, et de revenir à l'état de gel au repos.

Colloïdes Hydrophobes

Les colloïdes hydrophobes ont des forces d'attraction entre les molécules différentes de celles du milieu. Ils nécessitent une stabilisation pour éviter l'agrégation. La stabilisation peut se faire par l'ajout d'un colloïde hydrophile qui forme une monocouche autour des particules hydrophobes (action nettoyante des savons) ou par adsorption d'ions.

Propriétés des Colloïdes

Les colloïdes ont une surface élevée. Les particules colloïdales ont un mouvement chaotique (mouvement brownien). Leur densité varie avec l'altitude. Les particules sont chargées électriquement.

• Dialyse : Utilisation de membranes spéciales pour séparer la phase dispersée de la phase dispersante.
• Effet Tyndall : Utilisé pour la détection des particules colloïdales dont la taille est de l'ordre de grandeur de la lumière visible, provoquant une diffraction.
• Électrophorèse : Séparation de la phase dispersée et de la phase dispersante par application d'un champ électrique.

Savons et Détergents

Les savons sont des sels de sodium ou de potassium d'acides gras obtenus par saponification de graisses animales ou d'huiles végétales. L'action détergente du savon dans le lavage consiste à recouvrir les particules de saleté d'un film de savon qui est ensuite facilement éliminé par l'eau. Inconvénients : formation de sels de calcium et de magnésium insolubles, et pH basique qui peut être nocif pour certains tissus.

Les détergents sont des produits chimiques synthétiques avec une action nettoyante similaire aux savons. Leurs molécules sont formées d'une longue chaîne hydrocarbonée, mais le groupe polaire est un sulfate (-O-SO3-) ou un sulfonate (-SO3-). Avantages : pH neutre, sels de calcium et de magnésium solubles dans l'eau. Inconvénients : eutrophisation des rivières, présence de substances non biodégradables, formation de mousse.

Coagulation et Stabilisation des Colloïdes

La charge électrique des particules colloïdales empêche leur agrégation et donc la coagulation.

• Coagulation des colloïdes hydrophobes : Ajout de petites quantités d'électrolyte.
• Coagulation des colloïdes hydrophiles : Ajout de plus grandes quantités d'électrolyte.
• Stabilisation des colloïdes hydrophiles : Élimination de l'excès d'ions par dialyse.
• Stabilisation des colloïdes hydrophobes : L'élimination totale des électrolytes absorbés par dialyse à long terme conduit à la coagulation.

Autres Méthodes de Stabilisation

• Un simple chauffage perturbe l'équilibre des forces d'attraction.
• Mélange de deux colloïdes de signes différents.
• Procédé de Cottrell pour les aérosols : Utilisation d'électrodes chargées pour décharger les micelles.