Kolloide einfach erklärt: Grundlagen, Eigenschaften und Dispersionen

1. Was ist ein Kolloid?

Der Begriff Kolloid bezeichnet keine bestimmte chemische Substanz, sondern einen besonderen Zustand, in dem sehr kleine Teilchen beziehungsweise Strukturen in einem anderen Stoff fein verteilt vorliegen. Solche Systeme begegnen uns in der Natur ebenso wie im Alltag, in technischen Anwendungen und in der Forschung.

Ein kolloidales System besteht grundsätzlich aus einer dispersen Phase und einem Dispersionsmedium. Die disperse Phase umfasst die fein verteilten Einheiten, während das Dispersionsmedium die zusammenhängende Phase bildet, in der sie verteilt sind.

Als kolloidalen Größenbereich bezeichnet man häufig Abmessungen von ungefähr 1 Nanometer bis 1 Mikrometer (1.000 Nanometer). Die Übergänge sind allerdings nicht scharf und können je nach Fachgebiet und System unterschiedlich betrachtet werden.

Für das grundlegende Verständnis ist deshalb vor allem eines wichtig:

Sehr unterschiedliche Stoffe können somit kolloidale Systeme bilden. Welche Formen dabei entstehen können, betrachten wir im nächsten Kapitel.

2. Welche Arten von Kolloiden gibt es?

Kolloide können sehr unterschiedlich aufgebaut sein. Entscheidend ist, welcher Stoff fein verteilt vorliegt und welches Medium die kontinuierliche Phase bildet. Daraus ergeben sich verschiedene Arten disperser Systeme.

Sol – feste Teilchen in einer Flüssigkeit

Ein häufiges Beispiel für ein Sol ist ein System, bei dem sehr kleine feste Teilchen in einer Flüssigkeit verteilt sind. Beispiele sind fein verteilte Metallpartikel in Wasser. Auch viele Pigmente oder mineralische Partikel können solche Dispersionen bilden.

Für unseren weiteren Ratgeber ist diese Form besonders wichtig, da sich hieran viele grundlegende Eigenschaften kolloidaler Dispersionen erklären lassen.

Emulsion – Flüssigkeit in Flüssigkeit

Bei einer Emulsion sind kleine Tröpfchen einer Flüssigkeit in einer anderen Flüssigkeit verteilt. Voraussetzung dafür ist, dass sich beide Flüssigkeiten nicht vollständig miteinander mischen.

Das bekannteste Alltagsbeispiel ist Milch: Kleine Fetttröpfchen sind in einer überwiegend wässrigen Phase verteilt. Auch Cremes und zahlreiche kosmetische Produkte beruhen auf Emulsionen.

Aerosol – Teilchen oder Tröpfchen in einem Gas

Auch Gase können als kontinuierliche Phase dienen. Sind darin feste Teilchen oder Flüssigkeitströpfchen fein verteilt, entsteht ein Aerosol. Rauch und Nebel sind anschauliche Beispiele dafür.

Schaum und Gel

Bei einem Schaum ist Gas in einer Flüssigkeit oder einem Feststoff verteilt. Bei einem Gel bildet ein kolloidales oder polymeres Netzwerk eine zusammenhängende Struktur, die von einer Flüssigkeit beziehungsweise einem Fluid durchdrungen ist.

So unterschiedlich diese Systeme erscheinen: Das gemeinsame Grundprinzip besteht darin, dass eine Phase fein in einer anderen verteilt ist.

3. Lösung, Kolloid und Suspension – wo liegt der Unterschied?

Eine echte Lösung, eine kolloidale Dispersion und eine Suspension können auf den ersten Blick ähnlich aussehen. Der entscheidende Unterschied liegt darin, in welcher Form und Größenordnung ein Stoff verteilt ist.

Echte Lösung

Bei einer echten Lösung liegt ein Stoff auf molekularer oder ionischer Ebene im Lösungsmittel verteilt vor. Kochsalz in Wasser ist ein klassisches Beispiel: Beim Lösen entstehen Natrium- und Chlorid-Ionen. Es befinden sich anschließend keine kleinen Salzkristalle in der Flüssigkeit.

Kolloidale Dispersion

Bei einer kolloidalen Dispersion sind größere Einheiten in einer kontinuierlichen Phase verteilt. Typischerweise bewegen sich ihre Abmessungen im Bereich von etwa 1 Nanometer bis 1 Mikrometer. Die Übergänge zu anderen dispersen Systemen sind jedoch fließend.

Suspension

Bei einer Suspension sind feste Partikel in einer Flüssigkeit verteilt. Bei gröberen Suspensionen sind die Partikel typischerweise größer als bei kolloidalen Dispersionen. Dadurch kann die Schwerkraft stärker ins Gewicht fallen und die Partikel können sich mit der Zeit am Boden absetzen.

Ein anschauliches Beispiel ist Sand in Wasser. Vereinfacht lässt sich die Abstufung so darstellen:

molekular oder ionisch gelöst → kolloidal fein verteilt → gröber dispergiert.

Diese Einteilung dient der Orientierung. In realen Systemen sind die Übergänge nicht immer eindeutig.

4. Welche besonderen Eigenschaften haben Kolloide?

Die geringen Abmessungen kolloidaler Teilchen führen zu Eigenschaften, die sich von denen einer echten Lösung oder einer groben Suspension unterscheiden.

Brownsche Bewegung

Kolloidale Teilchen befinden sich in Flüssigkeiten in ständiger Bewegung. Sie werden fortwährend von den Molekülen des umgebenden Mediums getroffen und dadurch unregelmäßig bewegt. Dieses Phänomen wird als Brownsche Bewegung bezeichnet

Bei sehr kleinen Teilchen gewinnt diese Bewegung gegenüber dem Einfluss der Schwerkraft an Bedeutung und trägt dazu bei, ihr Bewegungs- und Sedimentationsverhalten zu bestimmen.

Lichtstreuung und Tyndall-Effekt

Kolloidale Teilchen können einfallendes Licht streuen. Unter geeigneten Bedingungen wird dadurch der Weg eines Lichtstrahls durch die Dispersion sichtbar. Dieses Phänomen ist als Tyndall-Effekt bekannt.

Wie stark Licht gestreut wird, hängt unter anderem von der Größe und Konzentration der Teilchen sowie von ihren optischen Eigenschaften und denen des umgebenden Mediums ab.

Große Oberfläche auf kleinem Raum

Je kleiner Teilchen werden, desto größer wird ihre Oberfläche im Verhältnis zu ihrem Volumen. Bei kolloidalen Teilchen ist diese spezifische Oberfläche daher vergleichsweise groß.

Dadurch gewinnen Vorgänge an den Grenzflächen zwischen Teilchen und Dispersionsmedium besondere Bedeutung. Welche Kräfte und Wechselwirkungen dabei eine Rolle spielen, betrachten wir im folgenden Kapitel.

5. Was bestimmt die Stabilität einer kolloidalen Dispersion?

Eine kolloidale Dispersion ist nicht automatisch dauerhaft stabil. Die fein verteilten Teilchen können miteinander wechselwirken, sich annähern und unter bestimmten Bedingungen zusammenlagern.

Anziehung und Abstoßung

Zwischen kolloidalen Teilchen wirken unterschiedliche Kräfte. Einige fördern ihre Annäherung, andere wirken ihr entgegen. Solange ausreichende abstoßende Wechselwirkungen vorhanden sind, können die Teilchen voneinander getrennt bleiben.

Verändert sich dieses Gleichgewicht, können sich Teilchen zu größeren Einheiten zusammenschließen. Man spricht dabei je nach Vorgang beispielsweise von Aggregation oder Flockung.

Oberflächenladung und Zeta-Potential

Viele kolloidale Teilchen tragen in einer Flüssigkeit eine elektrische Oberflächenladung. In ihrer Umgebung bildet sich dadurch eine Verteilung entgegengesetzt geladener Ionen.

Eine wichtige Kenngröße in diesem Zusammenhang ist das Zeta-Potential. Das Zeta-Potential beschreibt vereinfacht das elektrische Potential an der Grenzfläche zwischen dem mitbewegten Bereich um ein Teilchen und der umgebenden Flüssigkeit.

Ein Zeta-Potential mit großem Betrag – also deutlich positiv oder negativ – kann unter geeigneten Bedingungen auf eine stärkere elektrostatische Abstoßung hindeuten. Es ist jedoch kein alleiniger Maßstab für die Stabilität eines kolloidalen Systems.

Viele Faktoren wirken zusammen

Die Stabilität kann unter anderem beeinflusst werden durch:

• Oberflächeneigenschaften der Teilchen,
• pH-Wert,
• Art und Konzentration gelöster Ionen,
• Zusammensetzung des Dispersionsmediums,
• Temperatur.

Die Stabilität eines Kolloids lässt sich deshalb nicht anhand eines einzelnen Wertes beurteilen.

6. Wie entstehen kolloidale Dispersionen?

Damit eine kolloidale Dispersion entsteht, müssen Teilchen in kolloidaler Größenordnung gebildet und in einem geeigneten Medium verteilt werden. Grundsätzlich lassen sich zwei Wege unterscheiden: Dispersion und Kondensation.

Dispersion – vom Großen zum Kleinen

Bei einem Dispersionsverfahren werden größere Strukturen beziehungsweise Partikel zerkleinert und verteilt, sodass kleinere Einheiten entstehen.

Das Grundprinzip lässt sich als „Top-down“-Verfahren beschreiben.

Kondensation – vom Kleinen zum Großen

Der umgekehrte Weg ist die Kondensation. Hier entstehen kolloidale Teilchen aus kleineren Einheiten wie Atomen, Molekülen oder Ionen.

Dieses Prinzip wird häufig als „Bottom-up“-Verfahren bezeichnet. Das Wachstum muss dabei so gesteuert werden, dass nicht unerwünscht größere Strukturen oder ein Niederschlag entstehen.

Für beide Grundprinzipien existieren unterschiedliche mechanische, chemische und elektrische Verfahren.

7. Was sind metallische kolloidale Dispersionen?

Bei einer metallischen kolloidalen Dispersion befinden sich sehr kleine Metallpartikel in einem Dispersionsmedium – häufig Wasser. Die disperse Phase besteht in diesem Fall aus einem Metall.

Bekannte Beispiele sind Dispersionen von Silber, Gold oder Kupfer. Je nach Metall, Herstellungsverfahren und Bedingungen können sich Teilchengröße, Konzentration, Farbe und Stabilität unterscheiden.

Metallpartikel sind nicht dasselbe wie Metallionen

Für das Verständnis metallischer Dispersionen ist eine Unterscheidung besonders wichtig: Ein Metallpartikel und ein gelöstes Metallion sind chemisch nicht dasselbe.

Ein kolloidales Metallpartikel besteht aus einer Vielzahl von Metallatomen und bildet eine eigene feste Phase innerhalb der Flüssigkeit. Metallionen liegen dagegen elektrisch geladen und gelöst vor.

In einem realen System können beide Formen gleichzeitig vorkommen. Die Angabe des enthaltenen Metalls sagt deshalb noch nicht aus, in welcher Form es tatsächlich vorliegt.

Herstellung durch Elektrolyse

Eine Möglichkeit zur Herstellung metallhaltiger Dispersionen sind elektrochemische Verfahren. Dabei werden Metallelektroden in ein geeignetes Medium eingebracht und eine elektrische Spannung beziehungsweise ein Strom angelegt.

An den Elektroden laufen elektrochemische Reaktionen ab. Dabei können Metallatome oxidiert und als Ionen in die Flüssigkeit überführt werden. Abhängig von Metall und Prozessbedingungen können anschließend auch metallische Partikel entstehen.

Das Ergebnis kann unter anderem beeinflusst werden durch:

• Elektrodenmaterial,
• Eigenschaften und Reinheit des verwendeten Wassers,
• Stromstärke und Spannung,
• Temperatur,
• Prozessdauer.

Das Ergebnis kann unter anderem beeinflusst werden durch:

8. Warum sind Teilchengröße und Teilchengrößenverteilung wichtig?

Bei kolloidalen Dispersionen reicht es nicht aus zu wissen, welcher Stoff enthalten ist. Ebenso wichtig ist die Frage, wie groß die vorhandenen Partikel sind.

Die Teilchengröße kann beispielsweise die optischen Eigenschaften, das Oberflächen-Volumen-Verhältnis und das Verhalten einer Dispersion beeinflussen.

Nicht alle Teilchen sind gleich groß

Eine reale kolloidale Dispersion besteht normalerweise nicht ausschließlich aus Partikeln exakt derselben Größe. Stattdessen liegt eine Teilchengrößenverteilung vor.

Ein einzelner Durchschnittswert kann deshalb nicht zeigen, wie breit diese Verteilung ist oder ob zusätzlich deutlich größere beziehungsweise kleinere Partikel vorhanden sind.

Kleine Partikel besitzen relativ viel Oberfläche

Mit abnehmender Teilchengröße steigt die Oberfläche im Verhältnis zum Volumen. Dadurch können Oberflächen- und Grenzflächenprozesse bei sehr kleinen Partikeln einen besonders großen Einfluss auf das Verhalten des Systems haben.

Wann spricht man von „Nano“?

Als nanoskalig wird üblicherweise der Größenbereich von etwa 1 bis 100 Nanometern bezeichnet. Für die rechtliche Einordnung eines Materials als „Nanomaterial“ gelten jedoch genauere Definitionen und Kriterien.

Deshalb sollte die Bezeichnung „Nano“ nicht isoliert betrachtet werden. Tatsächlich gemessene Partikelgrößen und ihre Verteilung sind für die Charakterisierung wesentlich aussagekräftiger.

9. Was bedeutet die Konzentrationsangabe ppm?

Neben der Teilchengröße gehört die Konzentration zu den wichtigsten Angaben bei kolloidalen Dispersionen. Häufig wird sie in ppm angegeben. Die Abkürzung steht für „parts per million“.

ppm beschreibt einen Anteil von einem Millionstel. Entscheidend ist dabei, auf welche Größe sich dieses Verhältnis bezieht. Bei einem Massenanteil entsprechen beispielsweise 25 ppm einem Anteil von 25 mg/kg.

ppm und mg/l – ist das dasselbe?

Bei verdünnten wässrigen Systemen wird ppm häufig näherungsweise mit Milligramm pro Liter (mg/l) gleichgesetzt. Der Grund dafür ist die Dichte von Wasser von ungefähr 1 kg/l.

Streng genommen handelt es sich jedoch um unterschiedliche Größen: Ein Massenanteil beschreibt das Verhältnis von Massen, während mg/l eine Massenkonzentration bezeichnet.

ppm sagt nichts über die Partikelgröße aus

Ein besonders wichtiger Punkt: Die ppm-Angabe beschreibt nicht die Größe der vorhandenen Partikel.

Zwei Dispersionen können dieselbe Konzentration besitzen und trotzdem unterschiedliche Teilchengrößen und Größenverteilungen aufweisen. Ebenso lässt sich aus einem ppm-Wert allein nicht ableiten, welcher Anteil eines Metalls partikulär und welcher gegebenenfalls in gelöster ionischer Form vorliegt.

Die Konzentration ist deshalb nur eine von mehreren Kenngrößen einer kolloidalen Dispersion.

10. Wie lassen sich kolloidale Dispersionen untersuchen?

Eine kolloidale Dispersion lässt sich nicht allein anhand ihres Aussehens zuverlässig beurteilen. Um ihre Eigenschaften genauer zu bestimmen, stehen verschiedene analytische Messverfahren zur Verfügung.

Konzentration bestimmen

Bei metallhaltigen Dispersionen kann untersucht werden, wie viel eines bestimmten Elements insgesamt vorhanden ist. Hierfür kommen empfindliche elementanalytische Verfahren wie die ICP-MS (Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma) zum Einsatz.

Eine solche Messung sagt für sich genommen jedoch noch nicht aus, wie groß vorhandene Partikel sind oder in welcher Form das Element vorliegt.

Partikelgröße untersuchen

Für die Bestimmung von Partikelgrößen stehen andere Verfahren zur Verfügung.

Ein Beispiel ist die dynamische Lichtstreuung (DLS). Dabei wird die Brownsche Bewegung der Partikel über zeitliche Schwankungen des gestreuten Lichts erfasst. Daraus lässt sich unter bestimmten Annahmen eine hydrodynamische Partikelgröße ableiten.

Auch mikroskopische Verfahren können eingesetzt werden, um sehr kleine Partikel abzubilden und Informationen über Größe und Form zu gewinnen.

Partikel und gelöste Ionen unterscheiden

Bei metallischen Dispersionen kann zusätzlich die Frage interessant sein, welcher Anteil eines Elements partikulär und welcher gelöst vorliegt.

Ein Beispiel für ein spezialisiertes Verfahren ist die Single-Particle-ICP-MS (spICP-MS). Unter geeigneten Bedingungen können damit einzelne metallhaltige Partikel erfasst und beispielsweise Informationen über Partikelgröße, Größenverteilung und Partikelanzahlkonzentration gewonnen werden.

Keine einzelne Messmethode beschreibt sämtliche Eigenschaften einer Dispersion. Unterschiedliche Verfahren beantworten unterschiedliche Fragen und ergänzen sich deshalb.

11. Welche Merkmale beschreiben eine kolloidale Dispersion?

Bei kolloidalen Dispersionen begegnet man häufig einzelnen Angaben wie ppm-Wert, Partikelgröße oder Reinheit. Für sich allein reicht jedoch keine dieser Größen aus, um eine Dispersion umfassend zu charakterisieren.

Zu den relevanten Merkmalen können beispielsweise gehören:

• Konzentration,
• Partikelgröße,
• Teilchengrößenverteilung,
• partikuläre und gelöste Anteile,
• Stabilität,
• Zusammensetzung und Reinheit der Ausgangsstoffe.

Messwerte müssen richtig eingeordnet werden

Ein höherer ppm-Wert bedeutet weder automatisch größere noch kleinere Partikel. Ebenso liefert ein einzelner Wert für die Partikelgröße keine vollständige Beschreibung der Größenverteilung.

Auch die verwendete Messmethode ist wichtig. Unterschiedliche Verfahren erfassen unterschiedliche Eigenschaften eines Systems und ihre Ergebnisse sind nicht in jedem Fall unmittelbar miteinander vergleichbar.

Statt eine kolloidale Dispersion anhand einer einzelnen Zahl zu beurteilen, ist deshalb eine nachvollziehbare Charakterisierung mehrerer relevanter Eigenschaften wesentlich aussagekräftiger.

12. Können sich kolloidale Dispersionen mit der Zeit verändern?

Kolloidale Dispersionen sind keine vollkommen statischen Systeme. Auch nach ihrer Herstellung können sich ihre Eigenschaften verändern.

Teilchen können sich beispielsweise zusammenlagern oder sedimentieren. Beide Vorgänge sind jedoch nicht gleichbedeutend: Eine sichtbare Ablagerung bedeutet nicht automatisch, dass sämtliche Partikel dauerhaft miteinander verbunden sind.

Einfluss der Umgebungsbedingungen

Je nach System können Veränderungen unter anderem beeinflusst werden durch:

• Temperatur,
• Licht,
• pH-Wert,
• Zusammensetzung des Dispersionsmediums,
• vorhandene gelöste Stoffe.

Bei metallischen Partikeln können zusätzlich chemische Veränderungen an der Partikeloberfläche auftreten. Welche Prozesse tatsächlich stattfinden, hängt stark vom jeweiligen Metall und den Bedingungen innerhalb der Dispersion ab.

Warum Lagerbedingungen eine Rolle spielen

Da kolloidale Systeme auf ihre Umgebung reagieren können, sind geeignete und möglichst konstante Lagerbedingungen wichtig. Welche Bedingungen erforderlich sind, lässt sich jedoch nicht pauschal für alle Kolloide festlegen.

Veränderungen von Farbe, Trübung oder Sedimentation können Hinweise auf Vorgänge innerhalb einer Dispersion geben. Für eine zuverlässige Beurteilung sind jedoch analytische Untersuchungen erforderlich.

13. Kolloidale Dispersionen richtig einordnen

Kolloidale Systeme sind vielfältiger, als der Begriff „Kolloid“ zunächst vermuten lässt. Sie begegnen uns in Natur, Alltag, Forschung und Technik und können aus sehr unterschiedlichen Stoffen und Phasen bestehen.

Gerade bei metallischen kolloidalen Dispersionen zeigt sich, dass einzelne Angaben nur einen Teil des Gesamtbildes beschreiben. Konzentration, Partikelgröße, Teilchengrößenverteilung, Stabilität und chemische Zusammensetzung beantworten jeweils unterschiedliche Fragen.

Ein hoher ppm-Wert sagt beispielsweise nichts darüber aus, wie groß die vorhandenen Partikel sind. Ebenso kann eine einzelne Angabe zur Partikelgröße nicht die gesamte Größenverteilung oder die langfristige Stabilität einer Dispersion beschreiben.

Wer kolloidale Dispersionen vergleichen oder beurteilen möchte, sollte deshalb darauf achten, welche Eigenschaften tatsächlich untersucht wurden und mit welchen Methoden die angegebenen Werte bestimmt wurden.

Genau darin liegt eine der wichtigsten Erkenntnisse der Kolloidchemie: Die Eigenschaften eines kolloidalen Systems entstehen aus dem Zusammenspiel von Teilchen, Oberfläche, Dispersionsmedium und den Bedingungen, unter denen das System hergestellt, untersucht und gelagert wird.

Wer diese Zusammenhänge kennt, kann Begriffe wie „kolloidal“, „ionisch“, „ppm“, „Partikelgröße“ oder „Stabilität“ wesentlich besser einordnen – und Aussagen über kolloidale Dispersionen differenzierter beurteilen.

14. Fachliche Quellen und weiterführende Literatur

Die fachlichen Grundlagen dieses Ratgebers wurden unter anderem anhand folgender Quellen geprüft:

• International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC): Compendium of Chemical Terminology (Gold Book) – Definitionen und Terminologie zu Kolloiden, kolloidalen Dispersionen, Solen, Brownscher Bewegung, Zeta-Potential und kolloidaler Stabilität.
• International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC): Manual of Symbols and Terminology for Physicochemical Quantities and Units – Appendix II: Definitions, Terminology and Symbols in Colloid and Surface Chemistry. Pure and Applied Chemistry, 1972, 31, 577–638.
• International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC): Definitions of terms relating to the structure and processing of sols, gels, networks, and inorganic-organic hybrid materials. Pure and Applied Chemistry, 2007, 79, 1801–1829.
• European Commission: Commission Recommendation of 10 June 2022 on the definition of nanomaterial (2022/C 229/01). Official Journal of the European Union, 14 June 2022.
• European Commission – Joint Research Centre (JRC): Rauscher, H. et al.: Identification of nanomaterials through measurements – Points to consider in the assessment of particulate materials according to the European Commission's Recommendation on a definition of nanomaterial. EUR 29942 EN, Publications Office of the European Union, 2019.
• National Institute of Standards and Technology (NIST): Murphy, K. E. et al.: Characterization of nanoparticle suspensions using single particle inductively coupled plasma mass spectrometry. NIST Special Publication 1200-21, 2016.
• Hackley, V. A.; Clogston, J. D.: Measuring the Size of Nanoparticles in Aqueous Media Using Batch-Mode Dynamic Light Scattering. NIST–NCL Joint Assay Protocol PCC-1.

Links

• Kolloidales Silber: Historie, Herstellung, Qualität und Transparenz
• Kolloide verstehen – warum Labormessungen so wichtig sind
• VINETASOL Kolloidales Silber
• Wissenswertes über Lithium und kolloidales Lithium