מערכות פיזור קולואידיות והשפעתן על חיינו

מה הקשר בין חלב ודיו למדפסת? מה לערפל ולקלקר? ואיך הדם שלנו קשור למיונז?

על פניו נראה שמציאת הקשר ביניהם היא משימה בלתי אפשרית, אך כפי שתראו בהמשך אכן קיים ביניהם מכנה משותף – כולם מוגדרים כמערכות פיזור קולואידיות.      

תמיסה או מערכת קולואידית? 
מערכת פיזור היא מערכת שבה חומר אחד מפוזר בתוך חומר אחר. באופן כללי אפשר לחלק את מערכות הפיזור לשני סוגים: תמיסה או מערכת קולואידית.

השוואה בין תמיסה למערכת קולואידית. | איור: מאת המחבר.

תמיסה היא מערכת פיזור שחומר ("מומס") או כמה חומרים שונים מפוזרים בה בצורה הומוגנית (אחידה) בחומר אחר ("ממס"). למשל, אם תערבבו סוכר (מומס) במים (ממס), הסוכר יתמוסס במים בצורה אחידה עד ליצירת תמיסה שקופה לחלוטין, כפי שאפשר לראות באיור למעלה. במקרה זה הסוכר המוצק התפרק למולקולות בודדות, שכל אחת מהן מוקפת במולקולות מים.
במציאות אנו מכינים תמיסות בביתנו באופן יומיומי, אפילו בלי להיות מודעים לזה תמיד. למשל, כשאנו מערבבים מלח במים בזמן הבישול. אך למעשה, רוב המצרכים בביתנו אינם מסווגים כתמיסות אלא דווקא כמערכות פיזור קולואידיות.

מערכת פיזור קולואידית היא מערכת שבה חומר מסוים איננו מתמוסס בצורה הומוגנית בחומר אחר כמו בתמיסה, אך בכל זאת מתפזר בתוכו ואינו שוקע או צף. למשל, אם תערבבו חלקיקי חול קטנים במים תגלו שהם לא יתמוססו אלא יתפזרו ו"ירחפו" בתוך המים.
לכן, בשונה מתמיסה, אפשר לומר שמערכת קולואידית מורכבת משתי פאזות, אחת רציפה והשנייה מפוזרת. כפי שאפשר לראות באיור למעלה הפאזה המפוזרת מתערבבת בפאזה הרציפה אך איננה מתמוססת בה. לכן, מערכת קולואידית לרוב לא תהיה שקופה וצלולה כמו תמיסה. בדוגמה שהבאנו, חלקיקי החול המוצקים הם הפאזה המפוזרת והמים הם הפאזה הרציפה (המונח פאזה מתאר את מצב הצבירה בו נמצא החומר - גז, נוזל או מוצק). 

אפשר לחלק את מערכות הפיזור לכמה סוגים עיקריים, על פי הפאזות שערבבנו:
א. פאזה מוצקה ("מרחפת") בתוך פאזה נוזלית תקרא תרחיף (סוספנסיה). אפשר לראות תרחיפים רבים בתעשיית התרופות, כשהתרופה המוצקה מפוזרת כחלקיקים בתוך מים.
ב. פאזה נוזלית בתוך פאזה נוזלית אחרת תקרא אמולסיה (תחליב). דוגמה ידועה לזה היא החלב בביתנו. החלב מורכב מטיפות שמן קטנות (פוספוליפידים) שמפוזרות במים. דוגמה אחרת נמצא בקרמים קוסמטיים, שמכילים טיפות של שמן בתוך מים (כשהתחליב הוא על בסיס מים) או טיפות של מים בתוך שמן (כשהוא על בסיס שמן).
ג. פאזה נוזלית בתוך פאזה גזית. טיפות מים שמפוזרות באוויר יוצרות את מה שאנו מכירים כערפל.
ד. פאזה גזית בתוך פאזה מוצקה. דוגמה ידועה לכך היא הקלקר המכיל בועות אויר בתוך חומר הנקרא פוליסטירן.

אפשר כמובן ליצור עוד סוגים רבים של מערכות פיזור, על ידי ערבוב של שתי פאזות שאינן מסיסות, אך שתי מערכות הפיזור הנפוצות ביותר כיום בבית ובתעשייה הן האמולסיות והתרחיפים.

הכנה וייצוב של מערכת קולואידית
המערכות הקולואידיות נפוצות מאוד בחיינו. בלי שאנחנו מודעים לכך, רוב האוכל שאנו אוכלים, כמו גם התרופות, מוצרי הקוסמטיקה ואפילו הנוזל הזורם בעורקינו, הם מערכות קולואידיות. למעשה, למערכות קולואידיות כמו תרחיף או אמולסיה יש חשיבות רבה מאוד, מכיוון שהן מאפשרות לערבב חומרים שלא היו מתערבבים זה עם זה באופן טבעי, למשל שמן ומים.

כבר בילדותנו למדנו ששמן ומים לא מתערבבים זה עם זה. אז צר לי לאכזב אתכם – אבל בהחלט אפשר לערבב שמן עם מים וליצור מהם אמולסיה.
אם תנסו ליצור בבית שמן לתוך כוס מים ותערבבו מהר, תראו שתוך כמה שניות כל טיפות השמן שיצרתם יתחברו והשמן יצוף על פני המים בתהליך שנקרא הפרדת פאזות. לכן, אתם בטח מבינים שכדי ליצור מערכת קולואידית יציבה לא מספיק רק לערבב אלא צריך להוסיף חומרים נוספים שימנעו מהטיפות להתחבר מחדש.

השם הכולל לחומרים האלה הוא חומרים פעילי שטח (חפ"שים/Surfactants), ותפקידם הוא להסתדר סביב הטיפות או החלקיקים ולמנוע מהם להתמזג ליחידה אחת שתיפרד מהפאזה הרציפה  שבה השתמשתם – בדרך כלל מים. כך, למשל, אפשר לגרום גם לחלקיקים מוצקים לא לשקוע במים, אלא להמשיך לרחף בתוך הפאזה הרציפה.

הסבון שאיתו אנו שוטפים ידיים או כלים מכיל חומרים פעילי שטח. לכן, כשאנו שוטפים את הידיים החפ"שים שבסבון מאפשרים לערבב את השמן או השומן שהצטברו על הידיים עם מי הברז, וכך לשטוף אותם מידינו. שטיפה ללא סבון תסיר רק לכלוך שמתמוסס במים, אך לא תשפיע על לכלוך שומני.
כדי לבחון את השפעת החפ"שים, הוסיפו טיפה של שמן לכוס מים ואחריה הוסיפו מעט סבון וערבבו במהירות וביסודיות. אם הוספתם מספיק סבון ביחס לשמן, תגלו שבתוך המים ייווצרו טיפות שמן קטנות שיישארו יציבות ולא יתמזגו מחדש, לפחות לפרק זמן של כמה דקות. אם הצלחתם, קבלו את ברכותיי החמות – הכנתם אמולסיה.

מערכות קולואידיות ביומיום
מערכות הפיזור, כאמור, חשובות מאוד ונחוצות לנו בחיי היומיום. חלב, למשל, הוא אמולסיה יציבה בעלת צבע לבן אחיד. אך אם תניחו אותו מספיק זמן מחוץ למקרר או תוסיפו לו חומץ, תבחינו בהופעתם של גושים לבנים. הגושים האלה הם בעצם טיפות השמן הקטנות, שקודם לכן היו מפוזרות במים כל עוד האמולסיה (החלב) הייתה יציבה. החימום האטי או הוספת החומץ פוגעים ביציבות האמולסיה וגורמים לטיפות השמן הקטנות להתמזג לגושי שומן. אך אל חשש – זה לא אומר שהחלב מקולקל, שהרי את אותו שומן בדיוק אתם אוכלים בגבינה. למעשה, הכנת גבינה כרוכה בהפרת היציבות של המערכת הקולואידית – החלב הנוזלי.

השימוש במערכות קולואידיות איננו מוגבל אך ורק לתעשיית המזון. היכולת לערבב שתי פאזות שונות ולשמור על יציבותן חשובה מאוד בתעשיית התרופות. רוב החומרים הפעילים בתרופות (כלומר המולקולות שנותנות את ההשפעה המרפאת) אינם מתמוססים במים.כדי שנוכל להשתמש בהם ביעילות עלינו ליצור תרחיף או אמולסיה שבתוכם התרופה "תרחף" כחלקיקים או טיפות.

חישבו כעת כמה חשוב לשמור על יציבותה של מערכת כזו לפרק זמן כמה שיותר ארוך. הרי אם כבר כעבור כמה ימים החלקיקים או הטיפות יתמזגו וייצרו גוש שיצוף או ישקע, לא נוכל להשתמש בתרופה. תרחיש כזה יגרום כמובן הפסדים כספיים כבדים לחברות התרופות, וכמובן גם יסכן את בריאותם של מקבלי התרופות. מסיבה זו ומסיבות נוספות החברות השונות והאוניברסיטאות משקיעות מאמצים רבים במחקר ובפיתוח של מערכות קולואידיות שיהיו כמה שיותר יציבות.

לסיום, וכדי להדגיש את חשיבותן ונחיצותן, הנה לכם עוד כמה דוגמאות למערכות פיזור קולואידיות שממלאות תפקיד מרכזי בחיינו: דיו למדפסת, צבעים לקיר, קרמים, מרגרינה, שוקולד והכי חשוב – הדם שלנו, שמכיל תאי דם ועוד מרכיבים רבים מאוד שמרחפים להם במים.   

הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה יתקבלו תמיד בברכה.