3分で簡単「疎水コロイド」水の浄化に大活躍？理系ライターがわかりやすく解説

ライター／Naohiro

国立大学の理系出身。大学時代環境科学を専攻した経験をもとに、社会との関りから化学をわかりやすく解説する。

1. そもそもコロイドって何？

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「コロイド」って何？と聞かれて正確に説明できる人はいますか？「牛乳とかコーヒーがコロイドみたいだけど…あとブラウン運動とか、チンダル現象？」といった感じかもしれませんね。

コロイドのは1861年にイギリスの化学者トーマス・グレアムにより”コロイドとは溶液中で拡散速度が非常に遅い物質”として定義されたことが始まりです。要は実験的にコロイドが半透膜を通過するときの速度が遅いということなのですが、この透過速度が遅いものの仲間にゼラチン(にかわの主成分)がありました。ギリシャ語の”にかわ状”(kolla-eidos)から、その仲間をcolloidと呼ぶこととしたのです。

1-1. コロイド溶液とその他の違いは何？

それではコロイド溶液とその他になにがあるの？という点に関して説明していきましょう。実は水に何かものを混ぜた時、その混ぜたものの状態により3つの状態に分けることができます。

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その3つとは大きく分けて「真の溶液」と「コロイド溶液」と「懸濁液」です。基本的には水に溶けた粒子の大きさが10^－9m以下のものを真の溶液、10^－9～10^－7mのものをコロイド溶液、10^－7m以上のものを懸濁液と分けます。ちなみに10^－9m=1nm(ナノメートル)で、原子の大きさが大体0.1nm単位になりますので真の溶液は原子とか分子レベルで水に溶けたものであることがわかりますね。その一方でコロイド溶液は1nmよりも大きい高分子化合物や、小さな分子やイオンが50~100個程度集まった微粒子で成り立っています。

以上が一般的な説明にはなるのですが、要は真の溶液とコロイド溶液は透明か半透明か、コロイド溶液と懸濁液は置いておくことで粒子が沈降するかしないかという観点で見分けられることを覚えておくとわかりやすいですね。

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技術的には半透膜とろ紙を用いてどちらとも通過できる水溶液を真の溶液、ろ紙のみ通過できるものをコロイド溶液、どちらとも通過できないものを懸濁液として分離することができます。

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また、真の溶液とコロイド溶液で用語が異なるものがあります。溶媒は分散媒、溶質は分散質、そして溶液は分散系と言葉が変わることは覚えておきましょう。

1-2. コロイドの分類方法

そしてコロイドは以下の観点から分類することができます。

・分散媒の状態　　　：ゾル　↔　ゲル　↔　キセロゲル(寒天、高野豆腐等)

・コロイド粒子の種類：分散コロイド↔会合(ミセル)コロイド↔分子コロイド

・疎水コロイド　↔　親水コロイド

・コロイド粒子の電荷：正電荷　↔　負電荷

コロイド溶液の重要な性質として透析、チンダル現象、ブラウン運動、電気泳動があります。こちらも興味があれば確認してみてくださいね。

2. 疎水コロイドの性質

コロイド全般についてよく分かったところで、疎水コロイドの説明に入りましょう。ここでは親水コロイドとの対比を行いながら説明していきます。

2-1. 疎水コロイドの特徴

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一般的に疎水コロイドには無機物質の分散コロイドが多く、親水コロイドには有機物質の分子コロイドが多い特徴があります。これは親水コロイドとして代表的なタンパク質が、親水性の官能基であるカルボキシ基(-COOH)をもつことからもイメージはできますよね。

疎水コロイドはもともと水に対して不溶かつ本来沈降していくべき物質がコロイド粒子のサイズになり、かつ表面が

・難溶性イオン結晶

・水酸化物 or 酸化物

・表面解離基（ひょうめんかいりき）

・H⁺またはOH^－の優先付着

・吸着性イオン

といった要因により帯電することで粒子間に反発力が働くことで合体・集合することができなくなり、コロイド粒子として微細に分散した状態で存在しているのです。

疎水コロイドはコロイド粒子表面電荷同士の反発力で溶液中の分散状態を維持していますので、少し手を加えるだけで凝集沈殿することになります。何をすればよいのかというと、少量の電解質を加えればよいのですね。

2-2. 疎水コロイドの凝集沈殿＝凝析

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疎水コロイドが少量の電解質を加えることで容易に沈殿するということを前述しましたが、その現象のことを特に「凝析」と呼びます。例えば図のようにプラスに帯電した疎水コロイド粒子が分散している系を考えた場合、電解質を加えることでマイナスの電荷をもつイオンがプラス電荷のコロイド粒子と引き寄せ合うことで最終的に巨大な粒子となり溶液中に沈殿物を形成することとなるのです。

3. 身の回りの疎水コロイド

それでは最後に、身の回りでの疎水コロイドの活用事例と、疎水コロイドが関連する現象を見ていきましょう。

3-1. 生活に不可欠な浄水処理

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疎水コロイドの性質が身近で活用されている代表例は浄水場です。浄水処理工程では凝集補助剤としてpH調製（酸として硫酸や炭酸ガス、アルカリとして苛性ソーダ、ソーダ灰や消石灰）を行った後凝集剤としてポリ塩化アルミニウムを投入します。水中でマイナスに帯電している濁りの原因となるコロイド粒子を凝析させることで水質を改善しているのですね。

凝析、沈殿、粉末活性炭を組み合わせた急速ろ過、その後塩素剤による消毒を行うことで私たちは日々安全安心な水道水を使用することができているのです。

3-2. 三角州の形成

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以上学んできた内容を応用すれば川が海へ流れ出る際、つまり河口においてなぜ三角州が形成されるのかということがわかりますよね。そう淡水に含まれるコロイド粒子が海水に含まれる多量の電解質と混ざり合うことで凝析し、より多くの沈殿を生じることで三角州が形成されるのです。河川の多い日本でおなじみの光景にはこういった化学的背景もあるのですね。