Kolloide entwässert

Um das Phänomen der Entwässerung von Kolloiden untersuchen zu können, soll die allgemeine Definition der Kolloide kurz in Erinnerung gerufen werden: Kolloide sind ein Gemisch von festen, flüssigen oder gasförmigen Substanzen, von denen mindestens eine in Form winzigster Teilchen, Tröpfchen oder Bläschen (bis hinab zu Makromolekülgröße) auftritt. Die so genannte kolloidale Größe der Teilchen (1 bis 1000 Nanometer oder 1 Millionstel- bis 1 Tausendstel-Millimeter) führt zu zahlreichen Eigenschaften und Vorgängen, die nur bei kolloidalen Substanzen auftreten können.

 

Es soll hier auf jene Gruppe der Kolloide das Augenmerk gerichtet werden, bei der Feststoffe in einer wässrigen Flüssigkeit kolloidal verteilt oder dispergiert sind. Wenn die Menge und Dichte der dispergierten Teilchen groß genug ist und die Teilchen einen netzartigen Verbund zu bilden beginnen, entsteht ein Gel oder eine Gallerte. Die weitere Verdichtung und schließliche Entwässerung solcher Gele, die zugleich die „Entkolloidalisierung“ bedeutet, zeigt mitunter auffällige Eigenschaften:

 

a) Sie geschieht bei gewissen Gelen nicht nur durch Außenwirkungen wie Druck oder Austrocknung durch Verdunstung, sondern auch aktiv von innen, d.h. das Wasser wird von der gallertigen Substanz kontinuierlich abgestoßen. Man kennt den Vorgang beim Pudding, der nach einer gewissen Zeit Flüssigkeit abzustoßen beginnt. Die Abstoßung geschieht auch dann, wenn der Pudding in der Schüssel verbleibt, also keinen Druckkräften durch Eigengewicht ausgesetzt ist. Das gleiche Phänomen ist bei kolloidalen Milchprodukten zu beobachten, bei Joghurt und Quark beispielsweise. Es rührt daher, dass sich die kolloidalen Teilchen dank verschiedener chemophysikalischer Wechselwirkungen zu einem immer stabileren und dichteren Netz verbinden und dabei einen Teil des Wassers verdrängen. Der wissenschaftliche Begriff hierfür ist Synärese.

 

b) Der Entwässerungsprozess und die spätere Austrocknung überschreiten ein gewisses beschränktes Tempo nicht. Wohl kann die Entwässerung durch Druck und Wärme beschleunigt werden, doch das Gel erlaubt dem abwandernden oder abgestoßenen Wasser nur eine bestimmte Abwanderungsgeschwindigkeit, bedingt durch die beschränkte Geschwindigkeit der Diffusion des Wassers durch die kolloidale Substanz, d.h. durch das Netz oder die Packung der kolloidalen Teilchen.

 

Die Bilder zeigen die im Tempo beschränkte, „gesteuerte“ Abstoßung von Wasser durch einen Gelkörper in Abständen von einer halben Stunde. (Neben der aktiven Wasserabstoßung hat hier auch der Druck durch Eigengewicht mitgewirkt und die Entwässerung beschleunigt.)
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c) Gewisse Kolloide können aus dem entkolloidalisierten und entwässerten Zustand nur noch bedingt oder überhaupt nicht mehr in den kolloidalen Zustand zurückkehren. Der Entwässerungsprozess ist bei diesen Substanzen unumkehrbar oder irreversibel, weil sich die zunächst nur locker verbundenen Kolloidteilchen nach und nach zu dichten Aggregaten verbinden. Neben den schwächeren chemophysikalischen Wechselwirkungen können hier auch stärkere chemische Bindungen hinzukommen, die die Kolloidalität aufheben. Man spricht bei solch irreversiblen Verdichtungen oder Ausflockungen auch von Koagulation.

 

Zwar können solcherart entwässerte ehemalige Kolloide oft auch wieder durchfeuchtet werden, aber es entsteht nicht mehr der vorherige gallertig-kolloidale Zustand. Das Wasser befindet sich dann mehr grob-kapillar, äußerlich-physikalisch in der Masse und nicht mehr intim wechselwirkend mit den Kolloidteilchen verschränkt.
Die nachfolgenden Bilder zeigen auf niedriger Stufe etwas von dieser Unumkehrbarkeit. Der abgebildete Gelkörper macht innerhalb von neun Tagen einen Verdichtungs- und Austrocknungsprozess durch, der die Rückkehr in den vorherigen Zustand nur noch bedingt erlaubt. Auf dem letzten Bild ist der angeschwollene Zustand sichtbar, nachdem der zunächst ausgetrocknete Körper wiederum drei Tage im Wasser gelegen hat. Er ist wie ein Schwamm vollgesogen, hat aber die verkrümmte Form beibehalten, die ihm durch die entstandene Faserstruktur vorgegeben ist. Danach trocknet er verhältnismäßig rasch wieder aus, weil das Wasser nicht mehr durch Poren von kolloidaler Winzigkeit dringen oder diffundieren muss.
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Ein recht deutliches Beispiel von irreversibler Entkolloidalisierung und Entwässerung hat man bei gewissen organisch gewonnenen Leimen (der Name Kolloid stammt von Kolla – Leim), die beim Abbinden und Austrocknen nahezu wasserfreie Molekülnetzstrukturen bilden. Die erhärteten Leime sind dann mehr oder weniger wasserresistent.

 

Auch bei komplexen kolloidalen Substanzen wie beispielsweise bei Tierhäuten kann diese Irreversibilität der Entwässerung und Entkolloidalisierung beobachtet werden. Durch den Gerbprozess wird die Haut zu Leder. Das Leder kann zwar wieder Wasser aufnehmen, aber trotz der Durchnässung erscheint es anders als die frisch abgezogene Tierhaut: Die Tierhaut kann mit dem Messer gut zerschnitten werden, das Leder hingegen ist faserig-zäh. Es kann anderseits wie ein Tuch ausgewrungen werden und ist bald trocken, während die Tierhaut auch bei Pressung und Erwärmung über längere Zeit nass-feucht bleibt, da das Wasser intim verschränkt in den Fett-Eiweiss-Kolloiden der Hautzellen steckt.

 


d) Ein hoher Salzgehalt des Gels verlangsamt den Entwässerungsprozess deutlich. Die Diffusion des Wassers führt dann zu Umlagerungen des Salzes.

 

Die folgenden Bilder zeigen den Entwässerungsprozess eines stark salzhaltigen gallertigen Körpers. Das dritte Bild zeigt den Zustand nach sechs Tagen, das letzte Bild nach einem Monat. Die Entwässerung geschieht also sehr langsam, zudem wird das Salz an die Außenfläche transportiert und sammelt sich dort als Ablagerung. Auch nach einem Monat ist der Körper im Innern noch weich.
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Mit diesen Beobachtungen im Hintergrund soll der Blick wieder der Gesteinsentstehung zugewendet werden. Es sind in der Gesteinswelt nicht selten Phänomene zu beobachten, die an die beschriebenen Eigenarten erinnern:

 

• Einige der in den ersten Kapiteln abgebildeten Risse und Klüfte könnten als Schwundrisse gedeutet werden, indem das entstehende Gestein Wasser abgesondert und so sein Volumen vermindert hat. Bei den Karbonatgesteinen (sh. die Kapitel über Kalk und Marmore) würde es sich um kalkverwandte Kolloide handeln, die sich bei der Sedimentation gebildet haben.

 

• Gewisse Mineralien wie Feldspat oder Tonmineralien zeigen bei ihrer Verwitterung die Fähigkeit zur Wasserbindung und Kolloid-Bildung. Die Kieselsäure- oder Aluminiumhydroxid-Gele wiederum erinnern durch ihren Chemismus an die Gesteinswelt. Bei ihnen ist der Entkolloidalisierungs- und Entwässerungsprozess unumkehrbar, indem die dehydrierten Kiesel- oder Aluminiumverbindungen bei Befeuchtung nicht mehr in den kolloidalen Zustand zurückgehen.

 

• Bei der Entwässerung und Verdichtung von Kieselsäure (Polykonden¬sation) entstehen molekulare Ketten, Bänder, Ringe, Netze und Schichten, deren Strukturvielfalt erstaunlicherweise dem Aufbau der in Natur vorkommenden Silikatminerale entspricht. Im Spezialfall entstehen kolloidale Makromoleküle oder Mizellen, die ein Kieselgel bilden, wie es bei der Entstehung der Chalzedone (Achate, Jaspisse) oder gewisser Hornsteine als Grundlage vorlag.

 

• Bei den Gesteinen handelt es sich chemisch gesehen um Salze. Hätten einige von ihnen einen kolloidal-hartgallertigen Anfangszustand besessen, dann wären wie im obigen Experiment auch sehr langsame Entwässerungsprozesse und Stofftransporte durch Diffusion denkbar (Im Experiment wird das Kolloidgerüst allerdings durch organische Stoffe gebildet). An solche Prozesse ist man angesichts etlicher der in den obigen Kapiteln aufgeführten Eigentümlichkeiten erinnert (z.B. Kap. Gerölle und Brekzien).

 

• Es existiert ein geologisches Einzelphänomen, das in eindrücklicher Weise den Zusammenhang von Kolloidalität, Entwässerung und Irreversibilität im Kieselsäurebereich aufzeigt: Der Wasserachat besteht aus einer Achatknolle, in deren zentralem Hohlraum sich Gas und wässrige Kieselsäure befindet. Der kolloidale Entstehungsprozess der Achatstruktur in einem Kieselsäure-Gel wurde im entsprechenden Kapitel bereits beschrieben. Dass sich das Knollenmaterial vollständig und auf irreversible Weise entkolloidalisiert und entwässert hat, wird durch die jetzige Trockenheit des Achats und den im Innern seit Jahrhunderttausenden eingeschlossenen Restanteil von kieselsaurem Wasser auf markante Weise sichtbar.
Könnte es sein, dass der Wasserachat im Modell etwas zeigt, was sich in Urzeiten weltweit und in weitläufiger Form abgespielt hat?