溶けも沈みもしない粒子、コロイド（Colloid）

牛乳をコップに注いでみると、白い液体が均一に混ざっていて、まるで何かが完全に溶けているように見えます。しかし牛乳の中の脂肪やタンパク質は、塩が水に溶けるように分子一つひとつに散らばっているのではなく、ごく小さな塊の状態で水の中に浮かんでいます。長く置いておいても簡単には沈まないほど小さな塊です。

このように、溶けているわけでも沈むわけでもない中間の状態の混合物を「コロイド（Colloid）」といいます。コロイドとは、簡単にいえば、目に見えないほど小さな粒子が別の物質の中に均一に散らばって浮かんでいる状態を意味します。牛乳やマヨネーズ、ゼリー、霧のように、私たちの身の回りにあるありふれた物質の多くがこれに当たります。

本記事では、コロイドとは何か、溶液とどう違うのか、私たちの生活の中にはどんなコロイドがあるのか、光を当てると現れるチンダル現象とは何か、そしてコロイド粒子をわざと凝集させる方法まで、順に見ていきます。

溶けたようで溶けていない混合物の世界

コロイドとは何か

実験台の上に、澄んだ水、白く濁った液体、底に土が沈んだ泥水が入ったビーカー三つが並んでいる様子

コロイドは、粒子の大きさによって区別される混合物です。

（1）溶液と懸濁液のあいだ
塩水のように物質がイオンや分子の単位で溶けているものを溶液といい、泥水のように大きな粒が浮かんでいてやがて沈むものを懸濁液といいます。コロイドはその中間にあり、粒子は溶液よりはるかに大きいものの、自然には沈まないほど小さいのです。

コロイドを溶液、懸濁液と比較したインフォグラフィック。上部には左の「小さい」から右の「大きい」へ向かう粒子の大きさの矢印があり、その下の三つの枠に、塩水を例とした溶液（分子・イオンとして溶けている、沈まない）、牛乳を例としたコロイド（約1nm∼1μmの粒子、沈まない）、泥水を例とした懸濁液（大きな粒、沈む）がビーカーの絵とともに並んでいます。最下部には、懐中電灯の光が濁ったビーカーを通り抜けて光の筋が見えるチンダル現象が描かれています。 — コロイドは溶液より粒子が大きいものの懸濁液のようには沈まず、光を当てると光の筋が見えるチンダル現象が現れます。

（2）1ナノメートルから1マイクロメートル
国際純正・応用化学連合（IUPAC）は、分散した粒子の大きさが少なくとも一方向でおよそ1ナノメートルから1マイクロメートルのあいだにある場合をコロイド状態とみなしています。ただし、この境界は厳密な基準ではなく、性質によって多少変わりうるおおよその範囲です。

（3）にかわに由来する名前
コロイドという名前は、1861年にイギリスの化学者トーマス・グレアム（Thomas Graham）が付けました。彼は、にかわやゼラチンのように膜を通り抜けにくく、ゆっくり広がる物質を別にまとめる際に、にかわを意味するギリシャ語のコラ（kolla）から名前を取りました。

分散質（Dispersed Phase）：コロイドの中に散らばって浮かんでいる小さな粒子です。
分散媒（Dispersion Medium）：粒子を包み込んでいる土台となる物質で、水や空気などです。

身の回りのコロイド

明るいキッチンの調理台の上に、一杯の牛乳、マヨネーズ、赤いフルーツゼリー、白い豆腐、ホイップクリームが一緒に置かれている様子

分散質と分散媒が何であるかによって、コロイドはさまざまな姿で現れます。

ゾル（Sol）：液体の中に固体の粒子が散らばって流れる状態で、墨汁や絵の具などがこれに当たります。
ゲル（Gel）：粒子が網目のようにつながり、液体を閉じ込めたまま固まった状態で、ゼリーやムク（韓国のでんぷんゼリー）、豆腐が代表的です。
エマルション（Emulsion）：液体の中に別の液体の滴が散らばった状態で、牛乳やマヨネーズがこれに該当します。
泡（Foam）：液体や固体の中に気体が閉じ込められた状態で、ホイップクリームやスポンジがその例です。
エアロゾル（Aerosol）：気体の中に小さな液滴や固体の粒子が浮かんでいる状態で、霧や煙が代表的です。

同じコロイドでもこのように性質がさまざまなため、食べ物の食感を調整したり、化粧品や薬を均一に混ぜたりするうえでも、コロイドに関する知識が広く使われています。

光の道筋が浮かび上がるチンダル現象

暗い部屋で緑色のレーザー光が二つのガラス瓶を通り抜け、澄んだ水ではほとんど見えず、濁った水では光の筋がはっきり見える様子

コロイドの粒子は目には見えませんが、光を当てるとその存在が明らかになります。

（1）光の通り道が見える理由
暗い部屋で塩水と薄めた牛乳にそれぞれレーザーポインターを当てると、塩水では光の通る道筋がほとんど見えませんが、薄めた牛乳では光の筋がはっきりと見えます。コロイド粒子が光をあらゆる方向に散乱させるためで、これをチンダル現象（Tyndall Effect）といいます。

（2）チンダルの煙の実験
この名前は、19世紀イギリスの物理学者ジョン・チンダル（John Tyndall）に由来します。彼は1860年代に煙を満たした管に光を通す実験を行い、管を横から見ると光が青く、反対側の端から見ると赤く見えることを観察しました。

（3）見えない粒子を見る顕微鏡
1902年、リヒャルト・ジグモンディ（Richard Zsigmondy）とヘンリー・ジーデントップ（Henry Siedentopf）は、この原理を利用して限外顕微鏡（Ultramicroscope）を作りました。粒子そのものではなく、粒子が散乱させた光を横から見る方式のため、通常の顕微鏡では見えなかったコロイド粒子を観察できるようになり、ジグモンディは1925年のノーベル化学賞を受賞しました。