Kolloid rendszerek definíciója, osztályozása, jellemzése ...kolloid.unideb.hu/wp-content/uploads/vm_bsc_lev/1 eloadas.pdfKolloid rendszerek definíciója, osztályozása, jellemzése

Kolloid rendszerek definíciója, osztályozása, jellemzése.

Molekuláris kölcsönhatások. Határfelüleleti jelenségek

(fluid határfelületek)

Kolloidika helye

Biológia

Szerves kémia

Fizika Fizikai kémia biokémia

Kolloidkémia

A kémiai összetételtől függetlenül igyekszik a rendszereket, a fizika alapvető törvényeit használva leírni. Számos biológia objektum számára a kolloid állapot a

létezés formája.

Mik azok a kolloidok? Többféle definíció: • Azok a rendszerek, amelyekben a felület

meghatározó szerepet játszik. • Kolloidok azok a (diszperz) rendszerek,

amelyekben a méret legalább egy dimenzióban 1nm és 500 nm között van.

Bármilyen anyag kolloid állapotba hozható. A kolloid állapot egy mérettől függő állapot, nincs kémiai összetételhez vagy anyagi tulajdonsághoz kötve

Homogén vagy heterogén rendszerek?

• Homogén: a rendszer bármely pontjában minden tulajdonság azonos (izotróp)

• Heterogén: a fizikai tulajdonságokban eltérések mutatkoznak a rendszer különböző pontjain. – Gibbs féle fázistörvény: F+SZ = K+2 – Mi a szerepe a felületnek?

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0E-7 1.0E-6 1.0E-5 1.0E-4 1.0E-3 1.0E-2 1.0E-1 1.0E+0

R,cm

felül

eti m

oleku

la/ ös

szes

1 ezrelék1 %

már nem elhanyagolható a felület szerepe

10 %

R<10 nm nanotechnológia más tulajdonságok

kolloid

nano

m

nm

1010− 810− 610−910− 710− 510− 410− 310−

0.1 1 10 210 310 410 510 610

Atomok, kis molekulák

makromolekulák

füst

köd

kolloid

micellák vírus pollen, baktérium

mikroszkópos heterogén

Homogén rendszerek Heterogén rendszerek (makroszkópos többfázisú)

Kolloid rendszerek

homogén

Homogén vagy heterogén rendszerek?

A kolloid rendszerek csoportosítása KOLLOID RENDSZEREK

INKOHERENS (a részecskék önállóak)

KOHERENS (vázszerkezettel rendelkező)

Diszperziós kolloidok (szolok)

Makromolekulás kolloidok

fehérjék

nukleinsavak polimerek

oldatai

Asszociációs kolloidok

kismolekulák

össze-kapcsolódnak

Pórusos rendszerek (porodin)

Hálós rendszerek (retikuláris)

Szivacsos rendszerek (spongoid)

A kolloid rendszerek csoportosítása Diszperziós kolloidok (szolok)

Gázközegű (aeroszolok)

- L/G: köd - S/G: füst - S/L/G: szmog

Folyékony közegű (lioszolok)

- G/L: hab - L/L: emulzió - S/L: szuszpenzió

Szilárd közegű (xeroszolok)

- G/S: szilárd hab - L/S: szilárd emulzió - S/S: szilárd szuszpenzió

7

http://www.clarkson.edu/camp/reports/dec01/pictures/page3d.JPG

Asszociációs kolloidok Makromolekulás kolloidok

A kolloid rendszerek csoportosítása

A kolloid rendszerek jellemzése stabilitás alapján

Termodinamikai értelemben

Stabil (liofil kolloidok) Gkolloid < Gkiindulási

Asszociációs és makromolekulás

kolloidok

Instabil (liofób kolloidok) Gkolloid > Gkiindulási

Diszperziós kolloidok

Kinetikai értelemben

Stabil

A vizsgált időtartamon belül NEM változik

Instabil

A vizsgált időtartamon belül változás tapasztalható

1. A rendszer diszperzitásfoka (méretbeli eloszlás)

2. Morfológia (a diszpergált részecskék alakja)

3. A diszpergált részecskék térbeli eloszlása

4. A részecskék közötti kölcsönhatások természete (meghatározza az előzőeket!!!)

A kolloid rendszerek jellemzése állapotjelzők alapján (Buzágh Aladár)

Méret meghatározás • Szita 25 mikron-125 mm • Nedves szita 10 mikron-100 mikron • Mikroszkóp 200 nm-150 mikron • Ultramikroszkóp 10 nm -1 mikron • Elektronmikroszkóp, (TEM, SEM felszín) 1

nm- 1 mikron • Szedimentáció 1 mikron felett (vizes oldatból) • Centrifuga 5 mikron alatt • Fényszórás 1 nm- néhány mikron

A méret meghatározásánál minden esetben átlagértéket mérünk. A módszertől függően különféle átlagokat határozhatunk meg. Mi az átlag? Az átlag az egyedi értékekből képzett, az egész csoportra jellemző érték. Számátlag: Tömegátlag:

Méreteloszlás meghatározása

∑∑∑ ==

i

iiii

NNx

NNx

x∑∑∑ ==

i

iiii

MMx

MMx

x

Polidiszperzitás: Az egyes komponensek molekulatömegeiből (Mi) és darabszámaiból (Ni) számítható, a tömeg és számátlag hányadosaként.

Méreteloszlás meghatározása

∑∑∑ ==

i

iiiiN N

NMN

NMM

n

w

MMPD =

∑∑∑ ==

ii

iiiiw MN

MNM

MNM

22

Morfológia

1. Prolát 2. Oblát 3. Rúd 4. Lemez 5. Statisztikus gombolyag

a. lamelláris b. fibrilláris c. korpuszkuláris

Térbeli eloszlás, részlegesen rendezett szerkezetek

•Homogén •Diffúz (exponenciális) •Heterogén •Rendezett

nematikus szmektikus taktoid Sajátos viselkedés! Ok az intermolekuláris kölcsönhatásokban keresendő.

Előadó

Bemutató megjegyzései

Exp(-E/kT) The Boltzmann distribution law says that if the energy associated with some state or condition of a system is ε then the frequency with which that state or condition occurs, or the probability of its occurrence, is proportional to e(−ε/kT) , where T is the system’s absolute temperature and where k is the Boltzmann constant,

Molekuláris kölcsönhatások • A kolloid részecskék közötti kölcsönhatások eredete

az egyedi molekulák kölcsönhatása. Meghatározzák a részecskék méretét, alakját, oldhatóságát, a kolloid rendszerek stabilitását.

– Ion - ion – Ion - dipól – dipól - dipól – dipól – Indukált dipól – Indukált dipól - Indukált dipól – Hidrogén-kötés – Stacking kölcsönhatás

• Hidrofil és hidrofób kölcsönhatás

Előadó

Bemutató megjegyzései

To understand the origin of attraction and repulsion between colloidal particles, it is necessary to consider the interactions between individual molecules Particles of the same sign of charge repulse each other and of opposite sign attract each other Repulsive and attractive force The centers of positive and negative charges do not coincide with each other Induced non-polar molecules London dispersion interactions H- bonding interactions a donor acceptor interaction involving H atoms. They exist between electronegative atoms such as O, N, F, Cl, with H atoms covalently bound to similar electronegative atoms. Examples of groups in molecules possessing such H atoms are –OH 8in water, alcohols, carboxylic acids) , -NH, 8in primary and secondary amines, amides) , HF, and HCl. Hydrophobic and hydrophilic interactions Some molecules such as hydrocarbons, oil, fats, inert atoms, fluorocarbons and some polymers that are incapable of forming H-bonds and do not like to interact with water, are called hydrophobic molecules. Hydrophobic means water-fearing or water-repelling. The more general name lyophobic , which means solvent repelling. Hydrophilic molecules are mostly polar and have a high H-bonding capacity. In practice, hydrophobic molecules , in contact with water, prefer to interact with each other instead of the water and try to minimize their total surface area and form a water immiscible phase. Hydrophobic interaction describes the strong interaction between hydrophobic molecules or surface in water. This is often stronger than their attraction in free space. This is contradicted by the prediction of a decrease in the van der Waals attraction in water medium. The interaction between a hydrophobic molecule and water is actually attractive , due to dispersion interactions. However, the interactions between water and with itself is much more attractive due to H-bonding interactions, and water then has the effect of squeezing the hydrophobic molecules to attract each other to form a larger aggregate, reducing the total free energy of the system. Hydrophilic interaction is generally polar and capable of H-bonding.

Határfelületi jelenségek

1. A felület fogalma

2. Felületi feszültség

3. Kontaktszög, nedvesedés, szétterülés

4. Adszorpció

A felület fogalma

Két homogén fázis közötti véges vastagságú réteg, amelyen belül a sajátságok változnak

A felületi feszültség

A felületi molekulákra anizotróp erőtér hat. Egy befelé húzó nettó erő hat, ami annál nagyobb minél nagyobb az

aszimmetria. Miután kialakul a minimális felszín a mechanikai egyensúly, az eredő erő nulla, a felszín nagysága nem

csökken tovább. Növeléséhez energia kell. Az az erő amely összetartja a felszínt jellemző az anyagra

A felületi feszültség Definíció: (1) A felületi feszültség egységnyi új felület kialakulásához szükséges munka izoterm reverzibilis körülmények között, állandó n, p, V mellett tiszta folyadékok esetében. Mértékegység: J/m2.

Definíció: (2) A felületi feszültség az az erő amely a felület egy képzeletbeli, egységnyi hosszúságú vonaldarabjára merőlegesen hat a felület síkjában. Mértékegység: N/m.

, ,n p T

dGdA

γ =

dFdl

γ =2Fl

γ =

A felületi feszültség értékét befolyásoló tényezők

1. Anyagi minőség

folyadék felületi feszültség (mN/m, 20oC)

víz 72.8

benzol 28.9

ecetsav 27.6

aceton 23.7

etanol 22.3

n-hexán 18.4

n-oktán 21.8

n-oktanol 27.5

higany 485


1. Anyagi minőség

Határfelületi feszültség: két folyadékfázis között mért felületi feszültség, annál nagyobb, minél nagyobb az asszimetria a két fázis között

folyadék határfelületi feszültség vízzel

szemben (mN/m, 20oC)

benzol 35.0

n-hexán 51.1

n-oktán 50.8

n-oktanol 8.5

higany 375


2. Hőmérséklet

A másodlagos kötőerők nagysága hőmérsékletfüggő, magasabb hőmérsékleten kisebb a kölcsönhatási energia »» kisebb a felületi feszültség is!

Eötvös-törvény:

Módosított Eötvös-törvény:

Asszociáló, vagy disszociáló anyagokra nem érvényes!

γ: felületi feszültség (N/m), Vm: moláris térfogat (m3/mol), T: hőmérséklet (K), Tc: kritikus hőmérséklet (K),

kE: Eötvös állandó (2,1 x 10 -7 J/(K mol2/3)

)(32

TTkV cEm −=γ

)6(32

−−= TTkV cEmγ

Documents

Kolloid rendszerek definíciója, osztályozása, jellemzése ...kolloid.unideb.hu/wp-content/uploads/vm_bsc_lev/1 eloadas.pdfKolloid rendszerek definíciója, osztályozása, jellemzése