a kolloidika tárgya, a kolloidok osztályozása...
TRANSCRIPT
A kolloidika tárgya, a kolloidok osztályozása rendszerezése
Bányai István www.kolloid.unideb.hu
A mindennapi élet: anyagok, eljárások • Ipar
– élelmiszerek: levesek, zselék, élelmiszer színezés, habok – építőipar: cement, festékek – kozmetikai ipar: krémek, dezodorok – textíliák: festés, szerkezet, műszálak – papírgyártás: tinták, nyomtatás, szerkezet – gyógyszeripar: szolubilizálás, targetált medicina, formulázás – műanyagipar: eljárások, analitika
• Mezőgazdaság – agrokémia (bordói lé), levélpermetezés (Napalm) – Talajszerkezet, talajjavítás
• Környezetvédelem – aeroszolok (migráció) – víztisztítás, adszorpció
Motiváció 2 (két alapprobléma)
• Napi tapasztalatok – Szilikózis (méret), vörösiszap – Smog – Új ötvözetek („mikro struktúra”) – Funkcionális anyagok (biológiai makromolekulák)
• Nanotechnológia – A fluoreszcencia méretfüggő – TiO2 katalitikus aktivitás – Gyógyszer leadás – Gyógyszer felszívódás
Az előadások anyaga 1 • 1. A kolloid rendszerek osztályozása, jellemzése. • • 2. Méret, méreteloszlás. Átlag. Molekuláris kölcsönhatások.
• 3. Határfelületi jelenségek: fluid határfelületek felületi feszültség
• 4. Folyadék –gáz, szilárd-gáz, szilárd folyadék • határfelületek. Adszorpció és orientáció a határfelületen.
• 5. Felületvizsgáló módszerek. Szorpciós izotermák.
• 6. Adszorpció oldatból. Adszorpció erős elektrolitok vizes oldataiból.
•
Az előadások anyaga 2
7. Elektromos kettősréteg. Elektromos potenciálkülönbség eredete. 8. Az elektromos potenciálkülönbség eloszlása és értéke. 9. Kolloidstabilitás Liofób, liofil kolloidok. DLVO elmélet.
10. Kolloid rendszerek előállítása és tisztítása. Aeroszolok, lioszolok, xeroszolok. (Habok, emulziók, szolok.) 11. Asszociációs kolloidok. Tenzidek. Makromolekulák. Ozmózis.
Előadások anyaga 3 12. Szedimentáció. Ultracentrifuga. Diffúziómérés, Donnan-potential. Reológia, Fényszórás
13. Biokolloidok
14. Összefoglalás vizsgaelőkészítés, gyakorlat • Patzkó Ágnes: A kolloidika alapjai
– JATE Kiadó (SZTE), 1998. • Shaw, D.J.: Bevezetés a kolloid- és felületi kémiába
– 1986. Budapest, Műszaki Kiadó ISBN:9631064352 • Hórvölgyi Zoltán: A NANOTECHNOLÓGIA KOLLOIDKÉMIAI • ALAPJAI
– 1987. Budapest, Tankönyvtár, ISBN 978-963-279-467-9
• Pashley: Applied Colloid and Surface Chemistry • Barnes. G.T.: Interfacial Science.
Vizsgakövetelmények
• Vizsga minimum követelmény:
Órai anyag Patzkó Ágnes: A kolloidika alapjai Óravázlat megtalálható: www.kolloid.unideb.hu
A vizsgakérdések a honlapon megtalálhatók! Folytonosan megújuló, tehát figyelni kell!
“A” vizsga írásbeli. (számítások) “B” vizsga írásbeli. (számítások) “C” vizsga bizottság előtti szóbeli lehetőség.
A kolloidika tárgya
• Olyan rendszerek fizikai kémiája melyben a szokásos intenzív változókon túl (p, T, c ) szerepel a
– a méret – fajlagos felület – alak A részecskék esetében 1-2 nm és 500-1000 nm és a rendszert leíró változásokban a felületi szabadentalpia-változás lényeges szerepet játszik. A nagy molekulák és kicsi részecskék tudománya.
2010. 02. 11. 9
Biológia
Kémia
Fizika
szerves
Fizikai kémia
biokémia
Kolloidika
A kolloidika helye: interdiszciplináris
A kémiai összetételtől függetlenül, igyekszik a rendszereket, a fizika alapvető törvényeit használva leírni. Számos biológiai objektum számára a kolloid állapot a létezés formája.
keletkezés megszűnés, stabilitás, kölcsönhatás külső erőterekkel (mechanikai, gravitációs, centrifugális, elektromágneses elektromos mágneses)
Erőterekben és közegben(!) való mozgás
• Erőhatások kolloid rendszerekben (ρ=2 g cm-3)
– gravitáció – Viszkozitás
– Brown-mozgás sebessége
A történet vége a „van der Waals kölcsönhatás”, kiválik
méret/nm 10 1000 100000
v/(cm/s) 2×10-‐8 2×10-‐4 2
Fsurl = 6πηrv =
4r3π ρ − ρ0( )g3
= Fgrav
A Brown-mozgás elhanyagolható?
2 211 4 10 J2
kT mv −= = ×
méret/nm 10 1000 100000
v/(cm/s) 102 10-‐1 10-‐4
Fizikai kémiai előismeretek
• Gibbs-féle fázistörvény F + SZ = K + 2
• 1. példa (megoldás: nem egyensúlyi r.)
– 20 ppm Au oldat (bíbor – kék) méret, alak – 20 ppm cukor oldat (ugyanolyan színű)
• 2. példa – fázishatárok intenzív változói milyenek? – felületi feszültség: a kolloidika felépíthető rá
12
Homogén, heterogén? • homogén, minden intenzív sajátság minden pontban
azonos: izotróp. (5% oldat), állapotegyenlet pl. (p,T,c)
• heterogén, Gibbs-féle fázistörvény, fázishatárok vannak, ahol az
intenzív sajátságok ugrásszerű változást mutatnak
pV nRT=
Kontinuum? pontszerű? A nagyítótól függ?
Példák az ellentmondásra Következtetés: A látvány alapján nem eldönthető: húsleves, kocsonya, tej, sör, puding, kenyér, köd, szmog, talaj, fogkrém, enyv, vér, majonéz, tojásfehérje, opál, szappanoldat, stb.?
A kolloidok nem sorolhatók be sem a homogén sem a heterogén rendszerbe
Hány fázisú?
Homogén rendszerek
Több fázisú
Heterogén rendszerek
2010. 02. 11. 14
História: Homogén vagy heterogén? • Graham: kolloidok, krisztalloidok (XIX. Sz. közepe) • Oldatelmélet (biológusok), szuszpenzió elmélet (talajkémikusok) • Zsigmondy- Siedentopf ultramikroszkóp
• The Nobel Prize in Chemistry 1925 was awarded to Richard Zsigmondy "for his demonstration of the heterogenous nature of colloid solutions and for the methods he used, which have since become fundamental in modern colloid chemistry".
15
Mit láthattak?
http://www.cs.princeton.edu/courses/archive/fall05/cos226/assignments/atomic.html
– Heterogén, Brown mozgás, – Boltzmann-Maxwell energia eloszlás igazolása
16
A méretekről • Kolloidok azok a diszperz rendszerek, amelyekben a méret
legalább egy dimenzióban 1nm és 500 nm között van. • Azok a rendszerek, amelyek viselkedésében a felület meghatározó
szerepet játszik. • A Brown-mozgás szerepe az állapot kialakulásában
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
Kolloidika – felületi kémia (nanotechnológia – manapság)
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
felü
leti
mol
ekul
a/ ö
ssze
s
1 ezrelék1 %
már nem elhanyagolható a felület szerepe
10 %
R<10 nm nanotechnológia más tulajdonságokNő az összes felületi energia
arany szol
kolloid
nano
S/V
„Nano“ görögül = törpe
Változás a tulajdonságokban a méret mia9:
Fémek vezetése ≈ 2 nm Kerámiák átlátszósága ≈ 20 nm Fémek színe ≈ 50 nm Fémek keménysége ≈250 nm Kerámiák alakíthatósága ≈ 500 nm
Molekula - részecske
Ha az A, B, C és D rendszert mint struktúrát tekintjük, akkor az A és D az egyszerűbb struktúra, amelynek a molekula az építőeleme.
A részecske olyan atomi halmaz (kovalens kötésű) vagy molekulahalmaz, amely kinetikai egységet alkot (megfelelő körülmények között önálló transzlációs hőmozgást végez, vagy erőtérben önálló kinetikai egységként mozog, pl. ülepszik)
hQp://www.chem.elte.hu/departments/kolloid/KolloidJegyzet_Ver1.0.pdf
2010. 02. 11. 19
Szubmikroszkópos diszkontinuitások: egyetemlegesség tétele
sûrûség sûrûség
x xWo. Ostwald: A kolloid állapot a kémiai sajátságtól független Buzágh Aladár: szubmikroszkópos diszkontinuitás Ostwald-Buzágh: kontinuitási elmélet: a diszperz rendszer annál stabilisabb, minél jobban illeszkedik a közegbe (felületi feszültség)
A kolloidika (diszperz rendszerek)
• Olyan rendszerek fizikai kémiája melyben a szokásos intenzív változókon túl (p, T, c ) szerepel a méret (eloszlás) az alak és a határfelület
• A részecskék esetében 1-2 nm és 500-1000 nm és a rendszert leíró változásokban a felületi szabadentalpia változás lényeges
• Egy kinetikai egységet képez.
• a kolloidika tárgya a határfelületek, valamint a diszperz rendszerek vizsgálata. A kolloidkémia e rendszerek keletkezését és megszűnését, stabilitását és külső terekkel (mechanikai (nyíró), gravitációs, centrifugális, elektromágneses, elektromos és mágneses térrel) való kölcsönhatását tanulmányozza.
A kolloidok típusai
• Diszperziós kolloidok (Zsigmondy) Liofób – termodinamikailag nem stabilis – nagy felületi energiájú – „irreverzíbilis” rendszer (szeparáció után nem állítható vissza) – Diszpergált anyag (nem folytonos)/diszperziós közeg
(folytonos) • Makromolekulás kolloidok (Graham) Liofil
– termodinamikailag stabilis – makromolekulák valódi oldatai – „reverzíbilis” (kiválás után visszaállítható)
• Asszociációs kolloidok (McBain: micella) Liofil – termodinamikailag stabilis – molekulaegyüttes – „reverzíbilis”, micellák
22
Kolloid rendszerek (szerkezet alapján)
porodin (pórusos)
inkoherens rendszerek önálló részecskék
koherens (kohézív) rendszerek diszperziós, makromolekulás, asszociációs kolloidokból kialakuló
diszperziós k. szolok
makromol. asszociációs
kolloid oldatok
ReYkuláris (hálós)
Spongoid (szivacsszerű)
korpuszkuláris fibrillás lamellás izodimenziós szálas hajtogatott
hártya, lemezes
diszperziós makromolekulás asszociációs liofób liofil liofil
(IUPAC ajánlás)
szerkezetű, gélek, halmazok és pórusos testek
inkoherens (nem kohézív) rendszerek: a részecskék egymástól függetlenek. A közeg folyékony jellege a mérvadó
koherens (kohézív) rendszerek: összefüggő szilárd vázat alkotnak (gélek –– a közeg miaQ)
23
Halmazállapot szerint
Diszperziós kolloidok vagy szolok: diszpergált anyag /diszperziós közeg
Gázközegű: aeroszolok
Folyékonyközegű: lioszolok
Szilárdközegű: xeroszolok.
L/G folyadék aeroszol: köd, permet S/G szilárd aeroszol: füst, kolloid por, légköri aeroszolok, szmog S/L/G
G/L gázlioszol, hab L/L folyadék lioszol, emulzió S/L kolloid szuszpenzió, szolok
G/S szilárd hab: polisztirol hab L/S szilárd emulzió: opál, igazgyöngy S/S szilárd szuszpenzió: pigmentált polimerek
…..+ összetett rendszerek
24
Osztályozás (kinagyítva)
Szol: a részecskék különállóak függetlenül a halmazállapottól! Gél: összekapcsolódó részecskék (mindig koherens)
Megszilárdult közeg, de a részecskék különállóak maradtak nanotech
Spongoid szerkezetek. Kenyérben, sütéskor kémiai kötések alakulnak ki, G/S xerogél, spongoid szerkezet nem különálló buborékok
25
Térháló létrejöhet bármilyen rendszerből:diszperziós, asszociációs, makromolekuláris kolloid
Gél lineáris, alig elágazó polimerből
Gél nagyon elágazó polimer klaszterekből
Agyag kártyavár szerkezet (taktoid)
Bikontinuális mikroemulzió vázlata, spongoid szerkezet „beállt asszociációs kolloid”
Koherens rendszerek (részletek)
26
Asszociációs kolloidok (liofil)
• Felületaktív anyag (szappan, mosószer)
Gömbi micella Amfifil molekulák
Részletek lásd később
2010. 02. 11. 27
Makromolekulás rendszerek (liofób)
Sokkal nagyobbak mint a kis molekulák
Polipeptid makromolekula
A méret és az alak szerepe
Kolloidok osztályozása
a stabilitás alapján
• Termodinamikailag lehetnek – stabilisak (valódi oldatok) Liofil kolloidok
Goldat < G (kiindulási) Makromolekulás oldatok, asszociációs kolloidok
– nem stabilisak (diszperz rendszerek) Liofób kolloidok Gsol > G (kiindulási) Szolok (nagy fajlagos felület, S/V)
• Kinetikailag lehetnek – stabilisak (a vizsgált időtartamon – belül nem változtak) – nem stabilisak:
Példák (előállítás módja)
A kolloidika
• Olyan rendszerek fizikai kémiája melyben a szokásos intenzív változókon túl (p, T, c ) szerepel a méret az alak és a határfelület
• A részecskék esetében 1-2 nm és 500-1000 nm és a rendszert leíró változásokban a felületi szabadentalpia változása lényeges
• a kolloidika tárgya a határfelületek, valamint a diszperz rendszerek vizsgálata. A kolloidkémia e rendszerek keletkezését és megszűnését, stabilitását és külső terekkel (mechanikai (nyíró), gravitációs, centrifugális, elektromágneses, elektromos és mágneses térrel) való kölcsönhatását tanulmányozza.