A kolloidika tárgya, a kolloidok osztályozása rendszerezése

Bányai IstvánDE Fizikai Kémiai Tanszék

www.fizkem.unideb,www.kolloid.unideb.hu

Gyógyszerész 2017.09.12.

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 erősebb”)– Multi-funkcionális anyagok (biológiai makromolekulák,

immunreakciók)– Mosás, tisztítás, ragasztás technológiája– Szorpciós jelenségek, környezeti és agrokémia

• Nanotechnológia– A fluoreszcencia méretfüggő– TiO2 katalitikus aktivitás– Gyógyszer leadás– Gyógyszer felszívódás

Az előadások anyaga 1• 1. A kolloid rendszerek osztályozása, jellemzése.

•

• 2. Méret, méreteloszlás. Átlagok. Molekuláris kölcsönhatások.

• 3. Határfelületi jelenségek: fluid határfelületek felületi feszültség

• 4. Folyadék –folyadék, szilárd-gáz, szilárd folyadék

• határfelületek. Adszorpció és orientáció a határfelületen.

• 5. Felületvizsgáló módszerek. Szorpciós izotermák. Adszorpció oldatokból. Elektromos kettősréteg.

• 6. Az elektromos kettősréteg szerkezete. Elektrokinetiusjelenségek. Kolloidok felülete.

•

Az előadások anyaga 27. Kolloidok stabilitása, stabilizálása és megbontása.

8. Diszperziós kolloidok: inkoherens szolok.

9. Koherens rendszerek: gélek.

10. Asszociációs kolloidok. Tenzidek, tisztítás, mosás.

11. Makromolekuláris kolloidok. Polimerek, műanyagok, nanokapszulázás.

12. Reológia, inkoherens és koherens rendszerek viselkedése mechanikai erőtérben

13. Összefoglalás, gyakorlatelőkészítés, vizsgák rendszere

Előadások anyaga 3

• 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.

• Bárány Sándor: A kolloidkémia alapjai (II. Rákóczi Ferenc, Kárpátaljai Magyar Főiskola, Beregszász, jegyzet)

Hozzáférhető irodalmak

Vizsgakövetelmények

• Vizsga minimum követelmény:

Órai anyag +Patzkó Ágnes: A kolloidika alapjai (SZTE ff. szakképzés)

Óravázlat megtalálható: www.kolloid.unideb.hu

A vizsgakérdések mintái a honlapon megtalálhatók! “A” vizsga írásbeli. (számítások)“B” vizsga írásbeli. (számítások)“C” vizsga bizottság előtti szóbeli lehetőség.

A kolloidika tárgya

• Olyan rendszerek fizikai kémiája melyben a szokásos intenzívváltozókon túl (p, T, c ) szerepel a

– a méret

– fajlagos felület

– alak

A részecskék esetében 1-2 nm és 500-1000 nm és a rendszertleíró változásokban a felületi szabadentalpia-változás lényegesszerepet játszik.

A nagy molekulák és kicsi részecskék tudománya.

2010. 02. 11. 10

Biológia

Kémia

Fizika

szerves

Fizikai kémia

biokémia

Kolloidika

A kolloidika helye: interdiszciplináris

A kémiai összetételtől függetlenül, a rendszereket, a fizika alapvető törvényeit használva írja le. Számos biológiai objektum számára a kolloid állapot a létezés formája.

keletkezésmegszűnés,stabilitás, kölcsönhatás külső erőterekkel(mechanikai, gravitációs, centrifugális, elektromágneseselektromosmágneses)

Erőterekben és közegben(!) való mozgás

• Erőhatások kolloid rendszerekben:

– 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

F

surl= 6phrv =

4r 3p r - r0( )g

3= F

grav

A Brown-mozgás elhanyagolható?

2 2114 10 J

2kT mv

méret/nm 10 1000 100000

v/(cm/s) 102 10-1 10-4

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

Heterogénrendszerek

2010. 02. 11. 14

História: Homogén vagy heterogén?

• Graham, 1860: 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

http://www.wyatt.com/library/theory/understanding-multi-angle-static-light-

scattering.html

–Heterogén, Brown (1827, botanika) mozgás,

–Boltzmann-Maxwell energia eloszlás igazolása (Perrin 1908)

16

A méretekről

• Kolloidok azok a diszperz rendszerek, amelyekben a méretlegalább egy dimenzióban 1nm és 500 nm között van.

• Azok a rendszerek, amelyek viselkedésében a felület meghatározószerepet játszik.

• A Brown-mozgás szerepe van az állapot kialakulásában

m

nm

1010 810 610910 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 m

ole

kula

/ összes

1 ezrelék1 %

már nem elhanyagolható a

felület szerepe

10 %

R<10 nm nanotechnológia más tulajdonságokNő az összes

felületi energia,

mert munkát

végzünk

arany szol

kolloid

nano

S/V

„Nano“ görögül= törpe

Változás a tulajdonságokban a méret miatt:

Fémek vezetése ≈ 2 nmKerámiák átlátszósága ≈ 20 nmFémek színe ≈ 50 nmFémek keménysége ≈250 nmKerámiák alakíthatósága ≈ 500 nm

Molekula – részecske-fázis

Ha az A, B, C és D rendszert mintstruktúrát tekintjük, akkor az

A (elhanyagolható felület: F+Sz = K+2) és D (nincs felület) 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)

http://www.chem.elte.hu/departments/kolloid/KolloidJegyzet_Ver1.0.pdf

2010. 02. 11. 19

Szubmikroszkópos diszkontinuitások:egyetemlegesség tétele

sûrûség sûrûség

x x

Wo. Ostwald: A kolloid állapot a kémiai sajátságtól függetlenBuzágh Aladár: szubmikroszkópos diszkontinuitásOstwald-Buzágh: kontinuitási elmélet: a diszperz rendszer annál stabilisabb kinetikailag, 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 hozzájárulása 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 (osztályozás)

• 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 rendszerekönálló részecskék

koherens (kohézív) rendszerekdiszperziós, makromolekulás, asszociációskolloidokból kialakuló

diszperziós k.

szolok

makromol. asszociációs

kolloid oldatok

Retikuláris(hálós)

Spongoid(szivacsszerű)

korpuszkuláris fibrillás lamellásizodimenziós szálas hajtogatott

hártya, lemezes

diszperziós makromolekulás asszociációs

liofób 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 miatt)

23

Halmazállapot szerint

Diszperziós (liofób) 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

Koherens!!!!

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

„Nem klasszikus kolloidok”

Termodnamikailag stabilis rendszerek

26

Asszociációs kolloidok (liofil)

• Felületaktív anyag(szappan, mosószer)

Gömbi micella

Amfifil molekulák

Részletek lásd később

2010. 02. 11. 27

Makromolekulás rendszerek (liofil)

Sokkal nagyobbak mint a kis molekulák

Polipeptid makromolekula

A méret és az alak szerepe

Kolloidok osztályozásaa stabilitás alapján

• Termodinamikailag lehetnek– stabilisak (valódi oldatok) Liofil kolloidok

Goldat < G(p,T) (kiindulási)

Makromolekulás oldatok, asszociációs kolloidok– nem stabilisak (diszperz rendszerek) Liofób kolloidok

Gsol > G (p,T) (kiindulási)

Szolok (nagy fajlagos felület, S/V)

• Kinetikailag lehetnek– stabilisak (a vizsgált időtartamon – belül nem változtak) inertek– nem stabilisak (labilisak):

Kinetikailag

Példák (előállítás módja)

A kolloidika tárgya(i)

• 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.