koloidi 1 dio predavanje studenti 2013-2014
TRANSCRIPT
7/23/2019 Koloidi 1 Dio Predavanje Studenti 2013-2014
http://slidepdf.com/reader/full/koloidi-1-dio-predavanje-studenti-2013-2014 1/14
7/23/2019 Koloidi 1 Dio Predavanje Studenti 2013-2014
http://slidepdf.com/reader/full/koloidi-1-dio-predavanje-studenti-2013-2014 2/14
Primjeri koloidnih stanja (s = kruto; l = kapljevito = plinovito)
kruto/kruto ; s/skruti farmaceutski
preparati
ojač ane plastike
magnetske trake
kruto/kapljevito; s/ldisperzije
suspenzije
lateks
kruto/plinovito; s/gaerosolovi
dim
kapljevito/kruto; l/sgelovi
kapljevito/kapljevito; l/lemulzije
kreme
mlijeko
kapljevito/kruto; l/saerosolovi
magla
sprej
plinovito/kruto; g/s pjenasti produkti
aerogelovi
pjeneć i betoni, porozni
minerali
plinovito/kapljevito; g/l pjene
pjenaste gume
pjenaste kreme
plinovito/plinovito; g/g‐
Međupovršina predstavlja granicu dviju faza koje su međusobno u kontaktu
“Područ je u kojem sustav podliježe prijelazu iz jedne faze u drugu”
kapljevina/plin kapljevina/kapljevina kapljevina/kruto kruto/plin kruto/kruto
Površina: područ
je izmeđ
u kondenzirane faze (S ili L) i plinovite fazeMeđupovršina: područ je između dviju kondenziranih faza
PLINOVITOPLIN
/KAPLJEVINA
KRUTO /KRUTO
KAPLJEVINA/KAPLJEVINA
KRUTO /PLINOVITO
KAPLJEVINA /PLINOVITO
pjene krute pjene
emulzijeaerosol,magla
KAPLJEVINA /KRUTO
KRUTO /KAPLJEVINA
dim suspenzije legure
kontinuirana faza
d i s p e r g i r a n a ( r a s p o d j e l j e n a ) f a z a
PLIN /KRUTO
plinovita kapljevita kruta
p l i n o v i t a
k a p l j e v i t a
k r u t a
• jednostavne koloidne disperzije su dvofazni sustavi kod kojih je disperzna fazaraspodjeljena u disperznom mediju (kontinuiranoj fazi)• solovi i emulzije su najvažnije vrste koloidnih disperzija
suspenzije
Primjer Vrsta Disperzna faza Kontinuirana faza
Disperzni sustavi
magla, sprej, para, dim
cigarete, aerosol sprejevi,
dimni plinovi
kapljeviti ili kruti
aerosolovi
kapljevita ili
kruta
plinovita
mlijeko, putar, majoneza,
asfalt, kozmetičke kreme
emulzije kapljevita kapljevita
anorganski koloidi (zlato,
srebrni jodid, sumpor,
metalni hidroksidi)
solovi ili koloidne
suspenzije
kruta kapljevita
gline, blato, paste za zube slurry (mješavina) kruta kapljevita
opal, biser, obojeno
staklo, plastike s
pigmentima
krute disperzije kruta kruta
pjene kapljevite pjene plinovita kapljevita
kamen plovućac,
pjenaste plastike
krute pjene plinovita kruta
7/23/2019 Koloidi 1 Dio Predavanje Studenti 2013-2014
http://slidepdf.com/reader/full/koloidi-1-dio-predavanje-studenti-2013-2014 3/14
Primjer Vrsta Disperzna faza Kontinuirana faza
Makromolekulni koloidi
žele, ljepilo gel makromolekule otapalo
Asocirani koloidi
sapun/voda
detergent/voda
‐ micele otapalo
Biokoloidi
krv ‐ stanice serum
Trofazni koloidni sustavi
uljem ispunjene stijeneflotacija minerala
dvostruke emulzije
porozni kamen
mineral
uljevoda
vodena faza
voda/kamenzrak
voda
fibrilarnalaminarna korpuskularna
Kocka se može podijeliti u koloidne sustave različitih vrsta
• laminarna: 1 cm3 izreže se u film 10 nm ukupna površina 2·106 cm2
• fibrilarna: 1 cm3 podijeljen u vlakna od10 nm ukupna površina 4·106 cm2
• korpuskularna: 1 cm3 podijeljen u kocke od 10 nm ukupna površina 6·106 cm2
• finije čestice veća je međupovršina između kapljevite i krute faze
Veličina površine mjeri se pomoću specifične površine
u odnosu na masu u odnosu na volumen
• nije neophodno da sve tri dimenzije koloida budu manje od 1 m
• porast energije površine kao posljedica usitnjavanja objašnjava jedinstvena svojstva koloida
• velike čestice• heterogene smjese u kojima sečestice talože stajanjem• čestice se mogu razdvojitifiltriranjem
• manje čestice od suspenzija aliveće od otopina• heterogene smjese u kojima sučestice raspodijeljenje udisperznom mediju i ne talože sestajanjem• čestice se ne mogu razdvojitifiltriranjem
• jako male čestice (ione ilimolekule), homogene smjese• prozirne su• čestice se ne mogu razdvojitifiltriranjem• ne raspršuju zraku svjetlosti
svjetlost prolazikoloidne česticeraspršuju svjetlost
raspršena u svim smjerovima
apsorpcija svjetlosti
Tyndalov fenomen
W. Ostwald
1903 g.
Svaka čestica koja ima linearnu dimenziju između 1 nm i 1
m razmatra sekao koloidna!
• sustavi u kojima su čestice, kapljice ili mjehurići dispergirani u drugoj fazi, anajmanje im je jedna dimenzija veličine 1 – 1000 nm (1m)
• moguće su sve kombinacije između plinova, kapljevina i krutina
Koloidi su heterogene smjese koje se sastoje od najmanje dviju tvari, od kojih je jedna prisutna kao homogeni medij (disperzno sredstvo) a druga je u njojdispergirana u obliku sitnih čestica (dispergirana faza).
Specifična svojstva koloida najviše potječu od izrazito velike površine, odnosnomeđupovršine, na granici između sitnih (koloidnih) čestica i disperznog sustava.
7/23/2019 Koloidi 1 Dio Predavanje Studenti 2013-2014
http://slidepdf.com/reader/full/koloidi-1-dio-predavanje-studenti-2013-2014 4/14
7/23/2019 Koloidi 1 Dio Predavanje Studenti 2013-2014
http://slidepdf.com/reader/full/koloidi-1-dio-predavanje-studenti-2013-2014 5/14
7/23/2019 Koloidi 1 Dio Predavanje Studenti 2013-2014
http://slidepdf.com/reader/full/koloidi-1-dio-predavanje-studenti-2013-2014 6/14
7/23/2019 Koloidi 1 Dio Predavanje Studenti 2013-2014
http://slidepdf.com/reader/full/koloidi-1-dio-predavanje-studenti-2013-2014 7/14
7/23/2019 Koloidi 1 Dio Predavanje Studenti 2013-2014
http://slidepdf.com/reader/full/koloidi-1-dio-predavanje-studenti-2013-2014 8/14
• kada su prisutni u dovoljnoj količini tenzidi stvaraju monomolekulni sloj na površinikapljevine
• film na površini može se zbiti pomoću Langmuirovog klatna za zbijanje filma
• metoda omogućava određivanje
- debljine filma i tlaka filma- srednjeg geometrijskog presjeka adsorbiranih molekula
-općenitih reoloških i elastičnih svojstava filma
- kvantitativno određivanje lateralnih interakcijaadsorbiranih molekula
površina po molekuli
Å2
• promjena tlaka s površinom filma A, izmjerena Langmuirovom metodom može seprikazati pomoću
-A grafa
• grafički prikaz zbijanja filma stearinske kiseline rasprostranjene po površini vode,pokazuje ovisnost površine o smicanju
• na najstrmijem dijelu krivulje može se očitati površina po molekuli, Fo na x-osi
Primjer veli č ine tlaka filma
za film debljine 10-7 cm, tlak filma od 1 mN/m odgovara unutarnjemtlaku od 107 mN/m ili 10atm.
Primjer prorač una površine molekule tenzida:
5 cm3 masne kiseline rel. M.m. 300 i relativne gustoće 0,9rasprostranjeno je preko pola površine vode (~2x107 cm2) i stvaramonosloj:
Tenzidi (površinski aktivne tvari) jesu organski spojevi koji otopljeni u vodi smanjuju silekoje djeluju na granici faza nastojeći površine tih graničnih ploha što više smanjiti. Tenzidisu molekule koje djeluju kao premoštenja između polarnih i nepolarnih molekula, i na tajnačin značajno povećavaju topljivost. To je posljedica preferiranih interakcija prisutnihpolarnih/ ionskih krajeva tenzida s polarnim molekulama, i preferiranih interakcijanepolarnih krajeva tenzida, s nepolarnim molekulama
Osnovna im je primjena kao: sredstva za močenje, detergenti, sredstva za formiranjefilma, disperzanti i emulgatori
Ovisnost strukture i potencijalne primjene
formiranje filma, disperzanti i emulgatori
Sredstvo za kvašenje:a) razgranati lanci s centralnom
hidrofilnom skupinom
Sredstvo za pjenjenje:
b) kratki hidrofobni lanac s krajnjomhidrofilnom skupinom
hidrofobni lanac srednje duljines krajnjom hidrofilnom skupinom
Detergent:
dugački hidrofobni lanac s krajnjom
hidrofilnom skupinom
ovakva podjela služi samo za grubu procjenu primjene tenzida
Kemijska struktura različitih vrsta površinski aktivnih tvari:
Vrsta Hidrofilni Primjer Nazivsupstituent
sapuni, solimasnih kiselina
anionska
kationska
neionska
aktivnaH veza
sulfatimasnih alkohola
alkil sulfonati
alkil aril sulfonati
masni acetiliraniaminoetil sulfonati
alkiltrimetil-amonijev klorid
N -alkil betain
polietilen oksidni
alkil eter polietilen oksidnialkil aril eter
masni akril derivatitrimetilolamino--metana
zwitterionski
7/23/2019 Koloidi 1 Dio Predavanje Studenti 2013-2014
http://slidepdf.com/reader/full/koloidi-1-dio-predavanje-studenti-2013-2014 9/14
• Prema električnom naboju hidrofilnog dijela molekule tenzidi se mogu podijelitina: anionske, kationske, neionske i anionsko-kationske (neutralne)
• Tenzidi se ubrajaju u vrstu asociranih koloida
• Tenzidi imaju vrlo široku primjenu
• nazivaju ih “dvoličnim molekulama” zbog njihove dvojake prirode skupinaliofilnog i hidrofilnog karaktera
• ANIONSKI TENZIDI- tvari u kojima je aktivna skupina negativno nabijena, tvore najbrojniju skupinu tenzida, jer oko 50% svih detergenata sadrži alkilarilsulfonate a oko 20% sadrži sulfate primarnihalkohola
• KATIONSKI TENZIDI- tvari u kojima je aktivna skupina pozitivno nabijena, imaju tendenciju da se u vodenoj
otopini adsorbiraju na negativno nabijene čestice- tu se ubrajaju npr. kvarterne amonijeve soli, alkilaminske i alkilpiridinske soli i dr.
• NEIONSKI TENZIDI- tvari koje ne ioniziraju u vodenoj otopini a topljivost u vodi ovisi im o skupinama u
molekuli koje imaju jak afinitet prema vodi- tu se ubrajaju npr. esteri i eteri polialkohola, alkilpoliglikol eteri i dr.
• NEUTRALNI TENZIDI (anionsko-katonski ili zwitterionic)- u ovu skupinu ubrajaju se spojevi kojima vodena otopina reagira neutralno, a nastaju
reakcijom neutralizacije između stehiometrijskih količina anionskih i kationskih tvari
• tenzidi snižavaju napetost površine kapljevine
Koncentracija g/l
N a p e t o s t p o
v r š i n e m N / m
ovisnost napetosti površine o koncentraciji
natrijev dibutilnaftalensulfonat
natrijev dioktilsulfokcinat
natrijev dodecilbenzensulfonat(razgranati lanci)
N a p e t o s t p o v r š i n e
m N / m
sredstvo za kvašenje 1
Vrijeme
min
sredstvo za kvašenje 2
sredstvo za kvašenje 3
sredstvo za kvašenje 4
promjena napetosti površine s vremenom ‐
otopina s 0,1 g/l različitih sredstava za kvašenje (tenzida)
soforolipid
emulzan (n: 840)
surfaktin ( < 25 mN/m)
• općenito se tenzidi slabo razgrađuju, ali to nije dovoljno da bi zadovoljili stroge zakone
• tenzidi su toksični za ribe kao rezultat njihove površinske aktivnosti,snižavaju razinu kisika u vodi
• razvoj biorazgradivih tenzida (biotenzida) od izuzetne je važnosti
B I O T E N Z I D I
- od velikog je interesazbog male napetostipovršine
- emulgator, koji se potpunoadsorbira na međupovršinivoda/ulje
- netoksičan je i razgradiv
- pokriva gotovo čitavo područ je HLBvrijednosti
7/23/2019 Koloidi 1 Dio Predavanje Studenti 2013-2014
http://slidepdf.com/reader/full/koloidi-1-dio-predavanje-studenti-2013-2014 10/14
• Biotenzidi su 4-5 puta skuplji od uobičajenih tenzida, a s obzirom na visokuučinkovitost - isplativi su
• alternativu biotenzidima predstavljaju tenzidi dobiveni iz saharida: esterisorbitan masnih kiselina, esteri masnih kiselina saharoze i poliglikozidi masnih
alkohola
• Henkel je započeo s proizvodnjom alkilpoliglukozida
- sintetiziran iz masnih alkohola (C 8 – 14) i glukoze- prednost mu je izvrsno djelovanje kao sredstvo za pranje i kompatibilan je s
kožom
alkilpoliglukozid
• Kohezija – je mjera privlačenja između istovrsnih molekula (A i A)
• Adhezija – je mjera privlačenja između različitih molekula (A i B)
A
jediničnapovršina
i
AB
A
B
A
A
A
Rad kohezije WC
• rad potreban da se prevladaju sile priv lačenja izmeđuistovrsnih molekula kapljevine (ili krutine)
nastaju dvije nove površine s napetosti površine A
Rad adhezije WA
• rad potreban da se prevladaju sile privlačenja između dvije
različite molekule u kapljevini (ili krutini) jednaka je novostvorenoj napetosti površine
A + B umanjenoj
za međupovršinsku napetost AB
ABBAA W
Dupréova jednadžba
AC 2W
SL
S
L
SLLVSVA W
Rad adhezije za kapljevinu i krutinu je
• Ako se kapljicu vodonetopljive tvari kao što je oleinska kiselina postavi napovršinu vode, ona će se ponašati na jedan od tri načina:
• preostati će u obliku leće (slika a)
• može se razliti u tanki film tako da je cijela površina prekrivena “dvostrukim”
filmom – dvostruki film je dovoljno debeo da su dvije međupovršine film/zrak ikapljevina/film neovisna jedna od druge i svaka od njih ima svojukarakterističnu napetost površine
• može se razliti u monosloj u ravnoteži s lećom ulja (slika b)
a) kapljica ulja koje se ne razlijeva na vodi b) razlijevanje n‐heksanola na vodi
zasićena otopina n-heksanola u vodi
zrak
uljevoda
zrak
n-heksanol
7/23/2019 Koloidi 1 Dio Predavanje Studenti 2013-2014
http://slidepdf.com/reader/full/koloidi-1-dio-predavanje-studenti-2013-2014 11/14
• ako je afinitet molekula ulja jedne prema drugoj veći od afiniteta ulja prema vodi- ne dolazi do razlijevanja
• nasuprot tome, ako je veći afinitet molekula ulja prema vodi nego afinitet molekuleulja prema drugoj molekuli
- ulje će se razlijevati po vodi
DO RAZLIJEVANJA DOLAZI KADA JE RAD ADHEZIJE VEĆI OD RADA KOHEZIJE
• ova razlika je poznata kao koeficijent razlijevanja S:
• razlijevanje se događa kada je S 0
to je onda kada je suma slobodnih energija nove površine i nove međupovršinemanja od slobodne energije stare površine
ili
• za razlijevanje kapljevine po krutini S je:
• koeficijent razlijevanja od značajne je važnosti za formulacijske kemičarekod problema kvašenja – u disperzijamakod čišćenja s detergentimaadhezije na različite supstrate itd.
• prethodna rasprava razlijevanja kapljevine preko kapljevine ograničena je napočetno razlijevanje
• prije uspostavljanja ravnoteže, površina vode postaje zasićena s kapljevinom kojase razlijeva i koja i sama postaje zasićena vodom
kada se događa međusobno zasićenje
BAi
Bse izmjenjuju, S se može
smanjiti pa čak postati i negativanTo znači :
da se međupovršinska napetost treba mjeriti nakon uspostavljanjaravnoteže odnosno u uvjetima međusobnog zasićenja
• amfipatični tenzidi adsorbiraju se na međupovršini
• tijekom njihove akumulacije na međupovršini ulje/voda (O/V) one djeluju kao premoštenjeizmeđu polarne i nepolarne faze
• Adsorpcija tenzida u binarnom sustavu može se kvantificirati osnovnomGibbsovom jednadžbom:
- povećana koncentracija tenzida na međupovršini [mol/cm2]R –opća plinska konstanta 8,314 [J/Kmolc – koncentracija u mol/l]
• vrijednost ukazuje na promjenu
s koncentracijom tenzida u unutrašnjosti kapljevine
• sniženje napetosti površine po jediničnoj koncentraciji tenzida vodi prema pozitivnoj vrijednosti, što znači da se tenzid akumulira na međupovršini
• ako nam je poznata ta vrijednost povećane za danu konc. tenzida u kapljevini, tada jumožemo koristiti za proračun površine koju zauzima svaka molekula na međupovršini
• ako se tenzidi koji tvore topljivi monosloj dodaju u kapljevinu u količini koja će izuzevmeđupovršine dovesti i do zasićenja unutrašnjosti kapljevine tada će suvišak česticaagregirati i nastati će micele
• micele su veličine koloida i nisu površinski aktivne
• kapljica kapljevine na ravnoj krutoj površini može se razliti preko površine ilipreostati kao kapljica na površini i zatvarati određeni kontaktni kut s površinom
Kontakni kut izmeđukapljice i krutine
7/23/2019 Koloidi 1 Dio Predavanje Studenti 2013-2014
http://slidepdf.com/reader/full/koloidi-1-dio-predavanje-studenti-2013-2014 12/14
• sile koje djeluju između kapljevine i krutine uključuju tri međupovršine; kruto-kapljevina (SL), kapljevina-para (LV) i kruto-para (SP)
• sile koje djeluju na periferiji kapljice č
ine kontaktni kut
s krutom površinom
- kontaktni kutS - krutoL - kapljevinaV (ili A) – zrak, para, plin
Termodinamičko kvašenje:
• ovisnost komponenata površinskih napetosti i ravnotežnog kontaktnogkuta definira termodinamičko kvašenje, što opisuje dobro poznata
Youngova jednadžba:
• Youngova jednadžba • Dupréova jednadžba
• Young-Dupréova jednadžba
• veza termodinamičkog rada adhezije, W A , kontaktnog kuta i napetosti površinekapljevine
• pokazuje da postoji odnos između veličine kontaktnog kuta (kvašenja) i
jakosti interakcija
Krutina Energija površine
(mN/m)
bakar 1100
srebro 900
aluminij 500
željezo 1700
staklo 73
nylon 46
PVC 40
polistiren 33
polietilen 31
Teflon 18,5
• polarna kapljevina kvasiti će polarnu krutinu
• kapljevine niske napetosti površine kvasiti će krutine visokeenergije površine, ali kapljevine visoke napetosti površineneće kvastiti površine niže energije
• kapl jevina niske napetosti površine može samo kvasiti i“vezati se” za krutinu visoke energije površine ako suintermolekulne sile između krutine i kapljevine slične onima ukapljevini
• specifična energija površine može se podijeliti na č lanove za
nepolarne ( d, disperzijske sile) i polarne ( p, polarne sile)interakcije
• u kontaktu kapljevine i krutine dva se č lana moraju uzeti kaoaditivna
• npr. voda L= 72,8 mN/m; d= 21,8 mN/m; p= 51,0 mN/m –neće se razlijevati (kvasiti) grafitu, željezu, bakru ili srebruiako su njihove energije površina znatno veće od vode
• nepolarne kapljevine kao što je npr. dijodometan imaju
samo disperzijsku komponentu L= 50,8 mN/m; d= 50,8
mN/m; p= 0,0 mN/m
Utjecaj energije površine krutine na kvašenje
Napetost površine mN/m (20o C)
K on t ak t ni k u t
o
c o s
polietilen
parafina) b)
c
• određivanje energije površine može biti problematično
• jedan od načina je da se mjeri kontaktni kut koji zatvara krutina s kapljevinamahomologne serije kojima se smanjuje napetost površine
• napetost površine kapljevine koja potpuno kvasi krutu površinu ( = 0 tj. cos=1) naziva
se krit ičnom napetosti površine krutine c i pretpostavlja se da je jednaka površinskojnapetosti krutine (slika) (Zismanov model kritične napetosti površine)
• međutim, ako se mjeri sa serijom polarnih i
nepolarnih kapljevina, vrijednosti c se razlikuju
• tako npr. izmjerena vrijednost za parafin spolarnim kapljevinama iznosi 15 mN/m a snepolarnim iznosi 22 mN/m
• razlog je u tome što kondenzirana faza sadržirazličite energijske č lanove
= d + p
d - č lan disperzijskih sila
p - č lan polarnih sila
7/23/2019 Koloidi 1 Dio Predavanje Studenti 2013-2014
http://slidepdf.com/reader/full/koloidi-1-dio-predavanje-studenti-2013-2014 13/14
Uređaj za mjerenje kontaktnog kuta(goniometar)
testne kapljevinepoznatih vrijednosti d,p,
voda (polarna),
diiodometan (nepolarna); T=konst.
sd i s
p
s = sd + s
p
cos
+modeli za određivanje ij
Youngova jednadžba
ps
pl
d s
d l lv
22)cos1(
Uvođenjem pretpostavke u Youngovu jednadžbu dobije se jednadžba modela:
Pretpostavka:
pd
- slobodna energija međupovršine, sl, jednaka je geometrijskoj sredinislobodnih energija površina pojedinih faza s i l:
ps
pl
d s
d l l ssl
22
- aditivnost komponenata slobodne energije površine
12W ps
pl
ps pl d s
d l
d sd l lv
441 )cos(
Uvođenjem pretpostavke u Youngovu jednadžbu dobije se jednadžba modela:
Pretpostavka:
pd
- slobodna energija međupovršine, sl, jednaka je harmonijskoj sredinislobodnih energija površina pojedinih faza s i l:
ps
pl
ps
pl
d s
d l
d s
d l
l ssl
44
- aditivnost komponenata slobodne energije površine
12W
7/23/2019 Koloidi 1 Dio Predavanje Studenti 2013-2014
http://slidepdf.com/reader/full/koloidi-1-dio-predavanje-studenti-2013-2014 14/14
)()cos(
l sl s LW l
LW sl
21
Pretpostavka
AB LW
- da je ukupna energija međupovršine jednaka sumi LW - Lifshitz-van der Waals-ovih sila(uključuju Keesom i Debay sile) i doprinosu kiselo/baznih sila AB (kratkog djelovanja,posljedica su kiselo-baznih interakcija (H veza je vrsta kiselo-baznih interakcija)
- doprinos kiselo-baznih interakcija (AB) može se prikazati kao produkt elektronakceptorske (+) elektron donorske (-) komponente
LW l
LW s
LW sl
2 )()( l sl s
ABsl 22
)( l sl s
LW l
LW sl ssl
2
Uvođenjem pretpostavke u Youngovu jednadžbu dobije se jednadžba modela:
12W
Kiselo bazne komponente energije površine biti će jednake nuli kada jematerijal ili mono-funkcionalan ( ili )ili inertan ( )0
0
0