Kolloidkémia 5. előadás Határfelületi jelenségek II. Folyadék-folyadék, szilárd-folyadék határfelületek. Szőri Milán: Kolloidkémia

Átírás

1 Kolloidkémia 5. előadás Határfelületi jelenségek II. Folyadék-folyadék, szilárd-folyadék határfelületek 1

2 Határfelületi rétegek 2 Pavel Jungwirth, Nature, 2011, 474,

3 / határfelületi jelenségek 3

4 Antonov szabály a részecskékre ható erő a felületen aszimmetrikus, a felületi feszültség a két folyadékra jellemző érték (γ 1, γ 2 ) közé esik: γ 12 = γ 1 γ 2 Eltérés csak amifipoláris molekuláknál Felületaktív molekula csökkenti a határfelületi feszültség csökkentésére (molekulákat orientál) γ 1 γ 2 γ 1 γ 2 γ 12 Eltérés! Felületaktív molekula 4

5 Határfelületi feszültség mérése Donnan-féle sztalagmométer (mérés Donnan pipettával) V: a Donnan-pipetta két jele közötti térfogat, r: a pipetta végének belső sugara, F: korrekciós függvény n: cseppszám ismerete γ 12 = V ρgf nr ρ 1 ρ = ρ 2 -ρ 1 > 0 ρ 2 5

6 G /G határfelületi jelenségek 6

7 Oldatok felületi feszültsége G Kapillárinaktív anyagok dγ dc > 0 dγ dc < 0 dγ dc < 0 dγ dc > 0 Pozitív adszorpció felületaktív anyagok Kapilláraktív anyagok Negatív adszorpció Chem. Rev. 2006, 106, Kapillárinaktív anyagok 7

8 Ionos oldat (elektrolit) koncentráció profilja G Ionadszorpció (töltés!) Chem. Rev. 2006, 106,

9 Adszorpció /G határfelületen G 9

10 Határfelület szerkezetvizsgálata G Kísérleti eszközök: Nagynyomású fotoelektron spektroszkópia (HiPPE) Nemlineáris elektron és rezgési spektroszkópiák (HG, VFG) Pásztázó elektronmikroszkóp (EM) Ionágyú kísérletek Metastabil ütközési elektronspektroszkópia (MIE) zimulációk: Molekuladinamikai szimulációk (MD) 10

11 Felületi feszültség mérése G 11

12 Gyűrűkiszakításos módszer G γ = F max 4rπ F max F t 12

13 emezkiszakításos módszer G γ = F Kcosθ K: kerület 13

14 / határfelületi jelenségek 14

15 Folyadékadszorpció gyakorlati jelentősége / határfelületen történő feldúsulás igen sok (ipari) technológia alapja: folyadékkromatográfiás eljárásoknak, hasznosítják a heterogén katalízisben víztisztítási eljárás, oldószerek megtisztítása kis mennyiségű szennyezőktől színtelenítés (pl. az élelmiszeriparban) festés (textilipar), flotálás (pl. ércdúsítás) olajkitermelés mosás 15

16 Immerziós entalpia (ΔH w ) Hasonlóan a G/-hoz, a / folyadékfázis molekulái is igyekeznek a többletenergiát csökkenteni a szilárd fázis felületén a korábbi (/G) határfelületi réteg helyett egy (/) határfelület jön létre, melynek termodinamikai következménye a folyamat során fellépő exoterm hőeffektus: H w = H / H /G Összefüggés a felületi feszültség (γ /G ), peremszög (θ) és az immerziós entalpia között: dcosθ H w = Tγ /G dt 0 (γ /G T dγ /G dt )cosθ (γ /G T dγ /G dt )cosθ Adamson, A. W.; ing, I. AdV. Chem. 1964, 43, Melrose, J. C. J. Colloid ci. 1965, 20, 801.

17 Többkomponensű folyadékok adszorpciója / kontaktus létrehozásának pillanatában valamennyi felületi kötőhely borított folyadékfázis molekulái versengenek a felületi kötőhelyekért, erősebb kölcsönhatást mutató komponens(ek) felületi feldúsulása kicserélődési mechanizmussal a folyadékfázison belüli kölcsönhatások és a folyadékfázis komponenseinek a határfelülettel kialakított kölcsönhatásai határozzák meg. 17

18 Elegyadszorpciós többletizotermák I. Kétkomponensű korlátlanul elegyedő folyadékok esetén: 18

19 Elegyadszorpciós többletizotermák II. tömbfázis és a határfelületi réteg összetétele megegyezik: 0 19

20 Elegyadszorpciós többletizotermák III. chay Nagy-féle osztályozás többletizotermák egyedi izotermák

21 Elegyadszorpciós többletizotermák IV. Fajlagos felületigény meghatározás Fiziszorpció esetén feltételezhető a monomolekulás adszorbeált réteg Az adszorbens fajlagos felületét (A s ): (A s ) 21

22 Elegyadszorpciós többletizotermás példák aktív szénen (apoláris) Paligorszkitonon (poláris) többletizoterma : etanol-benzol egyedi izoterma : n-propanol-benzol i-propanol-benzol 22

23 Adszorpciós többletizotermák Híg oldatok esetén (x i 0): gázadszorpciós izotermák: Hasonló izotermák a gázadszorpciós izotermához: I. típus III. típus VI. típus 23

24 Adszorpciós többletizotermák értelmezése 24

25 Nagyméretű planáris festékmolekulákat gyakran alkalmaznak a fajlagos (külső) felület becslésére 25

26 G G// határfelületi jelenségek 26

27 zilárd felületek kontakt nedvesedése G Tapasztalat: Elméleti háttere: γ /G γ /G γ / Young-egyenlet: γ /G = γ / + γ /G cosθ (Hidroapatikus vagy lipoaptikus) Víz hidrofil felületen 27

28 Peremszög mérés a nedvesedés mértéke G zétterítő szilárd felület zétterülő folyadék Peremszög Víz Higany zén-tetraklorid Platina 0 Hevített üveg <2 Üveg < Kvarc 5 0 Grafit 86 Polietilén 90 Korom 95 0 Parafin

29 Kapilláris hatás γ /G γ /G G Üveg Üveg γ / γ /G = γ / + γ /G cosθ Egyensúly rendszerekben mindig: γ>0 θ cosθ Viszonyok Értelmezés Elnevezés <90 Pozitív γ /G > γ / Kisebb munka kell a folyadékszilárd felület kialakításához mint a szilárd-gázéhoz Adhézió 90 0 γ /G = γ / >90 Negatív γ /G < γ / Kisebb munka kell a szilárd-gáz felület kialakításához mint a szilárd-folyadékéhoz Kohézió Adhézió Kohézió 29

30 Felületi érdesség szerepe: Nanomorfológia G 14 μm átmérő 30 μm magasság n-hexatriakontán kristályok 30

31 ótusz effektus a festékgyártásban G Peremszög hiszterézis: 31

32 32