Asszociációs kolloidok

Átírás

1 Asszociációs kolloidok Berka Márta

2 Felületaktív anyag (szappan, mosószer, tenzid) Asszociációs kolloidok Amfifil molekulák The hydrophobic part is most often a chain of carbon-hydrogen. If the hydrophilic part is large enough, the surfactant becomes water-soluble, and if the hydrophobic part dominates, the molecules tend to gather at surfaces between water/air Gömbi micella McBain

3 Definíció Olyan részecskék, amelyek amfifil molekulák asszociációjával önként alakulnak ki, azaz termodinamikailag stabilak. a 0 l c Ha egy tenzid molekulából, amely fejcsoport területe a, és térfogata v, N darab alkot egy micellát, akkor a gömbi micella maximális sugara R kiszámítható, és ez az alkil lánc maximális (azaz teljesen kinyújtott) l hosszával azonos. Volume= Nv = 4/3πR volume / area = l / 3 3 Area = Na = 4πR 2 Gömbi micelláknál teljesülnie kell, hogy 3v / a l Ajánlott helyek: átrendezve: v al 1 3

4 Micellák lehetséges alakja A tenzid alakja és mérete, HLB értéke és a közeg minősége fontos kiindulási pont l c a 0 v/(l c a 0 ) l c : a tenzid hossza a 0 : a poláris fej területe v : a molekula térfogata 0 1/3 1/3 1/2 1/2-1 >1 gömbi micella hengeres micella lemezes micella inverz micella

5 A tenzid alakja és mérete, HLB értéke, koncentrációja és a közeg minősége fontos kiindulási pont

6 Hengeres micellák Második cmc, a hengeres micellák képződése, (a kolligatív sajátságokban újabb törés van)

7 Lamellar, nematice and isotropic phases as a function of temperature in lyotropic rod-polymer solutions.

8 A felületaktív anyagok felosztása Anionos (Negative charge) Zsírsavak sói, alkíl szulfonsavak, alkil (aril) foszfátok Kationos (Positive charge) alkíl ammónium sók, aminok Amfoter (ikerionos) (Charge depends on ph) proteinek, biomolekulák, betain-tipusú Nemionos (No charge) éterek, zsírsavészterek, savamidok Ikertenzidek (twin)

9 Nonionic A lecitin szerepe az állati sejt hártya permeabilitásában jelentős (a cmc kevésbé éles mint a tenzideknél, de a felületaktivitás erős) E322 sorbitan Sorbitan monostearate (Span 60) food and healthcare products, and is a non-ionic surfactant with emulsifying, dispersing, and wetting properties E491

10 Semlegesek (nem-ionosok) The head The tail,c12 to C14 The structure of the glucoside molecule Glucopon is a low-foaming surfactant is an aqueous dispersion of both a-d-glucoside and b-d- glucosides that are based upon a mixture of natural fatty alcohols with linear backbones of C12 to C14. Pure Glucopon is a thick white liquid with quite a high viscosity. This mixture exhibits good wetting and cleaning properties and is therefore usually used as a dishwashing- and laundry detergent A molekula alakja úgy változik, hogy kifelé a poláris, befelé az apoláris csoportok vannak, vízben H -kotesek! Nem felhabzó diszpergálószerek

11 A koncentrációt növelve, a felület megtelik illetve a közegben elindul a micella képződése. (Hogy melyik indul be hamarabb az az oldhatóságtól függ.) Ezt a koncentrációt nevezzük kritikus micella képződési koncentrációnak. Critical Micelle Concentration (CMC).

12 Miért képződik a micella? Kölcsönhatások: víz-víz : ΔG 1 amfifil - víz: ΔG 2 (hidrofil rész-víz, hidrofób rész-víz) olaj-olaj (hidrofób-hidrofób, micellán kívül elhanyagolható, micellán belül nagyobb): ΔG 3 ΔG micelles = ΔG 1 + ΔG 3 + ΔG 2 (mindegyikben vonzás van, azaz ΔH negativ) Entrópia hatás: a víz cibotaktikus szerkezete növeli a rendezettséget, a tenzid megtöri ezt a szerkezetet, az eredő entrópia hatás nem jelentős A liofil rész mozgékonysága nagyobb a micellán belül, az eredő entrópia nő, a hatás nagyobb mint az előzőben. A cmc-t mint a kis molekula oldhatóságának a határát is felfoghatjuk. A koncentráció növelésével: ΔG 2 nő de a ΔG 1 csökken, mert a szabad víz csökken, amikor már a ΔG 2 növekedése nem fedezi a ΔG 1 csökkenését, képződik a micella, ahol kevesebb víz kell a hidratációhoz, azaz a ΔG 1 csökkenés kisebb. X X darab tenzid + x darab hidrát burok X darab tenzid + egy nagyobb, hidrát burok, több szabad viz

13 A CMC és a szénlánc I. Ami a molekula oldhatóságát csökkenti csökkenti a cmc-t, és forditva is igaz. Number of carbons CMC mol m Number of monomer Nagyobb asszociációs hajlam kisebb CMC Nagyobb szolvatáció nagyobb CMC 2 4 c / π l a = N 0 monomer CMC meghatározása, logk ~log c; lambda~c 1/3 1. Aggregáció csökkenő viszkózus ellenállás, 2. effektív töltés, 3. diffúz ionatmoszféra csökkenti a mozgékonyságot For a homologous series of linear single-chain surfactants the CMC decreases logarithmically with carbon number n C : log 10 (CMC)=A-Bn C. Where A and B are constants for a particular homologous series and temperature, and n C is the number of carbon atoms in the chain, C n H 2n+1. However cmc reaches a limit after 18, probably because of the chains nonlinearity

14 Micella Na + Szénlánchossz nő micella mérete nő cmc csökken Sóhatás cmc csökken micella maximális sugara R az alkil lánc maximális (azaz teljesen kinyújtott) l hosszával azonos

15 Sóhatás (SDS). C(NaCl)/mol dm -3 CMC mol m -3 Magyarázat: a fejcsoportok közötti taszítást az ellenion kompenzálja, illetve csökkenti az oldhatóságot A micella képződést ionosnál gátolja a: melegítés, a töltés, elektrolit Minden szennyezés, elektrolit, amely a disszociációt csökkenti, csökkenti a tenzid oldhatóságát (ΔG 2 ), a CMC csökken

16 Eltérő hatás az ionos és nemionos tenzidekre Az ionosoknál megnő az oldhatóság a cmc-től Kraft hőmérséklet. A nem-ionosoknál, csökken az oldhatóság, a hidrogén hidak felszakadása miatt, felhősödési vagy zavarodási pont.

17 Cmc meghatározása ionos micelláknál a vezetőképesség alapján Hatások lambda 8E-3 7E-3 6E-3 5E-3 4E-3 3E-3 2E-3 1E-3 0E c 1/3 1. Az aggregáció miatt csökken a teljes viszkózus ellenállás, a λ nő 2. Az ellenionok egy része a micella részévé válik, csökken a nettó töltés és csökken a szabad ellenionok száma csökken a λ 3. A diffúz ionatmoszféra csökkenti a micella mozgékonyságát A 2. és 3. hatás általában erősebb, ezért csökken a λ, de például nagy térerőben nincs ellenion atmoszféra ekkor az 1. hatás dominál, a λ nő a cmc után!

18 sorbitol

19 HLB values are additive: the HLB number of the mixture is the weighted average of the individual HLB numbers. 50 % Span 60 (HLB = 4.7) és 50 % Tween 60 (HLB = 14.9)? 4.7 x x 0.5 = 9.8 Milyen arányban kell keverni a Span 80 (HLB = 4.3) és Tween 80 (HLB = 15.0) ha a kivánt HLB = 12.0? (válasz 4.3*(1-x) + 15*x = 12; 28% és 72%)

20 Az olajos rész összesen 16%, ami HLB nél emulgeálható 16% 16% fraction required HLB 8/ / / / total HLB 11.2

21 Gyakorlati alkalmazások Mosás: a hidrofób szennyeződés leválasztása szilárd felületről. Mosóhatás (technikailag) : nedvesítés (hidrofil, hidrofób) (Hardy Harkins elv) Kioldás Szolubilizáció Szolubilizáció: Az asszociációs kolloidok képesek az adott közegben nem oldódó (pl. apoláris anyagok) nagyobb mennyiségét kolloid oldatban tartani. (A zsírszerű anyagok felszívódása,epesavak emulgeáló hatása, micellák. Lásd biokolloidok) Emulziók, szuszpenziók készítése LB rétegek, bilayer, membrán, liposzomák

22

23 Modern mosószerek Tenzid: ionos, nemionos keveréke, enzimek (bontó hatás, vigyázat allergének) Adalékok: a mosóhatást segítő (polifoszfátok, lágyítók, korróziógátlók) fényesítők, fehérítők, bleachers nátrium per-borate (nascens oxigén) fluoreszcensz anyagok

24 Tenzidek a gyógykezelésben Alveoli: léghólyagocska belső felületén lévő filmben lévő sajátos proteinek, foszfolipidek és felületaktív anyagok vannak. Közvetlen alkalmazás, az emberi tüdőben csökkenteni kell a felületi feszültséget A tüdőben: dipalmitil-foszfatidil-kolin dipalmitoylphosphatidylcholine (DPPC): Respiratory Distress Syndrome