Intermolekuláris kölcsönhatások

Átírás

1 Intermolekuláris kölcsönhatások

2 Hidrogénkötés víz peptidek DNS: bázispárok Klasszikus H-kötés feltételei: Nagy elektronegativitású atomhoz (F,O,N) közvetlen kapcsolódó H-atom és magános elektronpár szintén nagy EN-ú atomon ( Nem-klasszikus: pl -C H O=C- )

3 H-vándorlás alagúthatással ( tunneling ) vízben is állandó, dinamikus változás pl. H 2 CO 3 dimer

4 Dipól-dipól vagy Keesom-erők dipól-dipól pl. HCl, éter (foly. áll.) Willem Hendrik Keesom ( ) Állandó dipólusmomentum: μ = q r kötések μ : elektromos dipólusmomentum q : töltésszeparáció r : kötéstávolság (vektor) m HCl = 1,05 D (D: Debye) m dietil-ter = 1,15 D 1 Cm = 2, D Nem forgó molekulákra: (szilárd fázis) Gátolt forgásra: (folyadék) Szabad forgásra: (ritka gáz) E dip dip = 2 μ μ A B 3 RAB E dip dip μ = 2 3R 2 Aμ 2 B 6 ABkB A,B = HCl 970 J/mol 62 J/mol (T= 300 K, R AB =0.5 nm ) T E dip dip = 0 0 J/mol

5 Dipól-indukált dipól vagy Debye-erők Peter Joseph William Debye ( ) µ µ µ Ix Iy Iz α = α α μ I xx yx zx = α E α α α xy yy zy α α α xz yz zz E E E x y z m I : indukált dipól a: polarizálhatóság tenzor E: (dipól vagy ion által keltett) külső elektromos tér SI mértékegység: C m2 V-1 E dip ~ ind. dip µα R 6 AB

6 Van der Waals- vagy London-erők pl. paraffin, nemesgázok apoláris molekula fluktuáció másik apoláris molekula Johannes Diderik van der Waals ( ) Nobel-díj: 1910 Fritz Wolfgang London ( ) van der Waals vagy London kh.: Van der Waals kh. E ind.dip ind. dip ~ α R 2 6 AB

7 A Lenard-Jones (pár)potenciál Intermolekuláris kölcsönhatások leírása empirikus képlettel, ami a taszítást is figyelembe veszi: Ar Ar van der Waals kölcsönhatás leírása ( E potenciális ) V = A R 12 B R 6 A,B empirikus (vagy számított) állandók

8 Folyadékok jellemzése 1) Párkorrelációs függvény Párkorrelációs függvény (megtalálási valószínűség vs. távolság) jég víz rendezetlen, dinamikusan változó szerkezet

9 2) sűrűség Folyadékok jellemzése

10 3) felületi feszültség Folyadékok jellemzése Felületen levő molekulák kevesebb intermolekuláris kölcsönhatást tudnak kialakítani, mint a tömbfázisban levők felület növeléséhez munkára (energiára) van szükség: W F γ = = A l γ : felületi feszültség [N/m] Milyen a vízcsepp alakja? hu.wikipedia.org

11 Lotusan festék

12 Folyadékok jellemzése 3) felületi feszültség: nedvesítés, határfelületi feszültség Adhézió: folyadék és másik kondenzált fázis közötti vonzóerő Kohézió: folyadék molekuláit összetartó erők Adhézó > kohézió : nedvesítés Kohézió > adhézió: nem nedvesítő folyadék szilárd hf. határfelületi feszültségek: γ sg : szilárd-gáz γ ls : folyadék-szilárd γ lg : folyadék-gáz Young-egyenlet (vektoriális összegből): Thomas Young ( ) γ sg = γ ls γ lg cosθ Θ: nedvesítési peremszög Hőmérsékletfüggés: Eötvös-szabály (és Eötvös-állandó: k) Moláris térfogat, hőmérséklet, kritikus hőmérséklet és a viszkozitás 2 / 3 közötti összefüggés (kritikus hőmérsékleten nincs fázishatár γ = 0) γvm = k( T T kr )

13 Folyadékok jellemzése 3) felületi feszültség: kapillárisemelkedés Folyadékoszlop súlyából származó erő: F g = r 2 πρgh Adhézióból származó erő: F 2γ sl cosθ = rπγ sl cosθ h = ρgr γ 2 buborék növekedése folyadék belsejében (görbült felületek tenziója, buboréknyomás) a gömbfelületre p γ nyomás hat a felületi feszültség miatt, amely a buborékot megszüntetni igyekszik, ez egyenlő a belső gőznyomással: p F γ γ 2 2 = F / A A = 4π ( r + δr) r δr 0 γ = 4πr 2 p buboréknyomás: γ Fδr A = 8πrδr = W = γ A p γ = 2γ / [ ] r hu.wikipedia.org

14 Folyadékok jellemzése 3) felületi feszültség: a felületi feszültség mérése A) kapilláris emelkedéses módszer B) kiszakításos Pt-lapos (Wilhelmy-módszer) Pt-gyűrűs (Du Noüy-módszer) C) buboréknyomásos módszer buborékképződés külső nyomás függvényében D) függőcsepp (sztalagmométeres) módszer Csepp súlya tart egyensúlyt a felületi feszültségből származó erővel csepp tömegének mérése E) csepptérfogat mérés Előzőhöz hasonló, de két nem elegyedő folyadék esetében is alkalmazható F) nyugvó csepp és forgó csepp módszer Csepp alakjának a mérése

15 Folyadékok jellemzése 3) Felületi feszültség csökkentése: tenzidek szerves fázis micella vizes fázis

16 Oldatok ionos vegyületek oldódása vízben hasonló a hasonlóban elv hidrofób (szerves) hidrofil (vizes) fluorofil (fluoros) fázisok

17 Charles J. Pedersen ( ) Donald James Cram ( ) Jean-Marie Lehn (1939 ) 1987-es Kémiai Nobel-díj Koronaéterek hidrofób burok Felhasználás: pl. ionszelektív elektródok, ionok beoldása szerves oldószerbe (pl. KMnO 4 oxidálószer) hidrofil (adott méretű) üreg

18 Felhasználás: pl. gyógyszerek bevitele a szervezetbe (vízoldhatóság növelése) Ciklodextrinek

19 Folyadékok jellemzése 4) Kompresszibilitás κ 1 = V κ(β ) : dv dp κ T 1 = V kompresszibilitás [1/Pa] V p T κ, atm CS 2 etanol glicerin Hg víz ,8 46,4

20 Folyadékok jellemzése 5) Viszkozitás levezethető: dv dt = πr 4 p 8η L A folyadékrétegek egymáson elcsúsznak, sebesség az átméro mentén változik. Newton szerint: F η : = ηa du dy dinamikai vagy abszolút viszkozitás mértékegysége Ns/m 2 = 10 P P: poise (Jean Louis Poiseuille után) viszkozitások 20 C-on: ν = ν : η ρ kinematikai viszkozitás aceton: 0,0003 P higany: 0,017 P víz: 0, 01 P méz: 10 P glicerin: 14,9 P mértékegysége m 2 /s = St St: stokes (George Stokes után)

21 Folyadékok jellemzése 5) Viszkozitás mérése B) Höppler-féle viszkoziméter A) Ostwald-féle: A folyadék átfolyás-idejének mérése a két jel között C) Rotációs viszkoziméter Koncentrikusan elhelyezkedő állóés forgó henger közötti folyadék viszkozitását határozzák meg. A forgó hengert torziós rugón keresztül hajtják, a megnyúlást mérik. A golyó lesüllyedési idejének mérése a két jel között D) Vibrációs viszkoziméter Folyadékba mártott lemezt rezgetnek. A viszkozitás függvényében változik a rezgés frekvenciája.

22 Folyadékok jellemzése 5) Viszkozitás Newtoni folyadék: erő egyenesen arányos a folyadék sebességgel (azaz állandó viszkozitás) h Newtoni Tixotróp: keverés mellett idővel csökken a viszkozitás (pl. kenőzsírok) keverés sebessége Pszeudoplasztikus: keverés sebességét növelve csökken a viszkozitás (pl. vér) h tixotróp h pszeudoplasztikus Bingham-folyadék: folyás megindításához nullától nagyobb erőre van szükség (pl. puding) h Dilatáns:keverés sebességét növelve nő a viszkozitás (pl. homok-víz) keverés ideje Bingham-folyadék h keverés sebessége Dilatáns keverés sebessége keverés sebessége

23 Ionos folyadékok szobahőmérsékleten cseppfolyós ionos vegyületek

24 Kolloid rendszerek Heterogén- többfázisú (durva diszperz) rendszerek Átmenet: Kolloid rendszerek, melyben a diszperz részecskéinek mérete 1 és 200 nm közé esik nagy fajlagos felület, ugyanakkor viszonylag stabil diszperzió (szedimentáció, koaguláció, reverzibilis és irreverzibilis kisózás) Nagy felület/térfogat arány (speciális alkalmazások: adszorbensek, katalizátorhordozók) Metastabilis állapot fázisszétválás, ülepedés, koaguláció stabilizálás: emulgeátorok (pl. felületaktív anyagok) felületen megkötött ionok (pl. AgCl Ag+ vagy Cl feleslegben stabilis) Diszpergált anyag mérete szerint: mono- vagy polidiszperz Anyaga szerint: -makromolekuláris (pl. tojásfehérje) -diszperziós (pl. AgCl csapadék, tengerszemekben a mészkő) -asszociációs kolloidok (pl. tenzidek micellái) (kritikus micellaképződési koncentráció: micellaképződés megindulásához szükséges minimális koncentráció)

25 Kolloid rendszerek xeroszol lioszol Emulzió átcsapása Szol-gél átalakulás

26 Kolloid rendszerek Faraday aranyszolja Faraday Múzeum, London

27 Tyndall-effektus (fényszóródás) 1 λ Rayleigh-szóródás (kismolekula): I ~ I Mie-szóródás (kolloid): 0 4 Smaragd tó (Kanada)

28 Lükurgosz serlege (British Múzeum, arany-kolloidszemcsék) szórt fény (külső megvilágítás) áteső fény (belülről megvilágítva)

29 legkisebb sűrűségű, nagy fajlagos felületű anyagok (szilárd habok) fagyott füst Aerogélek

30 Ozmózis Oldószer átjutása féligáteresztő hártyán (koncentráció kiegyenlítődés) Π V m =RT Π: ozmózisnyomás V m : 1/c biológia: hiper-, hipo, izotóniás oldatok

31 Kolloidok tisztítása, méretszerinti szétválsztás Dialízis Ultracentrifugálás Gélszűrés (gélkromatgráfia) Gélelektroforézis rotátor polidiszperz kolloid szedimentáció ( ülepedés )

32 Kolloidok vizsgálata Zsigmondy Richárd ( ) 1925 Kémiai Nobel-díj a kolloid oldatok heterogén természetének bizonyításáért és az ultramikroszkóp feltalálásáért Tyndall-jelenség alkalmazása

33 Nanotechnológia Mesterséges és. szén nanocsövek természetes nanomotorok dendrimerek (fraktálszerű polimerek)