Kolloidkémia 8. Előadás Kolloidstabilitás. Szőri Milán: Kolloidkémia

Átírás

1 Kolloidkémia 8. Előadás Kolloidstabilitás Szőri Milán: Kolloidkémia 1

2 Kolloidok stabilitása Termodinamikailag lehetnek stabilisak (valódi oldatok) Liofil kolloidok G oldat <G(kiindulási) Makromolekulás oldatok, asszociációs kolloidok nem stabilisak (diszperz rendszerek) Liofób kolloidok G sol >G(kiindulási) Szolok Instabilak/metastabilak temodinamikai értelemben (nagy γa miatt) Kinetikailag lehetnek stabilak: a vizsgált időtartamon belül nem változtak nem stabilak: Szőri Milán: Kolloidkémia 2

3 Kolloidok stabilitása Diszperz rendszerek állapotjellemzői: Klasszikus állapotjelzők: Összetétel (x i, w% i, c i, c T,i stb) P T V U H S További állapotjellemzők (Buzágh): Részecskemorfológia Eloszlásmódja Diszperzitásfoka Fajlagos felület Nehezen szeparálhatóak egymástól Kolloidstabilitás (kinetikai, adott időn belüli stabilitás) Szőri Milán: Kolloidkémia 3

4 PLoS ONE 9(7): e doi: /journal.pone Kolloidinstabilitás belső állapotváltozással szemben Nincs termodinamikai stabilitás (annak irreverzibilis közelítése, öregedés): Polidiszperz rendszer: Eltérő részecskeméret, eltérő fizikai kémiai tulajdonságok (pl. oldékonyság és tenzió) Elsődleges részecskék változásai: Méretváltozása (több komponens esetén összetétel-változás) Elsődleges részecskék összetapadása másodlagos részecskék kialakulása Aggregátum szerkezetének átrendeződése: Módosul a méret és az alak, szolvátburok Belső szerkezet (pl amorfból kristályos) Szőri Milán: Kolloidkémia 4

5 Másodlagos (kolloid)részecskék Koacervátum (összecsomósodások) taktoid kristályszerű pehely rúd lamella gömb PNAS 2011, 108, Szőri Milán: Kolloidkémia 5

6 DLVO R 1 D r R 2 Van der Waals kölcsönhatási energia egységnyi felületre jutó szabadenergia: R norm = R 1R 2 R 1 + R 2 D=r-R 1 -R 2 Hamaker állandó (A H ): Hamaker módszerével: kölcsönhatás páronként additív nem veszi figyelembe a közeg hatását a párkölcsönhatásoknál Lifshitz elmélet: a közeget figyelembe veszi a közeg dielektromos tulajdonságát Ugyanúgy írandó mint a Hamakernél csak más az állandó értéke!!! Van der Waals erő: ρ i : részecskekoncentráció az i-dik gömbben Szőri Milán: Kolloidkémia 6 Zeng, Yan: Colloidal Dispersions Under Slit-Pore Confinement, 2012, Springer Theses.

7 R 1 =R 2 Hamaker állandó (kb J) R 1 D r R 2 TWS közelítés: Közegre utal HIS közelítés: ε: dielektromos állandó n: Törésmutató ω:ir frekvencia Advances in Colloid and Interface Science 1997, Szőri Milán: Kolloidkémia 7

8 DLVO Elektrosztatikus kölcsönhatás (a nagy dielektromos állandójú közegben a részecskefelszín töltéssel rendelkezik) Debye hossz (κ -1 ): - az elektrolit oldat tulajdonsága - A diffúz elektromos kettősréteg hatásának megszűnésére ρ i : az i-dik ion tömbfázisbeli koncentrációja Egységnyi felületre jutó kölcsönhatási szabadenergia két gömb esetén: Redukált felületi potenciál: Gyerjagin közelítésében (( ): Potenciál a felületen: Szőri Milán: Kolloidkémia 8

9 DLVO Elektrosztatikus kölcsönhatás (a nagy dielektromos állandójú közegben a részecskefelszín töltéssel rendelkezik) Debye hossz (κ -1 ): - az elektrolit oldat tulajdonsága - A diffúz elektromos kettősréteg hatásának megszűnésére Grahame egyenlet: Ionerősség: Szőri Milán: Kolloidkémia 9

10 DLVO elmélet I. Φ max k B T, kinetikai stabilitás Φ max Flokkuláció Erős flokkuláció (Koaguláció) Szőri Milán: Kolloidkémia 10 K. S. Birdi: Handbook of Surface and Colloid Chemistry, Third Edition, 478 old.

11 Elektromos kettősréteg (lineáris exponenciális) Kicsi stabilitás Φ Felületi töltés (negatív) Stern réteg (lineáris exponenciális) Zeta réteg (felületi réteg mobil réteg) D Felületi potenciál Stern potenciál ζ potenciál Az elektromos potenciál (Φ): A felület elektromos töltésével megegyező töltésnek (itt negatív) a felülettől vett végtelen (nagyon nagy) távolságból egy bizonyos távolságig (D) való beviteléhez szükséges munka osztva az ion töltésével (Z) ([V] = [J]/[C]). Φ / mv Nagy stabilitás Stabil Közepes stabilitás Kicsi stabilitás Instabil (Gyors koagulálás vagy flokkulálás) Kicsi stabilitás Közepes stabilitás Stabil Nagy stabilitás Szőri Milán: Kolloidkémia 11

12 A potenciált befolyásoló tényezők Stern réteg Zeta réteg Stern réteg Zeta réteg A felület elektromos továbbtöltése Felületaktív azonos töltésű ionnal A felület elektromos áttöltése Többértékű vagy felületaktív ellenionnal D Szőri Milán: Kolloidkémia D 12

13 Koaguláció DLVO elmélet II. r D << a Φ r D >> a Perikinetikus koagulálás: hőmozgás miatti (Φ max k B T) Ortokinetikus koagulálás: külső erőtér hatására (Φ max k B T + uq + E áramlás ) Flokkuláció r D : elektromos kettősréteg vastagsága r: részecske sugara d Kritikus koaguláltató koncentráció (ccc): a sókoncentráció, amelynél már csak diffúziógátolt a koaguláció (minden ütközőrészecske összetapad). Szőri Milán: Kolloidkémia 13 K. S. Birdi: Handbook of Surface and Colloid Chemistry, Third Edition, 478 old.

14 Kolloidstabilitás biztosítása I. Stabilizálási lehetőségek Diszperzitásfok (r) állandóságának biztosítása v ülepedés = 2r2 ρ r ρ k g 9η Eloszlás állandóságának biztosítása Szolvátréteggel + + Elegyes szolvátréteggel (bifil segédanyagokkal) Makromolekulákkal + - (hidszerű polimerkapcsolat) Elektromos kettősréteggel (ζ potenciál: minél nagyobb a felületi töltés és minél vastagabb a kettősréteg Elektromos kettősréteggel és szolvatációval Keveréssel Stabilizátor anyag (Stabilizátorok) + + Nemelektrolitok + (η növelése) Makromolekulák + + Elektrolitok + + Polielektrolitok Ionos felületaktív anyagok - (ortokinetikus koagulálás) + - (ortokinetikus koagulálás) Szőri Milán: Kolloidkémia 14

15 Kolloid rendszerek előállítása/megszüntetése Külső állapotváltozások Homogén amikroszkópos diszperz rendszer Kondenzáció Disszolúció Kolloid diszperz rendszer Diszpergálás Koagulálás Heterogén durva diszperz rendszer Részecskeméret Diszperzitásfok Szőri Milán: Kolloidkémia 15

16 Kolloid rendszerek előállítása Homogén amikroszkópos diszperz rendszer Kondenzáció Kolloid diszperz rendszer Diszpergálás Heterogén durva diszperz rendszer Kondenzáció Fizikai kondenzálás: Pl.: ködrészecskék kialakulása Kémiai kondenzálás: Pl.: csapadékképzés, polimerizáció Diszpergálás = aprítás + szétoszlatás Őrlés (csak a kolloid mérettartomány felső határa érhető el) Emulgeálás Peptizálás koherens rendszer (gél) dezaggregálása primer szemcsékre T,p Kémiai reakció Mechanikai Elektromos Kémiai Adalékolás Szőri Milán: Kolloidkémia 16

17 Szőri Milán: Kolloidkémia 17