Szőri Milán: Kolloidkémia

Átírás

1 Kolloidkémia 1. előadás Összetétel megadás és mérési alapismeretek. Első- és másodrendű kémiai kötések és szerepük a kolloid rendszerek kialakulásában. Szőri Milán: Kolloidkémia 1

2 Levelezős Órarend ALKALOM ELŐADÁS ALKALOM GYAKORLAT 1. (11.09) Első- és másodrendű kémiai kötések és szerepük a kolloid rendszerek kialakulásában. Elegyösszetétel mennyiségi jellemzése. Asszociációs kolloidok. 2. (11.16) 3. (11.23) Makromolekulás oldatok. Határfelületi jelenségek I.: Gázok és gőzök adszorpciója szilárd felületen. Adszorbensek. 1. Határfelületi jelenségek II.: Folyadék-folyadék, szilárd-folyadék (11.16) határfelületek. Diszperz rendszerek csoportosítása. Diszperz rendszerek általános jellemzése és állapotváltozásai. 2. (11.23) Kolloidstabilitás. Balesetvédelem. A CMC meghatározása elektromos vezetőképesség méréssel Híg festékoldat adszorpciója S/L határfelületen Aeroszolok, habok és emulziók. 4. (12.07.) Szolok és szuszpenziók. 3. (12.07) Részecskeméret-eloszlás mérések dinamikus fényszórás méréssel (Koherens rendszerek.) Szőri Milán: Kolloidkémia 2

3 Kurzussal kapcsolatos emlékeztető Kurzus: Az előadás látogatása ajánlott, beleszámít az évvégi értékelésbe Gyakorlat kötelező! Köpenyben, előkészített jegyzőkönyvvel Minden óra előtt: kérdések a korábbi tananyaggal kapcsolatban (max. 10 perc) Klasszikus szóbeli vizsga: beugró ZH (min. 8/10 kérdés) tételhúzás tételkidolgozás (max. 10 perc) tételkidolgozás után szóbeli (max. 15 perc) Szőri Milán: Kolloidkémia 3

4 Kolloidkémia vizsgatételek 1. Első- és másodrendű kémiai kötések és szerepük a kolloid rendszerek kialakulásában. Többkomponensű elegyek összetételének mennyiségi jellemzése. 2. Asszociációs kolloidok. 3. Makromolekulás oldatok. 4. Határfelületi jelenségek I.: Gázok és gőzök adszorpciója szilárd felületen. Adszorbensek. 5. Határfelületi jelenségek II.: Folyadék-folyadék, szilárd-folyadék határfelületek. 6. Diszperz rendszerek csoportosítása. Diszperz rendszerek általános jellemzése és állapotváltozásai. 7. Kolloidstabilitás. 8. Aeroszolok, habok és emulziók. 9. Szolok és szuszpenziók. 10. Koherens rendszerek. Szőri Milán: Kolloidkémia 4

5 Szakirodalom Szántó F.: A kolloidkémia alapjai, Gondolat, Budapest (1987). ISBN Patzkó Ágnes: A kolloidika alapjai, JATEPress, Szeged (2013). ISBN László K. Felületek fizikai kémiája, BME Fizikai Kémia és Anyagtudományi Tanszék, Tipotex kiadó (2011) ISBN Barnes G.T., Gentle I. R.: Interfacial Science, Oxford University Press, (2005). Paul C. Hiemenz, Raj Rajagopalan: Principles of Colloid and Surface Chemistry (3rd Edition), CRC Press, New York (1997). ISBN Szőri Milán: Kolloidkémia 5

6 Kolloidkémia magyarországi kolloid méretű történte Friedrich Wilhelm Ostwald ( ) A mol fogalmának bevezetője Ostwald-eljárás (HNO 3 ipari előállítása) Ostwald-féle hígítási törvény Egyik Honfoglaló törzsfő Herbert Max Finlay Freundlich ( ) Oldatokban lejátszódó adszorpció Kolloid oldatok stabilitása Koaguláció Buzágh Aladár ( ) Ostwald-Buzágh-féle üledékszabály szolstabilitás kontinuitás-elmélete adhézió mérési módszer kidolgozása Szántó Ferenc ( ) agyagásványok adszorpciós és nedvesedési tulajdonságai szuszpenziók ülepedési és reológiai sajátosságok organofil agyagásványok előállítása Szőri Milán: Kolloidkémia 6

7 Áttekintés Összetétel mennyiségi jellemzése Mérési eredmények kiértékelése Kémiai kötések Szőri Milán: Kolloidkémia 7

8 Áttekintés Összetétel mennyiségi jellemzése Mérési eredmények kiértékelése Kémiai kötések Szőri Milán: Kolloidkémia 8

9 Összetétel mennyiségi jellemzése I. Tömegszázalék, m/m% [%]: 100 g oldatban (m oldat =m o.a. +m o.sz. ) lévő oldott anyag grammokban kifejezett tömege (m o.a. ), ami a tömegtört (w o.a. ) százszorosa: m m o.a. Τ m % = 100% = m o.a. 100% = w m o.a. + m o.sz m o.a. 100% oldat Térfogatszázalék, V/V% [%] 100 cm 3 oldatban (V oldat ) lévő oldott anyag térfogata (V o.a. ), ami a térfogattört ( o.a. ) százszorosa: V V % = V o.a. 100% = φ V o.a. 100% oldat Megjegyzés: a térfogatok nem összeadhatók, az oldat térfogata nem egyenlő A és B komponens térfogatának összegével! A térfogatok additívitása csak kivételesen esetekben elfogadható közelítés! Tömegkoncentráció, c T vagy o.a. [g/dm 3 ] Egy dm 3 oldatban (V oldat ) lévő oldott anyag grammokban kifejezett tömege (m o.a. ): c T = ρ o.a. = m o.a. V oldat Anyagmennyiségi koncentráció, molaritás, c [mol/dm 3 ] Egy dm 3 oldatban (V oldat ) lévő, M o.a. moláris tömegű oldott anyag mólokban kifejezett kémiai anyagmennyisége (n o.a. ): c = n o.a. = m o.a. 1 V oldat V oldat M o.a. A sűrűség nem csak a tiszta anyagok jellemzésére szolgálhat. Mivel az oldatok sűrűsége összefügg az összetétellel, így indirekt módon alkalmas lehet oldatösszetétel megadására. A sűrűség az oldat tömegének (m oldat ) és térfogatának (V oldat ) hányadosa: ρ = m oldat = m o.a. + m o.sz. V oldat V oldat Szőri Milán: Kolloidkémia 9

10 Összetétel mennyiségi jellemzése II. Molalitás vagy Raoult-koncentráció, ഥm o.a., [mol/kg] Egy kg oldószerben (m o.sz. ) lévő, M o.a. moláris tömegű oldott anyag mólokban kifejezett kémiai anyagmennyisége, (n o.a. ): m o.a. = n o.a. = m o.a. 1 m o.sz. m o.sz. Móltört, x o.a. [-] Az oldott anyag mólokban kifejezett kémiai anyagmennyisége (n o.a. ) hányad része az oldatban lévő mólokban kifejezett összes kémiai anyag anyagmennyiségnek (n o.a. +n o.sz. ): n o.a. m o.a. /M o.a. x o.a. = = n o.a. +n o.sz. m o.a. /M o.a. + m o.sz. /M o.sz. továbbá x o.a. +x o.sz. =1. A mólszázalék, % (n/n%) A móltört százszorosa: nτ n % = x o.a. 100% M o.a. Az oldatok sűrűsége összefügg az összetétellel, így indirekt módon alkalmas lehet oldatösszetétel megadására: Sűrűség, [g/cm 3 ] A sűrűség az oldat tömegének (m oldat ) és térfogatának (V oldat ) hányadosa: ρ = m oldat V oldat = m o.a. + m o.sz. V oldat Szőri Milán: Kolloidkémia 10

11 Összetétel mennyiségi jellemzése III. Ismétlésként: Szőri Milán: Kolloidkémia 11

12

13 Áttekintés Összetétel mennyiségi jellemzése Mérési eredmények kiértékelése Kémiai kötések Szőri Milán: Kolloidkémia 13

14 Bevezetés Populáció Gyakoriság c mért -u 1? c valódi c mért c mért +u 2 Normál eloszlás f c = 1 2πσ 2 e Mérendő mennyiség (c) c c valódi 2 2σ 2 Minta Mérendő mennyiség (c) Δ Szisztematikus hiba w Véletlenszerű hiba mol/dm 3 Mérendő mennyiség (c) 14

15 A természet pontosságáról Pontosság természetéről x valódi Bizonyos fizikai mennyiség párok nem határozhatók meg egyszerre tetszőleges pontossággal (Heisenberg-féle bizonytalansági reláció). Ez nem a méréstechnikai korlát, hanem az anyag egyik alapvető tulajdonsága! m x v x hely-impulzus bizonytalanság: h 4 x i p Részecske tömege i h 4 ismerem a helyét Δx bizonytalansággal 1kg 1 μm m/s energia-idő bizonytalanság: E t a sebességének bizonytalansága Δv x h 4 9, kg (1 e - ) 1 μm 110 m/s (395 km/h) 15

16 Mérési eredményekről Középérték számítás, szóródás jellemzése (Hogyan jellemezzem a mérési eredményeimet?) Átlag Medián Módusz Terjedelem Standard deviáció Kerekítés Kiugró mérési eredmények meghatározása (Melyiket hagyjam el?) Dixon-féle Q-próba (Grubbs-féle teszt) Mérési eredmények megadása (Hogyan adjam meg a végeredményt?) Hibaterjedés (Hogyan számoljak tovább a szóródással?) (Megfelelő mintaszám meghatározása (Hány mérést kell csinálnom?)) 16

17 Pontosság Rendszeres hiba kimutatására szolgál Megfelelő és megbízható referenciaanyag szükséges Pontosság: Abszolút eltéréssel jellemezhető = c i c ref Torzítatlanság jellemzésére szolgál a visszanyerési tényező (recovery): c R = c i ref 100% 17

18 Precizitás Véletlen hiba mérőszáma Véletlen hiba nem korrigálható teljesen, de a mérések számának növelésével rendszerint csökkenhető Standard deviáció (szórás): s = SD = Relatív standard deviáció: σ i j=1( xҧ x j ) 2 i 1 RSD% = SD xҧ 100% 18

19 Középérték számítás & szóródás megadása Várható érték becslése (Mennyi is a mérési eredményem?) Hogyan jellemezzem a mérési eredményeimet? Mennyiségek: j x j (cm 3 ) x j = (തx x j (cm 3 ) x j 2 (cm 6 ) x(cm ҧ 3 )= 12.2 s = σ 4 j=1 x 2 j = Medián? Módusz? 12.3 cm 3 19

20 Dixon-féle Q teszt Kiugró érték szűrése (Melyik mérési eredményt hagyjam ki?) Input: Megbízhatósági szint megadása (pl. 1-2α = 95%) Mérési adatok (pl. fogyások:12.3cm 3, 12.8cm 3, 11.5cm 3, 12.3cm 3 ) Mérési adatok száma (pl. i = 4) Eljárás: Rendezzük növekvő sorrendbe az i db mérési adatot (x 1,, x i )! Számítsuk ki a terjedelmet (w): w = x i x 1 Alkalmazzuk a következő képleteket: d i 1 = x i x i 1 Q i 1 = d i 1 /w d 1 = x 2 x 1 Q 1 = d 1 /w Ha Q > Q kritikus, akkor elhagyandó az adott extrémum (x 1 vagy x i ) Ha Q Q kritikus, akkor megtartandó az adott extrémum (x 1 vagy x i ) Wilfrid Joseph Dixon Megbízhatósági szint Mérések száma 90% 95% 99% i Q kritikus

21 Dixon-féle Q teszt (Feladat) Kiugró érték szűrése (Melyik mérési eredményt hagyjam ki?) Input: Megbízhatósági szint megadása (pl. 1-2α = 95%) Mérési adatok (pl. fogyások:12.3cm 3, 12.8cm 3, 11.5cm 3, 12.3cm 3 ) Mérési adatok száma (pl. i = 4) Eljárás: Rendezés: x 1 = 11.5cm 3 ; x 2 = 12.3cm 3 ; x 3 = 12.3cm 3 ; x 4 = 12.8cm 3 Terjedelem: w = 12.8cm cm 3 = 1.3cm 3 Alkalmazzuk a következő képleteket: d i 1 = 12.8cm cm 3 =0.5cm 3 Q i 1 = 0.5cm3 1.3cm 3 d 1 = 12.3cm cm 3 =0.8cm 3 Q 1 = 0.7cm3 1.3cm 3 Q Q kritikus, minden mérési eredmény megtartandó. Wilfrid Joseph Dixon Megbízhatósági szint Mérések száma 90% 95% 99% i Q kritikus

22 Eredmények megadása - numerikusan μ = x ҧ ± t α, n s n Gyakoriság Mérés eredménye: c mért -u 1 95% c valódi c = c = ± mol dm 3 c = (10) mol dm c = mol dm c mért c mért +u c ҧ ± t α, n s n Mérendő mennyiség (c) mol/dm 3 1-2α 90.00% 95.00% 98.00% 99.00% 99.80% α Mérések száma 2α i=n+1 szabadsági fok (n) Student-féle t értékek inf

23 Konfidenciasáv megadása μ = x ҧ ± t α, n s n 1-2α 90.00% 95.00% 98.00% 99.00% 99.80% α Mérések száma 2α j x j (cm 3 ) x j = (തx x j (cm 3 ) x j 2 (cm 6 ) x(cm ҧ 3 )= 12.2 s(cm 3 ) = σ 4 j=1 x2 j = μ = 12.2cm 3 ± cm3 4 V = 12.2cm 3 ± cm3 4 = 12.2 ± 0.9 cm 3 = 12.2 ± 0.9 cm 3 i=n+1 szabadsági fok (n) Student-féle t értékek inf

24 Hibaterjedés Művelet R = ka R = A + B R = A B Hiba terjedés s R = ks A s R = s 2 2 A + s B s R = s 2 2 A + s B R = AB R = A B s R R = s R R = s A A s A A s B B + s B B 2 2 A képletek létezéséről tudj, de magát a képletet NE tanuld meg! R = lg(a) R = 10 A s R = s A A s R R = (ln10)s A 24

25 Feladat NaOH-oldat 20,00 cm 3 -os részleteire 12,8 cm 3 ; 12,3 cm 3 ; 12,3 cm 3 11,6 cm 3 0,09856 mol/dm 3 koncentrációjú HCl-oldat fogyott. Mekkora a NaOH pontos anyagmennyiségi koncentrációja 95%-os konfidenciasávval? (egyéb hibát nem tekintünk) V HCl = 12.2cm 3 ± cm3 4 = 12.2 ± 0.9 cm 3 n HCl = c HCl V HCl = mol/dm 3 (12.2 ± 0.9) cm 3 = mmol/cm 3 (12.2 ± 0.9) cm 3 = ± mmol NaOH + HCl = NaCl + H 2 O n HCl = n NaOH c NaOH = n NaOH /V NaOH = ± mmol/10.00 cm 3 = ± 0.009mmol/cm 3 = ± mol/dm 3 25

26 Áttekintés Összetétel mennyiségi jellemzése Mérési eredmények kiértékelése Kémiai kötések Szőri Milán: Kolloidkémia 26

27 A kémia alapmodellje az elektrosztatika Vonzás: (fil)??? Taszítás: (fób) Szőri Milán: Kolloidkémia 27

28 Elsőrendű kémiai kötések Szőri Milán: Kolloidkémia 28

29 Ionos kötés - NaCl Na (g) + Cl (g) = NaCl Na (g) + Cl (g) = Na + (g) + Cl - (g) Elektrosztatika tartja össze Nagy EN különbség Kis EN-ból kation Nagy EN-ból anion Szőri Milán: Kolloidkémia 29

30 Potenciális energia Kovalens kötés H 2 H. H H-H távolság Nagy EN és kicsi EN különbség Elektronok eloszlási valószínűsége megnő a két atommag között. Két magányos hidrogénatomnál energetikailag kedvezőbb a hidrogénmolekula Szőri Milán: Kolloidkémia 30

31 Kovalens kötés EN Polaritás H 2 0 apoláris HI ~0,5 gyengén poláris HBr ~0,7 poláris HCl ~0,9 erősen poláris HF ~1,9 igen erősen poláris NaCl ~2,1 ionos Elektronsűrűsödés a két atom közt Kis elektronsűrűsödés a két atom közt Kis elektronsűrűség a két atom közt Szőri Milán: Kolloidkémia Apoláris Poláris Ionos ΔEN 31

32 Kovalens kötés és molekula polarizáltsága Kötés polaritás Molekulapolaritás első közelítésben kötéspolaritások vektoriális összege Állandó elektromos dipólusmomentum vektor (μ) és annak nagysága ( μ ) A molekulát egy töltést leíró vektorral helyettesítjük (jól jön az intermolekuláris kölcsönhatások leírásakor) μ Elektronban gazdag H-H apoláris nem dipólusos molekula H-F poláris dipólusos molekula μ Elektronban szegény μ =1,82D Szerves kémiában e - -eltolódás Molekula μ (D) HF 1,82 LiH 5,88 LiF 6,33 H 2 O 1,85 H 2 S 0,97 Li-H poláris Li-F ionos NH 3 1,47 Szőri Milán: Kolloidkémia 32

33 Molekulák polarizálhatósága külső tér (pl. elektromos mező, ion, dipólusos molekula) által megváltozik a molekula elektronsűrűsége Polarizáció Példák polarizációra: Állandó dipólus Állandó dipólus Apoláris molekula Pillanatnyi dipólus Szőri Milán: Kolloidkémia 33

34 Fémes kötés - Fe Kis elektronegativitású elemek Jó hő- és elektromos vezetők Fémionok (atomtörzsek) Szőri Milán: Kolloidkémia Kiterjedt, delokalizált elektronfelhő 34

35 Másodrendű kémiai kötések Szőri Milán: Kolloidkémia 35

36 A kémia alapmodellje az elektrosztatika ion ion dipól indukált dipól apoláris Szőri Milán: Kolloidkémia 36

37 Ion-dipól, dipól-dipól kölcsönhatás ion-dipól dipól-dipól pl. sók vizes oldata pl. éter (foly. áll.) Szőri Milán: Kolloidkémia 37

38 Indukált dipól-indukált dipól kölcsönhatás A molekulán belül kovalens kötés apoláris molekula fluktuáció Molekulák közt gyenge kölcsönhatás (Pillanatnyi) indukált dipólus (Pillanatnyi) indukált dipólus dipólus keletkezik másik apoláris molekula Indukált dipól-indukált dipól kölcsönhatás Szőri Milán: Kolloidkémia 38

39 H 2 O molekula dipólusmomentuma A poláris kötés (és elrendeződésük) következménye: a nagy állandó elektromos dipólusmomentum (polaritás) Dipólusos molekulákat jól oldja (dipól-dipól kölcsönhatás) Szőri Milán: Kolloidkémia 39

40 További következmények Ionokat jól oldja (ion dipól kölcsönhatás) Folyékony halmazállapot (hidrogénhidas kölcsönhatás) Szőri Milán: Kolloidkémia 40

41 Kötéstípusok, kötéserősségek Rendű Kötéstípusok Kölcsönhatások Első- Másod- Kölcsönhatási energia (kj/mol) Példák Ionos Kation-anion Erős Na+Cl-(sz) Kovalens Elektronpárok Erős F 2 (g), CH 4 (g) Fémes Kationok és a vegyértékhéj elektronok Erős Na(s), Mg(s) Ion-dipól Töltés és a permanens dipól Erős Na + -H 2 O Hidrogénkötés Poláris hidrogén és a nemkötő elektronpár Közepes H 2 O-H 2 O H 2 O-CH 3 OH Dipól-dipól Állandó dipólusok közt 5-25 Közepes HCl-HCl Ion-indukált dipól Dipól-indukált dipól Indukált dipól-indukált dipól Ion és az általa keltett dipólus közt Állandó dipólus és az általa keltett dipólus közt Pillanatnyilag kialakult dipólusok közt 3-15 Gyenge Fe 2+ -O ,05-40 Gyenge Gyenge HCl-Cl 2 Ar(g)-Ar(g) C 6 H 14 -C 6 H 14 Szőri Milán: Kolloidkémia 41

42 A kémia alapmodellje az elektrosztatika ion ion Töltések közt: E r = 1 q 1 q 2 4πε 0 r Semleges részecskék közt: dipól E r = 4ε σ r 12 σ r 6 indukált dipól apoláris Szőri Milán: Kolloidkémia 42

43 Kölcsönhatások távolságfüggése Töltések közt: E r = 1 q 1 q 2 4πε 0 r Semleges részecskék közt: E r = 4ε σ r 12 σ r 6 Szőri Milán: Kolloidkémia 43

44 Példák kémiai kötéstípusokra Szőri Milán: Kolloidkémia 44

45 Következmények Inhomogén molekuláris elektromos töltéseloszlás Különböző erősségű intramolekuláris kölcsönhatások (preferált orientációk, részecskepárok) Nagyobb molekulák térkitöltése Térbeli diszkontinuitások kialakulása (függhet a részecske koncentrációtól) KOLLOID RENSZEREK KIALAKULÁSA Szőri Milán: Kolloidkémia 45

46 Szőri Milán: Kolloidkémia 46