A kolloidika tárgya, a kolloidok osztályozása rendszerezése. Bányai István

Átírás

1 A kolloidika tárgya, a kolloidok osztályozása rendszerezése Bányai István

2 A mindennapi élet: anyagok, eljárások Ipar élelmiszerek: levesek, zselék, élelmiszer színezés, habok építőipar: cement, festékek kozmetikai ipar: krémek, dezodorok textíliák: festés, szerkezet, műszálak papírgyártás: tinták, nyomtatás, szerkezet gyógyszeripar: szolubilizálás, targetált medicina, formulázás műanyagipar: eljárások, analitika Mezőgazdaság agrokémia (bordói lé), levélpermetezés (Napalm) Talajszerkezet, talajjavítás Környezetvédelem aeroszolok (migráció) víztisztítás, adszorpció

3 Motiváció 2 (két alapprobléma) Napi tapasztalatok Szilikózis (méret), vörösiszap Smog Új ötvözetek ( mikro struktúra ) Funkcionális anyagok (biológiai makromolekulák) Nanotechnológia A fluoreszcencia méretfüggő TiO 2 katalitikus aktivitás Gyógyszer leadás Gyógyszer felszívódás

4 Az előadások anyaga 1 1. A kolloid rendszerek osztályozása, jellemzése. 2. Méret, méreteloszlás. Átlag. Molekuláris kölcsönhatások. 3. Határfelületi jelenségek: fluid határfelületek felületi feszültség 4. Folyadék gáz, szilárd-gáz, szilárd folyadék határfelületek. Adszorpció és orientáció a határfelületen. 5. Felületvizsgáló módszerek. Szorpciós izotermák. 6. Adszorpció oldatból. Adszorpció erős elektrolitok vizes oldataiból.

5 Az előadások anyaga 2 7. Elektromos kettősréteg. Elektromos potenciálkülönbség eredete. 8. Az elektromos potenciálkülönbség eloszlása és értéke. 9. Kolloidstabilitás Liofób, liofil kolloidok. DLVO elmélet. 10. Kolloid rendszerek előállítása és tisztítása. Aeroszolok, lioszolok, xeroszolok. (Habok, emulziók, szolok.) 11. Asszociációs kolloidok. Tenzidek. Makromolekulák. Ozmózis.

6 Előadások anyaga Szedimentáció. Ultracentrifuga. Diffúziómérés, Donnanpotential. Reológia, Fényszórás 13. Biokolloidok 14. Összefoglalás vizsgaelőkészítés, gyakorlat Patzkó Ágnes: A kolloidika alapjai JATE Kiadó (SZTE), Shaw, D.J.: Bevezetés a kolloid- és felületi kémiába Budapest, Műszaki Kiadó ISBN: Hórvölgyi Zoltán: A NANOTECHNOLÓGIA KOLLOIDKÉMIAI ALAPJAI Budapest, Tankönyvtár, ISBN Pashley: Applied Colloid and Surface Chemistry Barnes. G.T.: Interfacial Science.

7 Vizsgakövetelmények Vizsga minimum követelmény: Órai anyag Patzkó Ágnes: A kolloidika alapjai Óravázlat megtalálható: A vizsgakérdések a honlapon megtalálhatók! Folytonosan megújuló, tehát figyelni kell! A vizsga írásbeli. (számítások) B vizsga írásbeli. (számítások) C vizsga bizottság előtti szóbeli lehetőség.

8 A kolloidika tárgya Olyan rendszerek fizikai kémiája melyben a szokásos intenzív változókon túl (p, T, c ) szerepel a a méret fajlagos felület alak A részecskék esetében 1-2 nm és nm és a rendszert leíró változásokban a felületi szabadentalpia-változás lényeges szerepet játszik. A nagy molekulák és kicsi részecskék tudománya.

9 A kolloidika helye: interdiszciplináris Kolloidika Biológia Fizikai kémia biokémia Kémia szerves Fizika keletkezés megszűnés, stabilitás, kölcsönhatás külső erőterekkel (mechanikai, gravitációs, centrifugális, elektromágneses elektromos mágneses) A kémiai összetételtől függetlenül, igyekszik a rendszereket, a fizika alapvető törvényeit használva leírni. Számos biológiai objektum számára a kolloid állapot a létezés formája

10 Erőterekben és közegben(!) való mozgás Erőhatások kolloid rendszerekben (ρ=2 g cm -3 ) gravitáció Viszkozitás méret/nm v/(cm/s) F surl = 6πηrv = 4r 3 π ( ρ ρ 0 )g = F 3 grav A Brown-mozgás elhanyagolható? Brown-mozgás sebessége méret/nm v/(cm/s) kt = mv = 4 10 J 2 A történet vége a van der Waals kölcsönhatás, kiválik

11 Fizikai kémiai előismeretek Gibbs-féle fázistörvény F + SZ = K példa (megoldás: nem egyensúlyi r.) 20 ppm Au oldat (bíbor kék) méret, alak 20 ppm cukor oldat (ugyanolyan színű) 2. példa fázishatárok intenzív változói milyenek? felületi feszültség: a kolloidika felépíthető rá

12 Homogén, heterogén? homogén, minden intenzív sajátság minden pontban azonos: izotróp. (5% oldat), állapotegyenlet pl. (p,t,c) pv = nrt heterogén, Gibbs-féle fázistörvény, fázishatárok vannak, ahol az intenzív sajátságok ugrásszerű változást mutatnak Kontinuum? pontszerű? A nagyítótól függ? 12

13 Példák az ellentmondásra Hány fázisú? Következtetés: A látvány alapján nem eldönthető: húsleves, kocsonya, tej, sör, puding, kenyér, köd, szmog, talaj, fogkrém, enyv, vér, majonéz, tojásfehérje, opál, szappanoldat, stb.? Homogén rendszerek A kolloidok nem sorolhatók be sem a homogén sem a heterogén rendszerbe Heterogén rendszerek Több fázisú

14 História: Homogén vagy heterogén? Graham: kolloidok, krisztalloidok (XIX. Sz. közepe) Oldatelmélet (biológusok), szuszpenzió elmélet (talajkémikusok) Zsigmondy- Siedentopf ultramikroszkóp The Nobel Prize in Chemistry 1925 was awarded to Richard Zsigmondy "for his demonstration of the heterogenous nature of colloid solutions and for the methods he used, which have since become fundamental in modern colloid chemistry"

15 Mit láthattak? Heterogén, Brown mozgás, Boltzmann-Maxwell energia eloszlás igazolása atomic.html 15

16 A méretekről Kolloidok azok a diszperz rendszerek, amelyekben a méret legalább egy dimenzióban 1nm és 500 nm között van. Azok a rendszerek, amelyek viselkedésében a felület meghatározó szerepet játszik. A Brown-mozgás szerepe az állapot kialakulásában Homogén rendszerek atomok, kis molekulák Kolloid rendszerek füst Heterogén rendszerek (makroszkópos többfázisú) makromolekulák köd m homogén kolloid mikroszkópos heterogén 6 10 nm micellák vírus pollen, baktérium 16

17 felületi molekula/ összes S/V nano Kolloidika felületi kémia (nanotechnológia manapság) már nem elhanyagolható a felület szerepe 10 % R<10 nm nanotechnológia más tulajdonságok 1 % 1 ezrelék Nő az összes felületi energia arany szol E-7 1.0E-6 1.0E-5 1.0E-4 1.0E-3 1.0E-2 1.0E-1 1.0E+0 R,cm kolloid Változás a tulajdonságokban a méret mia9: Fémek vezetése 2 nm Kerámiák átlátszósága 20 nm Fémek színe 50 nm Fémek keménysége 250 nm Kerámiák alakíthatósága 500 nm Nano görögül = törpe

18 Molekula - részecske Ha az A, B, C és D rendszert mint struktúrát tekintjük, akkor az A és D az egyszerűbb struktúra, amelynek a molekula az építőeleme. A részecske olyan atomi halmaz (kovalens kötésű) vagy molekulahalmaz, amely kinetikai egységet alkot (megfelelő körülmények között önálló transzlációs hőmozgást végez, vagy erőtérben önálló kinetikai egységként mozog, pl. ülepszik) hqp:// kolloid/kolloidjegyzet_ver1.0.pdf

19 Szubmikroszkópos diszkontinuitások: egyetemlegesség tétele sûrûség sûrûség x Wo. Ostwald: A kolloid állapot a kémiai sajátságtól független Buzágh Aladár: szubmikroszkópos diszkontinuitás Ostwald-Buzágh: kontinuitási elmélet: a diszperz rendszer annál stabilisabb, minél jobban illeszkedik a közegbe (felületi feszültség) x

20 A kolloidika (diszperz rendszerek) Olyan rendszerek fizikai kémiája melyben a szokásos intenzív változókon túl (p, T, c ) szerepel a méret (eloszlás) az alak és a határfelület A részecskék esetében 1-2 nm és nm és a rendszert leíró változásokban a felületi szabadentalpia változás lényeges Egy kinetikai egységet képez. a kolloidika tárgya a határfelületek, valamint a diszperz rendszerek vizsgálata. A kolloidkémia e rendszerek keletkezését és megszűnését, stabilitását és külső terekkel (mechanikai (nyíró), gravitációs, centrifugális, elektromágneses, elektromos és mágneses térrel) való kölcsönhatását tanulmányozza.

21 A kolloidok típusai Diszperziós kolloidok (Zsigmondy) Liofób termodinamikailag nem stabilis nagy felületi energiájú irreverzíbilis rendszer (szeparáció után nem állítható vissza) Diszpergált anyag (nem folytonos)/diszperziós közeg (folytonos) Makromolekulás kolloidok (Graham) Liofil termodinamikailag stabilis makromolekulák valódi oldatai reverzíbilis (kiválás után visszaállítható) Asszociációs kolloidok (McBain: micella) Liofil termodinamikailag stabilis molekulaegyüttes reverzíbilis, micellák

22 inkoherens (nem kohézív) rendszerek: a részecskék egymástól függetlenek. A közeg folyékony jellege a mérvadó Kolloid rendszerek (szerkezet alapján) koherens (kohézív) rendszerek: összefüggő szilárd vázat alkotnak (gélek a közeg miaq) inkoherens rendszerek önálló részecskék koherens (kohézív) rendszerek diszperziós, makromolekulás, asszociációs kolloidokból kialakuló diszperziós k. szolok makromol. asszociációs kolloid oldatok porodin (pórusos) ReYkuláris (hálós) Spongoid (szivacsszerű) szerkezetű, gélek, halmazok és pórusos testek diszperziós makromolekulás asszociációs liofób liofil liofil (IUPAC ajánlás) korpuszkuláris fibrillás lamellás izodimenziós szálas hajtogatott hártya, lemezes 22

23 Diszperziós kolloidok vagy szolok: diszpergált anyag /diszperziós közeg Halmazállapot szerint Gázközegű: aeroszolok L/G folyadék aeroszol: köd, permet S/G szilárd aeroszol: füst, kolloid por, légköri aeroszolok, szmog S/L/G Folyékonyközegű: lioszolok G/L gázlioszol, hab L/L folyadék lioszol, emulzió S/L kolloid szuszpenzió, szolok Szilárdközegű: xeroszolok...+ összetett rendszerek G/S szilárd hab: polisztirol hab L/S szilárd emulzió: opál, igazgyöngy S/S szilárd szuszpenzió: pigmentált polimerek 23

24 Osztályozás (kinagyítva) Megszilárdult közeg, de a részecskék különállóak maradtak nanotech Szol: a részecskék különállóak függetlenül a halmazállapottól! Gél: összekapcsolódó részecskék (mindig koherens) Spongoid szerkezetek. Kenyérben, sütéskor kémiai kötések alakulnak ki, G/S xerogél, spongoid szerkezet nem különálló buborékok 24

25 Koherens rendszerek (részletek) Gél lineáris, alig elágazó polimerből Gél nagyon elágazó polimer klaszterekből Térháló létrejöhet bármilyen rendszerből:diszperziós, asszociációs, makromolekuláris kolloid Bikontinuális mikroemulzió vázlata, spongoid szerkezet beállt asszociációs kolloid Agyag kártyavár szerkezet (taktoid) 25

26 Asszociációs kolloidok (liofil) Felületaktív anyag (szappan, mosószer) Amfifil molekulák Részletek lásd később Gömbi micella 26

27 Makromolekulás rendszerek (liofób) Polipeptid makromolekula A méret és az alak szerepe Sokkal nagyobbak mint a kis molekulák

28 Kolloidok osztályozása a stabilitás alapján 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 (nagy fajlagos felület, S/V) Kinetikailag lehetnek stabilisak (a vizsgált időtartamon belül nem változtak) nem stabilisak:

29 Példák (előállítás módja)

30 A kolloidika Olyan rendszerek fizikai kémiája melyben a szokásos intenzív változókon túl (p, T, c ) szerepel a méret az alak és a határfelület A részecskék esetében 1-2 nm és nm és a rendszert leíró változásokban a felületi szabadentalpia változása lényeges a kolloidika tárgya a határfelületek, valamint a diszperz rendszerek vizsgálata. A kolloidkémia e rendszerek keletkezését és megszűnését, stabilitását és külső terekkel (mechanikai (nyíró), gravitációs, centrifugális, elektromágneses, elektromos és mágneses térrel) való kölcsönhatását tanulmányozza.