Kolloidstabilitás. Berka Márta. 7. előadás 1

Méret: px

Mutatás kezdődik a ... oldaltól:

Download "Kolloidstabilitás. Berka Márta. 7. előadás 1"

Hanna Biró
7 évvel ezelőtt
Látták:

1 Kolloidstabilitás Berka Márta 7. előadás 1

2 Liofób kolloidok stabilitása Termodinamikai és kinetikai stabilitás fogalma liofób és liofil kolloidok fogalma DLVO elmélet (Derjaguin, Landau és Verwey, Overbeek) Kettősréteg, taszító és vonzó erők egyensúlya a liofób részecskék között. Koagulációs sebesség 7. előadás 2

3 A részecskék közötti kölcsönhatások energiája A részecskék folyamatosan Brown-mozgást végeznek. A szuszpenziók és szolok stabilitását az ütközési gyakoriság és a részecskék közötti kölcsönhatás szabja meg. A részecskék közötti kölcsönhatást a vonzó és taszító erők egyensúlya alakítja ki Nincs taszítás A vonzás: van der Waals típusú kölcsönhatások eredője. A taszítás: azonos töltésű elektromos kettős rétegek és/vagy részecske oldószer kölcsönhatások eredménye van taszítás 7. előadás 3

4 A stabilitáshoz taszítás szükséges V R V S 7. előadás 4

5 A van der Waals vonzás molekuláris oka (vákuumban) V A Vonzás atomok/ molecules között vákuumban r const. r ( r) 6 Az atomok/molekulák közötti diszperziós kölcsönahtás additív, tehát makroszkópikus testek között is fellép. nagymértékben függ a geometriától! V A H A H 2 H A Hamaker állandó a V A ( H) Aa 12H 7. előadás 5

6 Hamaker modell a részecskék közötti kölcsönhatás energiáját az alkotókból számítja ki Az 1. részecske molekulái A 2. részecske molekulái A11 ~ 2 q β geometria-függő A: Hamaker állandó, q: db atom /tf, A részecskék közötti vonzóerő a molekulák közötti (diszperziós) vonzóerőkből épül fel (a molekulák függetlenül hatnak), azok összege Víz: J, kvarc: J 6 ( E ~ ) A β11r, J szénhidrogének: J 7. előadás 6

Vonzás: effektiv Hamaker állandó (a közeg szerepe) H V A ( H) Aa 12H Nedves őrlés Hamaker állandó függ az anyag sűrűségétől és a molekula polarizálhatóságától vákuumban, közegben függ a közegtől is.

7 Vonzás: effektiv Hamaker állandó (a közeg szerepe) H V A ( H) Aa 12H Nedves őrlés Hamaker állandó függ az anyag sűrűségétől és a molekula polarizálhatóságától vákuumban, közegben függ a közegtől is. A részecskék között lévő folyadék erősen csökkenti a Hamaker állandót Az effektiv Hamaker állandó azonos részecskék esetében mindig pozitív, de különbözőknél lehet negatív 1/2 1/2 1/2 1/2 ( )( ) A = A A A A A ( ) V H H 7. előadás 7

8 Taszítás: elektromos kettősréteg (EDL) modell Elektrosztatikus taszítás 7. előadás 8

9 Elektrosztatikus taszítás az átfedő kettősrétegek között V R A lazán kötődő ellenionok diffúz ionatmoszférát alkotnak. A részecskék közeledésekor az ionatmoszférák egymásba hatolnak és az azonos töltések miatt taszítás lép fel. Mivel az ionok koncentrációja a Boltzmann eloszlás szerint rohamosan nő, így a taszítás is exponenciálisan nő. 2 ( ) ψ ( κ ) V H 0 exp H R H ~ a felületek közötti távolság

10 Az eredő kölcsönhatás két gömb között Az elektrosztatikus taszítás és a diszperziós kölcsönhatásból származó vonzás eredője. DLVO elmélet: Az elektrosztatikus stabilitás nagyon érzékeny a felületi töltésre (ζ~ψ~ ph) és az elektrolit koncentrációra (κ, z). A másodlagos minimumba a rendszer aggregálódhat, flokkulálódhat, de ez az aggregátum laza gyenge, könnyen rediszpergálható. Reverzíbilis szol- gél átalakulás V T = V A + V R V A R ( H) Aa 12H ( ) ( ) γ exp( κ ) V H a kt z H γ = zeψ St exp 1 2kT zeψ St exp + 1 2kT 7. előadás 10

11 A kolloid kinetikailag stabilis, ha V max >>kt! Az energia gát magassága, V max a zeta potenciál és a κ nagyságától függ. V T = V A + V R szol Gél, laza, gyengén összeálló kvázi szilárd szerkezet, reverzibilis szol-gél átalakulás lehetséges gél csapadék Az időben egyre több részecske ütközik és kerül a másodlagos minimumban, és a gyenge vonzóerő hatására az adott távolságban marad azaz kapcsolódik. Ha ezek a kötéspontok az egész térfogatra kiterjednek, akkor a rendszer gélesedik. A gél egy kvázi szilárd rendszer, alakállandó, amit ebben az esetben fizikai térhálósodás okoz, de könnyen (a másodlagos minimum mélysége ~1-2kT) átmegy folyékonnyá.

12 Kritikus koaguláltató koncentráció Az az elektrolit koncentráció, (n 0 ) ahol éppen eltűnik a maximum! Ha a potenciál maximum elég nagy a hőmozgás energiájához képet V max /kt >1 akkor a rendszer stabilis egyénként könnyen koagulál.. 7. előadás 12

13 Schulze Hardy szabály A Schulze-Hardy szabály: a stabilitás az ellenion töltésének hatodik hatványától függ. Érdekes helyzet, hogy mind a számítás, mind a kísérlet közelítő eredményeket ad. c.c.c (in mol/l) ~z előadás 13

14 A koaguláció sebessége A koaguláció sebessége a részecskeszám csökkenésével jellemezhető (Smoluchowski): dn p = 8π DaN = k N dt 2 2 p d p Ha van a koagulációnak aktiválási energiája, V max akkor az ütközések bizonyos százaléka sikertelen, a koaguláció sebességi állandója kisebb k s. max α exp V kt k d a diffúziógátolt aggregáció sebességi állandója, gyors koaguláció (nincs aktiválási energia) a stabilitási arány: W A kolloidstabilitás nő: ha nő a részecske sugara, ha nő a felületi potenciál (ζ >25mV), ha csökken a Hamakerállandó, csökken az ionerősség és a hőmérséklet. 7. előadás 14 = k k d s

15 Elementary acts of coagulation: initial act N / N 0 1 = 1 + kn t /2 0 N/N 0 N decreases with time, while their size increases. VN = constant = V N V ~ 1/ N 0 0 dn = dt kn = N N 0 kt The decrease in the normalized number of total particles, singlets, doublets, and triplets according to Smoluchowski theory as a function of time. If all flocculation rate constants are the same N / N 0 1 = 1 + kn t /2 0 Rate can be measured through decreasing the total number -dn/dt or increasing the average volume, dv/dt for example by turbidity as a function of time. Turbidity~ V 2 N~ V (VN) ~V constant

16 Az elektrolitkoncenráció hatása a stabilitási arányra (számítás). W = k k d s W 1 lnw 0 7. előadás 16

Stabilis és nem stabilis diszperz rendszerek Minél negatívabb a zéta potenciál, annál stabilisabb a kolloid Ez történik az élő szervezetben is?

17 Stabilis és nem stabilis diszperz rendszerek Minél negatívabb a zéta potenciál, annál stabilisabb a kolloid Ez történik az élő szervezetben is? [ A kis zéta potenciál például a vértestek összetapadását eredményezné. Ez az a jelenség amely elkülönülve tartja sejtek milliárdjait, amint azok az élős szervezetben áramolnak, mozognak.] 7. előadás 17

18 Stabilis és instabilis rendszerek (kinetikai) a cake laza agglomerátum a) koaguláció, b) flokkuláció Az időbeni stabilitás igen fontos: gyógyszerkészítmények, kerámiák, festékek pigmentjei. üledékszabály: üledéktérfogat nagyobb ha a vonzás erősebb taszitás nélkül. Golyó,bogáncs 7. előadás 18

19 Fizikai stabilitás, gyógyszerészi szuszpenziók Elektrolitok flokkuláló szerek lehetnek, semlegesítő és áttöltő hatás alapján Ami ülepszik az tömör 7. előadás 19

20 Koaguláció a vérben A kis zéta potenciál koagulációt okoz. trombózis veszély Numerical "Grade" (arbitrary) "Degree" of Clump * (Observed in Sclera) Probable ZP of Red Blood Cells (in situ) mv 0 Absent 17 1 Slight 16 2 Moderate 15 3 Significant 14 4 Heavy 13 5 Very Heavy 12 6 Terminal (death) 11 8 Fluid gel (5 min.) 7 10 Rigid gel (10 min.) 7 (Clump véralvadás, sclera szemfehérje) 7. előadás 20

21 Kolloidok stabilizálása: sztérikus stabilizálás V R V S 7. előadás 21

22 A térbeli stabilitás feltétele A diszperzió akkor stabil, ha a kinetikus energia nagyobb, mint a részecskék közötti vonzás ütközéskor. Ez a kritérium akkor teljesül, ha elég messze vannak egymástól, ahol már a vonzás kicsi. Azaz az energiamérleg: kt >A 121 d/ (48t). Tehát a polimer vastagságnak t (=2H), a részecske körül, az átmérőtől d =2a) függően nagyobb kell, hogy legyen mint: t /d> {A 121 /(48kT)} A 121 ( ), J A 121 /48kT Olaj -viz Polisztirén-viz V A ( H) Aa 12H Szén-viz TiO 2 -viz

sztérikus stabilizálás: liofil kolloidok alkalmazása védőhatás adszorpció révén (természetes mesterséges makromolekulák) VS = VM + VVR V M Két hatás: és mindegyike kettős lehet Entropic

23 sztérikus stabilizálás: liofil kolloidok alkalmazása védőhatás adszorpció révén (természetes mesterséges makromolekulák) VS = VM + VVR V M Két hatás: és mindegyike kettős lehet Entropic repulsion V VR polimer réteg vastagsága A stabilizációs hatás azon alapszik, hogy extra munka kell a részecskék közelebb viteléhez, a polimerek által meghatározott távolságon belülre.. 7. előadás 23

24 Térfogat kizárás sztérikus + vonzó kölcsönhatás V S +V A fontos hatás: lánc hossza stérikus taszítás 7. előadás 24

25 Sztérikus stabilizálás Felületi polimer kötődés: 1. nem érzékeny a sókoncentrációra 2. nem vizes közegben is működik 3. koncentrált diszperz rendszerekben is működik nehezen tervezhető és kivitelehető V T = V A + V S V R =0 7. előadás 25

26 Steric + electrostatic stabilization It can be achieved by polyelectrolytes, gelatin, protein... or by charged surface + neutral polymers (caution about zeta potential) V T = V A + V R V T = V A + V R + V S 7. előadás 26

Liofil kolloidok mint kicsapószerek A felület jó szorbens, a közeg jó oldószer, a polimer boritottság nagyon kicsi, a polimer hosszú A hosszú polimer hidként

27 Liofil kolloidok mint kicsapószerek A felület jó szorbens, a közeg jó oldószer, a polimer boritottság nagyon kicsi, a polimer hosszú A hosszú polimer hidként összeköti a kolloidokat. Ezt a flokkuláló hatást használják pl a viztisztitásban. Néhány ppm kaitionos polielektrolit kicsapja a kolloidot, ami általában negativ. 7. előadás 27

28 Liofil kolloidok stabilitása A makromolekulás és asszociációs kolloidoknál bővebben. A fehérje oldatoknál az elektromos kettősréteg kölcsönhatás mellett, a szolvatációnak is jelentős szerepe van. Mindkettő gyengíthető. Izostabilis fehérje, az izoelektromos ph-nál is stabil (nem csapódik ki, pl. zselatin), bár itt a ζ=0, de a hidratáció elég erős, hogy oldatban tartsa. A kisózásukra sokkal több só kell, a vizelvonáshoz. (más oldószerrel is lehet pl. aceton, alkohol). Kolloidvédők, lásd előzőek. Izolabilis fehérjéknél a szolvatáció kisebb, kevésbé liofil az izoelektromos ph-nál kicsapódik (kazein). 7. előadás 28

29 Casein micelles The isoelectric point of casein is előadás 29

30 10 million tons of bentonites are used per year Kártyavár szerkezet, pozitív élek és negatív lapok összeállnak Ha gyengén megrázzuk gélszerű, de ha erősen rázzuk folyik. Katasztrofális lavina hatás ingovány, mocsár. Fúró iszap, kezdetben befolyik az üregekbe majd eltömi. Az agyagok nélkülözhetetlenek a papír, ragasztó, kenőcs, kozmetikumok, gumi, és szintetikus anyagok gyártásában. víztisztítás 7. előadás 30

Hasonló dokumentumok

Kolloidstabilitás. Berka Márta 2010/2011/II

Kolloidstabilitás. Berka Márta 2010/2011/II Kolloidstabilitás Berka Márta 2010/2011/II Kolloid stabilitáshoz taszítás kell. Sztérikus stabilizálás V R V S sztérikus stabilizálás: liofil kolloidok alkalmazása védőhatás adszorpció révén (természetes