Asszociációs kolloidok

Átírás

1 Asszociációs kolloidok Berka Márta 1

2 Felületaktív anyag (szappan, mosószer, tenzid) Asszociációs kolloidok Amfifil molekulák A hidrofob rész általában CH lánc. Ha a hidrofil rész elég nagy akkor a molekula vízoldhatóvá válik, ha a hidrofób rész dominál akkor az apoláris rész kiszorul a vizes közegből és a víz-levegő határfelületen fog felhalmozódni. Gömbi micella McBain 2 A legegyszerűbb önrendeződő rendszerek

3 Definíció Olyan részecskék, amelyek amfifil molekulák asszociációjával alakulnak ki termodinamikailag stabilis állapotban. Ha egy tenzid molekulából, amely fejcsoport területe a, és térfogata v, N darab alkot egy micellát, akkor a gömbi micella maximális sugara R kiszámítható, és ez az alkil lánc maximális (azaz teljesen kinyújtott) l hosszával azonos. Volume= Nv = 4/3πR volume / area = l / 3 3 Area = Na = 4πR 2 Gömbi micelláknál teljesülnie kell, hogy 3v / a l Ajánlott helyek: átrendezve: v al 1 3 3

4 Micellák lehetséges alakja A tenzid alakja és mérete, HLB értéke és a közeg minősége fontos kiindulási pont l c a 0 v/(l c a 0 ) l c : a tenzid hossza a 0 : a poláris fej mérete v : a molekula térfogata 0 1/3 1/3 1/2 1/2-1 >1 gömbi micella; polidiszperz hengeres micella; oblate micella, vezikula, bilayer; inverz micella 4

5 A tenzid alakja és mérete fontos kiindulási pont a szerkezet kialakulásában. Gömbi micellák hengeres micellák Rugalmas kettős rétegek, vezikulák Richard M. Pashley and Marilyn E. Karaman : Applied Colloid and Surface Chemistry 5

6 A tenzid alakja és mérete fontos a szerkezet kialakulásában. sík kettős rétegek Inverz micellák Richard M. Pashley and Marilyn E. Karaman : Applied Colloid and Surface Chemistry 6

7 A mikroszerkezetek kialakulása a tenzid koncentráció változásával 7

8 Hengeres micellák A koncentrációt növelve egy második cmc van, a hengeres micellák képződnek (a kolligatív sajátságokban újabb törés van). Tovább növelve a tenzid koncentrációt a molekulák különböző rendezettséget mutatnak. Folyadékkristályos szerkezet 3 fő tipusa: lamelláris (lemezes) hexagonalis vagy oszlopos és bikontinusz (vagy köbös cubic) szerkezet. 8

9 Folyadék kristályokban kialakuló (hexagonális és bikontinus) mikroszerkezetek Hexagonális és inverz hexagonális micellák Model of cubic and inverse cubic phase In the hexagonal and inverse hexagonal phases of liquid crystals the molecules are shaped like discs instead of long rods. The disks are then packed in columns to form a two-dimensional array. The surfactants in the bicontinous phases; the cubic phase, the inverse cubic phase and the sponge phase, form a two- or three-dimensional network in the pores which water or oil can be transported rapidly. sponge phase 9

10 Anizotróp sajátságok, különböző mértékű rendezettség. Lamellar, nematice and isotropic phases as a function of temperature in lyotropic rod-polymer solutions. Felhasználás LCD kijelzők 10

11 A felületaktív anyagok felosztása Anionos (Negative charge) Zsírsavak sói, alkíl szulfonsavak, alkil (aril) foszfátok Kationos (Positive charge) alkíl ammónium sók, aminok Amfoter (ikerionos) (Charge depends on ph) proteinek, biomolekulák, betain-tipusú Nemionos (No charge) éterek, zsírsavészterek, savamidok Ikertenzidek (twin) 11

12 Nonionic A lecitin szerepe az állati sejt hártya permeabilitásában jelentős (a cmc kevésbé éles mint a tenzideknél, de a felületaktivitás erős) 12

13 13

14 Amfipatikus 14

15 Semlegesek (nem-ionosok) The head The tail,c12 to C14 The structure of the glucoside molecule Glucopon is a low-foaming surfactant is an aqueous dispersion of both a-d-glucoside and b-d- glucosides that are based upon a mixture of natural fatty alcohols with linear backbones of C12 to C14. Pure Glucopon is a thick white liquid with quite a high viscosity. This mixture exhibits good wetting and cleaning properties and is therefore usually used as a dishwashing- and laundry detergent A molekula alakja úgy változik, hogy kifelé a poláris, befelé az apoláris csoportok vannak, vízben. H kotesek! 15

16 sorbitol 16

17 A koncentrációt növelve, a felület megtelik illetve a közegben elindul a micella képződése. Hogy melyik indul (be hamarabb az az oldhatóságtól függ.) Ezt a koncentrációt nevezzük kritikus micella képződési koncentrációnak. Critical Micelle Concentration (CMC). 17

18 18

19 Egyensúlyok: 19

20 Miért képződik a micella? Kölcsönhatások: víz-víz : ΔG 1 amfifil - víz: ΔG 2 (hidrofil rész-víz, hidrofób rész-víz) olaj-olaj (hidrofób-hidrofób, micellán kívül elhanyagolható, micellán belül nagyobb): ΔG 3 ΔG micelles = ΔG 1 + ΔG 3 + ΔG 2 (mindegyikben vonzás van, azaz ΔH negativ) Entrópia hatás: a víz cibotaktikus szerkezete növeli a rendezettséget, a tenzid megtöri ezt a szerkezetet, az eredő entrópia hatás nem jelentős A liofil rész mozgékonysága nagyobb a micellán belül, az eredő entrópia nő, a hatás nagyobb mint az előzőben. A koncentráció növelésével: ΔG 2 nő de a ΔG 1 csökken, mert a szabad víz csökken, amikor már a ΔG 2 növekedése nem fedezi a ΔG 1 csökkenését, képződik a micella, ahol kevesebb víz kell a hidratációhoz, azaz a ΔG 1 csökkenés kisebb. X X darab tenzid + x darab hidrát burok 20 X darab tenzid + egy nagyobb, hidrát burok

21 A CMC és a szénlánc I. Number of carbons CMC mol m Number of monomer Nagyobb asszociációs hajlam kisebb CMC Nagyobb szolvatáció nagyobb CMC 2 4 c / π l a = N 0 monomer CMC meghatározása, logk ~log c; lambda~c 1/3 1. Aggregáció csökkenő viszkózus ellenállás, 2. effektív töltés, 3. diffúz ionatmoszféra csökkenti a mozgékonyságot For a homologous series of linear single-chain surfactants the CMC decreases logarithmically with carbon number n C : log 10 (CMC)=A-Bn C. Where A and B are constants for a particular homologous series and temperature, and n C is the number of carbon 21 atoms in the chain, C n H 2n+1. However cmc reaches a limit after 18, probably because of the chains nonlinearity

22 Micella Na + Szénlánchossz nő micella mérete nő cmc csökken Sóhatás cmc csökken micella maximális sugara R az alkil lánc maximális (azaz teljesen kinyújtott) l hosszával azonos 22

23 Sóhatás (SDS). C(NaCl)/mol dm -3 CMC mol m -3 Magyarázat: a fejcsoportok közötti taszítást az ellenion kompenzálja, illetve csökkenti az oldhatóságot A micella képződést ionosnál gátolja a: melegítés, a töltés, elektrolit Minden szennyezés, elektrolit, amely a disszociációt csökkenti, csökkenti a tenzid oldhatóságát (ΔG 2 ), a CMC csökken 23

24 Eltérő hatás az ionos és nemionos tenzidekre Az ionosoknál megnő az oldhatóság a cmc-től A nem-ionosoknál, csökken az oldhatóság, a hidrogén hidak felszakadása miatt, felhősödési vagy zavarodási pont. 24

25 Cmc meghatározása ionos micelláknál a vezetőképesség alapján Hatások lambda 8E-3 7E-3 6E-3 5E-3 4E-3 3E-3 2E-3 1E-3 0E c 1/3 1. Az aggregáció miatt csökken a teljes viszkózus ellenállás, a λ nő 2. Az ellenionok egy része a micella részévé válik, csökken a nettó töltés és csökken a szabad ellenionok száma csökken a λ 3. A diffúz ionatmoszféra csökkenti a micella mozgékonyságát A 2. és 3. hatás általában erősebb, ezért csökken a λ, de például nagy térerőben nincs ellenion atmoszféra ekkor az 1. hatás dominál, a λ nő a cmc után! 25

26 Gyakorlati alkalmazások Mosás: a hidrofób szennyeződés leválasztása szilárd felületről. Mosóhatás (technikailag) : nedvesítés (hidrofil, hidrofób) (Hardy Harkins elv) Kioldás Szolubilizáció Szolubilizáció: Az asszociációs kolloidok képesek az adott közegben nem oldódó (pl. apoláris anyagok) nagyobb mennyiségét kolloid oldatban tartani. (A zsírszerű anyagok felszívódása,epesavak emulgeáló hatása, micellák. Lásd biokolloidok) Emulziók, szuszpenziók készítése LB rétegek, bilayer, membrán, liposzomák 26

27 27

28 Modern mosószerek Tenzid: ionos, nemionos keveréke, enzimek (bontó hatás, vigyázat allergének) Adalékok: a mosóhatást segítő (polifoszfátok, lágyítók, korróziógátlók) fényesítők, fehérítők, bleachers nátrium per-borate (nascens oxigén) fluoreszcensz anyagok Egy tipikus por formájú mosószer összetétele: 28

29 Tenzidek a gyógykezelésben Közvetlen alkalmazás, az emberi tüdőben csökkenteni kell a felületi feszültséget A tüdőben: dipalmitil-foszfatidil-kolin dipalmitoylphosphatidylcholine (DPPC): Respiratory Distress Syndrome (Beractant (Survanta, Abbott Pharmaceuticals) 4 ml/kg ) 29

30 Illusztráció Alveoli: léghólyagocska belső felületén lévő filmben lévő sajátos proteinek, foszfolipidek és felületaktív anyagok vannak. 30