Kolloidkémia. 4. Előadás Diszperz rendszerek általános jellemzése és állapotváltozásai. Szőri Milán: Kolloidkémia

Átírás

1 Kollodkéma 4. Előadás Dszperz rendszerek általános jellemzése és állapotváltozása. Szőr Mlán: Kollodkéma 1

2 Kollod kéma magyarország rövd történte Fredrch Wlhelm Ostwald ( ) A mol fogalmának bevezetője Ostwald-eljárás (HNO 3 par előállítása) Ostwald-féle hígítás törvény Herbert Max Fnlay Freundlch ( ) Oldatokban lejátszódó adszorpcó Kollod oldatok stabltása Koagulácó Buzágh Aladár ( ) Ostwald-Buzágh-féle üledékszabály szolstabltás kontnutás-elmélete adhézó mérés módszer kdolgozása Szántó Ferenc ( ) agyagásványok adszorpcós és nedvesedés tulajdonsága szuszpenzók ülepedés és reológa sajátosságok organofl agyagásványok előállítása Szőr Mlán: Kollodkéma 2

3 A kollodka tárgya Azok dszperz rendszerek, amelyekben a méret legalább egy térdmenzóban kb. 1nm és 500 nm között van. Azok a rendszerek, amelyekben a felület meghatározó szerepet játszk Szőr Mlán: Kollodkéma 3

4 Homogén, heterogén? homogén, mnden sajátság mnden pontban azonos: zotróp.(pl. 5% oldat) heterogén, Gbbs-féle fázstörvény pv nrt F+SZ=K+2 Szőr Mlán: Kollodkéma 4

5 Homogén,heterogén? U = TS pv + n μ + γa + uq Szőr Mlán: Kollodkéma 5

6 Dszperzók típusa Egymással nem elegyedő két fázs, melyek közül az egyk kollod méretű részecskék formájában szét van oszlatva a máskban Dszpergált fázs Dszperzós közeg Név Példák folyadék gáz folyadék aeroszol köd, spray szlárd gáz szlárd aeroszol füst gáz folyadék hab szappanhab, tűzoltó hab folyadék folyadék emulzó tej, majonéz, tortakrém szlárd folyadék szuszpenzó, szol fogpaszta gáz szlárd szlárd hab polsztrol hab, poluretán hab folyadék szlárd szlárd emulzó opál szlárd szlárd szlárd szuszpenzó pgmentált polmerek Szőr Mlán: Kollodkéma 6

7 Szubmkroszkópos dszkontnutás Az aprítás folyamat elvleg bármlyen anyag mnőségű rendszerrel elvégezhető (kvéve a gázt gázban), vagys bármlyen kondenzált anyag rendszer dszperz (vagy kollod) állapotba hozható Szőr Mlán: Kollodkéma 7

8 Kollod rendszerek (szerkezet alapján) Szőr Mlán: Kollodkéma 8

9 Koherens és nkoherens rendszerek Koherens (összefüggő) rendszerek szlárd jellegűek a kohézós erők erősebbek mnt a knetkus Térhálós szerkezet (az anzotrópa kedvező) Inkoherens rendszerek Folyékony jellegűek A részecskék kevéssé korreláltan mozognak (a kohézós energa sokkal gyengébb mnt a hőmozgás energája) Átmenet (semsolds) Gyenge erőhatásnál alakállandó, nagyobbnál nem krémek, paszták, gélek (txotrópa) Szőr Mlán: Kollodkéma 9

11 Dszperzós kollodok vagy szolok Halmazállapot szernt Szőr Mlán: Kollodkéma 11

13 Makromolekulás oldatok Valószínű alak és méret A kollod részecskék sokkal nagyobbak mnt a ks molekulák, pl. oldószer molekulá. Sajátságak függnek az alakjuktól Szőr és Mlán: méretüktől Kollodkéma 13

15 Asszocácós kollodok Amfflek (szappan, mosószerek) Lánc görbülete Szőr Mlán: Kollodkéma 15

16 Kollodok stabltása Termodnamkalag lehetnek stablsak (valód oldatok) Lofl kollodok G oldat <G(kndulás) Makromolekulás oldatok, asszocácós kollodok nem stablsak (dszperz rendszerek) Lofób kollodok G sol >G(kndulás) Szolok Instablak/metastablak temodnamka értelemben (nagy γa matt) Knetkalag lehetnek stablak: a vzsgált dőtartamon belül nem változtak nem stablak: Szőr Mlán: Kollodkéma 16

17 Kollodok stabltása Dszperz rendszerek állapotjellemző: Klasszkus állapotjelzők: Összetétel (x, w%, c, c T, stb) P T V U H S Tovább állapotjellemzők (Buzágh): Részecskemorfológa Eloszlásmódja Dszperztásfoka Fajlagos felület Nehezen szeparálhatóak egymástól Kollodstabltás (knetka, adott dőn belül stabltás) Szőr Mlán: Kollodkéma 17

18 Részecskemorfológa Szntetzálható kollod részecskék osztályozása Szőr Mlán: Kollodkéma 18 Molecular Physcs, 2011, 109,

19 Dszperz rendszerek térbel eloszlása (eloszlásmód) Térben tökéletesen homogén dszperz rendszer Térben dffúz eloszlás Térben heterogén eloszlású dszperz rendszer A részecskék Brown-mozgása tartja fent Pl. külső erőtér tartja fent Szőr Mlán: Kollodkéma 19

20 Részecskékre ható tényezők U = TS pv + n μ + γa + uq Külső erőtér: Hőmozgás (k B T): Brown-mozgás: hőmérsékletből származó knetkus energa nem orentál, statsztkus értelemben homogén eloszlást eredményez Rotácós hőmozgás (zotrópkus/zometrkus esetben nem orentál) Gravtácós erőtér (g) Centrfugáls erőtér (ω) Elektromos erőtér (u) Részecske-közeg kölcsönhatás pl. szolvatácó DLVO elmélet Részecskék között kölcsönhatás pl.: elektrosztatka Nem orentál! Orentál! Szőr Mlán: Kollodkéma 20

21 Dszperztásfok jellemzése Anzometrkus sokaság (sok paraméter kellene jellemzésükhöz) Részecskeméret-eloszlás (szemcseanalízs) Helyettesítés ekvvalens sugárral: (fktív) gömb alakú részecskék, amelyek a részecskeméret meghatározására alkalmazott módszer szempontjából ugyanúgy vselkednek mnt a vzsgált rendszer részecské (Legegyszerűbb részecskemorfológa ) Részecskesugár recprokával arányos a dszperzófok Eloszlás szernt osztályzás: Monodszperz (homodszperz) Poldszperz (heterodszperz Szőr Mlán: Kollodkéma 21

22 Elnevezés Képlet Magyarázat Alkalmazása számátlag súlyozatlan átlag kollgatív sajátságok (pl. fagyáspontcsökkenés, ozmózs...) tömegátlag tömeg szernt súlyozott átlag fényszóródás Z-átlag ultracentrfuga vszkoztásátlag vszkoztásmérés m M n M n m m M M 2 Részecskeméret átlagok: A részecskeméretet az átlagos mérettel lletve a méreteloszlással jellemezhetjük, használatuk a vzsgált jelenség jellegétől függ. Egyenetlenség tényező: az <M> m /<M> n hányados a mnta poldszperztás fokának mértéke (mnél nagyobb, poldszperzebb) 2 3 Z M n M n M 1/ 1 M n M n M Poldszperztás, átlagok, méreteloszlások n n M n M Szőr Mlán: Kollodkéma 22

23 Számhányad meghatározása Mkroszkópos: durva szemcseméret (0,2 mm) Ultramkroszkópos: kollodok (0,005 mm) Elektronmkroszkópos: kollodok (0,01 mm) Coulter-számláló: A vér alakoselemkoncentrácójának meghatározására szolgáló elektronkus számlálás eljárás Jól vezető folyadék vs. alakoselem ellenállásként funkconál Szőr Mlán: Kollodkéma 23

24 Gyakorság Részecskeméret-eloszlás A részecskék méretének teljes leírását a méreteloszlás adja dfferencáls részecskeméret-eloszlás, f(r), emprkus sűrűségfüggvény: mnden r sugárhoz megadja az r és r+dr között sugarú részecskék arányát a mntában df f ( r) dr Hsztogram ntegráls részecskeméret-eloszlás, F(r): mnden r sugárhoz megadja az r-nél ksebb sugarú részecskék arányát a mntában r F( r) 0 f ( R) dr f(r) : akármlyen alakú függvény lehet, ntegrálja 1 r(nm) F(r) : monoton növekvő függvény, F(0) = 0, F() = 1 Szőr Mlán: Kollodkéma 24

25 Gyakorság Gyakorság Részecskeméret-eloszlás Monodszperz Poldszperz dfferencáls ntegráls ntegráls dfferencáls r(nm) Granulometra görbe: - Ülepedéses módszernél használják - az ntegráls részecskeméret-eloszlás tükörképe (nagyobb tömegű előbb ülepszk) r(nm) Szőr Mlán: Kollodkéma 25

26 Tömegeloszlás meghatározása I. Sztálás (gravtácós erőtér domnáns): durvább szemcsés rendszereket száraz vagy nedves sztálás Részecskeméret-tartomány megadása Mesh Méret TYLER (µm) (mesh) ASTM-E11 (no.) Szőr Mlán: Kollodkéma 26 BS-410 (mesh) DIN-4188 (mm)

27 Tömegeloszlás meghatározása II. Szedmentácós módszerek: Ülepítéses (gravtácós erőtér domnáns, a Brown-mozgás elhanyagolható): Alkalmas: ks koncentrácó (0,5-1%) lamnárs áramlás (Re < 0,25) a részecskék süllyedés sebességét ne befolyásolja a Brown-féle mozgás (1-2 μm). Nem alkalmas: a szemcsék lemez vagy pálcka alakúak porkeverékek folyadékban nem dszpergálható porok Ülepítő mérleggel: a szuszpenzóból külepedett tömeg dőbel változásának mérése Ppettás módszerrel (pl. Andreasen-módszer): különböző dők után adott folyadékmagasságban lebegő részecskék relatív tömege Optka eljárással: A koncentrácóváltozás mérése sugárgyengüléses módszerekkel (fénysugár abszorpcó, röntgensugár-abszorpcó) Centrfugálásos (centrfugáls erőtér domnáns, a Brown-mozgás elhanyagolható): Szőr Mlán: Kollodkéma 27

28 Ülepítés és centrfugálás gyorsító erő (F gy ) lassító erő (F l ) F gy V g V g r k F l dx f fv dt Súlyerő - felhajtó erő súrlódás tényező sebesség (lamnárs áramlás) Staconárus sebesség alakul k, azaz gyorsulás nncs, mert a két erő egyenlővé válk: Gömb V v V g fv r 4r 3 3 k 6r 2r 2 r k g 9 Ksebb részecskék (r<100nm): dffúzó (konc. grad) f Stokes r: ekvvalens sugár Egyensúly eloszlás Centrfuga (centrfugáls gyorsító erő) dx dt 2r 2 r k 9 x 2 x Szőr Mlán: Kollodkéma 28

29 Andreasen készülék (ppettás módszer) h Mntavétel: homogenzálás után dőközönként mérn kell a h mélységben még k nem ülepedett mennységet (mndg azonos térfogatú mntában). A mntavétel dőpontjához rendelhető azon legksebb részecskéknek a méretének számítása (Stokes-egyenlet), amelyek már bztosan külepedtek a ppetta alja fölött folyadékoszlopból (mntavételt követő magasság korrekcó). Egy adott r és annál nagyobb méretű részecskék relatív mennységét tükröző ntegráls méreteloszlás görbének meghatározása. Térben dffúz eloszlás Szőr Mlán: Kollodkéma 29

30 Részecskeméret vzsgálatok ISO szabványa I. Reference Ttle Representaton of analyss data Representaton of results of partcle sze analyss ISO :1998 Graphcal representaton ISO :1998/Cor1:2004 Corrgendum to ISO :1998 ISO :2014 Calculaton of average partcle szes/dameters and moments from partcle sze dstrbutons, currently n revson ISO :2008 Adjustment of an expermental curve to a reference model ISO :2001 Characterzaton of a classfcaton process ISO :2005 Methods of calculaton relatng to partcle sze analyses usng logarthmc normal probablty dstrbuton ISO :2008 ISO 26824:2013 ISO :2001 ISO :2001 ISO :2001 ISO :2014 ISO :2001 ISO :2007 ISO :2004 ISO/DIS [Under development] ISO/AWI [Under development] Multvelocty approach Pore sze dstrbuton, porosty Descrptve and quanttatve representaton of partcle shape and morphology Partcle characterzaton of partculate systems - Vocabulary Sedmentaton, classfcaton Determnaton of partcle sze dstrbuton by gravtatonal lqud sedmentaton methods General prncples and gudelnes Fxed ppette method X-ray gravtatonal technque Balance method Determnaton of partcle sze dstrbuton by gravtatonal lqud sedmentaton methods General prncples and gudelnes Photocentrfuge method Centrfugal X-ray method Determnaton of the partcle densty by sedmentaton methods Isopcnc nterpolaton approach Pore sze dstrbuton and porosty of sold materals by mercury porosmetry and gas adsorpton ISO :2016 Mercury porosmetry ISO :2006 Analyss of mesopores and macropores by gas adsorpton ISO :2006/ Cor 1:2007 Corrgendum to ISO :2006 ISO :2007 Analyss of mcropores by gas adsorpton ISO 9277:2010 Determnaton of the specfc surface area of solds by gas absorpton -- BET method

31 Részecskeméret vzsgálatok ISO szabványa II. Reference ISO 13319:2007 ISO ISO 13320:2009 ISO/CD [Under development] ISO 13321:1996 ISO 22412:2017 ISO 22412:2008 [Wthdrawn] ISO 19430:2016 ISO :2014 ISO :2006 ISO :2009 ISO :2007 ISO :2007 ISO :2007 ISO/DIS [Under development] ISO 17867:2015 Ttle Optcal measurement methods: Lqud dsplacement methods Determnaton of partcle sze dstrbutons - Electrcal sensng zone method Partcle sze analyss Electrozone sensng method Laser dffracton methods Partcle sze analyss - Laser dffracton methods Laser dffracton methods Dynamc lght scatterng Partcle sze analyss - Photon correlaton spectroscopy Partcle Sze Analyss - Dynamc lght scatterng (DLS) Partcle Sze Analyss - Dynamc lght scatterng (DLS) Partcle sze analyss -- Partcle trackng analyss (PTA) method Image analyss methods Partcles Sze Analyss - Image analyss methods Statc mage analyss methods Dynamc mage analyss methods Sngle partcle lght nteracton methods Determnaton of partcle sze dstrbuton - Sngle partcle lght nteracton methods Lght scatterng aerosol spectrometer Lght scatterng lqud-borne partcle counter Lght extncton lqud-borne partcle counter Lght scatterng arborne partcle counter for clean spaces Lght scatterng arborne partcle counter for clean spaces Small angle X-ray scatterng method Partcle sze analyss - Small-angle X-ray scatterng

32 Részecskeméret vzsgálatok ISO szabványa III. Reference ISO 14487: 2000 ISO :2007 ISO/TS :2017 ISO 15900: 2009 ISO 27891:2015 ISO :2006 ISO :2013 ISO :2017 ISO/NWI (cancelled) ISO/TR 13097:2013 ISO/PWI ISO/WD [Deleted] ISO :2012 ISO :2012 ISO :2014 ISO/PWI ISO/PWI ISO/PWI TR Ttle Sample preparaton and reference materals Sample preparaton - Dsperson procedures for powders n lquds Partculate materals - Samplng and sample splttng for the determnaton of partculate propertes Preparaton of partculate reference materals Polydsperse materal based on pcket fence of monodsperse sphercal partcles Electrcal moblty and number concentraton analyss of aerosol partcles Determnaton of partcle sze dstrbuton - Dfferental electrcal moblty analyss for aerosol partcles Aerosol partcle number concentraton --Calbraton of condensaton partcle number counters Acoustc methods Measurement and characterzaton of partcles by acoustc methods Concepts and procedures n ultrasonc attenuaton spectroscopy Gudelnes for lnear theory Gudelnes for non-lnear theory Partcle characterzaton by focused beam technques Back scatterng technques Charactersaton of partcle dsperson n lquds Gudelnes for the characterzaton of dsperson stablty Partcle sze analyss - Dspersed stablty charactersaton n lquds Characterzaton of dspersblty of sold partculate objects nto a lqud Methods for zeta potental determnaton Collodal systems - Methods for zeta-potental determnaton Electroacoustc and electroknetc phenomena Optcal methods Acoustc methods Streamng potental method Other methods Gudelnes for zeta-potental measurement

33 Szőr Mlán: Kollodkéma 33