Intermolekuláris kölcsönhatások

Intermolekuláris kölcsönhatások

Hidrogénkötés víz peptidek DNS: bázispárok Klasszikus H-kötés feltételei: Nagy elektronegativitású atomhoz (F,O,N) közvetlen kapcsolódó H-atom és magános elektronpár szintén nagy EN-ú atomon ( Nem-klasszikus: pl -C H O=C- )

H-vándorlás alagúthatással ( tunneling ) vízben is állandó, dinamikus változás pl. H 2 CO 3 dimer

Dipól-dipól vagy Keesom-erők dipól-dipól pl. HCl, éter (foly. áll.) Willem Hendrik Keesom (1876-1956) Állandó dipólusmomentum: μ = q r kötések μ : elektromos dipólusmomentum q : töltésszeparáció r : kötéstávolság (vektor) m HCl = 1,05 D (D: Debye) m dietil-ter = 1,15 D 1 Cm = 2,9979 10 29 D Nem forgó molekulákra: (szilárd fázis) Gátolt forgásra: (folyadék) Szabad forgásra: (ritka gáz) E dip dip = 2 μ μ A B 3 RAB E dip dip μ = 2 3R 2 Aμ 2 B 6 ABkB A,B = HCl 970 J/mol 62 J/mol (T= 300 K, R AB =0.5 nm ) T E dip dip = 0 0 J/mol

Dipól-indukált dipól vagy Debye-erők Peter Joseph William Debye (1884 1966) µ µ µ Ix Iy Iz α = α α μ I xx yx zx = α E α α α xy yy zy α α α xz yz zz E E E x y z m I : indukált dipól a: polarizálhatóság tenzor E: (dipól vagy ion által keltett) külső elektromos tér SI mértékegység: C m2 V-1 E dip ~ ind. dip µα R 6 AB

Van der Waals- vagy London-erők pl. paraffin, nemesgázok apoláris molekula fluktuáció másik apoláris molekula Johannes Diderik van der Waals (1837 1923) Nobel-díj: 1910 Fritz Wolfgang London (1900 1954) van der Waals vagy London kh.: Van der Waals kh. E ind.dip ind. dip ~ α R 2 6 AB

A Lenard-Jones (pár)potenciál Intermolekuláris kölcsönhatások leírása empirikus képlettel, ami a taszítást is figyelembe veszi: Ar Ar van der Waals kölcsönhatás leírása ( E potenciális ) V = A R 12 B R 6 A,B empirikus (vagy számított) állandók

Folyadékok jellemzése 1) Párkorrelációs függvény Párkorrelációs függvény (megtalálási valószínűség vs. távolság) jég víz rendezetlen, dinamikusan változó szerkezet

2) sűrűség Folyadékok jellemzése

3) felületi feszültség Folyadékok jellemzése Felületen levő molekulák kevesebb intermolekuláris kölcsönhatást tudnak kialakítani, mint a tömbfázisban levők felület növeléséhez munkára (energiára) van szükség: W F γ = = A l γ : felületi feszültség [N/m] Milyen a vízcsepp alakja? hu.wikipedia.org

Lotusan festék

Folyadékok jellemzése 3) felületi feszültség: nedvesítés, határfelületi feszültség Adhézió: folyadék és másik kondenzált fázis közötti vonzóerő Kohézió: folyadék molekuláit összetartó erők Adhézó > kohézió : nedvesítés Kohézió > adhézió: nem nedvesítő folyadék szilárd hf. határfelületi feszültségek: γ sg : szilárd-gáz γ ls : folyadék-szilárd γ lg : folyadék-gáz Young-egyenlet (vektoriális összegből): Thomas Young (1773-1829) γ sg = γ ls γ lg cosθ Θ: nedvesítési peremszög Hőmérsékletfüggés: Eötvös-szabály (és Eötvös-állandó: k) Moláris térfogat, hőmérséklet, kritikus hőmérséklet és a viszkozitás 2 / 3 közötti összefüggés (kritikus hőmérsékleten nincs fázishatár γ = 0) γvm = k( T T kr )

Folyadékok jellemzése 3) felületi feszültség: kapillárisemelkedés Folyadékoszlop súlyából származó erő: F g = r 2 πρgh Adhézióból származó erő: F 2γ sl cosθ = rπγ sl cosθ h = ρgr γ 2 buborék növekedése folyadék belsejében (görbült felületek tenziója, buboréknyomás) a gömbfelületre p γ nyomás hat a felületi feszültség miatt, amely a buborékot megszüntetni igyekszik, ez egyenlő a belső gőznyomással: p F γ γ 2 2 = F / A A = 4π ( r + δr) r δr 0 γ = 4πr 2 p buboréknyomás: γ Fδr A = 8πrδr = W = γ A p γ = 2γ / [ ] r hu.wikipedia.org

Folyadékok jellemzése 3) felületi feszültség: a felületi feszültség mérése A) kapilláris emelkedéses módszer B) kiszakításos Pt-lapos (Wilhelmy-módszer) Pt-gyűrűs (Du Noüy-módszer) C) buboréknyomásos módszer buborékképződés külső nyomás függvényében D) függőcsepp (sztalagmométeres) módszer Csepp súlya tart egyensúlyt a felületi feszültségből származó erővel csepp tömegének mérése E) csepptérfogat mérés Előzőhöz hasonló, de két nem elegyedő folyadék esetében is alkalmazható F) nyugvó csepp és forgó csepp módszer Csepp alakjának a mérése

Folyadékok jellemzése 3) Felületi feszültség csökkentése: tenzidek szerves fázis micella vizes fázis

Oldatok ionos vegyületek oldódása vízben hasonló a hasonlóban elv hidrofób (szerves) hidrofil (vizes) fluorofil (fluoros) fázisok

Charles J. Pedersen (1904 1989) Donald James Cram (1919 2001) Jean-Marie Lehn (1939 ) 1987-es Kémiai Nobel-díj Koronaéterek hidrofób burok Felhasználás: pl. ionszelektív elektródok, ionok beoldása szerves oldószerbe (pl. KMnO 4 oxidálószer) hidrofil (adott méretű) üreg

Felhasználás: pl. gyógyszerek bevitele a szervezetbe (vízoldhatóság növelése) Ciklodextrinek

Folyadékok jellemzése 4) Kompresszibilitás κ 1 = V κ(β ) : dv dp κ T 1 = V kompresszibilitás [1/Pa] V p T κ, atm -1 10-6 CS 2 etanol glicerin Hg víz 94 111 21 3,8 46,4

Folyadékok jellemzése 5) Viszkozitás levezethető: dv dt = πr 4 p 8η L A folyadékrétegek egymáson elcsúsznak, sebesség az átméro mentén változik. Newton szerint: F η : = ηa du dy dinamikai vagy abszolút viszkozitás mértékegysége Ns/m 2 = 10 P P: poise (Jean Louis Poiseuille után) viszkozitások 20 C-on: ν = ν : η ρ kinematikai viszkozitás aceton: 0,0003 P higany: 0,017 P víz: 0, 01 P méz: 10 P glicerin: 14,9 P mértékegysége m 2 /s = 10000 St St: stokes (George Stokes után)

Folyadékok jellemzése 5) Viszkozitás mérése B) Höppler-féle viszkoziméter A) Ostwald-féle: A folyadék átfolyás-idejének mérése a két jel között C) Rotációs viszkoziméter Koncentrikusan elhelyezkedő állóés forgó henger közötti folyadék viszkozitását határozzák meg. A forgó hengert torziós rugón keresztül hajtják, a megnyúlást mérik. A golyó lesüllyedési idejének mérése a két jel között D) Vibrációs viszkoziméter Folyadékba mártott lemezt rezgetnek. A viszkozitás függvényében változik a rezgés frekvenciája.

Folyadékok jellemzése 5) Viszkozitás Newtoni folyadék: erő egyenesen arányos a folyadék sebességgel (azaz állandó viszkozitás) h Newtoni Tixotróp: keverés mellett idővel csökken a viszkozitás (pl. kenőzsírok) keverés sebessége Pszeudoplasztikus: keverés sebességét növelve csökken a viszkozitás (pl. vér) h tixotróp h pszeudoplasztikus Bingham-folyadék: folyás megindításához nullától nagyobb erőre van szükség (pl. puding) h Dilatáns:keverés sebességét növelve nő a viszkozitás (pl. homok-víz) keverés ideje Bingham-folyadék h keverés sebessége Dilatáns keverés sebessége keverés sebessége

Ionos folyadékok szobahőmérsékleten cseppfolyós ionos vegyületek

Kolloid rendszerek Heterogén- többfázisú (durva diszperz) rendszerek Átmenet: Kolloid rendszerek, melyben a diszperz részecskéinek mérete 1 és 200 nm közé esik nagy fajlagos felület, ugyanakkor viszonylag stabil diszperzió (szedimentáció, koaguláció, reverzibilis és irreverzibilis kisózás) Nagy felület/térfogat arány (speciális alkalmazások: adszorbensek, katalizátorhordozók) Metastabilis állapot fázisszétválás, ülepedés, koaguláció stabilizálás: emulgeátorok (pl. felületaktív anyagok) felületen megkötött ionok (pl. AgCl Ag+ vagy Cl feleslegben stabilis) Diszpergált anyag mérete szerint: mono- vagy polidiszperz Anyaga szerint: -makromolekuláris (pl. tojásfehérje) -diszperziós (pl. AgCl csapadék, tengerszemekben a mészkő) -asszociációs kolloidok (pl. tenzidek micellái) (kritikus micellaképződési koncentráció: micellaképződés megindulásához szükséges minimális koncentráció)

Kolloid rendszerek xeroszol lioszol Emulzió átcsapása Szol-gél átalakulás

Kolloid rendszerek Faraday aranyszolja Faraday Múzeum, London

Tyndall-effektus (fényszóródás) 1 λ Rayleigh-szóródás (kismolekula): I ~ I Mie-szóródás (kolloid): 0 4 Smaragd tó (Kanada)

Lükurgosz serlege (British Múzeum, arany-kolloidszemcsék) szórt fény (külső megvilágítás) áteső fény (belülről megvilágítva)

legkisebb sűrűségű, nagy fajlagos felületű anyagok (szilárd habok) fagyott füst Aerogélek

Ozmózis Oldószer átjutása féligáteresztő hártyán (koncentráció kiegyenlítődés) Π V m =RT Π: ozmózisnyomás V m : 1/c biológia: hiper-, hipo, izotóniás oldatok

Kolloidok tisztítása, méretszerinti szétválsztás Dialízis Ultracentrifugálás Gélszűrés (gélkromatgráfia) Gélelektroforézis rotátor polidiszperz kolloid szedimentáció ( ülepedés )

Kolloidok vizsgálata Zsigmondy Richárd (1865 1929) 1925 Kémiai Nobel-díj a kolloid oldatok heterogén természetének bizonyításáért és az ultramikroszkóp feltalálásáért Tyndall-jelenség alkalmazása

Nanotechnológia Mesterséges és. szén nanocsövek természetes nanomotorok dendrimerek (fraktálszerű polimerek)