Kolloid állapotjelzők. Molekuláris kölcsönhatások. Határfelületi jelenségek: fluid határfelületek Dr. Berka Márta Debreceni Egyetem TEK Kolloid- és Környezetkémiai Tanszék http://dragon.unideb.hu/~kolloid/ 2010/2011/II. félév 2.óra 1
A kolloid rendszerek jellemzése Buzágh gh: Kolloid állapotjelzők 1. A rendszer diszperzitásfoka (azaz a méret) 2. Morfológia (alak, belső szerkezet) 3. A diszpergált részecskr szecskék térbeli eloszlása sa 4. A részecskék közötti kölcsönhatás (meghatározza az előzőeket!) 2
Molekuláris kölcsönhatások A kolloid részecskék közötti kölcsönhatások eredete az egyedi molekulák kölcsönhatására vezethető vissza. Megszabják a részecskék méretét, alakját, a rendszer stabilitását, valamint a» részecske/részecske» részecske/közeg,» közeg/közeg kölcsönhatást Párkölcsönhatások: két izolált ion vagy molekula közötti kölcsönhatások A részecske olyan molekulahalmaz, amely kinetikai egységet alkot (megfelelő körülmények között önálló transzlációs hőmozgást végez, vagy önálló kinetikai egységként mozog, pl. ülepszik) 3
Ionos és molekuláris kölcsönhatások Ion 1 - ion 2 (Coulomb) Ion 1 - permanens dipól 2 permanens dipól 1 - permanens dipól 2 permanens dipól 1 Indukált dipól 2 pillanatnyi dipól 1 - Indukált dipól 2 Taszítás Hidrogén-kötés Hidrofil és hidrofób kölcsönhatás (van der Waals) 4
Molekuláris kölcsönhatások Előjel, vonzás (-), taszitás (+) Coulomb: ion-ion E E Coul id 1 2 = = ( ze) 1( ze) 2 1 4πε r 0 ( ze) 1μ2cosθ 1 4πε r 0 2 HT~50nm HT~1.5nm ion-dipole dipole-dipole Orientációs hatás a) T alacsony b) T magas E kölcsönhatás energiája (J), r távolság (m), q = ze töltés (C), μ dipólmomentum (Cm), l dipól hossza (nm) 5, HT: Hatótávolság (nm), T hőmérséklet (K), θ szög, ε 0 elektromos permittivitás
dipole-dipole Molekuláris kölcsönhatások a) T alacsony, a konst. tartalmazza az előjelet: +2 parallel, -2 antiparallel orientáció b) T magas, szabadon rotáló dipólok, mindig vonzás: E dd 1 2 konst. μ μ 1 1 2 = 3 HT~1.5nm 4πε 0 r Alacsonyabb hőmérsékleten a vonzás rendeződéshez vezethet! E dd 1 2 2 μμ 1 = 3(4 πε ) 2 2 1 2 2 6 0 ktr B HT:Hatótávolság 6
Dipólmomentum, Debye jele D Dipólmomentum molekula Debye molekula Debye molekula Debye HF 1.91 SO2 1.6 Metanol 1.7 HCl 1.05 CO 0.1 Etanol 1.7 HBr 0.79 CO2 0 Aceton 2.86 H 2 O 1.85 Fenol 1.45 H 2 S 0.93 NH 3 1.46 1D= 3.33 10-30 Cm Permanens dipól 1 -indukált dipól 2 ( 2 2 αμ + αμ) Indukciós hatás, mindig vonzás 1 2 2 1 E id 1 2 Polarizálhatóság, jele α ~ (4 πε ) 0 1 r 2 6 Polarizálhatóság He 0.2 CO 1.65 CH 2 =CH 2 4.3 H 2 0.81 H 2 O 1.44 C 2 H 6 4.5 Ar 1.63 O 2 1.6 C 6 H 6 10.3 Xe 4 Cl 2 4.6 α 30 NH 3 2.3 CCl 4 10.5 10 CH 4 2.6 4πε 3, m 0 A polarizálhatóság nő a mérettel, tf. dimenzió (de az alak is számit benzol!) He? 7
pillanatnyi dipole 1 -indukált dipole 2 (LONDON 1930) diszperziós kölcsönhatás, mindig vonzás ν az elektron jellemző vibrációs frekvenciája E ti 12 3 ν ν αα 1 1 2 1 2 ~ 2 2 6 ν1+ ν2 (4 πε0 ) r London-féle diszperziós kölcsönhatás egyetemleges!! igen kicsi hatótávolság, HT~0.4nm A London erők nőnek a moláris tömeggel. (Számos folyadéksajátság arányosan változik a molekulatömeggel: fagyáspont, forráspont, gőznyomás, felületi feszültség, viszkozitás) Összeadódik sok molekulából álló testre! Gőznyomás: CH 3 Cl <CH 2 Cl 2 <CHCl 3 <CCl 4 A London erők függnek az alaktól is. Pl. párolgáshő: pentán> izopentán> neopentán 8
Összevonva az indukciós, orientációs és diszperziós kölcsönhatásokat azonos molekulákra van der Waals állandó: β 6 A β 11 Boer és Hamaker makro fázisra A: Hamaker állandó, q: db atom /tf, A ~ 2 q β E ~ r, J β 11 10 77 Jm 6 CCl4 4.41 Etanol 3.4 Benzol 4.29 Cl-benzol 7.57 F-benzol 5.09 Toluol 5.16 víz 1.82 % Compound μ Debye α orientation induction dispersion CCl4 0 10.7 0 0 100 Ethanol 1.73 5.49 42.6 9.7 47.6 Benzene 0 10.5 0 0 100 Water 1.82 1.44 84.8 4.5 10.5 9
London-féle diszperziós kölcsönhatás Összeadódik sok atomból álló molekulára vagy sok molekulából álló testre! Függ az alaktól is! Telitett gőznyomás: CH 3 Cl <CH 2 Cl 2 <CHCl 3 <CCl 4 az alaktól is függ: 10
E tot Vonzás Taszítás két Molekulára taszitás E tot konst. β11 ~, 12 6 r r J vonzás r min pl. metán 0.42 nm 11
Hidrogénkötés Ez egy donor-akceptor kölcsönhatás, a H atom kovalensen kötődik egy erősen elektronegatív kisméretű atomhoz és egy hasonlóan elektronegatív atom kötetlen elektron párjához, mint pl. O, N, F, Cl. Asszociációra hajlamos molekulák, ecetsav, cibotaktikus, paraffin, benzol (diszperzios). Hidrofób kölcsönhatás Egy szokatlanul erős kölcsönhatás hidrofób molekulák vagy molekularészek között vizes közegben. (Ez erősebb, mint ha közeg nélkül lenne ) Termodinamikai kölcsönhatás, megtöri a víz szerkezetét. Kalitka effektus. Hidrofil molekulák erősen polárisak, és többnyire H kötésre hajlamosak 12
Van egy lánchossz amely fölött a hidrofób jelleg megnő, mivel nagyon megtöri a hidrogén kötéseket a vízben. Azok az alkoholok amelyek alkil csoport mérete ezen felül van már nem oldhatóak vízben*. példák Name Formula Solubility Methanol CH 3 OH miscible Ethanol C 2 H 5 OH miscible Propanol C 3 H 7 OH miscible Butanol C 4 H 9 OH 0.11 Pentanol C 5 H 11 OH 0.030 Hexanol C 6 H 13 OH 0.0058 Heptanol C 7 H 15 OH 0.0008 *Crowe, J.:Chemistry for the Biosciences Oxford UP. ISBN 0-19-928097-5, 2006 13
A vízoldható vegyületek molekulái és a víz molekulák korlátlanul elegyednek. Ha a vegyület nem vízoldható, a molekulái nem elegyednek korlátlanul a vízzel, hanem a kétféle molekula elválasztódik. Előfordul, hogy kis mennyiség oldódik, míg a nagyobb rész az oldat tetején úszik. 14
ion-dipole Ionok hidratációja. Az ionok és a víz molekulák hidratációja ion-dipól kölcsönhatás, amely a töltések és a dipólusos víz molekula között jön létre. 15
Samples Az alkoholok poláris molekulák. Az elektronok a nagy elektronegativitású oxigén atom felé tolódnak, torzítva a molekula mint egész elektroneloszlását. Következésképpen a molekula poláris. Az alkohol molekulák hidrogén kötésre képesek a vízzel és egymással. *Crowe, J.:Chemistry for the Biosciences Oxford UP. ISBN 0-19-928097-5, 2006 16
Példák A polipeptidek hidrofil és hidrofób részekből állnak. A sötétebben jelzett hidrofób részek elfordulnak a vizes környezettől; ezt az elrendeződést a szorosabb elhelyezkedésű hidrofób részek közötti diszperziós kölcsönhatás stabilizálja. *Crowe, J.:Chemistry for the Biosciences Oxford UP. ISBN 0-19-928097-5, 2006 17
Samples Különböző nem-kovalens erők, amelyek hathatnak egy polipeptidben. *Crowe, J.:Chemistry for the Biosciences Oxford UP. ISBN 0-19-928097-5, 2006 18
Összefüggés az elsődleges és másodlagos szerkezet között. A hajtogatott szerkezet kialakulása függ az elsődleges szerkezettől. A másodlagos szerkezetet a hidrogén kötés stabilizálja. A nagy molekulák alakja A fehérje szerkezete: 1 kémiai + 3 kolloid 19
A közeg hatása A ph változása befolyásolja a protein töltését, ezen keresztül az oldhatóságát és alakját! Az izoelektromos pontban a leginkább izometrikus (gombolyodott) és legkevésbé hidratált. 20