Habok, emulziók, szolok. Makromolekulák. Az ozmózis jelensége. Asszociációs kolloidok.
Aeroszolok Gázfázisú diszperziók: L/G köd; S/G füst Szmog: összetett rendszer London típusú (redukáló): S/L/G; szilárd szennyezőkre (pl. korom, szálló por) folyadék kondenzálódik, mely redukáló gázokat (pl. SO 2 ) old be. Los Angeles típusú (oxidáló, vagy fotokémiai): bonyolult fotokémiai reakciók során keletkező gyökök okozzák
Gázdiszperziók, habok A diszperz rész gázfázisú, a közeg pedig folyékony Ha a diszpergált rész kolloid mérettartományba esik gázlioszolról beszélünk Amennyiben a folyadék térfogata elenyésző a gázzal szemben a hab elnevezést használjuk.
Habok előállítása, stabilitása Diszpergálással : a gázfázis darabolásával, pórusos testen való átbuborékoltatással, illetve keveréssel. Buborékoltatás esetén el kell érni a küszöbnyomást! (Laplace egyenlet!!!) Kondenzálással: a folyadékban oldott gáz oldékonyságát hirtelen csökkentve. A stabilitás függ: Folyadék fázis felületi feszültsége Viszkozitás Folyadékhártya szerkezete
Habok stabilizálása Felületi feszültség csökkentése!! (tenzidek) Segédanyagok használata (folyadékfilm szerkezetét stabilizáló anyagok)
Habok megszüntetése Folyadékhártya megtörése (elvéknyítása): rövid szénláncú tenzidek alkalmazása, oldószerkiáramlás gyorsítása Durvítás (nagyobb buborékokká való összeolvadás a gáz falon keresztüli diffúziójával) Stabilizáció megszüntetése (habzásgátlás) : a stabilizáló anyagot micellába vagy más struktúrába visszük. Mechanikai megtörés
Szolok, szuszpenziók A diszperz rész szilárd, a közeg pedig folyékony Ha a diszpergált rész kolloid mérettartományba esik szolról beszélünk (S/L), míg a durvább rendszert szuszpenziónak nevezzük. Mérettartománytól függő sajátságok (ülepedés, viszkozitás, optikai tulajdonságok) Stabilitásukat nagymértékben befolyásolja a szilárd anyag felületén végbemenő folyamatok (adszorpció, kettősréteg kialakulása)
Szolok, szuszpenziók előállítása Heterogén rendszerből diszpergálással: mechanikai aprítás száraz vagy nedves úton Durva rendszerből dezaggregálással (peptizáció): a szilárd részecskék közötti kohéziós erők megszüntetésével/ csökkentésével Elektromos porlasztás (fémek esetén) Kémiai reakcióval, vagy oldékonyság csökkentésével (kondenzáció): fontos a gócképződés és gócnövekedés aránya
Szolok, szuszpenziók stabilizálása Makromolekulák hatása
Folyadék lioszolok, emulziók Mind a diszpergált rész, mind a közeg folyékony fázisú. Ha a diszpergált rész mérete kolloid mérettartományba esik folyadék lioszolról, durvább rendszerek esetén emulzióról beszélünk. Fontos kritérium: a diszpergált rész NEM, vagy csak korlátozottan elegyedik a közeggel Aközegfolytonos,míga diszpergált rész nem.
Folyadék lioszolok, emulziók típusai O/V (pl. tej), V/O (vaj) Kettős folytonosságú emulziók O/V/O illetve V/O/V összetett emulziók
Emulziók típusának meghatározása Általában az O/V krémesebb, míg a V/O zsírosabb tapintású Az emulzió saját közegével könnyen hígítható Az emulzió a közegben oldódó festékkel könnyen színezhető Az O/V emulziók vezetőképessége sokkal nagyobb mint a V/O emulzióké NEM feltétlenül az a közeg amelyikből többvan!
Emulziók előállítása Stabil emulziók létrehozása csak emulgeátorokkal, vagy stabilizáló szerekkel lehetséges! Diszpergálással: nagyméretű cseppekből, vagy fázisból (mechanikai) aprítással (nyírás, keverés) Kondenzációval: a diszpergált fázis oldatát emulgeátort tartalmazó közegbe csepegtetik (oldószer kicserélése)
Emulziók stabilizálása Amfifil molekulákkal (emulgeáló szerek): A molekula polaritásától függően stabilizálja az O/V vagy V/O emulziókat (ld. később) Szilárd részecskékkel (Pickering emulziók)
Gélek Koherens rendszerek (vázszerkezettel rendelkeznek) Átmenet a folyadék-szilárd (vagy gáz-szilárd) állapotok között A részecskék mozgási energiája kisebb mint az összetartó erő: kis kohéziós erőnél: fizikai gélek (a vázszerkezetet gyenge másodrendű kötések alakítják ki) nagy kohéziós erőnél: kémiai gélek (a vázszerkezetet elsőrendű kémiai kötések hozzák létre)
Gélek
Makromolekulás kolloidok A molekula kisebb monomer egységekből épülfel kémiai kötésekkel. Természetes és mesterséges eredetűek is léteznek Méretüket és alakjukat a makromolekula kémiai szerkezete valamint a közeg (oldószer, hőmérséklet, ph, ionerősség.) határozza meg.
Lineáris polimerek mérete és alakja Jó oldószerben (az oldószerszegmens kölcsönhatás erősebb, mint a szegmens-szegmens kölcsönhatás) a makromolekula kiterjed Rossz oldószerben (a szegmensszegmens kölcsönhatás erősebb, mint az oldószer-szegmens között), a molekula gombolyaggá alakul (kiszorítja az oldószert) Theta oldószer: Statisztikusnak megfelelő méret és alak
Lineáris polimerek mérete és alakja A szegmensek szabadon rotálnak egymáshoz viszonyítva A rotációt a vegyértékszög és a többi szegmens által elfoglalt térfogat szabályozza Statisztikus láncvéghossz (h): ( h) 2 nl 2 Ahol n: polimerizáció foka, l: egy szegmens hossza
Az ozmózis Féligáteresztő hártyán (membránon) történő oldószeráramlás a makromolekulát kisebb koncentrációban tartalmazó hely felé. A folyamat hajtóereje a kémiai potenciál különbség a membrán két oldalán. A folyamat önként végbemegy. Az oldószeráramlás visszaszorítható ha a megnöveljük a nyomást a nagyobb koncentrációjú oldalon. Azt a nyomásértéket, ahol az oldószeráramlás megszűnik ozmózisnyomásnak nevezzük (Π) crt (1 B c 2 2 B3c...)
Asszociációs kolloidok Mi történik az amfifil molekulákkal az oldatban, ha a felszín telítődik?
Asszociációs kolloidok Egy adott koncentrációérték felett az amfifil molekulák önként végbemenő folyamatban asszociálódnak. Az asszociátumok mérete már kolloid mérettartományba esik. Az asszociátumokat micelláknak nevezzük.
Micellák lehetséges alakja A tenzid alakja és mérete, polaritása 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 micella térfogata 0 1/3 1/3 1/2 1/2-1 >1 gömbi micella hengeres micella lemezes micella inverz micella
Micellák képződésének hajtóereje x a hidrofób láncrész kevésbé bontja meg a víz-víz kölcsönhatást a micella külső része polárisabb, így kedvező a hidratáció Kölcsönhatások: víz-víz : G 1 amfifil víz(hidrofil-hidrofil, hidrofil-hidrofób) : G 2 olaj-olaj (micellán belül, hidrofób-hidrofób) : G 3 Gmicella = G 1 + G 2 + G 3 Entrópiatényező: a hidrofób láncrészek mozgékonysága nagyobb az olajos fázisban)
Tenzidek csoportosítása Anionos (negatívan töltött) - zsírsavak, alkil-szulfonsavak, alkil(aril)-foszfátok sói Kationos (pozitívan töltött) Alkil-ammónium sók, aminok Amfoter (ikerionos) (ph függő töltés) proteinek, biomolekulák, betain-tipusú Nemionos (töltés nélküliek, neutrálisak) éterek, zsírsavészterek, savamidok Ikertenzidek (twin)
Anionos tenzidek: COO - Na + nátrium-sztearát S nátrium-dodecil-szulfát (SDS) O S O - S O Na + S O - nátrium-dodecilbenzol-szulfát O Na +
Kationos tenzidek: CH 3 N + CH 3 cetil-trimetil-ammónium-bromid CH 3 Br - N + cetil-piridínium-bromid Br -
Amfoter tenzidek: lecitin
Nemionos tenzidek:
A micellaképződés hatása az oldat fizikai paramétereire Kritikus micellaképződési koncentráció (CMC)
A CMC értékét befolyásoló tényezők 1. A szénlánc hosszúsága Szénatomszám 12 14 16 18 CMC (mol/m 3 ) 8.6 2.2 0.58 0.23 Monomerek száma 33 46 60 78 Nagyobb szolvatációs képesség nagyobb CMC Nagyobb asszociációs hajlam kisebb CMC
A CMC értékét befolyásoló tényezők 2. Sóhatás (SDS) c NaCl (mol/dm 3 ) 0 0.01 0.03 0.1 0.3 CMC (mol/m 3 ) 8.1 5.6 3.1 1.5 0.7 Ionos tenzideknél a fejcsoportok közötti taszítást az ellenion kompenzálja Az egyedi molekulák töltésének árnyékolásával csökkenti azok hidratálódási képességét
A CMC értékét befolyásoló tényezők 3. Sóhatás (nem ionos tenzidekre) Az oldhatóságra gyakorolt hatása miatt befolyásolja a CMC értékét 4. Hőmérséklet Eltérő hatás az ionos és nemionos tenzidekre
Gyakorlati alkalmazások Mosás: a hidrofób szennyeződés leválasztása szilárd felületről. Mosóhatás (technikailag) : nedvesítés (hidrofil, hidrofób) kioldás szolubilizáció Emulziók, szuszpenziók készítése Szolubilizáció: Az asszociációs kolloidok képesek az adott közegben nem oldódó (pl. apoláris anyagok) nagyobb mennyiségét kolloid oldatban tartani.
Alveoli: léghólyagocska belső felületén lévő filmben lévő sajátos proteinek, foszfolipidek és felületaktív anyagok vannak. Biológiai alkalmazás
Biológiai alkalmazás Közvetlen alkalmazás, az emberi tüdőben csökkenteni kell a felületi feszültséget A tüdőben: dipalmitil-foszfatidil-kolin Respiratory Distress Syndrome (Beractant (Survanta, Abbott Pharmaceuticals) 4 ml/kg )
Modern mosószerek Tenzid: ionos, nemionos keveréke, enzimek (bontó hatás) Adalékok: a mosóhatást segítő (polifoszfátok, lágyítók, korróziógátlók) fényesítők, fehérítők, bleachers nátrium perborát (nascens oxigén) fluoreszcens anyagok Szolubilizáció: Az asszociációs kolloidok képesek az adott közegben nem oldódó (pl. apoláris anyagok) nagyobb mennyiségét kolloid oldatban tartani.
Melyik a jobb felületaktív anyag? A hosszabb szénláncú tenzidek molekulái hatékonyabban törik meg a víz szerkezetét, ezáltal jobban csökkentik annak felületi feszültségét azonos koncentráció mellett. Azonos típusú molekulák esetén a szénatomszám növelésével ugyanakkora felületaktivitás eléréséhez ~harmadakkora koncentráció szükséges.
A HLB érték Hydrophilic Lipophilic Balance A felületaktív anyag polaritását adja meg. A nagyobb érték polárosabb anyagot jelent. A HLB értéke függ a poláris csoportok minőségétől és számától
AHLB érték Tenzidek keverékére a HLB érték összeadódik! Mi HLB értéke annak a keveréknek, amely 25 % Span 80 (HLB = 4.3) és 75% Tween 80 (HLB = 15.0) tenzidet tartalmaz? 0.25*4.3 + 0.75*15.0=13.0 Milyen arányban kell összekeverni a Tween 60 (HLB=14.9) és Span 60 (HLB=4.7) tenzideket, hogy egy HLB=6.74 keveréket kapjunk? x*14.9 + (1-x)*4.7=6.74 x=0.2 20% Tween 60 + 80% Span 60