Asszociációs kolloidok Bányai István http://dragon.unideb.hu/~kolloid/ 1
Asszociációs kolloidok Felületaktív anyag (szappan, mosószer, tenzid) 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 vízlevegő határfelületen fog felhalmozódni. Gömbi micella McBain 2 A legegyszerűbb önrendeződő rendszerek
Definíció Olyan részecskék, amelyek amfifil molekulák asszociációjával alakulnak ki termodinamikailag stabilis állapotban. monomer 50-100 monomer egy micellát képez a fejcsoport területe a, a térfogata v, N darab alkot egy micellát, akkor a maximális sugár R kiszámítható, ez az alkil lánc maximális l hosszával azonos. Ajánlott helyek: http://physchem.ox.ac.uk/~rkt/lectures/amphi.html http://www.ualberta.ca/~csps/jpps8(2)/c.rangel-yagui/solubilization.htm 3
A felületaktív anyagok felosztása Anionos (Negatív töltés) Zsírsavak sói, alkíl szulfonsavak, alkil (aril) foszfátok Kationos (Pozitív töltés) alkíl ammónium sók, aminok Amfoter (ikerionos) (ph-függő töltés) proteinek, biomolekulák, betain-tipusú Nemionos (semleges) éterek, zsírsavészterek, savamidok Ikertenzidek (twin) 4
Amfifil molekulák 5
Micellák lehetséges alakja (tervezhető) A tenzid alakja és mérete, (HLB értéke) és a közeg minősége fontos kiindulási pont l c a 0 l c : a tenzid hossza a 0 : a poláris fej mérete v : a molekula térfogata v/(l c a 0 ): kritikus packing paraméter 0 1/3 1/3 1/2 1/2-1 >1 gömbi micella; polidiszperz hengeres micella; oblate micella, vezikula, bilayer; inverz micella 6
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 7
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 8
Vezikulák (kettősréteg, bicella) és liposzómák (foszfolipid-kettősréteg) water 2007.03.13. 12. előadás
Irányított gyógyszeradagolás Liposzóma, belsejében a gyógyszerhatóanyaggal 10
sterogenol Nonionic A lecitin szerepe az állati sejt hártya permeábilitásában jelentős (a cmc kevésbé éles mint a tenzideknél, de a felületaktivitás erős) 11
12
Amfipatikus 13
A felületaktív anyagok a felületen adszorbeálódnak, vagy kialakítják saját felületüket: MICELLÁK mosóhatás A koncentrációt növelve, a felület sűrűség megtelik illetve a közegben ellenállás elindul a micella képződése. Hogy melyik indul (be hamarabb az az oldhatóságtól függ.) Ezt a koncentrációt nevezzük kritikus micella képződési felületi feszültség koncentrációnak. Critical ozmózis nyomás Micelle Concentration (CMC). gőznyomás moláris fajlagos vezetés 14
15
Kölcsönhatások: Miért képződik a micella? víz-víz : G 1 amfifil - víz: G 2 (hidrofil rész-víz, hidrofób rész-víz) olaj-olaj (hidrofób-hidrofób, micellán kívül elhanyagolható, micellán belül nagyobb): G 3 G micelles = G 1 + G 3 + G 2 (mindegyikben vonzás van, azaz H 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: G 2 nő de a G 1 csökken, mert a szabad víz csökken, amikor már a X G 2 növekedése nem fedezi a G 1 csökkenését, képződik a micella, ahol kevesebb víz kell a hidratációhoz, azaz a G 1 csökkenés kisebb. X darab tenzid + x darab hidrát burok 16 X darab tenzid + egy nagyobb, hidrát burok
A CMC és a szénlánc I. Number of carbons 12 14 16 18 CMC mol m -3 8.6 2.2 0.58 0.23 Number of monomer 33 46 60 78 Nagyobb asszociációs hajlam kisebb CMC Nagyobb szolvatáció nagyobb CMC 2 4 c / l a N 0 monomer Adott hidrofób lánc esetén a CMC csökken ha a szénlánc hossza nő: n C : log 10 (CMC)=A-Bn C. (18-ig igaz). 17
Hallgatói gyakorlat (ionos tenzid) log logc Log c 1/3 18
Cmc meghatározása ionos micelláknál a vezetés alapján (ahogyan nekem sikerült) lambda 8E-3 7E-3 6E-3 5E-3 4E-3 3E-3 2E-3 1E-3 0E+0 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 c 1/3 Hatások 1. Az aggregáció miatt csökken a teljes viszkózus ellenállás, a nő 2. Az ellenionok egy része a micella részévé válik, csökken a nettó töltés és csökken a szabad ellenionok száma csökken a 3. A diffúz ionatmoszféra csökkenti a micella mozgékonyságát A 2. és 3. hatás általában erősebb, ezért csökken a de például nagy térerőben nincs ellenion atmoszféra ekkor az 1. hatás dominál, a nő a cmc után! 19
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 20
Sóhatás (SDS). C(NaCl)/mol 0 0.01 0.03 0.1 0.3 dm -3 CMC 8.1 5.6 3.1 1.5 0.7 mol m -3 Magyarázat: a fejcsoportok közötti taszítást az ellenion kompenzálja, illetve csökkenti az oldhatóságot Az ionos micella képződést gátolja a: melegítés, a töltés, elektrolit Minden szennyezés, elektrolit, amely a disszociációt csökkenti, csökkenti a tenzid oldhatóságát (DG 2 ), a CMC csökken 21
A 23 Na NMR vonalszélesség koncentrációfüggése 20 LW/Hz 15 10 5 0 0 5 10 15 20 25 30 Jelintenzitás koncentráció CMC= 7.5 mm kalibrálás után
A 23 Na NMR kémiai eltolódás koncentrációfüggése (Na + -koordináció) -1.05 Jelintenzitás koncentráció 0 5 10 15 20 25 30-1.1-1.15-1.2 B B (1 ) 0 0-1.25 Kémiai eltolódás CMC = 7.9 mm
Nem ionos tenzidek Nonil-fenil-O-(CH2-CH2)2-OH 1.E-04 8.E-05 D/ind unit 6.E-05 4.E-05 2.E-05 0.E+00 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 lnc+10 CMC =0.22 mm
A Kraft-jelenség, Kraft-hőmérséklet Eltérő hatás az ionos és nemionos tenzidekre Az ionosoknál megnő az oldhatóság a cmc-től (az amfifilek oldékonysága kisebb mint a micelláké) A nem-ionosoknál, csökken az oldhatóság, a hidrogén hidak felszakadása miatt, felhősödési vagy zavarodási pont. 25
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 http://www.funsci.com/fun3_en/exper2/exper2.htm 26
Mosás (vázlat) SZ,V F,V F,SZ W F,SZ = SZ,V + F,V - F,SZ Cél: A W F,SZ adhéziós munka Csökkentése detergens: csökkenti a szennyeződés- víz valamint a felület-víz határfelületi feszültséget, -hidrofilizálja a felületet -csökkenti a kontakt szöget --mechanikusan eltávolodik a szennyeződés Képződik ruha-kosz felület kosz-víz felületből és víz ruha felületből Ha pozitív akkor jó, mert munka kell a képződéshez 2007.03.13. 12. előadás
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
Mosószer adalékok (kiemelés) 2. Nem tenzidek: polifoszfátok, szilikátok: Ca2+ és Mg2+ oldatban tartása (kal ) Na CMC ( karboxi-metil cellulóz,védőréteg) 3. fehérítő, fényesítők: NaBO4 (perborát) fluorszecens anyagok: UV-t nyelnek, kéket emittálnak 4. elektrolitok: Na 2 SO 4 csökkentik a CMC-t. öblítők (kationos tenzidek, alkillal kifelé kötődnek, mert a felület -) 2007.03.13. 12. előadás
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 ) 30
Illusztráció Tenzid nélkül Alveoli: léghólyagocska belső felületén lévő filmben lévő sajátos proteinek, foszfolipidek és felületaktív anyagok vannak. Kisebb Laplace-nyomás elegendő a kitáguláshoz Tenziddel http://www.fasebj.org/content/18/13/1624e.full 31
A mikroszerkezetek kialakulása a tenzid koncentráció változásával 32
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. 33
Egyebek (szellemi környezetszennyezés) A kereskedelmi mosószerekben levő összetevőkre érzékeny bőrü emberek azt fogják tapasztalni, hogy a mosás sokkal kevésbé irritáló. Tegyen egy kanál szodabikarbónát a mosóvízbe a mosószerrel együtt. Mosódióval is használható, növeli a zsíroldó hatást. Nem fakítja a szineket. A szódabikarbona egyenértékű a Calgon nevű csodaszerrel, csak sokkal olcsóbb. Tudja miből áll az igen drága Calgon? Nézze a címkét. http://www.jomtom.hu/sutoszoda_szodabikarbona.html Biztonsági adatlap 34
sodium polymetaphosphate - Compound Summary (CID 24968)Also known as: Polyphos, Calgon, Chemicharl, Medi-Calgon, Calgon S, Calgon (old), SHMP, Caswell No. 772, Hexasodium metaphosphate Molecular Formula: Na 6 O 18 P 6 Molecular Weight: 611.770386 35
Vége 36
Alaktól függő elrendeződés (anizotróp kölcsönhatások) Anizometrikus részecskék: rendezetlen szálak mezomorf struktúrák (mezofázis: nem folyadék, nem szilárd nematikus, szálszerű (egyirányú rendezettség) szmektikus (rétegek is vannak) taktoid (lemezes) (koleszterikus, görög szilárd epe, királis nematikus, csavar kiralitást mutat) A nematikus fontos: 7. előadás
Folyadékkristályok 1. Állapot közelebb a folyadékhoz, nagyon hőmérsékletérzékeny izotrop molekulák rendezetlen halmaza, de nematikussá rendeződhet (rendező: mágneses tér, karcolt felület, stb.) 7. előadás
A polarizált fény 7. előadás
Folyadékristályok 2. CN 7. előadás Két olvadáspont.
LCD It has a mirror (A) in back, which makes it reflective. Then, we add a piece of glass (B) with a polarizing film on the bottom side, and a common electrode plane (C) made of indium-tin oxide on top. A common electrode plane covers the entire area of the LCD. Above that is the layer of liquid crystal substance (D). Next comes another piece of glass (E) with an electrode in the shape of the rectangle on the bottom and, on top, another polarizing film (F), at a right angle to the first one. (7 szegmenses LCD) Friedrich Reinitzer (1888, Ausztria), koleszteril benzoát, 1968 első LCD. 7. előadás
LCD képek 7. előadás