Kolloidkémia 5. Előadás Kolloidstabilitás Szőri Milán: Kolloidkémia 1
Kolloidok stabilitása Termodinamikailag lehetnek stabilisak (valódi oldatok) Liofil kolloidok G oldat <G(kiindulási) Makromolekulás oldatok, asszociációs kolloidok nem stabilisak (diszperz rendszerek) Liofób kolloidok G sol >G(kiindulási) Szolok Instabilak/metastabilak temodinamikai értelemben (nagy γa miatt) Kinetikailag lehetnek stabilak: a vizsgált időtartamon belül nem változtak nem stabilak: Szőri Milán: Kolloidkémia 2
Kolloidok stabilitása Diszperz rendszerek állapotjellemzői: Klasszikus állapotjelzők: Összetétel (x i, w% i, c i, c T,i stb) P T V U H S További állapotjellemzők (Buzágh): Részecskemorfológia Eloszlásmódja Diszperzitásfoka Fajlagos felület Nehezen szeparálhatóak egymástól Kolloidstabilitás (kinetikai, adott időn belüli stabilitás) Szőri Milán: Kolloidkémia 3
Kolloidstabilitás Szőri Milán: Kolloidkémia 4
PLoS ONE 9(7): e102114. doi:10.1371/journal.pone.0102114 Kolloidinstabilitás belső állapotváltozással szemben Nincs termodinamikai stabilitás (annak irreverzibilis közelítése, öregedés): Polidiszperz rendszer: Eltérő részecskeméret, eltérő fizikai kémiai tulajdonságok (pl. oldékonyság és tenzió) Elsődleges részecskék változásai: Méretváltozása (több komponens esetén összetétel-változás) Elsődleges részecskék összetapadása másodlagos részecskék kialakulása Aggregátum szerkezetének átrendeződése: Módosul a méret és az alak, szolvátburok Belső szerkezet (pl amorfból kristályos) Szőri Milán: Kolloidkémia 5
Másodlagos (kolloid)részecskék koacervátum taktoid kristályszerű pehely rúd lamella gömb Szőri Milán: Kolloidkémia 6
Elektromos kettősréteg (lineáris exponenciális) Kicsi stabilitás Φ Felületi töltés (negatív) Stern réteg (lineáris exponenciális) Zeta réteg (felületi réteg mobil réteg) d Felületi potenciál Stern potenciál ζ potenciál Az elektromos potenciál (Φ): A felület elektromos töltésével megegyező töltésnek (itt negatív) a felülettől vett végtelen (nagyon nagy) távolságból egy bizonyos távolságig (d) való beviteléhez szükséges munka osztva az ion töltésével (Z) ([V] = [J]/[C]). Φ / mv -60-40 +30 +10 +5-5 -10-30 -40-60 Nagy stabilitás Stabil Közepes stabilitás Kicsi stabilitás Instabil (Gyors koagulálás vagy flokkulálás) Kicsi stabilitás Közepes stabilitás Stabil Nagy stabilitás Szőri Milán: Kolloidkémia 7
A potenciált befolyásoló tényezők Stern réteg Zeta réteg Stern réteg Zeta réteg A felület elektromos továbbtöltése Felületaktív azonos töltésű ionnal A felület elektromos áttöltése Többértékű vagy felületaktív ellenionnal Szőri Milán: Kolloidkémia 8
DLVO elmélet I. Φ max k B T, kinetikai stabilitás Φ max Flokkuláció Erős flokkuláció (Koaguláció) Szőri Milán: Kolloidkémia 9 http://slideplayer.com/slide/4643771/ K. S. Birdi: Handbook of Surface and Colloid Chemistry, Third Edition, 478 old.
Koaguláció DLVO elmélet II. r D << a Φ r D >> a Perikinetikus koagulálás: hőmozgás miatti (Φ max k B T) Ortokinetikus koagulálás: külső erőtér hatására (Φ max k B T + uq + E áramlás ) Flokkuláció r D : elektromos kettősréteg vastagsága r: részecske sugara d Kritikus koaguláltató koncentráció (ccc): a sókoncentráció, amelynél már csak diffúziógátolt a koaguláció (minden ütközőrészecske összetapad). Szőri Milán: Kolloidkémia 10 http://slideplayer.com/slide/4643771/ K. S. Birdi: Handbook of Surface and Colloid Chemistry, Third Edition, 478 old.
Kolloidstabilitás biztosítása I. Stabilizálási lehetőségek Diszperzitásfok (r) állandóságának biztosítása Eloszlás állandóságának biztosítása Szolvátréteggel + + Elegyes szolvátréteggel (bifil segédanyagokkal) Makromolekulákkal + - (hidszerű polimerkapcsolat) Elektromos kettősréteggel (ζ potenciál: minél nagyobb a felületi töltés és minél vastagabb a kettősréteg Elektromos kettősréteggel és szolvatációval Stabilizátor anyag (Stabilizátorok) + + Nemelektrolitok + (η növelése) Makromolekulák + + Elektrolitok Keveréssel + v ülepedés = 2r2 ρ r ρ k g 9η + + Polielektrolitok Ionos felületaktív anyagok Szőri Milán: Kolloidkémia 11
Kolloid rendszerek előállítása/megszüntetése Külső állapotváltozások Homogén amikroszkópos diszperz rendszer Kondenzáció Disszolúció Kolloid diszperz rendszer Diszpergálás Koagulálás Heterogén durva diszperz rendszer Részecskeméret Diszperzitásfok Szőri Milán: Kolloidkémia 12
Kolloid rendszerek előállítása Homogén amikroszkópos diszperz rendszer Kondenzáció Kolloid diszperz rendszer Diszpergálás Heterogén durva diszperz rendszer Kondenzáció Fizikai kondenzálás: Pl.: ködrészecskék kialakulása Kémiai kondenzálás: Pl.: csapadékképzés, polimerizáció Diszpergálás = aprítás + szétoszlatás Őrlés (csak a kolloid mérettartomány felső határa érhető el) Emulgeálás Peptizálás koherens rendszer (gél) dezaggregálása primer szemcsékre T,p Kémiai reakció Mechanikai Elektromos Kémiai Adalékolás Szőri Milán: Kolloidkémia 13
Szőri Milán: Kolloidkémia 14