Kolloid állapotjelzık. Molekuláris kölcsönhatások. Határfelületi jelenségek: fluid határfelületek Dr. Berka Márta és Bányai István Debreceni Egyetem TEK Kolloid- és Környezetkémiai Tanszék http://dragon.unideb.hu/~kolloid/ 2010/2011/II. félév 2010. 02.11 1 2.óra
A kolloid rendszerek jellemzése 1. A rendszer diszperzitásfoka (azaz a méret) méreteloszlás (a fajlagos felület jelentısége) 2. Morfológia (alak, belsı szerkezet) Ez különleges, mert azonos méreteloszlás a végletekig különbözı tualjdonságokra vezet 3. A diszpergált részecskék térbeli eloszlása az inhomogenitás jelensége (heterogén rendszer inhomogenitása és homogenitása: fogalmak). 4. A részecskék közötti kölcsönhatás (meghatározza az elızıeket!) 2010. 02.11 2
Molekuláris kölcsönhatások A kolloid részecskék közötti kölcsönhatások eredete az egyedi molekulák kölcsönhatására vezethetı 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 2010. 02.11 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 (van der Waals) Hidrofil és hidrofób kölcsönhatás 2010. 02.11 4
Molekuláris kölcsönhatások Elıjel, vonzás (-), taszitás (+) Coulomb: ion-ion E Coul = ( ze) 1( ze) 2 1 4πε r 0 HT~50nm E id 1 2 = ( ze) 1µ 2 cosθ 1 4πε r 0 2 HT~1.5nm ion-dipól dipól-dipól Orientációs hatás a) T kicsi b) T nagy HT: Hatótávolság 2010. 02.11 5
Molekuláris kölcsönhatások dipól-dipól a) T kicsi, a konst. tartalmazza az elıjelet: +2 parallel, -2 antiparallel orientáció E dd 1 2 = konst. µµ 1 2 1 4πε r b) T nagyobb, szabadon rotáló dipólok, mindig vonzás: 0 Alacsonyabb hımérsékleten a vonzás rendezıdéshez vezethet! 3 HT~1.5nm E dd 1 2 = 2 µ µ 1 3 (4 πε ) 2 2 1 2 2 6 0 kbt r HT:Hatótávolság 2010. 02.11 6
Dipólmomentum, 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 α µ + α µ ) Indukciós hatás, mindig vonzás 1 2 2 1 E id Polarizálhatóság, α 1 2 ~ (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 3 NH 3 2.3 CCl 4 10.5 10, m CH 4 2.6 4πε 2010. 02.11 7 A polarizálhatóság nı a mérettel, tf. dimenzió (benzol!) He? 0
pillanatnyi (indukált) dipól 1 -indukált dipól 2 (LONDON 1930) diszperziós kölcsönhatás, mindig vonzás I az ionozációs energia E ti 1 2 2 II 1 2 αα 1 2 1 = 2 6 3 I + I (4 πε ) r 1 2 0 London-féle diszperziós kölcsönhatás egyetemleges!! HT~0.4nm A London erık nınek a moláris tömeggel. (Számos folyadéksajátság arányosan változik a molekulatömeggel: fagyáspont, forráspont, gıznyomás, felületi feszültség, viszkozitás) Összeadódik sok molekulából álló testre! Gıznyomás: CH 3 Cl <CH 2 Cl 2 < CHCl 3 <CCl 4 A London erık függnek az alaktól is. Pl. párolgáshı: pentán> izopentán> neopentán 2010. 02.11 8
Összevonva az indukciós, orientációs és diszperziós kölcsönhatásokat azonos molekulákra: β 6 EA ~ β 11, Boer és Hamaker makro fázisra A: Hamaker állandó, összegzi a párkölcsönhatások energiáját q részecskére (gömb-göm, gömb-sík stb) 2 A ~ q β β 11 10 77 Jm 6 r J 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 2010. 02.11 9 %
London-féle diszperziós kölcsönhatás Összeadódik sok atomból álló molekulára vagy sok molekulából álló testre! Függ az alaktól is! Telitett gıznyomás: CH 3 Cl <CH 2 Cl 2 < CHCl 3 <CCl 4 az alaktól is függ: 2010. 02.11 10
E tot Vonzás Taszítás Molekuláris kölcsönhatások taszitás E konst. r β r 11 tot ~, n m vonzás r min pl. metán 0.42 nm J Mie-egyenlet n=12 m=6 Lenard-Jones 2010. 02.11 11
Hidrogénkötés Ez egy donor-akceptor kölcsönhatás, a H atom kovalensen kötıdik egy erısen elektronegatív kismérető 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 erıs kölcsönhatás hidrofób molekulák vagy molekularészek között vizes közegben. (Ez erısebb, mint ha közeg nélkül lenne ) Termodinamikai kölcsönhatás, megtöri a víz szerkezetét. Kalitka effektus. Hidrofil molekulák erısen polárisak, és többnyire H kötésre hajlamosak 2010. 02.11 12
példák Name Formula Solubility Methanol CH 3OH miscible Ethanol C 2H 5OH miscible Propanol C 3H 7OH miscible Butanol C 4H 9OH 0.11 Pentanol C 5H 11OH 0.030 Hexanol C 6H 13OH 0.0058 Heptanol C 7H 15OH 0.0008 Van egy lánchossz amely fölött a hidrofób jelleg megnı, mivel nagyon megtöri a hidrogén kötéseket a vízben. Azok az alkoholok amelyek alkil csoport mérete ezen felül van már nem oldhatóak vízben*. 2010. 02.11 13 *Crowe, J.:Chemistry for the Biosciences Oxford UP. ISBN 0-19-928097-5, 2006
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. Elıfordul, hogy kis mennyiség oldódik, míg a nagyobb rész az oldat tetején úszik. 2010. 02.11 14
ion-dipól Ionok hidratációja. Az ionok és a víz molekulák hidratációja ion-dipól kölcsönhatás, amely a töltések és a dipólusos víz molekula között jön létre. 2010. 02.11 15
Példák Az alkoholok poláris molekulák. Az elektronok a nagy elektronegativitású oxigén atom felé tolódnak, torzítva molekula mint egész elektron eloszlását. Következésképpen a molekula poláris. Az alkohol molekulák hidrogén kötésre képesek a vízzel és egymással. 2010. 02.11 16 *Crowe, J.:Chemistry for the Biosciences Oxford UP. ISBN 0-19-928097-5, 2006
Példák A polipeptidek hidrofil és hidrofób részekbıl állnak. A sötétebben jelzett hidrofób részek elfordulnak a vizes környezettıl; ezt az elrendezıdést a szorosabb elhelyezkedéső hidrofób részek közötti diszperziós kölcsönhatás stabilizálja. 2010. 02.11 17 *Crowe, J.:Chemistry for the Biosciences Oxford UP. ISBN 0-19-928097-5, 2006
Samples Különbözı nem-kovalens erık, amelyek hathatnak egy polipeptidben. 2010. 02.11 18 *Crowe, J.:Chemistry for the Biosciences Oxford UP. ISBN 0-19-928097-5, 2006
A nagy molekulák alakja A fehérje szerkezete: 1 kémiai + 3 kolloid Összefüggés az elsıdleges és másodlagos szerkezet között. A hajtogatott szerkezet kialakulása függ az elsıdleges szerkezettıl. A másodlagos szerkezetet a hidrogén kötés stabilizálja. 2010. 02.11 19
A közeg hatása A ph változása befolyásolja a protein töltését, ezen keresztül az oldhatóságát és alakját! 2010. 02.11 Az izoelektromos pontban a leginkább izometrikus 20 (gombolyodott) és legkevésbé hidratált.