ADSZORPCIÓ 77. Mit értünk pozitív, ill. negatív adszorpción? Víz-levegő határfelületen mely anyagokra jellemző, és miben nyilvánul meg? Ha pozitív, akkor az adott komponens töménysége nagyobb a határrétegben, ha negatív, akkor pedig kisebb. 78. Mi alapján különbözteti meg egymástól a kapilláraktív és kapillárinaktív anyagokat? A vizes oldatok felületi feszültsége jelentősen függ az oldott anyag töménységétől. Ennek gyakorlati jelentősége nyilvánvaló, ha csak a nedvesítőképesség növelésére gondolunk. Vannak olyan vízben oldható anyagok, melyek kismértékben növelik (kapillárinaktív anyagok) vagy jelentősen csökkentik (kapilláraktív anyagok) a vízfázis felületi feszültségét. 79. Adja meg vizes oldatok felületi feszültségének megváltozását az oldott anyag töménységének függvényében!
80. Mely anyagok kapilláraktívak és kapillárinaktívak a felsorolt anyagok közül? Ecetsav, etilalkohol, metilalkohol, Na-sztearát (szappan), NaCl (konyhasó), glicerin, szőlőcukor Kapillárinaktív: szervetlen sók, cukrok, glicerin Kapilláraktív: kismolekulájú poláris szénvegyületek: alkoholok, aldehidek, karbonsavak. A zsírsavak, ill. sóik, amennyiben oldódnak, felületaktívak. Tenzidek (pl. Na-alkil-szulfátok vagy szulfonátok stb.). Az amfipatikus molekulák (de tegyük hozzá, a dipólus molekulák is) 81. Mi az adszorpciós izoterma? Állapotegyenlet, amely során az adszorbeált mennyiséget mérjük az egyensúlyi gáznyomás függvényében néhány rögzített hőmérsékleten. A görbék alakja elsősorban attól függ, hogy kritikus hőmérséklet felett vagy alatt végeztük a meghatározást, az adszorbeálódni vágyó anyag koncentrációjával/telítettségével összefüggésben. 82. Mi az adszorbens, adszorptívum és adszorbátum?
Adszorbens: Szilárd, általában porózus anyag, amelynek felületén megkötődnek a molekulák. Adszorptívum: A felületen megkötődhető molekulák. Adszorbátum: Az adszorbens felületén megkötött adszorptívumok, együttesen. 83. Rajzoljon fel egy Langmuir-típusú adszorpciós izotermát!
84. Mik azok a Langmuir- és Langmuir-Blodgett-filmek? Vízfelszínen kialakított oldhatatlan monomolekulás filmek. A Langumir-Blodgett filmek a Langumir filmek más felületre való átvitelét jelentik. 85. Sorolja fel a gőzadszorpció legfontosabb típusait az adszorbens és adszorbátum kölcsönhatása szerint, ill. az adszorpciós határréteg szerkezete szerint! -
fizikai adszorpció: a kölcsönhatások során, a felületen megkötött gázmolekulák szerkezete lényegében változatlanul marad. Zérus aktiválási energia. kémiai adszorpció: az adszorbens felületével való kölcsönhatáskor a gázmolekula kötésviszonyai megváltoznak. Aktiválási energiára van szükség a kötésátrendeződéshez. egyrétegű- monomolekulás határréteg többrétegű határréteg
86. Mit ért mikro- mezo- és makropórus alatt? Szilárd felületen végbemenő gőz adszorpciójakor a felületre jutó molekulák lekötik a felületi elemek erőterét, a szilárd adszorbens felületi energiája csökken. Ennek azonosnak kell lennie az adszorbeálódó molekulák felületi sűrűsödése folytán bekövetkező energiaváltozással. A potenciállal és folyadéktérfogattal szerkesztett függvényre karakterisztikus görbe adódik. Feltételezhető ugyanakkor, hogy az adszorbens felületről kiinduló tereknek bizonyos hatótávolságuk van, mely több molekularéteg vastagságának is megfelelhet a pórusokban. – mikro: 2nm mérethatár alatti, mezo: 2-50 nm között, makro: 50nm-nél nagyobbak. 87. Milyen elven tudja meghatározni az adszorbensek fajlagos felületét gőzadszorpció mérése során?
Az adszorbensek szoros, hatszöglapú illeszkedésekor felálló helyigény, és darabszám ismeretében, ezek szorzata megadja a teljese fajlagos felületet: A= n * An
TENZIDEK, MICELLÁK 88. Mit nevezünk tenzidnek? Mesterségesen előállított felületaktív anyagokat. 89. Sorolja fel a felületaktív anyagok legfontosabb típusait! Hozzon egy-egy példát!
- ionos: - anionos: Na-sztearát - kationos: dodecilamin-hidroklorid nem ionos: alkil-polietilén-oxidok amfoter: dodecil-betain
90. Mit jellemez a HLB-érték? Neminonos felületaktív anyagok polaritásának jellemzésére vezették be a HLB-számot, mely az angol Hydrophile-Lipophile-Balance szóegyüttesből származik, és egy önkényes skálán (0-20) mutatja a molekula hidrofil és hidrofób karakterét. Minél közelebb van értéke 20-hoz, annál polárisabb, azaz annál jobban oldódik vízben a tenzid. 91. Mi a kritikus micellaképződési koncentráció (CM)? Hogyan határozható meg? A kísérletileg nyert függvények (elektromos vezetőképesség, ozmózisnyomás, felületi feszültség, …) menete jelentősen megváltozik egy szűk töménységtartományban, amelyet kritikus micellaképződési koncentrációnak hívunk, jelölése: CM vagy korábban c.m.c. Ennél töményebb tenzidoldatokban keletkeznek csak micellák, ez alatt nem adottak a micellaképződés termodinamikai feltételei. A függvények menetében bekövetkező „törést” lineáris extrapolációval határozhatjuk meg. 92. Mi a micellaképződés hajtóereje termodinamikai szempontból? Az egyedi tenzidmolekulákat (ionokat) a vízmolekulák hidratálják. Két kölcsönhatástípus jellemzi: kölcsönhatás a poláris csoporttal (WH-víz) és kölcsönhatás az apoláris lánc atomjaival (WL-víz). A micella képződését követően megvalósulhat az apoláris láncok kölcsönhatása (WLL), az apoláris láncot addig hidratáló vízmolekulák pedig felszabadulnak, és egymáshoz erős hidrogénkötésekkel kapcsolódnak (Wvíz-víz). Nyilvánvalóan ez a molekuláris kölcsönhatás a legerősebb, és ez felel a micellák kialakulásáért. Úgy is fogalmazhatunk, hogy a vízmolekulák kiszorítják maguk közül az amfipatikus molekulák apoláris láncait. 93. Milyen micella-típusokat ismer vizes közegben? Rajzolja fel sematikus képüket! Kismicellák (gömb alakúak), Nagymicellák (henger alakú és lamellás)
94. Mik azok a liposzómák (vezikulák)? Rajzolja fel sematikus szerkezetüket! A vizes közegű micellák szoros rokonságban vannak a mesterségesen is előállítható, kettősfalú molekuláris asszociátumokkal, vezikulákkal vagy liposzómákkal, amelyek formailag a lamellás mi-cellák záródásából származtathatók
95. Milyen szempontok figyelembevételével értelmezhető a CM nagysága? Minden olyan tényező, amely megváltoztatja az amfipatikus molekula polaritását, ill. oldhatóságát befolyásolja az anyag CM értékét is. Molekula összetétele és szerkezete, adalékanyagok, hőmérséklet. 96. Hogyan függ a CM nagysága az apoláris molekularész (szénlánc) kiterjedésétől? Minél hosszabb az apoláris lánc, annál kisebb a CM. Az apoláris lánc elágazása növeli a CM értéket, mert akadályozza a micellába való berendeződést. 97. Hogyan függ a CM nagysága a poláris molekularész polaritásától? A poláris rész polaritásának növelésével nő a CM nagysága. 98. Elemezze a hőmérséklet hatását a CM nagyságára? A hőmérséklet hatása összetett. A hőmérséklet növekedésével nő a molekuláris hőmozgás intenzitása és energiája: ez mintegy szétzilálja a formálódó micellákat, tehát a micellaképződés
ellen hat. A hőmérséklet azonban nemcsak a folyamat dinamikájára hat, hanem befolyásolja a molekuláris kölcsönhatásokat is. Az ionos tenzidek oldhatósága a hőmérséklet növelésével szerény mértékben nő, a nemionos tenzideké csökken. Nemionos tenzidek poláris részét általában polietilén-oxid lánc alkotja. Ezek növekvő hőmérséklet hatására dehidratálódnak, azaz vízoldhatóságuk csökken. Ezen utóbbi esetben ez a hatás dominál, azaz a nemionos tenzidek CM értéke növekvő hőmérséklettel csökken. Az ionos tenzidek esetében azonban mind a két említett hatás a CM növekedését eredményezi. 99. Definiálja a felhősödési és a Krafft-pontot! Mivel magyarázhatók az előbbi pontokkal jellemezhető jelenségek? Krafft-pont: A Krafft-hőmérsékleten a rendszer eléri a CM-nek megfelelő töménységet, ezért az ionos felületaktív anyag oldhatósága jelentősen megnő. Felhősödési hőmérséklet: Nemionos tenzidek elegendően tömény, vizes oldata a hőmérséklet növelésével egy bizonyos, szűk hőmérséklet-tartományban befelhősödik (opalizál, ill. zavaros lesz). A hőmérséklet növelésével ugyanis csökken a láncok hidratálhatósága. Ez nagymicellák kialakulásához vezet, amelyek jelentősen szórják a fényt.
100. Mi a szolubilizáció? Vízben nem vagy alig oldódó anyagok (pl. szalicilsav) micellákat tartalmazó rendszerekben oldatba vihetők. A micella apoláris belseje apoláris oldószerként viselkedik, „bekebelezi” a vízben oldhatatlan anyagokat, vagy orientáltan beépül a micellát alkotó molekulák közé: kevert micellák képződnek. 101. Mi a szerepe mosáskor a felületaktív anyagoknak? A mosás összetett folyamat, első elemi lépése a tisztítandó, zsíros felület átnedvesítése vizes tenzidoldattal. Az átnedvesítés következtében az apoláris jellegű szennyezők vízfázisba kerülnek. Ha beoldódnak, azaz szolubilizálódnak a jelenlevő micellák belsejébe, akkor nem tudnak visszatapadni a felületre, ezáltal javul a mosás hatékonysága.
HABOK, EMULZIÓK 102. Sorolja fel az emulgeátorok és a habképző anyagok legfontosabb típusait!
felületaktív anyagok (tenzidek) makromolekulák (fehérje, polivinil-alkohol stb.) részlegesen nedvesíthető porok
103. Hogyan fejtik ki hatásukat az emulgeátorok és a habképző anyagok? Az emulgeátor és habképző anyagok molekulái, ill. a szilárd szemcsék a folyadék-gáz és a folyadék-folyadék határfelületen halmozódnak fel, csak így képesek stabilizáló hatást kifejteni 104. Milyen szerkezetűek lehetnek a habok, és mi az a Plateau-tartomány?
Gömbhabok, és poliéderes habok lehetnek. A Plateau-tartomány a folyadékcsatornák (lamellák) találkozási pontjaiban alakul ki 105. Mi gátolja, ill. mi segíti elő a hab megszűnését? A habot stabilizáló felületaktív anyagok a lamella felszínén orientáltan adszorbeálódnak. A lamella vékonyodását (azaz a habmegszűnést) a szemben álló molekulák taszítása biztosítja. Az adszorpciós határrétegek stabilitása és kellő rugalmassága a molekulák optimális, oldalirányú kölcsönhatásával biztosítható. Erős vonzás pl. merevíti a lamellát. A lamellák vékonyodása általában a hab megszűnésének első lépése. 106. Mi a Gibbs-Marangoni hatás?
107. Mik azok a bor lábak v. könnyek („wine leg” vagy „tears of wine”)? Mivel magyarázható?
108. Hogyan jellemezné a habok stabilitását és a habképző anyagok habzóképességét? Időben mérik a megszűnő hab térfogatát, esetleg meghatározzák a felezési időt, amely idő alatt az előállított hab térfogata a felére csökken. Ezekhez a vizsgálatokhoz legegyszerűbb esetben osztott kémcsöveket is használhatunk, ha a habkeltést ismételhető módon tudjuk megvalósítani. Ezt az eljárást a sztatikus módszerek közé sorolják. Más lehetőség az ún. stacionárius habtérfogat meghatározásán alapul. Ez tényleg a habképző és a hab együttes jellemzésére alkalmas. Habkolonnában adott gázáram mellett habzást idéznek elő, egy perforált membránon keresztül. A tapasztalatok szerint adott áramlási sebességhez tartozik egy idő után állandósult (stacionárius) habtérfogat: a habkeletkezés és habmegszűnés sebessége egyenlővé válik. 109. Mi a habzásgátlás lényege? Alkil-polisziloxánok (szilikon-olajak): felületaktivitásuk nagyobb a habképző anyagénál, ezért leszorítják azokat a levegő-víz határfelületről. Adszorpciós határrétegük azonban merev, így a hab könnyen összetörik, megszűnik.
Dietil-éter: beoldódik a lamellák vízfázisába, de gyorsan elpárolog, így a lamellák könnyen kilyukadnak. 110. Mi a habflotálás és a habkromatográfia lényege és jelentősége? A flotálást a kőzetben kis mennyiségben lévő értékes anyag kinyerésére, dúsítására használják. A kőzetet aprítják, majd megfelelő felületaktív anyagok vizes oldatába diszpergálják. A felületaktív anyagok szerepe kettős: megfelelő körülmények között habzást biztosítanak, ill. hidrofobizálják az ércszemcsék felületét, a meddőét (ércet nem tartalmazó kőzetét) azonban nem, a buborékok az ércszemcsék felszínére tapadnak, és felemelik azokat a folyadék felszínére, ahol hab is keletkezik. A habkromatográfia különböző tenzidek elválasztására alkalmas eljárás. A habkolonna bizonyos magasságokban megcsapolható. A különböző habképzők oldatában habzást keltve a leginkább felületaktív komponensek a habban, sőt a hab felső részében dúsulnak fel. Körültekintő tervezéssel elérhető, hogy a különböző felületaktivitású anyagok a haboszlop mentén elkülönüljenek egymástól. Különböző magasságokban megcsapolva az oszlopot, a habképző anyagok elkülöníthetők egymástól. 111. Mit ért az emulziók jellegén? Mi szabja meg a keletkező emulzió jellegét? Alapvetően kétféle lehet, olaj-a-vízben (jelölése: O/V) és víz-az-olajban (V/O). Az olaj poláris folyadékkal nem elegyedő folyadékot jelöl, és a víz is lehet egyéb (poláris) folyadék. Az emulziók jellegének kialakításában legnagyobb szerepe az emulgeátor oldhatóságnak van. Általában az lesz a folytonos közeg, amelyben az emulgeátor jobban oldódik. 112. Hogyan döntené el kísérletileg az emulzió jellegét? -
-
Az elegyítési próba során azt vizsgáljuk, hogy vajon vizes vagy olajos fázissal hígítható-e az emulzió. Gyakran az emulziót cseppentjük vízbe vagy olajos fázisba, és tanulmányozzuk diszpergálhatóságát. Nyilvánvaló, hogy vizes közegű emulzió vízzel hígítható, és vízben diszpergálható. A festési próba hasonló elven működik. Vízben oldható színezékek (pl. metilénkék) vagy vizes oldataik a vizes közegű emulziót képesek csak megfesteni, míg az olajban oldhatók (pl. szudánvörös) a másikat. Mérhető elektromos vezetést csak vízközegű emulziókban tapasztalunk.
113. Mit ért emulzió átcsapása alatt? Mi a vaj és tejszín közötti alapvető különbség? Emulziók átcsapása során a fázisok „szerepet cserélnek”, a folytonos közeg diszperz résszé alakul. Az átmenet alatt a rendszer viszkozitása jelentősen megnő. Átcsapást idézhetünk elő -
a hőmérséklet változtatásával mechanikai behatásra: tejszínből, amely O/V emulzió, mechanikai behatásra vaj keletkezik (köpülés), utóbbi olajközegű emulzió kémiai úton
114. Mit gondol, mi a különbség a nappali (nem fénylik használata után a bőr) és az éjszakai (használata után fénylik a bőr) krémek között?
Az éjszakai (zsíros) krémek, ill. testápoló tejek olajközegű, míg a nappali (hidratáló) krémek (és testápoló tejek) vízközegű emulziók. 115. Mit ért a cseppállandóság megszűnésén (koaleszkálás)? Mi történik a tej fölöződése során és miért? A tej vízközegű emulzió, a sűrűség különbség miatt a zsír cseppek felemelkednek a tej tetejére. A tejzsír fölöződése: zsírgolyócskák összetapadnak, szőlőfürthöz hasonló halmazokat alkotnak. Az összetapadás az euglobulin micelláknak köszönhető. 116. Mi az alapvető különbség a makro-, mini- és mikroemulzió között? -
Makroemulzió: a közönséges (köznapi) emulziók durva diszperz rendszerek, az emulgeált cseppek mérete néhány mikrométer, ezért viszonylag rövid idő alatt szétválnak, eloszlási állandóság nincs. Mikroemulziók: valódi kolloidok, 10-100 nm-es cseppeket tartalmaznak, megfelelő emulgeátorok jelenlétében spontán keletkeznek, termodinamikai egyensúlyban vannak Miniemulziók: kinetikailag stabilak (eloszlási- és cseppállandóságuk is van), az emulgeált cseppek mérete kolloidális, a legkisebbeké átfedi a mikroemulziót jellemző mérettartomány felső részét. Ezek csak intenzív keveréssel állíthatók elő, felületaktív és társ felületaktív anyagok együttes felhasználásával.
REOLÓGIA 117. Értelmezze a nyírófeszültséget és a deformáció sebességet (tiszta nyírás esetén)! A nyírófeszültség („shear stress”, τny) egységnyi felületre vonatkoztatott nyíróerő: , ahol A a nyíróerő hatásának kitett felület nagysága. Tiszta nyírás esetén rotáció nem történik, a testet alkotó anyagi pontok egyenes vonalú pályán mozdulnak el. A deformáció sebessége:
∆
, ahol G a deformáció
118. Rajzolja fel a newtoni folyadékok folyásgörbéjét! Hogyan számíthatja ki ebből a folyadék dinamikai viszkozitását?
119. Minek a hányadosa mutatja a reológiai viselkedés viszonylagosságát? A relaxációs idő és a megfigyelési idő hányadosa, ez a Deborah-szám. 120. Hogyan függ a híg diszperziók fajlagos viszkozitása ideális esetben a részecskék térfogati törtjétől (Einstein-egyenlet)? 1 ahol η0 a diszperziós közeg viszkozitása, ϕ a diszperz rész térfogati törtje, k = 2,5. Fenti egyenlet tömör gömb alakú részecskékre érvényes, amelyek között nincs kölcsönhatás, és a térfogati tört kisebb, mint 0,05. Töményebb rendszerekre a viszkozitás a térfogati tört magasabb hatványkitevőjű tagjai szerint változik. 121. Rajzolja fel a tömény diszperziók jellemző folyásgörbéit! Mitől függ ezeknek az anyagoknak a viszkozitása?
A viszkozitásuk függ a nyírási sebességtől (pszeudoplasztikus, dilatáns anyagok), és az időtől (tixotróp, reopex anyagok) 122. Adja meg a dilatanciát mutató anyagok folyásgörbéjét! Mitől függ ezeknek az anyagoknak a viszkozitása? A látszólagos viszkozitás növekvő nyírási sebességgel növekszik 123. Adja meg a szerkezeti belső súrlódást mutató anyagok folyásgörbéjét! Mitől függ ezeknek az anyagoknak a viszkozitása? A látszólagos viszkozitás növekvő nyírási sebességgel csökken. 124. Adja meg a tixotrópiát mutató anyagok folyásgörbéjét! Mitől függ a tixotróp anyagok viszkozitása? A látszólagos viszkozitás az idővel változik 125. A kaolinit részecskék milyen speciális szerkezetben aggregálódnak, és miért?
Savas kémhatású közegben a lapocskák élei pozitív, míg lapjai negatív elektromos töltésűek, ezért él-lap kapcsolódás alakul ki, kártyavárszerű aggregátum jön létre. 126. Az A és B minta összetétele megegyezik. Mindkettő ugyanannak az anyagnak ugyanolyan töménységű vizes közegű diszperziója. Közepes értékű, állandó deformáció sebességnél tanulmányozva viszkozitásukat azonban az ábrán látható meglepő viselkedést tapasztaljuk. Mi ennek az oka, és milyen folyástani viselkedés áll ennek hátterében? Más a két minta előélete. Az A jelű mintát a kísérlet előtt nyugalomban tartottuk, míg a B jelű minta szerkezetét közvetlenül a kísérlet előtt maximális nyírási sebességnél teljesen lenyírtuk.
