A kolloidika tárgya, a kolloidok osztályozása rendszerezése Bányai István www.kolloid.unideb.hu
A mindennapi élet: anyagok, eljárások • Ipar – – – – – – –
élelmiszerek: levesek, zselék, élelmiszer színezés, habok építőipar: cement, festékek kozmetikai ipar: krémek, dezodorok textíliák: festés, szerkezet, műszálak papírgyártás: tinták, nyomtatás, szerkezet gyógyszeripar: szolubilizálás, targetált medicina, formulázás műanyagipar: eljárások, analitika
• Mezőgazdaság
– agrokémia (bordói lé), levélpermetezés (Napalm) – Talajszerkezet, talajjavítás
• Környezetvédelem
– aeroszolok (migráció) – víztisztítás, adszorpció
Motiváció 2 (két alapprobléma) • Napi tapasztalatok – – – –
Szilikózis (méret), vörösiszap Smog Új ötvözetek („mikro struktúra”) Funkcionális anyagok (biológiai makromolekulák)
• Nanotechnológia – – – –
A fluoreszcencia méretfüggő TiO2 katalitikus aktivitás Gyógyszer leadás Gyógyszer felszívódás
Az előadások anyaga 1 • 1. A kolloid rendszerek osztályozása, jellemzése. • • 2. Méret, méreteloszlás. Átlag. Molekuláris kölcsönhatások. • 3. Határfelületi jelenségek: fluid határfelületek felületi feszültség • 4. Folyadék –gáz, szilárd-gáz, szilárd folyadék • határfelületek. Adszorpció és orientáció a határfelületen. • 5. Felületvizsgáló módszerek. Szorpciós izotermák. • 6. Adszorpció oldatból. Adszorpció erős elektrolitok vizes oldataiból. •
Az előadások anyaga 2 7. Elektromos kettősréteg. Elektromos potenciálkülönbség eredete. 8. Az elektromos potenciálkülönbség eloszlása és értéke. 9. Kolloidstabilitás Liofób, liofil kolloidok. DLVO elmélet. 10. Kolloid rendszerek előállítása és tisztítása. Aeroszolok, lioszolok, xeroszolok. (Habok, emulziók, szolok.) 11. Asszociációs kolloidok. Tenzidek. Makromolekulák. Ozmózis.
Előadások anyaga 3 12. Szedimentáció. Ultracentrifuga. Diffúziómérés, Donnanpotential. Reológia, Fényszórás 13. Biokolloidok 14. Összefoglalás vizsgaelőkészítés, gyakorlat • Patzkó Ágnes: A kolloidika alapjai – JATE Kiadó (SZTE), 1998. • Shaw, D.J.: Bevezetés a kolloid- és felületi kémiába – 1986. Budapest, Műszaki Kiadó ISBN:9631064352 • Hórvölgyi Zoltán: A NANOTECHNOLÓGIA KOLLOIDKÉMIAI • ALAPJAI – 1987. Budapest, Tankönyvtár, ISBN 978-963-279-467-9 • Pashley: Applied Colloid and Surface Chemistry • Barnes. G.T.: Interfacial Science.
Vizsgakövetelmények • Vizsga minimum követelmény: Órai anyag Patzkó Ágnes: A kolloidika alapjai Óravázlat megtalálható: www.kolloid.unideb.hu A vizsgakérdések a honlapon megtalálhatók! Folytonosan megújuló, tehát figyelni kell! “A” vizsga írásbeli. (számítások) “B” vizsga írásbeli. (számítások) “C” vizsga bizottság előtti szóbeli lehetőség.
A kolloidika tárgya • Olyan rendszerek fizikai kémiája melyben a szokásos intenzív változókon túl (p, T, c ) szerepel a – a méret – fajlagos felület – alak A részecskék esetében 1-2 nm és 500-1000 nm és a rendszert leíró változásokban a felületi szabadentalpia-változás lényeges szerepet játszik. A nagy molekulák és kicsi részecskék tudománya.
A kolloidika helye: interdiszciplináris
Kolloidika Biológia
Fizikai kémia
biokémia Kémia szerves
Fizika
keletkezés megszűnés, stabilitás, kölcsönhatás külső erőterekkel (mechanikai, gravitációs, centrifugális, elektromágneses elektromos mágneses)
A kémiai összetételtől függetlenül, igyekszik a rendszereket, a fizika alapvető törvényeit használva leírni. Számos biológiai objektum számára a kolloid állapot a létezés formája. 2010. 02. 11.
9
Erőterekben és közegben(!) való mozgás • Erőhatások kolloid rendszerekben (ρ=2 g cm-3) – gravitáció – Viszkozitás
méret/nm v/(cm/s)
10
1000
2×10-‐8
Fsurl = 6πηrv =
2×10-‐4
4r 3π ( ρ − ρ 0 ) g 3
100000 2
= Fgrav
A Brown-mozgás elhanyagolható? – Brown-mozgás sebessége
méret/nm v/(cm/s)
10 102
1000 10-‐1
100000 10-‐4
1 2 kT = mv = 4 ×10−21 J 2 A történet vége a „van der Waals kölcsönhatás”, kiválik
Fizikai kémiai előismeretek • Gibbs-féle fázistörvény F + SZ = K + 2 • 1. példa (megoldás: nem egyensúlyi r.) – 20 ppm Au oldat (bíbor – kék) méret, alak – 20 ppm cukor oldat (ugyanolyan színű) • 2. példa – fázishatárok intenzív változói milyenek? – felületi feszültség: a kolloidika felépíthető rá
Homogén, heterogén? • homogén, minden intenzív sajátság minden pontban azonos: izotróp. (5% oldat), állapotegyenlet pl. (p,T,c)
pV = nRT • heterogén, Gibbs-féle fázistörvény, fázishatárok vannak, ahol az intenzív sajátságok ugrásszerű változást mutatnak
Kontinuum? pontszerű? A nagyítótól függ? 12
Példák az ellentmondásra Hány fázisú?
Következtetés: A látvány alapján nem eldönthető: húsleves, kocsonya, tej, sör, puding, kenyér, köd, szmog, talaj, fogkrém, enyv, vér, majonéz, tojásfehérje, opál, szappanoldat, stb.?
Homogén rendszerek A kolloidok nem sorolhatók be sem a homogén sem a heterogén rendszerbe
Heterogén rendszerek Több fázisú
História: Homogén vagy heterogén? • Graham: kolloidok, krisztalloidok (XIX. Sz. közepe) • Oldatelmélet (biológusok), szuszpenzió elmélet (talajkémikusok) • Zsigmondy- Siedentopf ultramikroszkóp
• The Nobel Prize in Chemistry 1925 was awarded to Richard Zsigmondy "for his demonstration of the heterogenous nature of colloid solutions and for the methods he used, which have since become fundamental in modern colloid chemistry". 2010. 02. 11.
14
Mit láthattak?
– Heterogén, Brown mozgás, – Boltzmann-Maxwell energia eloszlás igazolása http://www.cs.princeton.edu/courses/archive/fall05/cos226/assignments/ atomic.html
15
A méretekről • Kolloidok azok a diszperz rendszerek, amelyekben a méret legalább egy dimenzióban 1nm és 500 nm között van. • •
Azok a rendszerek, amelyek viselkedésében a felület meghatározó szerepet játszik. A Brown-mozgás szerepe az állapot kialakulásában
Homogén rendszerek atomok, kis molekulák
10−10 homogén
0.1
füst
makromolekulák
10 −9
köd
10 −8 10 −7 kolloid
1 micellák
Heterogén rendszerek (makroszkópos többfázisú)
Kolloid rendszerek
10
10 −4
2
10
3
10
4
10 −3
m
heterogén
mikroszkópos
10 vírus
10 −6 10 −5
10
5
10
6
nm
pollen, baktérium 16
Kolloidika – felületi kémia (nanotechnológia – manapság) 0.8
nano
Nő az összes felületi energia
felületi molekula/ összes
R<10 nm nanotechnológia más tulajdonságok
0.6
már nem elhanyagolható a felület szerepe 10 % 1%
0.4 S/V
arany szol 1 ezrelék
0.2
0.0 1.0E-7
1.0E-6
1.0E-5
1.0E-4
1.0E-3
1.0E-2
1.0E-1
1.0E+0
R,cm kolloid
Változás a tulajdonságokban a méret mia9: Fémek vezetése ≈ 2 nm Kerámiák átlátszósága ≈ 20 nm Fémek színe ≈ 50 nm Fémek keménysége ≈250 nm Kerámiák alakíthatósága ≈ 500 nm
„Nano“ görögül = törpe
Molekula - részecske Ha az A, B, C és D rendszert mint struktúrát tekintjük, akkor az A és D az egyszerűbb struktúra, amelynek a molekula az építőeleme.
A részecske olyan atomi halmaz (kovalens kötésű) vagy molekulahalmaz, amely kinetikai egységet alkot (megfelelő körülmények között önálló transzlációs hőmozgást végez, vagy erőtérben önálló kinetikai egységként mozog, pl. ülepszik) hQp://www.chem.elte.hu/departments/ kolloid/KolloidJegyzet_Ver1.0.pdf
Szubmikroszkópos diszkontinuitások: egyetemlegesség tétele
sûrûség
sûrûség
x
x
Wo. Ostwald: A kolloid állapot a kémiai sajátságtól független Buzágh Aladár: szubmikroszkópos diszkontinuitás Ostwald-Buzágh: kontinuitási elmélet: a diszperz rendszer annál stabilisabb, minél jobban illeszkedik a közegbe (felületi feszültség) 2010. 02. 11.
19
A kolloidika (diszperz rendszerek) • Olyan rendszerek fizikai kémiája melyben a szokásos intenzív változókon túl (p, T, c ) szerepel a méret (eloszlás) az alak és a határfelület • A részecskék esetében 1-2 nm és 500-1000 nm és a rendszert leíró változásokban a felületi szabadentalpia változás lényeges • Egy kinetikai egységet képez. • a kolloidika tárgya a határfelületek, valamint a diszperz rendszerek vizsgálata. A kolloidkémia e rendszerek keletkezését és megszűnését, stabilitását és külső terekkel (mechanikai (nyíró), gravitációs, centrifugális, elektromágneses, elektromos és mágneses térrel) való kölcsönhatását tanulmányozza.
A kolloidok típusai • Diszperziós kolloidok (Zsigmondy) Liofób – – – –
termodinamikailag nem stabilis nagy felületi energiájú „irreverzíbilis” rendszer (szeparáció után nem állítható vissza) Diszpergált anyag (nem folytonos)/diszperziós közeg (folytonos)
• Makromolekulás kolloidok (Graham) Liofil – termodinamikailag stabilis – makromolekulák valódi oldatai – „reverzíbilis” (kiválás után visszaállítható)
• Asszociációs kolloidok (McBain: micella) Liofil – termodinamikailag stabilis – molekulaegyüttes – „reverzíbilis”, micellák
inkoherens (nem kohézív) rendszerek: a részecskék egymástól függetlenek. A közeg folyékony jellege a mérvadó
Kolloid rendszerek (szerkezet alapján)
inkoherens rendszerek önálló részecskék diszperziós k. szolok
makromol.
asszociációs
kolloid oldatok
diszperziós liofób
makromolekulás liofil (IUPAC ajánlás)
asszociációs liofil
koherens (kohézív) rendszerek: összefüggő szilárd vázat alkotnak (gélek –– a közeg miaQ)
koherens (kohézív) rendszerek diszperziós, makromolekulás, asszociációs kolloidokból kialakuló
porodin (pórusos)
ReYkuláris (hálós)
Spongoid (szivacsszerű)
szerkezetű, gélek, halmazok és pórusos testek
korpuszkuláris fibrillás izodimenziós szálas
lamellás hajtogatott
hártya, lemezes 22
Diszperziós kolloidok vagy szolok: diszpergált anyag /diszperziós közeg Halmazállapot szerint Gázközegű: aeroszolok L/G folyadék aeroszol: köd, permet S/G szilárd aeroszol: füst, kolloid por, légköri aeroszolok, szmog S/L/G
Folyékonyközegű: lioszolok G/L gázlioszol, hab L/L folyadék lioszol, emulzió S/L kolloid szuszpenzió, szolok
Szilárdközegű: xeroszolok. …..+ összetett rendszerek G/S szilárd hab: polisztirol hab L/S szilárd emulzió: opál, igazgyöngy S/S szilárd szuszpenzió: pigmentált polimerek
23
Osztályozás (kinagyítva) Megszilárdult közeg, de a részecskék különállóak maradtak nanotech
Szol: a részecskék különállóak függetlenül a halmazállapottól! Gél: összekapcsolódó részecskék (mindig koherens)
Spongoid szerkezetek. Kenyérben, sütéskor kémiai kötések alakulnak ki, G/S xerogél, spongoid szerkezet nem különálló buborékok
24
Koherens rendszerek (részletek) Gél lineáris, alig elágazó polimerből
Gél nagyon elágazó polimer klaszterekből
Térháló létrejöhet bármilyen rendszerből:diszperziós, asszociációs, makromolekuláris kolloid Bikontinuális mikroemulzió vázlata, spongoid szerkezet „beállt asszociációs kolloid”
Agyag kártyavár szerkezet (taktoid) 25
Asszociációs kolloidok (liofil) • Felületaktív anyag (szappan, mosószer)
Amfifil molekulák
Gömbi micella Részletek lásd később
26
Makromolekulás rendszerek (liofób)
Polipeptid makromolekula A méret és az alak szerepe Sokkal nagyobbak mint a kis molekulák 2010. 02. 11.
27
Kolloidok osztályozása a stabilitás alapján •
Termodinamikailag lehetnek – stabilisak (valódi oldatok) Liofil kolloidok Goldat < G (kiindulási)
Makromolekulás oldatok, asszociációs kolloidok
– nem stabilisak (diszperz rendszerek) Liofób kolloidok
Gsol > G (kiindulási) Szolok (nagy fajlagos felület, S/V) •
Kinetikailag lehetnek – stabilisak (a vizsgált időtartamon – belül nem változtak) – nem stabilisak:
Példák (előállítás módja)
A kolloidika • Olyan rendszerek fizikai kémiája melyben a szokásos intenzív változókon túl (p, T, c ) szerepel a méret az alak és a határfelület • A részecskék esetében 1-2 nm és 500-1000 nm és a rendszert leíró változásokban a felületi szabadentalpia változása lényeges • a kolloidika tárgya a határfelületek, valamint a diszperz rendszerek vizsgálata. A kolloidkémia e rendszerek keletkezését és megszűnését, stabilitását és külső terekkel (mechanikai (nyíró), gravitációs, centrifugális, elektromágneses, elektromos és mágneses térrel) való kölcsönhatását tanulmányozza.
