Intermolekuláris kölcsönhatások
Hidrogénkötés víz
peptidek
DNS: bázispárok
Klasszikus H-kötés feltételei: Nagy elektronegativitású atomhoz (F,O,N) közvetlen kapcsolódó H-atom és magános elektronpár szintén nagy EN-ú atomon ( Nem-klasszikus: pl -C−H…O=C- )
H-vándorlás alagúthatással („tunneling”) vízben is állandó, dinamikus változás pl. H2CO3 dimer
Dipól-dipól vagy Keesom-erők dipól-dipól
Állandó dipólusmomentum:
μ=
∑ ∆q r
kötések
μ : elektromos dipólusmom entum ∆q : töltésszeparáció r : kötéstávolság (vektor)
Willem Hendrik Keesom (1876-1956) pl. HCl, éter (foly. áll.)
1 Cm = 2,9979×1029 D
Nem forgó molekulákra: (szilárd fázis)
Edip −dip A,B = HCl
μ ⋅μ = −2 A 3 B RAB
−970 J/mol
µHCl = 1,05 D (D: Debye) µdietil-ter = 1,15 D
Gátolt forgásra: (folyadék)
Edip−dip
Szabad forgásra: (ritka gáz)
μ A2 μ B2 = −2 6 3RAB kBT
−62 J/mol (T= 300 K, RAB=0.5 nm )
Edip −dip = 0 0 J/mol
Dipól-indukált dipól vagy Debye-erők μI = α ⋅ E µ Ix α xx α xy α xz Ex µ Iy = α yx α yy α yz E y µ α Iz zx α zy α zz E z
Peter Joseph William Debye (1884 –1966)
µI: indukált dipól α: polarizálhatóság tenzor E: (dipól vagy ion által keltett) külső elektromos tér SI mértékegység: C·m2·V-1
Edip − ind. dip ~ −
µα 6 RAB
Van der Waals- vagy London-erők pl. paraffin, nemesgázok apoláris molekula másik apoláris molekula fluktuáció
Johannes Diderik van der Waals (1837 − 1923) Nobel-díj: 1910
Fritz Wolfgang London (1900 – 1954)
van der Waals vagy London kh.:
Eind.dip −ind. dip Van der Waals kh.
α2 ~− 6 RAB
A Lenard-Jones (pár)potenciál Intermolekuláris kölcsönhatások leírása empirikus képlettel, ami a taszítást is figyelembe veszi: Ar·Ar van der Waals kölcsönhatás leírása
( E potenciális ≡)V =
A B − R 12 R 6
A,B empirikus (vagy számított) állandók
Folyadékok jellemzése 1) Párkorrelációs függvény
Párkorrelációs függvény (megtalálási valószínűség vs. távolság)
jég
víz rendezetlen, dinamikusan változó szerkezet
Folyadékok jellemzése 2) sűrűség
Folyadékok jellemzése 3) felületi feszültség Felületen levő molekulák kevesebb intermolekuláris kölcsönhatást tudnak kialakítani, mint a tömbfázisban levők → felület növeléséhez munkára (energiára) van szükség:
γ =
W F = ∆A l
γ : felületi feszültség [N/m] Milyen a vízcsepp alakja?
hu.wikipedia.org
Lotusan festék
Folyadékok jellemzése 3) felületi feszültség: nedvesítés, határfelületi feszültség Adhézió: folyadék és másik kondenzált fázis közötti vonzóerő Kohézió: folyadék molekuláit összetartó erők Adhézó > kohézió : nedvesítés Kohézió > adhézió: nem nedvesítő folyadék – szilárd hf. határfelületi feszültségek: γsg: szilárd-gáz γls: folyadék-szilárd γlg: folyadék-gáz Thomas Young (1773-1829)
Young-egyenlet (vektoriális összegből):
γ sg = γ ls − γ lg cos Θ
Θ: nedvesítési peremszög
Hőmérsékletfüggés: Eötvös-szabály (és Eötvös-állandó: k) Moláris térfogat, hőmérséklet, kritikus hőmérséklet és a viszkozitás közötti összefüggés (kritikus hőmérsékleten nincs fázishatár → γ = 0)
γVm2 / 3 = k (T − Tkr )
Folyadékok jellemzése 3) felületi feszültség: kapillárisemelkedés Folyadékoszlop súlyából származó erő:
Fg = r 2πρgh Adhézióból származó erő:
Fγ = 2rπγ sl cos Θ
h=
2γ sl cos Θ ρgr
buborék növekedése folyadék belsejében (görbült felületek tenziója, buboréknyomás) a gömbfelületre pγ nyomás hat a felületi feszültség miatt, amely a buborékot megszüntetni igyekszik, ez egyenlő a belső gőznyomással:
pγ = Fγ / A Fγ = 4πr 2 pγ
[
∆A = 4π (r + δr ) − r 2 ∆A = 8πrδr 2
]
δr → 0
Fδr = W = γ∆A buboréknyomás:
pγ = 2γ / r
hu.wikipedia.org
Folyadékok jellemzése 3) felületi feszültség: a felületi feszültség mérése
C) buboréknyomásos módszer
A) kapilláris emelkedéses módszer
buborékképződés külső nyomás függvényében
B) kiszakításos Pt-lapos (Wilhelmy-módszer) Pt-gyűrűs (Du Noüy-módszer)
D) függőcsepp (sztalagmométeres) módszer Csepp súlya tart egyensúlyt a felületi feszültségből származó erővel → csepp tömegének mérése
E) csepptérfogat mérés Előzőhöz hasonló, de két nem elegyedő folyadék esetében is alkalmazható
F) nyugvó csepp és forgó csepp módszer Csepp alakjának a mérése
Folyadékok jellemzése 3) Felületi feszültség csökkentése: tenzidek
szerves fázis
micella
vizes fázis
Oldatok ionos vegyületek oldódása vízben „hasonló a hasonlóban” elv hidrofób (szerves) hidrofil (vizes) fluorofil (fluoros) fázisok
Koronaéterek
hidrofób burok
Charles J. Pedersen (1904−1989) Donald James Cram (1919−2001) Jean-Marie Lehn (1939–) 1987-es Kémiai Nobel-díj
Felhasználás: pl. ionszelektív elektródok, ionok beoldása szerves oldószerbe (pl. KMnO4 – oxidálószer)
hidrofil (adott méretű) üreg
Ciklodextrinek
Felhasználás: pl. gyógyszerek bevitele a szervezetbe (vízoldhatóság növelése)
Folyadékok jellemzése 4) Kompresszibilitás
1 dV κ =− V dp κ (β ) :
κ T = − 1 ∂V V ∂p
T
kompresszibilitás [1/Pa]
κ, atm-1 10-6 CS2
etanol
glicerin
Hg
víz
94
111
21
3,8
46,4
Folyadékok jellemzése 5) Viszkozitás Newton szerint:
du F = −ηA dy η:
dinamikai vagy abszolút viszkozitás
mértékegysége Ns/m2 = 10 P P: poise (Jean Louis Poiseuille után) viszkozitások 20°C-on:
levezethető:
dV πr 4 ∆p = dt 8ηL
A folyadékrétegek egymáson elcsúsznak, sebesség az átméro mentén változik.
aceton: 0,0003 P higany: 0,017 P víz: 0, 01 P méz: 10 P glicerin: 14,9 P
η ν = ρ ν : kinematikai viszkozitás
mértékegysége m2/s = 10000 St St: stokes (George Stokes után)
Folyadékok jellemzése 5) Viszkozitás mérése
B) Höppler-féle viszkoziméter
A) Ostwald-féle:
A folyadék átfolyás-idejének mérése a két jel között
A golyó lesüllyedési idejének mérése a két jel között
C) Rotációs viszkoziméter Koncentrikusan elhelyezkedő álló és forgó henger közötti folyadék viszkozitását határozzák meg. A forgó hengert torziós rugón keresztül hajtják, a megnyúlást mérik.
D) Vibrációs viszkoziméter Folyadékba mártott lemezt rezgetnek. A viszkozitás függvényében változik a rezgés frekvenciája.
Folyadékok jellemzése 5) Viszkozitás η
Newtoni
Newtoni folyadék: erő egyenesen arányos a folyadék sebességgel (azaz állandó viszkozitás) keverés sebessége
Tixotróp: keverés mellett idővel csökken a viszkozitás (pl. kenőzsírok) Pszeudoplasztikus: keverés sebességét növelve csökken a viszkozitás (pl. vér)
η
η
tixotróp
Bingham-folyadék: folyás megindításához nullától nagyobb erőre keverés ideje van szükség (pl. puding) η Bingham-folyadék Dilatáns:keverés sebességét növelve nő a viszkozitás (pl. homok-víz) keverés sebessége
pszeudoplasztikus
keverés sebessége
η
Dilatáns
keverés sebessége
Ionos folyadékok szobahőmérsékleten cseppfolyós ionos vegyületek
Kolloid rendszerek Heterogén- többfázisú (durva diszperz) rendszerek Átmenet: Kolloid rendszerek, melyben a diszperz részecskéinek mérete 1 és 200 nm közé esik → nagy fajlagos felület, ugyanakkor viszonylag stabil diszperzió (szedimentáció, koaguláció, reverzibilis és irreverzibilis kisózás) Nagy felület/térfogat arány (speciális alkalmazások: adszorbensek, katalizátorhordozók) Metastabilis állapot → fázisszétválás, ülepedés, koaguláció stabilizálás: emulgeátorok (pl. felületaktív anyagok) felületen megkötött ionok (pl. AgCl Ag+ vagy Cl– feleslegben stabilis) Diszpergált anyag mérete szerint: mono- vagy polidiszperz Anyaga szerint:
- makromolekuláris (pl. tojásfehérje) - diszperziós (pl. AgCl csapadék, tengerszemekben a mészkő) - asszociációs kolloidok (pl. tenzidek micellái) (kritikus micellaképződési koncentráció: micellaképződés megindulásához szükséges minimális koncentráció)
xeroszol lioszol
Kolloid rendszerek
Emulzió átcsapása
Szol-gél átalakulás
Kolloid rendszerek
Faraday aranyszolja
Faraday Múzeum, London
Tyndall-effektus (fényszóródás) Rayleigh-szóródás (kismolekula): Mie-szóródás (kolloid):
I ~ I0
1 λ4
Smaragd tó (Kanada)
Lükurgosz serlege (British Múzeum, arany-kolloidszemcsék)
szórt fény (külső megvilágítás)
áteső fény (belülről megvilágítva)
Aerogélek
legkisebb sűrűségű, nagy fajlagos felületű anyagok (szilárd habok) „fagyott füst”
Ozmózis Oldószer átjutása féligáteresztő hártyán (koncentráció kiegyenlítődés)
Π Vm=RT Π: ozmózisnyomás Vm: 1/c biológia: hiper-, hipo, izotóniás oldatok
Kolloidok tisztítása, méretszerinti szétválsztás Dialízis Ultracentrifugálás
rotátor
Gélszűrés (gélkromatgráfia)
Gélelektroforézis
polidiszperz kolloid
szedimentáció („ülepedés”)
Kolloidok vizsgálata
Zsigmondy Richárd (1865 – 1929) 1925 Kémiai Nobel-díj „a kolloid oldatok heterogén természetének bizonyításáért és az ultramikroszkóp feltalálásáért”
Tyndall-jelenség alkalmazása
Nanotechnológia Mesterséges és ….
szén nanocsövek
… természetes nanomotorok
dendrimerek (fraktálszerű polimerek)
