Többkomponensű rendszerek
7. hét
Folytonos közegben eloszlatott részecskék - diszperz rendszerek
homogén - kolloid - heterogén rendszerek - a részecskék mérete alapján
Diszperz rendszerek
Homogén rendszerek – valódi oldatok
Kolloid oldatok és kolloid rendszerek
a részecske méret 1 nm-nél kisebb; a részecskék sem szabad szemmel, sem mikroszkóppal nem észlelhetők
1-500 nm méretű eloszlatott részecskéket tartalmaz; sem szabad szemmel, sem fénymikroszkóppal nem különböztethetők meg az oldott részecskék
Heterogén rendszerek – mikro- és makroheterogén
a részecskeméret 500 nm-nél nagyobb; szabad szemmel, vagy mikroszkóppal jól látható
Kolloid rendszerek tulajdonságai Tyndall jelenség: A kolloid rendszeren átbocsátott fény a nagyméretű oldott részecskék felületén szóródik, úgy látjuk, hogy a részecskék világítani kezdenek a beeső fény hatására. Valódi tiszta oldatoknál fényszóródás nélkül halad tovább a fény.
1
Kolloid rendszerek tulajdonságai
Oldatokban az oldószer és oldott anyag részecskéi állandó diffúz mozgásban vannak.
Brown-mozgás: A részecskék rendezetlen mozgása.
A kolloid oldatokban a nagyméretű oldott részecskék a méretüktől függően ülepednek le az edény aljára.
A nagy fajlagos felület miatt a kolloid rendszerek adszorpciós készsége nagy.
Kolloid rendszerek
Fajlagos felület: egységnyi térfogatú vagy tömegű anyag felülete – kolloid mérettartományban jelentős 1 db 1 cm élhosszúságú kocka ezt 1 mm-esre darabolva 1‰
1 µm élhosszúság esetén
6 cm2/cm3 60 cm2/cm3 6 m2/cm3
1 nm élhosszúságúra darabolva 6000 m2/cm3 10% 1%
a felületen lévő molekulák száma nem elhanyagolható
Kolloid rendszerek
Az eloszlatott részecskék típusa szerint
diszperziós kolloidok - valamely folytonos közegben gáz, folyadék és szilárd mikrofázisok, felülettel határolt részecskék találhatók makromolekuláris kolloidok - a folyadékban „oldott” részecskék mérete eleve a kolloid mérettartományban – polimerek oldatai asszociációs kolloidok – az oldott amfipatikus molekulák micellákká csoportosulnak – detergensek, emulgeálószerek oldatai
2
Kolloid rendszerek
Az eloszlatott részecskék között ható erő szerint a kolloid rendszer:
inkoherens - a részecskék egymástól függetlenek - a közeg folyékony jellege a mérvadó (aero- és lioszolok, kolloid oldatok) koherens - összefüggő szilárd váz - a közeg miatt (xeroszolok) vagy a részecskék kapcsolódása (gélek) révén - reverzibilis és irreverzibilis
Diszperziós kolloidok
Az eloszlatott kisméretű részecskék mikrofázisokat alkotnak a folytonos közegben
Típusai
aeroszol inkoherens
lioszol
xeroszol koherens
Diszperziós kolloidok
Aeroszolok:
köd - gázban eloszlatott apró folyadékcseppek - köd, spray, gőzök, felhő, füst - gázban eloszlatott apró szilárd részecskék - füst, por
3
Diszperziós kolloidok
Lioszolok:
hab - folyadékban eloszlatott gáz - tejszínhab, tojáshab, borotvahab, habfürdő emulzió - folyadékban eloszlatott folyadékcseppek olaj a vízben (tej, tejszín), víz az olajban (naptej)
Diszperziós kolloidok
Lioszolok:
szuszpenzió - folyadékban eloszlatott szilárd anyag (nem makromolekula és nem detergens) molekuláris méretű részecskék kondenzálódásával - kolloid kén, mésztej, festékek, iszap, agyag
Diszperziós kolloidok
Xeroszolok:
szilárd hab - szilárd anyagban eloszlatott gáz - habkő, horzsakő, poliuretán hab, szivacs szilárd emulzió - szilárd anyagban diszpergált folyadékcseppek - vaj, hidratáló krémek, margarin, tejkvarc, opál zárvány - szilárd anyagban mikro méretű szilárd anyag eutektikus ötvözetek, zárványkristályok
4
Makromolekuláris kolloidok
Folyadékban oldott (szolvatált) kolloid méretű makromolekulákat tartalmazó inkoherens kolloid rendszer - lioszol – fehérje, zselatin, polimerek oldata, ragasztók, lakkok
az oldószerben molekuláris méretben történik a diszpergálás
Makromolekuláris kolloidok
A diszpergálás – oldás folyamata
a polimer molekulák közötti másodlagos kémiai kötések felbomlanak a lánc-makromolekula oldására alkalmas oldószerben a polimer duzzad, az oldószer molekulák a láncok közé diffundálnak a térhálós polimer esetén az elsődleges kötések nem módosulnak – nem képez oldatot, duzzadt (gél) állapotban marad
Makromolekuláris kolloidok
A diszpergálás – oldás folyamata
oldószer: duzzasztás, diszpergálás, ballaszt
aktív oldószer
hígítószer
5
Asszociációs kolloidok
Amfipatikus vegyületek (apoláris lánc és poláris csoport) diszpergálásával - tenzidek vagy detergensek
Tenzidek: kolloid méretű asszociátumokat (micellákat) alkothatnak - reverzibilis kapcsolat lioszol
Kolloidok reverzibilis átalakulásai
a koncentráció csökkentésével vagy melegítés hatására a részecskék közötti kölcsönhatás gyengébb lesz
asszociációs kolloidok: a micellák reverzibilis felbomlása (valódi oldattá alakulás)
Kolloidok reverzibilis átalakulásai
A diszpergálás – oldás folyamata
szilárd polimer → duzzadt gél
a szolvatált molekulák az oldószerben szabadon mozognak
gél
oldat diszperziós kolloid
szol
6
Kolloidok reverzibilis átalakulásai
a koncentráció növelésével vagy hűtés hatására a részecskék közötti kölcsönhatás erősebb lesz, szilárd vázat képeznek- koherens kolloid rendszer - liogél alakul ki
szol - gél átalakulás - kocsonya, zselatin, mosószer gélek, fém-hidroxidok, kovasav-gél, agyag
Kolloidok irreverzibilis átalakulásai
oldószer eltávozása a szuszpenziókból és a makromolekuláris oldatokból - koherens rendszer xerogél alakul ki
koaguláció, denaturálódás, ragasztók, lakkok száradása, kerámia és agyag kiégetése, műgyanták, gumi, szilikagél
Határfelületi jelenségek
Határréteg kialakulása - a részecskékre a fázishatáron ható erő (adhézió és kohézió) különbözik a fázis belsejében ható erőktől (csak kohézió) felületen
anizotróp erőtér hat a molekulákra
fázisban
7
Folyadék – gáz határfelület
a folyadék felületének csökkentésére hat – kohézió >> adhézió
felületi feszültség
w = γ · ∆A
1 m2 új felület létrehozásához szükséges munka jele: γ mértékegysége: N/m gömb alakú cseppek kialakulása – kedvező a felület / térfogat arány
folyadékok felületi feszültsége csökken a hőmérséklet növelésével – Eötvös-törvény
Folyadék – gáz határfelület
tenzidek hatása: a felületi rétegekben irányított elhelyezkedésűek - csökkentik a folyadékok felületi feszültségét HO –
– CH2 – (CH2)n CH3
pl. szappan
Folyadék – szilárd határfelület
kohézió és adhézió arányában szétterülés peremszög: a nedvesítés mértéke
szilárd – folyadék – gőz háromfázisú rendszer
a peremszög és a felületek energiája
folyadékcsepp
szilárd felület
γlv γsl
θ
Young egyenlet gáz
γsv
cos θ =
γ sv − γ sl γ lv
8
Folyadék – szilárd határfelület nedvesítő folyadék
a víz és az üveg közötti adhézió nagyobb, mint a vízmolekulák közötti kohézió
kapilláris effektus
milyen magasra emelkedik a víz egy kapillárisban?
h · ρ · g = 2 · γ/r kapilláris sugara
a vízoszlop magassága
nehézségi a víz gyorsulás sűrűsége
felületi feszültség
talajban kapilláris víz
Folyadék - folyadék határfelület
nem elegyedő folyadékok érintkezése – a felület összehúzódása megoszlás két oldószer között:
egy anyag oldódik két olyan oldószerben, amelyek nem elegyednek egymással, a koncentrációk aránya állandó a két folyadékban, függetlenül a koncentrációk nagyságától
Nernst-féle megoszlási hányados:
K = c1/c2
fémkohászati eljárások
Szilárd - gáz határfelület
adszorpció (felületi megkötődés) aktív helyeken élek, csúcsok, hibahelyek
heterogén katalízis gázálarcok működése
mennyiségi viszonyok: adszorpciós izotermákkal jellemezhetők – Langmuir-izotermák
CO2 / aktív szén
9
