kolloidkémia - university of miskolckemszori/kolloidkemia_2020_08.pdf · •stabilisak (valódi...
TRANSCRIPT
Kolloidkémia8. Előadás
Kolloidstabilitás
1Szőri Milán: Kolloidkémia
Kolloidok stabilitása
• Termodinamikailag lehetnek• stabilisak (valódi oldatok) Liofil kolloidok
Goldat <G(kiindulási)Makromolekulás oldatok, asszociációs kolloidok
• nem stabilisak (diszperz rendszerek) Liofób kolloidokGsol >G(kiindulási)SzolokInstabilak/metastabilak temodinamikai értelemben (nagy 𝜸𝑨 miatt)
• Kinetikailag lehetnek• stabilak: a vizsgált időtartamon belül nem változtak
• nem stabilak:
Szőri Milán: Kolloidkémia 2
Kolloidok stabilitása
Diszperz rendszerek állapotjellemzői:
• Klasszikus állapotjelzők: • Összetétel (xi, w%i, ci, cT,i stb)• P• T• V• U• H• S
• További állapotjellemzők (Buzágh):• Részecskemorfológia• Eloszlásmódja• Diszperzitásfoka
Nehezen szeparálhatóak egymástól
Szőri Milán: Kolloidkémia 3
Fajlagos felület
Kolloidstabilitás (kinetikai, adott időn belüli stabilitás)
Kolloidstabilitás
Szőri Milán: Kolloidkémia 4
PLoS ONE 9(7): e102114. doi:10.1371/journal.pone.0102114
Kolloidinstabilitás – belső állapotváltozással szemben
• Nincs termodinamikai stabilitás (annak irreverzibilis közelítése, öregedés):• Polidiszperz rendszer:
• Eltérő részecskeméret, eltérő fizikai kémiai tulajdonságok (pl. oldékonyság és tenzió)
• Elsődleges részecskék változásai:• Méretváltozása (több komponens esetén összetétel-változás)
• Elsődleges részecskék összetapadása másodlagos részecskék kialakulása
• Aggregátum szerkezetének átrendeződése:• Módosul a méret és az alak, szolvátburok
• Belső szerkezet (pl amorfból kristályos)
Szőri Milán: Kolloidkémia 5
Másodlagos (kolloid)részecskék
Szőri Milán: Kolloidkémia 6
rúd
lamella
gömb
pehelykristályszerűtaktoidkoacervátum
Elektromos kettősréteg
• (lineáris|exponenciális)
• Kicsi stabilitás
Szőri Milán: Kolloidkémia 7
Az elektromos potenciál (𝜱):A felület elektromos töltésével megegyezőtöltésnek (itt negatív) a felülettől vett végtelen(nagyon nagy) távolságból egy bizonyostávolságig (D) való beviteléhez szükséges munkaosztva az ion töltésével (Z) ([V] = [J]/[C]).
Felületi potenciál
Stern potenciál
ζ potenciál
Stern réteg
Felületi töltés (negatív)
Zeta réteg (felületi réteg|mobil réteg)
(lineáris|exponenciális)
D
Φ
𝜱 / mV
-60
-40-30
-5+5
-10
+60
+40+30
+10
StabilKözepes stabilitás
Instabil (Gyors koagulálás vagy flokkulálás)
Nagy stabilitás
Kicsi stabilitás
Közepes stabilitás
Stabil
Kicsi stabilitás
Nagy stabilitás
D
A potenciált befolyásoló tényezők
Szőri Milán: Kolloidkémia 8
Stern rétegZeta réteg
Stern rétegZeta réteg
A felület elektromos áttöltéseTöbbértékű vagy felületaktív ellenionnalA felület elektromos továbbtöltése
Felületaktív azonos töltésű ionnal
D
DLVO
• Van der Waals kölcsönhatási energia:
• Hamaker állandó (AH):• Hamaker módszerével:
• kölcsönhatás páronként additív
• nem veszi figyelembe a közeg hatását a párkölcsönhatásoknál
• Lifshitz elmélet:• a közeget figyelembe veszi a közeg dielektromos tulajdonságát
• Ugyanúgy írandó mint a Hamakernél csak más az állandó értéke!!! Szőri Milán: Kolloidkémia 9
R2R1 Dr
D=r-R1-R2
ρi: részecskekoncentráció az i-dik gömbben
𝑅𝑛𝑜𝑟𝑚 =𝑅1𝑅2𝑅1 + 𝑅2
Van der Waals erő:
Zeng, Yan: Colloidal Dispersions Under Slit-Pore Confinement, 2012, Springer Theses.
Hamaker állandó (kb. 10-20J)
Szőri Milán: Kolloidkémia 10Advances in Colloid and Interface Science 1997, 70 125.
DLVO
• Elektrosztatikus kölcsönhatásDebye hossz: κ-1 (milyen messziről hata két részecske kölcsön)
Szőri Milán: Kolloidkémia 11
ρi: az adott (i) ion részecskeszám sűrűsége az oldatbanzi: az adott (i) ion töltéseε0: vákuum permitivitásε: az adott közeg permittiviása
Az egységnyi felületre jutó elektrosztatikus kölcsönhatási szabadenergia két töltött gömbszerű részecske esetén:
γi: az adott részecskeredukált felületi potenciálja
Elektrosztatikus erő két gömbszerű részecske esetén:
Elektrosztatikus erő két azonos töltésű gömbszerű részecske esetén:
30mV és 100mV között:
30mV alatt:
Felületi töltéssűrűség:
Szőri Milán: Kolloidkémia 12
Φ𝑚𝑎𝑥
Flokkuláció
Erős flokkuláció(Koaguláció)
http://slideplayer.com/slide/4643771/K. S. Birdi: Handbook of Surface and Colloid Chemistry, Third Edition, 478 old.
• Φ𝑚𝑎𝑥 ≫ 𝑘𝐵𝑇, kinetikai stabilitás
DLVO elmélet I.
Szőri Milán: Kolloidkémia 13
rD: elektromos kettősréteg vastagságar: részecske sugara
rD << a
rD >> a
Φ
Ko
agu
láci
ó
Flokkuláció d
http://slideplayer.com/slide/4643771/K. S. Birdi: Handbook of Surface and Colloid Chemistry, Third Edition, 478 old.
Perikinetikus koagulálás: hőmozgás miatti (Φ𝑚𝑎𝑥 ≈ 𝑘𝐵𝑇)Ortokinetikus koagulálás: külső erőtér hatására (Φ𝑚𝑎𝑥 ≈ 𝑘𝐵𝑇 + 𝑢𝑄 + 𝐸á𝑟𝑎𝑚𝑙á𝑠)
DLVO elmélet II.
Kritikus koaguláltató koncentráció (ccc): a sókoncentráció, amelynél már csak diffúziógátolt a koaguláció (minden ütközőrészecske összetapad).
Kolloidstabilitás biztosítása I.
Szőri Milán: Kolloidkémia 14
Stabilizálási lehetőségek Diszperzitásfok (r)állandóságának biztosítása
Eloszlásállandóságának biztosítása
Stabilizátor anyag(Stabilizátorok)
Szolvátréteggel + +
Elegyes szolvátréteggel(bifil segédanyagokkal)
+ + Nemelektrolitok
Makromolekulákkal +- (hidszerű polimerkapcsolat)
+ (𝜼 növelése) Makromolekulák
Elektromos kettősréteggel (ζpotenciál: minél nagyobb a
felületi töltés és minél vastagabb a kettősréteg
+ + Elektrolitok
Elektromos kettősréteggel és szolvatációval
+ + PolielektrolitokIonos felületaktív
anyagok
Keveréssel- (ortokinetikus koagulálás)
+- (ortokinetikus koagulálás)
𝑣ü𝑙𝑒𝑝𝑒𝑑é𝑠 =2𝒓2 𝜌𝑟 − 𝜌𝑘 𝑔
9𝜼
Kolloid rendszerek előállítása/megszüntetése
Szőri Milán: Kolloidkémia 15
Kolloid diszperz rendszer
Homogén amikroszkópos
diszperz rendszer
Heterogén durva diszperz rendszer
Kondenzáció
KoagulálásDisszolúció
Diszpergálás
Részecskeméret
Diszperzitásfok
Külső állapotváltozások
Kolloid rendszerek előállítása
• Kondenzáció• Fizikai kondenzálás:
• Pl.: ködrészecskék kialakulása
• Kémiai kondenzálás:• Pl.: csapadékképzés, polimerizáció
• Diszpergálás = aprítás + szétoszlatás• Őrlés (csak a kolloid mérettartomány felső határa érhető el)
• Emulgeálás
• Peptizálás koherens rendszer (gél) dezaggregálása primer szemcsékre
Szőri Milán: Kolloidkémia 16
Kolloid diszperz rendszer
Homogén amikroszkópos
diszperz rendszer
Heterogén durva diszperz
rendszer
Kondenzáció Diszpergálás
T,p
Kémiai reakció
MechanikaiElektromos
KémiaiAdalékolás
17Szőri Milán: Kolloidkémia