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Vorlesung Kolloidchemie I
I. Einführung in die „Welt der Kolloide“
1.1. Historischer Abriß
1.2. Bedeutung und Einordnung heute
II. Einteilung kolloidaler Systeme
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Einteilung kolloidaler Systeme
• Nach dem Aggregatzustand
• Nach der Wiederauflösbarkeit
• Nach der WW mit dem Dispersionsmittel
• Nach dem Ladungszustand
• Nach der Bindungsart
• Nach Substanzklassen
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Einteilung nach der Wiederauflösbarkeit
KOLLOIDE
reversibel
-Mizellkolloide -Molekülkolloide
irreversible
-ionisch geladene Kolloide
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Einteilung nach der Wechselwirkung mit dem Dispersionsmittel
KOLLOIDE
-osmotischer Druck: hoch-Viskosität: hoch
lyophil lyophob
-osmotischer Druck: niedrig-Viskosität: niedrig
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Einteilung nach der Bindungsart
• Metallische Bindungen
• Hauptvalenzbindungen
• Semipolare Bindungen
• Van der Waals Bindungen
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Einteilung nach dem Ladungszustand
KOLLOIDE
elektrokratisch
-elektrische Doppelschicht
solvatokratisch
-Solvathülle
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Einteilung nach Substanzklassen
• Dispersionskolloide
• Assoziationskolloide
• Makromoleküle
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III. Stabilität kolloidaler Systeme
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Stabilität disperser Systeme
• Kolloidales Gold
• Milch
• Creme
koagulationsstabil
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Kolloidal stabiler Zustand
ist ein koagulationsstabiler Zustand
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Warum sind kolloidale Systeme stabil ?
Wechselwirkungsenergie – Abstands
Funktion ?
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3.1. Zwischenmolekulare Kräfte
• 3.1.1. WW zwischen zwei Ionen• 3.1.2. WW zwischen zwei permanenten Dipolen• 3.1.3. WW mit dipolinduzierten Molekülen• 3.1.4. WW zwischen zwei Neutralmolekülen• 3.1.5. Atomare Abstoßungskräfte
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3.1. Zwischenmolekulare Kräfte3.1.1. WW zwischen zwei Ionen
Coulomb’sche Gesetz
Coulomb - Energie
204/ rqqrF BA
rqqdrrFrV BA
r
04/
rezz BA 02 4/
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3.1. Zwischenmolekulare Kräfte
3.1.2. WW zwischen zwei permanenten Dipolen
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Permanenter Dipol
• Alle unsymmetrischen Moleküle stellen permanente Dipole dar.
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Permanenter Dipol
• Zwei gleichgroße elektrische Ladungen unterschiedlichen Vorzeichens, die einen Abstand l besitzen, bilden einen elektrischen Dipol
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3.1. Zwischenmolekulare Kräfte3.1.2. WW zwischen zwei permanenten Dipolen
lqDipolmoment:
-bei beliebiger Orientierung gilt:
cossinsincoscos24/ 30 BABABA rrV
-bei paralleler Orientierung gilt:
304/2 rrV BA
-bei antiparalleler Orientierung gilt:
bei Rotation durch Wärmebewegung (Keesom):
Keesom - Energie
304/ rrV BA
620
22 43/2 rkTrV BA
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3.1. Zwischenmolekulare Kräfte
3.1.3. WW mit dipolinduzierten Molekülen
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Induzierter Dipol
• Bringt man ein symmetrisches Molekül in ein elektrisches Feld der Feldstärke E, so kann dadurch eine Ladungsverschiebung im Molekül stattfinden, und es wird ein Dipolmoment induziert.
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3.1. Zwischenmolekulare Kräfte3.1.3. WW mit dipolinduzierten Molekülen
Debye - Energie
Dipolmoment:
-WW zwischen einem Ion (B) und einem dipolinduzierten Molekül (A):
-WW zwischen einem Molekül mit permanenten Dipol (B) und einem
dipolinduzierten Molekül (A):
Eind
420
22 32/ rqzrV BBA
620
2 4/ rrV BA
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3.1. Zwischenmolekulare Kräfte3.1.4. WW zwischen zwei Neutralmolekülen
Ladungsfluktuation durch Elektronenbewegung zeitlich veränderlicher Dipol-WW zwischen zwei fluktuierenden Dipolen bedingt Phasenverschiebung ( = 180°)
= Londonsche Konstante
h- Plancksches Wirkungsquantum
(für gleiche Moleküle)
London- Energie
6/ rrV
02010201
0201
2
3
h
mit (für ungleiche Moleküle)
24/3 dhmit
- Elektronenfrequenz
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3.1. Zwischenmolekulare Kräfte3.1.5. Atomare Abstoßungskräfte
Abstoßung bedingt durch Ladungen der Elektronenhüllensowie einen quantenmechanischen Effekt bei der
gegenseitigen Durchdringung von Atomen oder Molekülen
b, k – Konstanten
Born - Energie
k
r
ebrV
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Lennard-Jones-Potential
Born - Abstoßung
Van der Waals - Anziehung
Lennard- Jones-Potential
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3.2. Zwischenpartikulare Kräfte
• 3.2.1. Van der Waalssche
Wechselwirkung
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Energie-Abstandsfunktion zwischen Partikeln
• Makroskopischer Ansatz
• Summation der molekularen WW-kräfte durch Integration über die Volumina
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3.2. Zwischenpartikulare Kräfte3.1.1. Van der Waalssche Wechselwirkung
Londonsche Wechselwirkungsenergie
a) für kugelförmige Teilchen gilt in erster Näherung (für a d) :
mit A – Hamaker Konstante
262
21
/ dvrqdvVvv
daAV 12/ 22 qA
1, 2 – Volumina der Teilchenq – Atome pro cm3
a - Partikelradiusd - Abstand zwischen den Partikeln
b) für zwei parallele Platten
2d-A/12V
im Vakuum
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3.2. Zwischenpartikulare Kräfte3.1.1. Van der Waalssche Wechselwirkung
(Berechnung der Hamaker Konstanten)
Zum Einfluß des umgebenden Mediums auf die Hamaker-Konstante Näherungsgleichung:
- Hamaker-Konstante für WW zwischen zwei Teilchen des dispergierten Stoffes im Vakuum
- Hamaker-Konstante für WW zwischen zwei Teilchen des Dispersionsmittels im Vakuum
22120
2110 AAA
2110A
2120A
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3.2. Zwischenpartikulare Kräfte3.1.1. Van der Waalssche Wechselwirkung
(Berechnung der Hamaker Konstanten)
Hamaker-Konstante für zwei verschiedenartiger Teilchen Näherungsgleichung:
12212
12 qqA
2112 mit