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, Donnan-potential. 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.

2010.  02.  11.   9  

Biológia  

Kémia  

Fizika  

szerves  

Fizikai  kémia  

biokémia  

Kolloidika  

A kolloidika helye: interdiszciplináris

A kémiai összetételtől függetlenül, igyekszik a rendszereket, a fizika alapvető törvényeit használva leírni. Számos biológiai objektum számára a kolloid állapot a létezés formája.

keletkezés  megszűnés,  stabilitás,  kölcsönhatás  külső  erőterekkel  (mechanikai,  gravitációs,  centrifugális,  elektromágneses  elektromos  mágneses)  

Erőterekben és közegben(!) való mozgás

•  Erőhatások kolloid rendszerekben (ρ=2 g cm-3)

–  gravitáció –  Viszkozitás

–  Brown-mozgás sebessége

A történet vége a „van der Waals kölcsönhatás”, kiválik

méret/nm   10   1000   100000  

v/(cm/s)   2×10-­‐8   2×10-­‐4   2  

Fsurl = 6πηrv =

4r3π ρ − ρ0( )g3

= Fgrav

A Brown-mozgás elhanyagolható?

2 211 4 10 J2

kT mv −= = ×

méret/nm   10   1000   100000  

v/(cm/s)   102   10-­‐1   10-­‐4  

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

12  

Homogén, heterogén? •  homogén, minden intenzív sajátság minden pontban

azonos: izotróp. (5% oldat), állapotegyenlet pl. (p,T,c)

•  heterogén, Gibbs-féle fázistörvény, fázishatárok vannak, ahol az

intenzív sajátságok ugrásszerű változást mutatnak

pV nRT=

Kontinuum? pontszerű? A nagyítótól függ?

Példák az ellentmondásra Következtetés: A látvány alapján nem eldönthető: húsleves, kocsonya, tej, sör, puding, kenyér, köd, szmog, talaj, fogkrém, enyv, vér, majonéz, tojásfehérje, opál, szappanoldat, stb.?

A kolloidok nem sorolhatók be sem a homogén sem a heterogén rendszerbe

Hány fázisú?

Homogén rendszerek

Több fázisú

Heterogén rendszerek

2010.  02.  11.   14  

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".

15  

Mit láthattak?

http://www.cs.princeton.edu/courses/archive/fall05/cos226/assignments/atomic.html

– Heterogén, Brown mozgás, – Boltzmann-Maxwell energia eloszlás igazolása

16

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

m

nm

1010− 810− 610−910− 710− 510− 410− 310−

0.1 1 10 210 310 410 510 610

atomok, kis molekulák

makromolekulák

füst

köd

kolloid

micellák vírus pollen, baktérium

mikroszkópos heterogén

Homogén rendszerek Heterogén rendszerek (makroszkópos többfázisú)

Kolloid rendszerek

homogén

Kolloidika – felületi kémia (nanotechnológia – manapság)

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

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

felü

leti

mol

ekul

a/ ö

ssze

s

1 ezrelék1 %

már nem elhanyagolható a felület szerepe

10 %

R<10 nm nanotechnológia más tulajdonságokNő az összes felületi energia

arany szol

kolloid

nano

S/V

„Nano“ görögül = törpe

 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  

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  

2010. 02. 11. 19

Szubmikroszkópos diszkontinuitások: egyetemlegesség tétele

sûrûség sûrûség

x xWo. 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)

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

22

Kolloid rendszerek (szerkezet alapján)

porodin (pórusos)

inkoherens rendszerek önálló részecskék

koherens (kohézív) rendszerek diszperziós, makromolekulás, asszociációs kolloidokból kialakuló

diszperziós  k.  szolok  

makromol.   asszociációs  

kolloid  oldatok  

ReYkuláris    (hálós)  

Spongoid  (szivacsszerű)  

korpuszkuláris fibrillás lamellás izodimenziós szálas hajtogatott

hártya, lemezes

diszperziós makromolekulás asszociációs liofób liofil liofil

(IUPAC ajánlás)

szerkezetű,  gélek,  halmazok  és  pórusos  testek  

inkoherens  (nem  kohézív)    rendszerek:  a  részecskék    egymástól  függetlenek.    A  közeg  folyékony  jellege    a  mérvadó  

koherens  (kohézív)  rendszerek:    összefüggő  szilárd  vázat  alkotnak    (gélek  ––  a  közeg  miaQ)  

23

Halmazállapot szerint

Diszperziós kolloidok vagy szolok: diszpergált anyag /diszperziós közeg

Gázközegű: aeroszolok

Folyékonyközegű: lioszolok

Szilárdközegű: xeroszolok.

L/G folyadék aeroszol: köd, permet S/G szilárd aeroszol: füst, kolloid por, légköri aeroszolok, szmog S/L/G

G/L gázlioszol, hab L/L folyadék lioszol, emulzió S/L kolloid szuszpenzió, szolok

G/S szilárd hab: polisztirol hab L/S szilárd emulzió: opál, igazgyöngy S/S szilárd szuszpenzió: pigmentált polimerek

…..+ összetett rendszerek

24

Osztályozás (kinagyítva)

Szol: a részecskék különállóak függetlenül a halmazállapottól! Gél: összekapcsolódó részecskék (mindig koherens)

Megszilárdult közeg, de a részecskék különállóak maradtak nanotech

Spongoid szerkezetek. Kenyérben, sütéskor kémiai kötések alakulnak ki, G/S xerogél, spongoid szerkezet nem különálló buborékok

25

Térháló létrejöhet bármilyen rendszerből:diszperziós, asszociációs, makromolekuláris kolloid

Gél lineáris, alig elágazó polimerből

Gél nagyon elágazó polimer klaszterekből

Agyag kártyavár szerkezet (taktoid)

Bikontinuális mikroemulzió vázlata, spongoid szerkezet „beállt asszociációs kolloid”

Koherens rendszerek (részletek)

26

Asszociációs kolloidok (liofil)

•  Felületaktív anyag (szappan, mosószer)

Gömbi micella Amfifil molekulák

Részletek lásd később

2010. 02. 11. 27

Makromolekulás rendszerek (liofób)

Sokkal nagyobbak mint a kis molekulák

Polipeptid makromolekula

A méret és az alak szerepe

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.