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