A kolloidika tárgya, a kolloidok osztályozása rendszerezése Bányai István DE Fizikai Kémiai Tanszék www.kolloid.unideb.hu Gyógyszerész 2016.09.13.
A kolloidika tárgya, a kolloidok osztályozása rendszerezése
Bányai IstvánDE Fizikai Kémiai Tanszék
www.kolloid.unideb.huGyógyszerész 2016.09.13.
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, immunreakciók)– Mosás, tisztítás, ragasztás technológiája– Szorpciós jelenségek, környezeti és agrokémia
• Nanotechnológia– A fluoreszcencia méretfüggő– TiO2 katalitikus aktivitás– Gyógyszer leadás– Gyógyszer felszívódás
Az előadások anyaga 1• 1. A kolloid rendszerek osztályozása, jellemzése.•• 2. Méret, méreteloszlás. Átlagok. Molekuláris
kölcsönhatások.
• 3. Határfelületi jelenségek: fluid határfelületek felületi feszültség
• 4. Folyadék –folyadék, szilárd-gáz, szilárd folyadék• határfelületek. Adszorpció és orientáció a határfelületen.
• 5. Felületvizsgáló módszerek. Szorpciós izotermák. Adszorpció oldatokból. Elektromos kettősréteg.
• 6. Az elektromos kettősréteg szerkezete. Elektrokinetiusjelenségek. Kolloidok felülete.
•
Az előadások anyaga 27. Kolloidok stabilitása, stabilizálása és megbontása.
8. Diszperziós kolloidok: inkoherens szolok.
9. Koherens rendszerek: gélek.
10. Asszociációs kolloidok. Tenzidek, tisztítás, mosás.
11. Makromolekuláris kolloidok. Polimerek, műanyagok, nanokapszulázás.
12. Reológia, inkoherens és koherens rendszerek viselkedése mechanikai erőtérben
13. Összefoglalás, gyakorlatelőkészítés, vizsgák rendszere
Előadások anyaga 3• 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.
• Bárány Sándor: A kolloidkémia alapjai (II. Rákóczi Ferenc, Kárpátaljai Magyar Főiskola, Beregszász, jegyzet)
Vizsgakövetelmények
• Vizsga minimum követelmény:
Órai anyag +Patzkó Ágnes: A kolloidika alapjai (SZTE ff. szakképzés)
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 intenzívváltozókon túl (p, T, c ) szerepel a
– a méret– fajlagos felület– alak
A részecskék esetében 1-2 nm és 500-1000 nm és a rendszertleíró változásokban a felületi szabadentalpia-változás lényegesszerepet 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, a rendszereket, a fizika alapvető törvényeit használva írja le. Számos biológiai objektum számára a kolloid állapot a létezés formája.
keletkezésmegszűnés,stabilitás, kölcsönhatás külső erőterekkel(mechanikai, gravitációs, centrifugális, elektromágneseselektromosmágneses)
Erőterekben és közegben(!) való mozgás
• Erőhatások kolloid rendszerekben:
– 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
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 fázistörvényF + 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 koncepció: 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 ellentmondásraKövetkeztetés:
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
Heterogénrendszerek
2010. 02. 11. 14
História: Homogén vagy heterogén?• Graham, 1860: 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.htmlhttp://www.wyatt.com/library/theory/understanding-multi-angle-static-light-scattering.html
–Heterogén, Brown (1827, botanika) mozgás, –Boltzmann-Maxwell energia eloszlás igazolása (Perrin 1908)
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 van 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 miatt:
Fémek vezetése ≈ 2 nmKerámiák átlátszósága ≈ 20 nmFémek színe ≈ 50 nmFémek keménysége ≈250 nmKerámiák alakíthatósága ≈ 500 nm
Molekula - részecske
Ha az A, B, C és D rendszert mintstruktúrát 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)
http://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 függetlenBuzágh Aladár: szubmikroszkópos diszkontinuitásOstwald-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 (osztályozás
• 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 rendszerekönálló részecskék
koherens (kohézív) rendszerekdiszperziós, makromolekulás, asszociációskolloidokból kialakuló
diszperziós k.szolok
makromol. asszociációs
kolloid oldatok
Retikuláris(hálós)
Spongoid(szivacsszerű)
korpuszkuláris fibrillás lamellásizodimenziós szálas hajtogatott
hártya, lemezes
diszperziós makromolekulás asszociációs
liofób 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 miatt)
23
Halmazállapot szerint
Diszperziós kolloidok vagy szolok:diszpergált anyag /diszperziós közeg
Gázközegű:aeroszolok
Folyékonyközegű:lioszolok
Szilárdközegű:xeroszolok.
L/G folyadék aeroszol: köd, permetS/G szilárd aeroszol: füst, kolloid por, légköri aeroszolok, szmog S/L/G
G/L gázlioszol, habL/L folyadék lioszol, emulzióS/L kolloid szuszpenzió, szolok
G/S szilárd hab: polisztirol habL/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 micellaAmfifil molekulák
Részletek lásd később
2010. 02. 11. 27
Makromolekulás rendszerek (liofil)
Sokkal nagyobbak mint a kis molekulák
Polipeptid makromolekula
A méret és az alak szerepe
Kolloidok osztályozásaa stabilitás alapján
• Termodinamikailag lehetnek– stabilisak (valódi oldatok) Liofil kolloidok
Goldat < G(p,T) (kiindulási)Makromolekulás oldatok, asszociációs kolloidok
– nem stabilisak (diszperz rendszerek) Liofób kolloidokGsol > G (p,T) (kiindulási) Szolok (nagy fajlagos felület, S/V)
• Kinetikailag lehetnek– stabilisak (a vizsgált időtartamon – belül nem változtak) inertek– nem stabilisak (labilisak):
Kinetikailag
Példák (előállítás módja)
A kolloidika tárgya(i)
• 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.