Kolloidkémia10. Előadás

Szolok és szuszpenziók

1Szőri Milán: Kolloidkémia

Kolloid rendszerek(szerkezet alapján)

2Szőri Milán: Kolloidkémia

Egymással nem elegyedő két fázis, melyek közül az egyik kolloid méretű részecskék formájában szét van oszlatva a másikban

Diszperziók típusai

Diszpergáltfázis

Diszperziós közeg

Név Példák

folyadék gáz folyadék aeroszol köd, spray

szilárd gáz szilárd aeroszol füst

gáz folyadék hab szappanhab, tűzoltó hab

folyadék folyadék emulzió tej, majonéz, tortakrém

szilárd folyadék szuszpenzió, szol fogpaszta

gáz szilárd szilárd hab polisztirol hab, poliuretán hab

folyadék szilárd szilárd emulzió opál

szilárd szilárd szilárd szuszpenzió pigmentált polimerek

3Szőri Milán: Kolloidkémia

Egymással nem elegyedő két fázis, melyek közül az egyik kolloid méretű részecskék formájában szét van oszlatva a másikban

Diszperziók típusai

Diszpergáltfázis

Diszperziós közeg

Név Példák

folyadék gáz folyadék aeroszol köd, spray

szilárd gáz szilárd aeroszol füst

gáz folyadék hab szappanhab, tűzoltó hab

folyadék folyadék emulzió tej, majonéz, tortakrém

szilárd folyadék szuszpenzió, szol fogpaszta

gáz szilárd szilárd hab polisztirol hab, poliuretán hab

folyadék szilárd szilárd emulzió opál

szilárd szilárd szilárd szuszpenzió pigmentált polimerek

4Szőri Milán: Kolloidkémia

Szolok és Szuszpenziók

Szőri Milán: Kolloidkémia 5

Vizes arany szol (citrát + csersav + Na2CO3)

Elnevezés Definíció (ezt kérem) IUPAC ajánlás

Szuszpenzió 500 nanométernél nagyobb részecskeméretűszilárd részecskéket tartalmazó folyékony durvadiszperz rendszer, amely ülepedni képes.

olyan folyadék, amelybe szilárd részecskékvannak eloszlatva.

Szol 500 nanométernél kisebb részecskeméretűszilárd részecskéket tartalmazó folyékony kolloidrendszer.

olyan többkomponensű folyékony kolloidrendszer, amely a kritikus micellakoncentráció felett emulzió vagy felületaktívanyag oldata.

https://www.tedpella.com/gold_html/goldsols.htm

Kolloid rendszerek előállítása/megszüntetése

Szőri Milán: Kolloidkémia 6

Kolloid rendszer(szuszpenzió és szol)

Homogén amikroszkópos

diszperz rendszer

Koherens rendszer(gél)

Kondenzáció

KoagulálásDisszolúció

Diszpergáláspeptizáció

Szolok és szuszpenziók előállítása peptizálással

• Peptizálás:• Általánosságban: koherens rendszerekből kolloid rendszer kialakítása• Jelen esetben: gél-szol átalakulás

• Peptizátor: segédanyag a peptizáláshoz (stabilizátor) • Elektrolit• Makromolekula• Felületaktív anyagok• Jól adszerbeálódó, vizes közegben maximális zeta-potenciált biztosító elektrolit a jó peptizátor

• Peptizálás csoportosítása a peptizátor felülettel való kölcsönhatása alapján:• Adszorpciós (fiziszorpciós) peptizálás• Kemiszorpciós peptizálás:

• Disszolúciós peptizálás:pl. 1. lépésben disszolúció: Fe(OH)3(s) + HCl→ FeCl3(aq) + H2O

2. lépésben: FeCl3(aq) adszorbeálódik a Fe(OH)3(s) felületén

Szőri Milán: Kolloidkémia 7

Szolok és szuszpenziók előállítása kondenzálással• A góckeletkezés ls a gócnövekeedés sebessége a meghatározó

• von Weymarn-szabály (rosszul írva Weimarn):

Szőri Milán: Kolloidkémia 8

Q: feloldott anyag mennyiségeL: feloldott anyag oldékonysága

R

𝑅 ∝ ((𝑄 − 𝐿)/𝐿)−𝑝

𝑁 ∝ ((𝑄 − 𝐿)/𝐿)𝑞

Journal of Colloid and Interface Science, 1996, 181, 503-510.

(p,q>0)

Szolok és szuszpenziók előállítása

• Gél már akár hígítással peptizálódik (gél-szol átalakulás)

• Kistöménységű oldatokból csak akkor nyerhető közvetlenül szol, ha a keletkező csapadék oldékonysága kicsi.• Pl. BaSO4 csapadékból AgCl segítségével

• Pl. BaSO4 csapadékot alkohol/víz elegyben állítjuk elő (alkohol/víz rosszabbuloldja a csapadékot, mint a víz) nagydiszperzitású szol.

• A zónahatárokat a mellékion változtatásával befolyásolhatjuk• Fe(OH)3 csapadék nagyobb diszperzitás fokú SO4

-2 mellett, mint Cl- mellett

Szőri Milán: Kolloidkémia 9

Szolok és szuszpenziók előállítása kémiai kondenzálással I.• Cserebomlás:

Ag-halogenid szolok előállítása és stabilizálása K-halogenid felesleggelAs2S3 szol előállítása H2S felesleggel

• Fémszolok előállítása redukcióval:Au-,Ag-,Cu-, Bi-szolok előállítása redukálószerekkel (alkoholok, hidrazin-hidrát, nátrium-bór-hidrid)A diszperzitásfok függ: a redukálószer minőségétől, mennyiségétől, adagolási sebességétől, T-től

• A diszperzitásfoktól függ a szol színe

Szőri Milán: Kolloidkémia 10

https://www.amazon.com/EnerGold%C2%AE-10-Times-Concentrated-200-ppm-Colloidal-Gold/dp/B011S6ZKTA

Szolok és szuszpenziók előállítása kémiai kondenzálással II.• Fém-hidroxid-szolok előállítása hidrolízissel:

Tömény Fe-, Al-,Cr-Mn-hidroxid oldatok pH-jának óvatos növelésével toljuk el a hidrolízis irányában a folyamatot. (sósav leválasztása dialízissel vagy (NH4)2CO3-tal)

• Fém- és fém-oxidszolok előállítása termikus vagy fotodisszociációval:diMeHgnagydiszperzitásfokú folyadékkatalizátor előállításánál van jelentősége

• Elektromos eljárással (Bredig-eljárással):

Szőri Milán: Kolloidkémia 11

Szolok tisztítása (dialízis és ultraszűrés) I.

• Kolloidok és az oldott komponensek elválasztása féligáteresztő hártyával

Szőri Milán: Kolloidkémia 12

dialízis elektrodialízis

Szolok állandóságának elmélete I.

• Elektrosztatikus stabilitás elmélet (DLVO-elmélet)• Elektrosztatikával stabilizált szolok

bizonyos elektrolitokkal koagulálnak(hatóion az a felületi töltéssel ellentétes, + mellékionokat ko-ionoknak hívjuk)

• Pl.: pozitív töltésű Fe(OH)3 szol esetén a koagulátor anionja a hatóion

• kritikus koaguláltató koncentráció (c.c.c.): a koagulátor legkisebb koncentrációja amely adott időn belül (pl. 10 min) szemmel látható koagulálást okoz. Szőri Milán: Kolloidkémia 13

Schulze-Hardy szabály:c.c.c. 1/Z6 csökken az ellenion töltésszámával

Schulze-Hardy szabály származtatása a DLVO-ból

• DLVO elmélet alapján:

Szőri Milán: Kolloidkémia 14

𝑉(𝐷) ≈ 𝜋𝑅𝑛𝑜𝑟𝑚64𝑘𝐵𝑇𝜌∞𝛾

2

𝜅2𝑒−𝜅𝐷 −

𝐴𝐻12𝜋𝐷

R2R1 Dr

D=r-R1-R2

𝑉 𝐷𝑚𝑎𝑥 = 0𝑑𝑉

𝑑𝐷= 0

Távolság, D

Dmax

eredő

Vmax

Növekvő sókoncentráció, csökkenő felületi potenciál

Kettősréteg taszítási tag

Van der Waals vonzás

Koaguláláskor:

és 𝑐𝑐𝑐 = 𝜌∞

64𝑘𝐵𝑇𝜌∞𝛾2

𝜅2𝑒−𝜅𝐷𝑚𝑎𝑥 =

𝐴𝐻12𝜋𝐷𝑚𝑎𝑥

64𝑘𝐵𝑇𝜌∞𝛾2

𝜅𝑒−𝜅𝐷𝑚𝑎𝑥 =

𝐴𝐻

12𝜋𝐷𝑚𝑎𝑥2

𝑐𝑐𝑐 = 𝜌∞ =(64 ∙ 12𝜋)2

23𝑒2∙𝜀𝑟𝜀0

3𝛾4 𝑘𝐵𝑇5

𝐴𝐻2 𝒁𝑒 6

𝑅𝑛𝑜𝑟𝑚 =𝑅1𝑅2𝑅1 + 𝑅2

https://www.slideserve.com/latoya/surface-forces-and-liquid-films

Szolok állandóságának elmélete

Szőri Milán: Kolloidkémia 15

𝜓0

D

30mV

A koagulálás kinetikája

• Smoluchowski elmélete: • vonzó kölcsönhatások csak egy adott R sugarú hatógömbön belül

jelentkeznek.• Gyors koagulálás: ha a hatásgömbön belül minden ütközés összetapadáshoz

vezet:

𝑛 =𝑛0

1 + 4𝜋𝑅𝐷𝑛0𝑡

• Lassú koagulálás: ha a hatásgömbön belül csak ütközések egy része jár összetapadással

Szőri Milán: Kolloidkémia 16

n0: egységnyi térfogatban a primer részecskeszámn: egységnyi térfogatban az összes részecskeszámD: a szol diffúziós állandójaR: hatásgömb sugarat: idő

Szolok állandóságának elmélete II.

• Nem-elektromos stabilitás elmélet

• Makromolekulás anyagokkal történő stabilizálás (Védőkolloid hatás)

• Sztérikus stabilizálás:• Adszorpciós réteg hatása a vonzóerőre (Vold-féle hatás)

• A részecskék közötti vonzó hatás csökkenése egy adott rétegvastagságnál annál nagyobb, minél több orietált amfipatikus molekulát tartalamaz az adszorbeált réteg

• Entrópia-gát

• Makromolekulás anyagok adszorpciója és stabilizáló hatása

Szőri Milán: Kolloidkémia 17

A szuszpenziók ülepedéstípusai

Szőri Milán: Kolloidkémia 18

Elsődleges részecskékegyedi ülepedése

Másodlagos részecskékegyedi ülepedése

Elsődleges részecskékkollektív ülepedése

Másodlagos részecskékkollektív ülepedése

Stokes -egyenlet

A szuszpenziók ülepedés kinetikája

Szőri Milán: Kolloidkémia 19

Gátolt ülepedés

szuszpenziónívók

Szolok és szuszpenziók optikai sajátságai

Szőri Milán: Kolloidkémia 20minta emisszió

minta abszorpció (transzmisszió)n=n0, I<I0

forrás(monokromatikus)

n0, I0

fluoreszcencia, foszforeszencia

n<n0

Rayleigh-, Mie-szórás

n=n0

Raman-szóródásn=n0±n´

reflexió n=n0, I<I0

teljes reflexiórefrakció n=n0, I=I0

https://i.ytimg.com/vi/Q0qrU4nprB0/maxresdefault.jpg

Szórástípusok

• Dimenzió nélküli méretparaméter:

• Cirkulárisan polarizált fény szórásképei (sugártestek):

Szőri Milán: Kolloidkémia 21

𝑥 =2𝜋𝑟

𝜆0

r: gömbrészecske sugaraλ0: beeső fény hullámhossza

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/atmos/blusky.htmlhttps://pages.mtu.edu/~scarn/teaching/GE4250/scattering_lecture_slides.pdf

Rayleigh szórás

Szőri Milán: Kolloidkémia 22http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/atmos/blusky.html

23Szőri Milán: Kolloidkémia