Koloidi 1 Dio Predavanje Studenti 2013-2014

7/23/2019 Koloidi 1 Dio Predavanje Studenti 2013-2014

http://slidepdf.com/reader/full/koloidi-1-dio-predavanje-studenti-2013-2014 1/14



Primjeri koloidnih stanja (s = kruto; l = kapljevito = plinovito)

kruto/kruto ; s/skruti farmaceutski

preparati

ojač ane plastike

magnetske trake

kruto/kapljevito; s/ldisperzije

suspenzije

lateks

kruto/plinovito; s/gaerosolovi

dim

kapljevito/kruto; l/sgelovi

kapljevito/kapljevito; l/lemulzije

kreme

mlijeko

kapljevito/kruto; l/saerosolovi

magla

sprej

plinovito/kruto; g/s pjenasti produkti

aerogelovi

pjeneć i betoni, porozni

minerali

plinovito/kapljevito; g/l pjene

pjenaste gume

pjenaste kreme

plinovito/plinovito; g/g‐

Međupovršina predstavlja granicu dviju faza koje su međusobno u kontaktu

“Područ je u kojem sustav podliježe prijelazu iz jedne faze u drugu”

kapljevina/plin kapljevina/kapljevina kapljevina/kruto kruto/plin kruto/kruto

Površina: područ

je izmeđ

u kondenzirane faze (S ili L) i plinovite fazeMeđupovršina: područ je između dviju kondenziranih faza

PLINOVITOPLIN

/KAPLJEVINA

KRUTO /KRUTO

KAPLJEVINA/KAPLJEVINA

KRUTO /PLINOVITO

KAPLJEVINA /PLINOVITO

pjene krute pjene

emulzijeaerosol,magla

KAPLJEVINA /KRUTO

KRUTO /KAPLJEVINA

dim suspenzije legure

kontinuirana faza

d i s p e r g i r a n a ( r a s p o d j e l j e n a ) f a z a

PLIN /KRUTO

plinovita kapljevita kruta

p l i n o v i t a

k a p l j e v i t a

k r u t a

• jednostavne koloidne disperzije su dvofazni sustavi kod kojih je disperzna fazaraspodjeljena u disperznom mediju (kontinuiranoj fazi)• solovi i emulzije su najvažnije vrste koloidnih disperzija

suspenzije

Primjer Vrsta Disperzna faza Kontinuirana faza

Disperzni sustavi

magla, sprej, para, dim

cigarete, aerosol sprejevi,

dimni plinovi

kapljeviti ili kruti

aerosolovi

kapljevita ili

kruta

plinovita

mlijeko, putar, majoneza,

asfalt, kozmetičke kreme

emulzije kapljevita kapljevita

anorganski koloidi (zlato,

srebrni jodid, sumpor,

metalni hidroksidi)

solovi ili koloidne

suspenzije

kruta kapljevita

gline, blato, paste za zube slurry (mješavina) kruta kapljevita

opal, biser, obojeno

staklo, plastike s

pigmentima

krute disperzije kruta kruta

pjene kapljevite pjene plinovita kapljevita

kamen plovućac,

pjenaste plastike

krute pjene plinovita kruta



Primjer Vrsta Disperzna faza Kontinuirana faza

Makromolekulni koloidi

žele, ljepilo gel makromolekule otapalo

Asocirani koloidi

sapun/voda

detergent/voda

‐ micele otapalo

Biokoloidi

krv ‐ stanice serum

Trofazni koloidni sustavi

uljem ispunjene stijeneflotacija minerala

dvostruke emulzije

porozni kamen

mineral

uljevoda

vodena faza

voda/kamenzrak

voda

fibrilarnalaminarna korpuskularna

Kocka se može podijeliti u koloidne sustave različitih vrsta

• laminarna: 1 cm3 izreže se u film 10 nm ukupna površina 2·106 cm2

• fibrilarna: 1 cm3 podijeljen u vlakna od10 nm ukupna površina 4·106 cm2

• korpuskularna: 1 cm3 podijeljen u kocke od 10 nm ukupna površina 6·106 cm2

• finije čestice veća je međupovršina između kapljevite i krute faze

Veličina površine mjeri se pomoću specifične površine

u odnosu na masu u odnosu na volumen

• nije neophodno da sve tri dimenzije koloida budu manje od 1 m

• porast energije površine kao posljedica usitnjavanja objašnjava jedinstvena svojstva koloida

• velike čestice• heterogene smjese u kojima sečestice talože stajanjem• čestice se mogu razdvojitifiltriranjem

• manje čestice od suspenzija aliveće od otopina• heterogene smjese u kojima sučestice raspodijeljenje udisperznom mediju i ne talože sestajanjem• čestice se ne mogu razdvojitifiltriranjem

• jako male čestice (ione ilimolekule), homogene smjese• prozirne su• čestice se ne mogu razdvojitifiltriranjem• ne raspršuju zraku svjetlosti

svjetlost prolazikoloidne česticeraspršuju svjetlost

raspršena u svim smjerovima

apsorpcija svjetlosti

Tyndalov fenomen

W. Ostwald

1903 g.

Svaka čestica koja ima linearnu dimenziju između 1 nm i 1

m razmatra sekao koloidna!

• sustavi u kojima su čestice, kapljice ili mjehurići dispergirani u drugoj fazi, anajmanje im je jedna dimenzija veličine 1 – 1000 nm (1m)

• moguće su sve kombinacije između plinova, kapljevina i krutina

Koloidi su heterogene smjese koje se sastoje od najmanje dviju tvari, od kojih je jedna prisutna kao homogeni medij (disperzno sredstvo) a druga je u njojdispergirana u obliku sitnih čestica (dispergirana faza).

Specifična svojstva koloida najviše potječu od izrazito velike površine, odnosnomeđupovršine, na granici između sitnih (koloidnih) čestica i disperznog sustava.











• kada su prisutni u dovoljnoj količini tenzidi stvaraju monomolekulni sloj na površinikapljevine

• film na površini može se zbiti pomoću Langmuirovog klatna za zbijanje filma

• metoda omogućava određivanje

- debljine filma i tlaka filma- srednjeg geometrijskog presjeka adsorbiranih molekula

-općenitih reoloških i elastičnih svojstava filma

- kvantitativno određivanje lateralnih interakcijaadsorbiranih molekula

površina po molekuli

Å2

• promjena tlaka s površinom filma A, izmjerena Langmuirovom metodom može seprikazati pomoću

-A grafa

• grafički prikaz zbijanja filma stearinske kiseline rasprostranjene po površini vode,pokazuje ovisnost površine o smicanju

• na najstrmijem dijelu krivulje može se očitati površina po molekuli, Fo na x-osi

Primjer veli č ine tlaka filma

za film debljine 10-7 cm, tlak filma od 1 mN/m odgovara unutarnjemtlaku od 107 mN/m ili 10atm.

Primjer prorač una površine molekule tenzida:

5 cm3 masne kiseline rel. M.m. 300 i relativne gustoće 0,9rasprostranjeno je preko pola površine vode (~2x107 cm2) i stvaramonosloj:

Tenzidi (površinski aktivne tvari) jesu organski spojevi koji otopljeni u vodi smanjuju silekoje djeluju na granici faza nastojeći površine tih graničnih ploha što više smanjiti. Tenzidisu molekule koje djeluju kao premoštenja između polarnih i nepolarnih molekula, i na tajnačin značajno povećavaju topljivost. To je posljedica preferiranih interakcija prisutnihpolarnih/ ionskih krajeva tenzida s polarnim molekulama, i preferiranih interakcijanepolarnih krajeva tenzida, s nepolarnim molekulama

Osnovna im je primjena kao: sredstva za močenje, detergenti, sredstva za formiranjefilma, disperzanti i emulgatori

Ovisnost strukture i potencijalne primjene

formiranje filma, disperzanti i emulgatori

Sredstvo za kvašenje:a) razgranati lanci s centralnom

hidrofilnom skupinom

Sredstvo za pjenjenje:

b) kratki hidrofobni lanac s krajnjomhidrofilnom skupinom

hidrofobni lanac srednje duljines krajnjom hidrofilnom skupinom

Detergent:

dugački hidrofobni lanac s krajnjom

hidrofilnom skupinom

ovakva podjela služi samo za grubu procjenu primjene tenzida

Kemijska struktura različitih vrsta površinski aktivnih tvari:

Vrsta Hidrofilni Primjer Nazivsupstituent

sapuni, solimasnih kiselina

anionska

kationska

neionska

aktivnaH veza

sulfatimasnih alkohola

alkil sulfonati

alkil aril sulfonati

masni acetiliraniaminoetil sulfonati

alkiltrimetil-amonijev klorid

N -alkil betain

polietilen oksidni

alkil eter polietilen oksidnialkil aril eter

masni akril derivatitrimetilolamino--metana

zwitterionski



• Prema električnom naboju hidrofilnog dijela molekule tenzidi se mogu podijelitina: anionske, kationske, neionske i anionsko-kationske (neutralne)

• Tenzidi se ubrajaju u vrstu asociranih koloida

• Tenzidi imaju vrlo široku primjenu

• nazivaju ih “dvoličnim molekulama” zbog njihove dvojake prirode skupinaliofilnog i hidrofilnog karaktera

• ANIONSKI TENZIDI- tvari u kojima je aktivna skupina negativno nabijena, tvore najbrojniju skupinu tenzida, jer oko 50% svih detergenata sadrži alkilarilsulfonate a oko 20% sadrži sulfate primarnihalkohola

• KATIONSKI TENZIDI- tvari u kojima je aktivna skupina pozitivno nabijena, imaju tendenciju da se u vodenoj

otopini adsorbiraju na negativno nabijene čestice- tu se ubrajaju npr. kvarterne amonijeve soli, alkilaminske i alkilpiridinske soli i dr.

• NEIONSKI TENZIDI- tvari koje ne ioniziraju u vodenoj otopini a topljivost u vodi ovisi im o skupinama u

molekuli koje imaju jak afinitet prema vodi- tu se ubrajaju npr. esteri i eteri polialkohola, alkilpoliglikol eteri i dr.

• NEUTRALNI TENZIDI (anionsko-katonski ili zwitterionic)- u ovu skupinu ubrajaju se spojevi kojima vodena otopina reagira neutralno, a nastaju

reakcijom neutralizacije između stehiometrijskih količina anionskih i kationskih tvari

• tenzidi snižavaju napetost površine kapljevine

Koncentracija g/l

N a p e t o s t p o

v r š i n e m N / m

ovisnost napetosti površine o koncentraciji

natrijev dibutilnaftalensulfonat

natrijev dioktilsulfokcinat

natrijev dodecilbenzensulfonat(razgranati lanci)

N a p e t o s t p o v r š i n e

m N / m

sredstvo za kvašenje 1

Vrijeme

min




promjena napetosti površine s vremenom ‐

otopina s 0,1 g/l različitih sredstava za kvašenje (tenzida)

soforolipid

emulzan (n: 840)

surfaktin ( < 25 mN/m)

• općenito se tenzidi slabo razgrađuju, ali to nije dovoljno da bi zadovoljili stroge zakone

• tenzidi su toksični za ribe kao rezultat njihove površinske aktivnosti,snižavaju razinu kisika u vodi

• razvoj biorazgradivih tenzida (biotenzida) od izuzetne je važnosti

B I O T E N Z I D I

- od velikog je interesazbog male napetostipovršine

- emulgator, koji se potpunoadsorbira na međupovršinivoda/ulje

- netoksičan je i razgradiv

- pokriva gotovo čitavo područ je HLBvrijednosti



• Biotenzidi su 4-5 puta skuplji od uobičajenih tenzida, a s obzirom na visokuučinkovitost - isplativi su

• alternativu biotenzidima predstavljaju tenzidi dobiveni iz saharida: esterisorbitan masnih kiselina, esteri masnih kiselina saharoze i poliglikozidi masnih

alkohola

• Henkel je započeo s proizvodnjom alkilpoliglukozida

- sintetiziran iz masnih alkohola (C 8 – 14) i glukoze- prednost mu je izvrsno djelovanje kao sredstvo za pranje i kompatibilan je s

kožom

alkilpoliglukozid

• Kohezija – je mjera privlačenja između istovrsnih molekula (A i A)

• Adhezija – je mjera privlačenja između različitih molekula (A i B)

A

jediničnapovršina

i

AB

A

B

A

A

A

Rad kohezije WC

• rad potreban da se prevladaju sile priv lačenja izmeđuistovrsnih molekula kapljevine (ili krutine)

nastaju dvije nove površine s napetosti površine A

Rad adhezije WA

• rad potreban da se prevladaju sile privlačenja između dvije

različite molekule u kapljevini (ili krutini) jednaka je novostvorenoj napetosti površine

A + B umanjenoj

za međupovršinsku napetost AB

ABBAA W

Dupréova jednadžba

AC 2W

SL

S

L

SLLVSVA W

Rad adhezije za kapljevinu i krutinu je

• Ako se kapljicu vodonetopljive tvari kao što je oleinska kiselina postavi napovršinu vode, ona će se ponašati na jedan od tri načina:

• preostati će u obliku leće (slika a)

• može se razliti u tanki film tako da je cijela površina prekrivena “dvostrukim”

filmom – dvostruki film je dovoljno debeo da su dvije međupovršine film/zrak ikapljevina/film neovisna jedna od druge i svaka od njih ima svojukarakterističnu napetost površine

• može se razliti u monosloj u ravnoteži s lećom ulja (slika b)

a) kapljica ulja koje se ne razlijeva na vodi b) razlijevanje n‐heksanola na vodi

zasićena otopina n-heksanola u vodi

zrak

uljevoda

zrak

n-heksanol



• ako je afinitet molekula ulja jedne prema drugoj veći od afiniteta ulja prema vodi- ne dolazi do razlijevanja

• nasuprot tome, ako je veći afinitet molekula ulja prema vodi nego afinitet molekuleulja prema drugoj molekuli

- ulje će se razlijevati po vodi

DO RAZLIJEVANJA DOLAZI KADA JE RAD ADHEZIJE VEĆI OD RADA KOHEZIJE

• ova razlika je poznata kao koeficijent razlijevanja S:

• razlijevanje se događa kada je S 0

to je onda kada je suma slobodnih energija nove površine i nove međupovršinemanja od slobodne energije stare površine

ili

• za razlijevanje kapljevine po krutini S je:

• koeficijent razlijevanja od značajne je važnosti za formulacijske kemičarekod problema kvašenja – u disperzijamakod čišćenja s detergentimaadhezije na različite supstrate itd.

• prethodna rasprava razlijevanja kapljevine preko kapljevine ograničena je napočetno razlijevanje

• prije uspostavljanja ravnoteže, površina vode postaje zasićena s kapljevinom kojase razlijeva i koja i sama postaje zasićena vodom

kada se događa međusobno zasićenje

BAi

Bse izmjenjuju, S se može

smanjiti pa čak postati i negativanTo znači :

da se međupovršinska napetost treba mjeriti nakon uspostavljanjaravnoteže odnosno u uvjetima međusobnog zasićenja

• amfipatični tenzidi adsorbiraju se na međupovršini

• tijekom njihove akumulacije na međupovršini ulje/voda (O/V) one djeluju kao premoštenjeizmeđu polarne i nepolarne faze

• Adsorpcija tenzida u binarnom sustavu može se kvantificirati osnovnomGibbsovom jednadžbom:

- povećana koncentracija tenzida na međupovršini [mol/cm2]R –opća plinska konstanta 8,314 [J/Kmolc – koncentracija u mol/l]

• vrijednost ukazuje na promjenu

s koncentracijom tenzida u unutrašnjosti kapljevine

• sniženje napetosti površine po jediničnoj koncentraciji tenzida vodi prema pozitivnoj vrijednosti, što znači da se tenzid akumulira na međupovršini

• ako nam je poznata ta vrijednost povećane za danu konc. tenzida u kapljevini, tada jumožemo koristiti za proračun površine koju zauzima svaka molekula na međupovršini

• ako se tenzidi koji tvore topljivi monosloj dodaju u kapljevinu u količini koja će izuzevmeđupovršine dovesti i do zasićenja unutrašnjosti kapljevine tada će suvišak česticaagregirati i nastati će micele

• micele su veličine koloida i nisu površinski aktivne

• kapljica kapljevine na ravnoj krutoj površini može se razliti preko površine ilipreostati kao kapljica na površini i zatvarati određeni kontaktni kut s površinom

Kontakni kut izmeđukapljice i krutine



• sile koje djeluju između kapljevine i krutine uključuju tri međupovršine; kruto-kapljevina (SL), kapljevina-para (LV) i kruto-para (SP)

• sile koje djeluju na periferiji kapljice č

ine kontaktni kut

s krutom površinom

- kontaktni kutS - krutoL - kapljevinaV (ili A) – zrak, para, plin

Termodinamičko kvašenje:

• ovisnost komponenata površinskih napetosti i ravnotežnog kontaktnogkuta definira termodinamičko kvašenje, što opisuje dobro poznata

Youngova jednadžba:

• Youngova jednadžba • Dupréova jednadžba

• Young-Dupréova jednadžba

• veza termodinamičkog rada adhezije, W A , kontaktnog kuta i napetosti površinekapljevine

• pokazuje da postoji odnos između veličine kontaktnog kuta (kvašenja) i

jakosti interakcija

Krutina Energija površine

(mN/m)

bakar 1100

srebro 900

aluminij 500

željezo 1700

staklo 73

nylon 46

PVC 40

polistiren 33

polietilen 31

Teflon 18,5

• polarna kapljevina kvasiti će polarnu krutinu

• kapljevine niske napetosti površine kvasiti će krutine visokeenergije površine, ali kapljevine visoke napetosti površineneće kvastiti površine niže energije

• kapl jevina niske napetosti površine može samo kvasiti i“vezati se” za krutinu visoke energije površine ako suintermolekulne sile između krutine i kapljevine slične onima ukapljevini

• specifična energija površine može se podijeliti na č lanove za

nepolarne ( d, disperzijske sile) i polarne ( p, polarne sile)interakcije

• u kontaktu kapljevine i krutine dva se č lana moraju uzeti kaoaditivna

• npr. voda L= 72,8 mN/m; d= 21,8 mN/m; p= 51,0 mN/m –neće se razlijevati (kvasiti) grafitu, željezu, bakru ili srebruiako su njihove energije površina znatno veće od vode

• nepolarne kapljevine kao što je npr. dijodometan imaju

samo disperzijsku komponentu L= 50,8 mN/m; d= 50,8

mN/m; p= 0,0 mN/m

Utjecaj energije površine krutine na kvašenje

Napetost površine mN/m (20o C)

K on t ak t ni k u t

o

c o s

polietilen

parafina) b)

c

• određivanje energije površine može biti problematično

• jedan od načina je da se mjeri kontaktni kut koji zatvara krutina s kapljevinamahomologne serije kojima se smanjuje napetost površine

• napetost površine kapljevine koja potpuno kvasi krutu površinu ( = 0 tj. cos=1) naziva

se krit ičnom napetosti površine krutine c i pretpostavlja se da je jednaka površinskojnapetosti krutine (slika) (Zismanov model kritične napetosti površine)

• međutim, ako se mjeri sa serijom polarnih i

nepolarnih kapljevina, vrijednosti c se razlikuju

• tako npr. izmjerena vrijednost za parafin spolarnim kapljevinama iznosi 15 mN/m a snepolarnim iznosi 22 mN/m

• razlog je u tome što kondenzirana faza sadržirazličite energijske č lanove

= d + p

d - č lan disperzijskih sila

p - č lan polarnih sila



Uređaj za mjerenje kontaktnog kuta(goniometar)

testne kapljevinepoznatih vrijednosti d,p,

voda (polarna),

diiodometan (nepolarna); T=konst.

sd i s

p

s = sd + s

p

cos

+modeli za određivanje ij

Youngova jednadžba

ps

pl

d s

d l lv

22)cos1(

Uvođenjem pretpostavke u Youngovu jednadžbu dobije se jednadžba modela:

Pretpostavka:

pd

- slobodna energija međupovršine, sl, jednaka je geometrijskoj sredinislobodnih energija površina pojedinih faza s i l:

ps

pl

d s

d l l ssl

22

- aditivnost komponenata slobodne energije površine

12W ps

pl

ps pl d s

d l

d sd l lv

441 )cos(


Pretpostavka:

pd

- slobodna energija međupovršine, sl, jednaka je harmonijskoj sredinislobodnih energija površina pojedinih faza s i l:

ps

pl

ps

pl

d s

d l

d s

d l

l ssl

44

- aditivnost komponenata slobodne energije površine

12W



)()cos(

l sl s LW l

LW sl

21

Pretpostavka

AB LW

- da je ukupna energija međupovršine jednaka sumi LW - Lifshitz-van der Waals-ovih sila(uključuju Keesom i Debay sile) i doprinosu kiselo/baznih sila AB (kratkog djelovanja,posljedica su kiselo-baznih interakcija (H veza je vrsta kiselo-baznih interakcija)

- doprinos kiselo-baznih interakcija (AB) može se prikazati kao produkt elektronakceptorske (+) elektron donorske (-) komponente

LW l

LW s

LW sl

2 )()( l sl s

ABsl 22

)( l sl s

LW l

LW sl ssl

2


12W

Kiselo bazne komponente energije površine biti će jednake nuli kada jematerijal ili mono-funkcionalan ( ili )ili inertan ( )0

0

0

Documents

Koloidi 1 Dio Predavanje Studenti 2013-2014