4. Zdefiniuj pojęcia cząstka koloidalna, koloid fazowy, koloid liofilowy, koloid liofobowy, koloid polidyspersyjny, koloid monodyspersyjny wskazując podstawowe cechy budowy i sposób powstawania.
Cząstka koloidalna - cząstki fazy rozproszonej w układach koloidalnych. Wymiaru cząstek koloidalnych zawierają się w granicach 1 -100 [nm]. Cząstki koloidalne mogą być:
· trójwymiarowe (jeżeli wszystkie trzy wymiary są rzędu rozdrobnienia koloidalnego)
· dwuwymiarowe - blaszkowate (dwa wymiary są rzędu rozdrobnienia koloidalnego)
· jednowymiarowe - nitkowate (jeden wymiar ma rozdrobnienie koloidalne)
Koloid polidyspersyjny – układ koloidalny zawierający cząstki o różnych rozmiarach ( w granicach 1-100 nm)
Koloid monodyspersyjny – in. izodyspesyjny układ koloidalny zawierający cząstki o tej samej wielkości.
Koloid fazowy (liofobowy) - układy, w których cząstki substancji rozproszonej tworzą z ośrodkiem rozpraszającym układ dwufazowy (mikroniejednorodny). Obserwuje się wyraźny rozdział faz (istnieje powierzchnia międzyfazowa); fazy wzajemnie się „nie lubią„ i stąd pochodzi określenie koloidy liofobowe, wyrażająca powinowactwo substancji rozproszonej do substancji rozpraszającej. Koloidy fazowe w zależności od stanu skupienia fazowego mogą być utworzone przez ciecz/gaz, ciecz/ciecz, ciecz/ciało stałe, ciało stałe/gaz i ciało stałe/ciało stałe.
Koloid liofobowy – układ koloidalny, w którym cząstki koloidalne niechętnie łączą się z cząsteczkami ośrodka – cząstki koloidalne tylko w nieznacznym stopniu ulegają solwatacji.
Koloid liofilowy - oddziaływanie cząsteczek ośrodka dyspersyjnego z cząsteczkami lub jonami czy atomami powierzchniowymi cząstki koloidalnej może być bardzo silne. Wynikiem silnego oddziaływania (dzięki siłom van der Waalsa lub poprzez wiązanie wodorowe) jest zjawisko solwatacji, tj. otaczania cząstki koloidalnej cząsteczkami ośrodka rozpraszającego. Silna solwatacja cząstek koloidalnych stabilizuje układ koloidalny. Przykładem koloidów liofilowych może być białko, tanina, różne polimery syntetyczne zawierające grupy polarne, jak np. alkohol poliwinylowy, polietyleno-glikole.
5. Opisz budowę układu koloidalnego na przykładzie koloidu fazowego
Strukturę układu koloidalnego najłatwiej jest omówić na przykładzie koloidu fazowego. Koloid fazowy jest roztworem mikroniejednorodnym , dwufazowym. Fazą rozproszoną jest cząstka koloidalna zbudowana z tzw. rdzenia i zaadsorbowanej na powierzchni rdzenia warstwy dipolowo-jonowej. Dipolami są cząsteczki ośrodka dyspersyjnego, jeśli ciecz rozpraszająca jest dipolowa, a jony pochodzą ze składników reagujących elektrolitów. Cząstka koloidalna znajduje się w otoczeniu cząsteczek ośrodka dyspersyjnego. Cząsteczki ośrodka dyspersyjnego (będące w bezpośrednim kontakcie) oddziałują z powierzchniowymi jonami i cząsteczkami cząstki koloidalnej. Oddziaływanie to prowadzi do powstania wokół cząstki określonej struktury, zanikającej w miarę oddalania się od jej powierzchni. Część ośrodka dyspersyjnego, będąca pod wpływem oddziaływania z cząstką koloidalną, zwana jest warstwą rozmytą lub dyfuzyjną. Jony warstwy adsorpcyjnej są równoważone elektrostatycznie przez przeciwjony znajdujące się w warstwie rozmytej.
Strukturę i właściwości roztworu koloidu fazowego przedstawiona jest na przykładzie typowego układu koloidu fazowego, jakim jest hydrozol jodku srebrowego. W wyniku reakcji chemicznej między jonami srebrowymi i jonami jodkowymi tworzy się cząstka (Agl)n, będąca rdzeniem cząstki koloidalnej. Na powierzchni rdzenia adsorbują się, w zależności od metody preperatyki jony srebrowe lub jony jodkowe, nadając cząstkom odpowiedni ładunek: dodatni lub ujemny.
Rys. 1. Schemat struktury cząstki koloidu fazowego- hydrozolu jodku srebrowego.
6. KOLOIDY ASOCJACYJNE (MICELARNE) – BUDOWA, POWSTAWANIE, ZASTOSOWANIE.
Powstawanie:
Koloidy asocjacyjne powstają w wyniku rozpuszczenia w ciekłym ośrodku cząsteczek lub jonów o charakterze amfifilowym (amfipatycznym - składają się z grupy hydrofilowej jonowej lub nienaładowanej grupy polarnej, na której zlokalizowany jest elektryczny moment dipolowy, oraz grupy hydrofobowej, która jest najczęściej łańcuchem alifatycznym lub alifatyczno-aromatycznym) i ich samoasocjacji w większe skupiska zwane micelami. Proces samoasocjacji cząsteczek nazywany jest procesem micelizacji. Monomery związków amfifilowych mogą w procesie agregacji tworzyć w roztworach różne struktury miceli: sferyczną, cylindryczną, lamella (dwuwarstwowa), micela odwrócona, liposom. Koloidy asocjacyjne (micelarne) tworzą się w wyniku samorzutnego procesu asocjacji pojedynczych cząsteczek rozpuszczonych w cieczy w asocjaty (agregaty, klastery) składające się z kilkudziesięciu i więcej manomerów. Proces ten zaczyna się po przekroczeniu określonego stężenie micelizacji tworząc odrębną fazę micealną.
Budowa:
Micela składa się z jądra, w skład którego wchodzą obojętne cząsteczki. Na powierzchni jądra absorbowane są z roztworu wspólne jony - warstwa adsorpcyjna; wiąże się ona luźno z warstwą rozmytą albo dyfuzyjną. Jądro razem z warstwą adsorpcyjną nosi nazwę granuli. Na granicy faz jądro cząstki koloidalnej - roztwór, powstaje podwójna warstwa elektryczna.
Powstawanie miceli:
1. Tworzenie się miceli z monomerów nA1↔An
2. Wzrost stopnia agregacji An+A1↔An+1
3. Wiązanie przez micelę przeciwjonów
Gdzie: nA1-jeden monomer
An - micela zawierająca n cząsteczek związku powierzchniowego
Zastosowanie: eksploatacja złóż ropy naftowej, w lecznictwie, zwiększa przyswajalność leków, proces solubilizacji wyjaśnia fizykochemię prania.
7. CHARAKTERYSTYKA DYSPERSYJNYCH METOD OTRZYMYWANIA UKŁADÓW KOLOIDALNYCH
Metody dyspersyjne otrzymywania układów koloidalnych polegają na rozdrobnieniu dużych cząstek do wymiarów koloidalnych (1-100 nm). W procesie rozdrobnienia pierwotnie duże cząstki poddaje się skruszeniu, jeśli są to ciała stałe lub rozerwaniu, jeśli są to ciecze. Proces dyspergowania polega na rozproszeniu cząstek jednej substancji w ośrodku dyspersyjnym innej substancji.
Młyny koloidalne -proces rozdrobnienia w młynach koloidowych prowadzi do równowagowego rozkładu wielkości cząstek. Powstałe pojedyncze cząstki mogą ponownie ulec agregacji, której można zapobiec, dodając do substancji mielonej związków powierzchniowo czynnych adsorbujących się na powierzchni świeżo utworzonej cząstki. Efektywność procesu mielenia można zwiększyć, jeśli prowadzi się go na mokro w obecności cieczy i to najlepiej takiej, która będzie stanowić ośrodek dyspersyjny. Obecność cieczy powoduje powstawanie granicy faz ciało stałe/ciecz. Swobodna entalpia powierzchni ciało stale/ciecz jest mniejsza, niż entalpia swobodna powierzchni ciało stałe/gaz .W praktyce na skalę przemysłową stosuje się młyny kulowe, w których substancja kruszona umieszczona jest wraz z kulami stalowymi lub ceramicznymi. Rozdrobnienie uzyskuje się w wyniku działania intensywnych naprężeń udarowych i ścinających. W młynach przepływowych dyspergowana substancja w obiegu zamkniętym łącznie z cieczą dyspersyjną wielokrotnie są poddawane procesowi rozdrobnienia. Rozdrabnianie w młynach koloidowych jest procesem mechanicznym. Do mechanicznych metod rozdrabniania zaliczyć można metodę ultradźwiękową. Ultradźwięki działają na zasadzie kawitacji, polegającej na zanikaniu i powstawaniu przestrzeni wypełnionych parą lub gazem, powodujących silne naprężenia rozciągające i ściskające, i w rezultacie rozdrabnianie.
Rozdrobnienia można także dokonać chemicznie, a ściślej fizykochemicznie w tzw. procesie peptyzacji, który polega na przechodzeniu osadu zwanego żelem w zol, czyli uzyskaniu ponownie rozdrobnienia koloidalnego. Mechanizm tego procesu polega na adsorpcji jonów elektrolitu na skoagulowanych cząstkach tworzących osad. Zaadsorbowane jony zwiększają elektrostatyczne odpychanie i w konsekwencji przywracają stan poprzedniego rozdrobnienia
Koloidalny roztwór metali można uzyskać metodą dyspersyjno-kondensacyjną w łuku elektrycznym. Jest to metoda Brediga, polegająca na rozdrobnieniu metalu w łuku elektrycznym. W tym celu stosuje się dwie elektrody w postaci drutu z metalu, który chcemy rozdrobnić. Elektrody połączone do źródła napięcia i zanurzone w ośrodku dyspersyjnym zbliżamy na odległość pojawienia się łuku Volty. W łuku tym metal ulega parowaniu, a następnie kondensacji do wymiarów cząstek koloidalnych
Svedberg opracował metodę dyspersji metali za pomocą prądu zmiennego o częstotliwości I05-107 Hz. W metodzie Svedberga źródło prądu stałego zamieniamy na źródło prądu zmiennego. Metodą dyspersji metali w polu elektrycznym otrzymano organozole metali alkalicznych. Ośrodkiem dyspersyjnym muszą być ciecze nie reagujące z tymi metalami, np. alkany ciekłe, etery starannie osuszone bez śladów wody.
8. CHARAKTERYSTYKA KONDENSACYJNYCH METOD OTRZYMYWANIA KOLOIDÓW
Metody kondensacyjne, czyli metody polegające na łączeniu cząsteczek lub jonów w większe zespoły. To najczęściej metody chemiczne. Wiele reakcji chemicznych prowadzi do otrzymania produktów w układach koloidalnych.
Przykładem metody kondensacji może być reakcja redukcji soli metali szlachetnych zachodząca w roztworach, w wyniku której otrzymuje się hydrozole tych metali. Reduktorami mogą być nadtlenek wodoru, aldehyd mrówkowy, hydrazyna, sole żelazowe i in. Metodą redukcji chemicznej otrzymano hydrozole złota, srebra, platyny. Wydzielone w reakcji atomy danego metalu łączą się w skupiska (klastery) atomów o wymiarach koloidalnych..
Reakcje utleniania także mogą prowadzić do kondensacji koloidalnej, np. w wyniku utleniania tiosiarczanu sodu kwasem siarkowym lub utleniania siarkowodoru dwutlenkiem siarki można otrzymać hydrozol siarki. W reakcji jonowej wymiany między jonami azotanu srebra i jodku potasu powstają cząstki koloidu hydrozolu jodku srebra
n(AgNO3) + n(KI)->(AgI)n + nK + + nNO-3
n cząsteczek AgI tworzy rdzeń cząstki koloidalnej, a wraz z warstwą zaadsorbowanych jonów cząstkę koloidalną.
W reakcji chemicznej amoniaku z chlorowodorem powstaje chlorek amonu, który tworzy dymy w powietrzu. Jest to tzw. aerozol.
Monomery w chemicznej reakcji polimeryzacji tworzą cząsteczkę chemiczną, której wymiary, w zależności od stopnia polimeryzacji, mogą osiągnąć wymiar charakterystyczny dla rozdrobnienia koloidalnego. Jest to zarazem przykład otrzymywania cząsteczkowego układu koloidalnego. Przykładem takiej reakcji może być np. polimeryzacja cząsteczek aldehydu mrówkowego prowadząca do powstania polioksymetylenu
nH2C = O->(—CH2— O)n
Wykorzystując różnicę rozpuszczalności substancji chemicznej w różnych rozpuszczalnikach, można otrzymać układ koloidalny, np. hydrozol siarki. Siarka dobrze rozpuszcza się w alkoholu. Wprowadzając kroplami nasycony alkoholowy roztwór siarki do wody, w której siarka trudno się rozpuszcza, otrzymujemy stan koloidalnego rozproszenia siarki w wodzie.
9. Powstanie i budowa podwójnej warstwy elektrycznej wokół cząstki koloidalnej i jej wpływ na stabilność układu koloidalnego fazowego.
Omawiając strukturę i stabilność układów koloidalnych zwrócono uwagę, że cechą charakterystyczną cząstki koloidalnej – szczególnie koloidu fazowego – jest zaadsorbowany w postaci jonów ładunek powierzchniowy, równoważny elektrostatycznie przez warstwę przeciwjonów, znajdującą się w ośrodku dyspersyjnym. Cząstka koloidalna i warstwa przeciwjonów tworzą tzw. micelę. Ładunki powierzchniowe cząstki znajdujące się w warstwie adsorpcyjnej i ładunki znajdujące się w warstwie przeciwjonów w ośrodku dyspersyjnym tworzą tzw. podwójną warstwę elektryczną.
Przyczyny powstawania podwójnej warstwy elektrycznej: Podwójna warstwa elektryczna może powstawać w wyniku zbliżania się do elektrycznie nieobojętnych powierzchni cząsteczek o przeciwnym znaku. Tak elektrycznie nieobojętna powierzchnia może być wynikiem retrakcji (przesunięcia) kationóe do wnętrza struktury, dysocjacji elektrolitycznej lub adsorpcji jonów z roztworu
Warstwa podwójna Jest zbudowana z jonowej warstwy wewnętrznej mocno związanej z rdzeniem cząstki oraz z drugiej warstwy zwanej dyfuzyjną, przenikającej do ośrodka dyspersyjnego. Rodzaj ład. cząstki koloidalnej zależy od wł. rdzenia cząstki i właściwości fazy rozpraszającej.
Gł. przyczyny powstawania ładu. na powi. w elektrolitach:
· Częściowa dysocjacja elektrolityczna grup przy-powierzchniowych
· Adsorpcja jonów
Cząstki naładowane jednoimiennie przeciwstawiają się agregacji i układ pozostaje w stanie trwałym, mimo iż nie jest termodynamicznie faworyzowany. Cząstki wzajemnie się odpychają, jeżeli zbliżą się na odległość, przy której ich warstwy rozmyte zaczną się przenikać.
Z obecnością podwójnej warstwy związany jest pewien skok potencjału elektrycznego (różnica potencjałów) pomiędzy naładowaną powierzchnią cząstki i objętością fazy rozpraszającej. Część różnicy potencjałów pomiędzy warstwą adsorpcyjną i objętością fazy rozpraszającej nazywa się potencjałem elektrokinetycznym i można go wyznaczyć wykorzystując zjawiska elektrokinetyczne.
Właściwości elektryczne określają m.in. trwałość układów koloidalnych.
10. SOLIBILIZACJA MICELARNA – ZASADA ,CEL WYKORZYSTANIE
Roztwory micelarne mają zdolność rozpuszczania związków trudno rozpuszczalnych jest to tzw. proces solubilizacji.
Cel:
-rdzeń miceli ma właściwość ciekłopodobnego niepolarnego rozpuszczalnika, czyli właściwości rozpuszczalnika związków niepolarnych. Przykład solubilizacji alkanów w micelach prowadzi do powstania mikroemulsji typu olej w wodzie.
Zasada:
- proces solubilizacji wyjaśnia fizykochemię prania. Koloidy micelarne jako roztwory umożliwiają usuwanie cząstek brudu, tłuszczu. Związki powierzchniowo czynne zmniejszają przyczepność cząstek tych ostatnich do włókna. W czasie prania, w którym stosowane są jonowe związki powierzchniowo czynne, cząstki brudu i powierzchnia włókna uzyskują ten sam ładunek i dzięki temu ulegają oddzieleniu od tkaniny
Wykorzystanie:
1. eksploatacja złóż ropy naftowej,
2.lecznictwo (antybiotyki, sulfonamidy)- poprzez zwiększanie przyswajalności leków,
3.procesy biologiczne zachodzące w organizmach żywych np. kwasy żółciowe mają zdolność do solubilizacji substancji szkodliwych dla organizmu
4. pranie – usuwani brudu
5. procesy fizyczne/chemiczne – poprzez zwiększenie/zmniejszenie szybkości reakcji chemicznych
11. Stężenie krytyczne micelizacji (CMC) i oddziaływanie hydrofobowe.
Samoasocjacja zachodzi po przekroczeniu stężenia charakterystycznego (progowego) dla danej substancji powierzchniowo czynnej. Stężenie to określamy jako krytyczne stężenie micelizacji (c.m.c.) Podczas wzrostu stężenia substancji powierzchniowo czynnych ulegają zmianie niektóre właściwości fizyczne roztworu. Powstawaniu micel towarzyszy skokowa zmiana tych właściwości.
Wartości CMC wykazują silną zależność od: struktury chemicznej surfaktantu, temperatury, ciśnienia, obecności w roztworze surfaktantu innych substancji chemicznych.
Wartość CMC wyznacza się zazwyczaj nanosząc na wykres zmierzone wartości badanej wielkości fizykochemicznej w funkcji stężenia, a następnie ekstrapolując do punktu przecięcia zależności obszaru nisko – i wysokostężeniowego.
Rysunek tylko poglądowy :P
Oddziaływania hydrofobowe – polegają na łączeniu się grup hydrofobowych, w celu ochrony cząsteczki przed oddziaływaniem na nie cząsteczek wody. Oddziaływanie to odpycha cząsteczki wody. Jest to bardzo szczególne oddziaływanie, ponieważ najczęściej rozpuszczalnikiem jest woda. Oddziaływanie to występuje w białkach ze strukturą trzeciorzędową oraz czwartorzędową. Oddziaływanie hydrofobowe występuje zwykle w cząsteczkach, które nie posiadają momentu dipolowego. Istnieją cząsteczki, które są jednocześnie hydrofilowe i hydrofobowe, gdyż na jednym końcu posiadają grupy polarne, a na drugim niepolarne. Taka właściwość nazywa się amfifilowością.
12. POTENCJAŁ DZETA - DEFINICJA I WYKORZYSTANIE W TECHNOLOGII CERAMICZNEJ.
Mierzalną miarą trwałości układu koloidalnego jest potencjał elektrokinetyczny, zwany potencjałem „dzeta”, który występuje na granicy między warstwą sztywną zaadsorbowanego ładunku a warstwą dyfuzyjną (głębią roztworu) Jego wartość zależy od składu i stężenia elektrolitu w fazie objętościowej.
Można go wyznaczyć w stosunkowo prosty sposób. Potencjał ten występuje podczas ruchu w polu elektrycznym naładowanej cząstki znajdującej się w ośrodku dyspersyjnym (elektroforeza lub elektroosmoza). Odległość płaszczyzny poślizgu od powierzchni cząstki określa wartość potencjału dzeta Przyjmuje się najczęściej, że płaszczyzna ścinania znajduje się bezpośrednio za warstwą Sterna.
Istnienie potencjału elektrokinetycznego odgrywa zasadniczą rolę w stabilności układów koloidalnych. Związany jest ze zjawiskami elektrokinetycznymi.
Zjawiska elektrokinetyczne obejmują:
· elektroosmozę,
· elektroforezę,
· potencjał sedymentacji
· potencjał przepływu (powstanie różnicy potencjałów na końcach kapilary, przez którą przepływa ciecz).
W przypadku w którym jest on równy 0 zanika elektroforeza jest to punkt tzw. izoelektryczny. Wartość potencjału może ulec zmianie pod wpływem elektrolitów, substancji powierzchniowo czynnych bądź dodanego innego rozpuszczalnika.
Wartość potencjału elektrokinetycznego cząstek koloidalnych dostarcza informacji m.in. o ich skłonności do koagulacji i sedymentacji, informacja ta jest wykorzystywana w technologii ceramicznej w projektowaniu wielu procesów, np. w odlewaniu elektroforetycznym, odlewaniu z bezpośrednią koagulacją, odlewaniu żelowym itp.
13. DEFINICJA GRUBOŚCI ELEKTRYCZNEJ WARSTWY PODWÓJNEJ I JEJ WPŁYW NA WŁAŚCIWOŚCI KOLOIDALNYCH ZAWIESIN PROSZKÓW CERAMICZNYCH.
W odległości 1/k potencjał maleje e-krotnie. Odległość tę nazywa się grubością
podwójnej warstwy elektrycznej lub potencjałem Debye'a -Hückla.
Grubość podwójnej warstwy elektrycznej w praktyce zależy od grubości warstwy rozmytej (1/κ). Wielkość 1/κ zwana jest też parametrem ekranowania (długością Debye’a).
gdzie:
e - ładunek elementarny,
ni() - liczba jonów w cm3 poza podwójną warstwą elektryczną,
zi...
maciusq