Koloidy czyli co mają ze sobą wspólnego: smog, majonez i greckie Ouzo

Transkrypt

1 czyli co mają ze sobą wspólnego: smog, majonez i greckie Ouzo Michał Wasiak Katedra Chemii Fizycznej Michał Wasiak 1/ 54

2 Mieszanina układ co najmniej dwóch substancji chemicznych (pierwiastków lub związków chemicznych) Jednorodne(składniki tworzą jedną fazę) roztwory Niejednorodne Michał Wasiak 2/ 54

3 Koloid gr. kólla klej, eídos postać Nazwę koloid wprowadził w 1861 r. Thomas Graham Rys.1.ThomasGraham( ) Michał Wasiak 3/ 54

4 Układ koloidalny: jeden składnik stanowi fazę ciągłą(rozpraszającą, dyspersyjną), drugi rozproszoną. cząstki rozproszone mają średnicę rzędu 1(grubość powierzchni międzyfazowejto0,5 2nm) 100nm(umownie). cząstki rozproszone mają jednakowe rozmiary układ izo- lub monodyspersyjny, cząstki rozproszone mają różne rozmiary polidyspersyjny Michał Wasiak 4/ 54

5 Podział koloidów koloidy cząsteczkowe- fazę rozproszona stanowią pojedyncze makrocząsteczki, o dużych masach cząsteczkowych np. polimery, hemoglobina. koloidy fazowe- powstają poprzez rozdrobnienie większych cząsteczek lub strącenie roztworów właściwych. koloidy asocjacyjne(micelarne)- powstają samorzutnie na skutek skupienie się dużej liczby małych cząsteczek w agregaty. Michał Wasiak 5/ 54

6 Tab. 1. Rodzajów koloidów fazowych faza rozproszona faza rozpraszająca nazwa przykład ciecz gaz aerozole ciekłe mgły, chmury ciecz ciecz emulsje mleko, białko jaj ciecz ciało stałe żele(emulsje stałe) kwarc mleczny ciało stałe gaz aerozole stałe dym, kurz ciało stałe ciecz zole(zawiesiny) farby, leki ciało stałe ciało stałe zole stałe kolorowe szkła gaz ciało stałe piany stałe pumeks gaz ciecz piany piana mydlana Michał Wasiak 6/ 54

7 Smog dymomgła oddwóchangielskichsłówsmoke(dym)ifog (mgła). Zanieczyszczenie powietrza powstające na skutek działalności(m.in. pyły) człowieka oraz zjawisk naturalnych: znacznego zamglenia(krople wody zawieszone w powietrzu) i bezwietrznej pogody Michał Wasiak 7/ 54

8 Charakterystyczne właściwości układów koloidalnych x Rys. 2. Ruchy Browna Michał Wasiak 8/ 54

9 Rys.3.RobertBrown( ) Michał Wasiak 9/ 54

10 Rys. 4. Albert Einstein( ), Marian Smoluchowski( ) Michał Wasiak 10/ 54

11 roztwór rzeczywisty roztwór koloidalny Rys. 5. Efekt Tyndalla Michał Wasiak 11/ 54

12 Rys. 6. Efekt Tyndalla Michał Wasiak 12/ 54

13 Rys.7.JohnTyndall( ) Michał Wasiak 13/ 54

14 Struktura koloidów Fazowe {[(AgI) m ni (n x)k + ] x xk + } jądro warstwa adsorpcyjna warstwa dyfyzyjna Michał Wasiak 14/ 54

15 Struktura koloidów Fazowe {[(AgI) m ni (n x)k + ] x xk + } jądro warstwa adsorpcyjna warstwa dyfyzyjna Michał Wasiak 14/ 54

16 Struktura koloidów Fazowe {[(AgI) m ni (n x)k + ] x xk + } jądro warstwa adsorpcyjna warstwa dyfyzyjna Michał Wasiak 14/ 54

17 K + Warstwa dyfuzyjna Micela Granula K + K + K + I I I I I AgI AgI AgI AgI I K + I I I I I I K + I K + Warstwa adsorpcyjna K + K + K + Jądro Rys. 8. Schemat budowy miceli AgI Michał Wasiak 15/ 54

18 NO 3 Warstwa dyfuzyjna Micela Granula NO 3 NO 3 Ag + Ag + Ag + AgI Ag + Ag + NO 3 AgI AgI AgI Ag + Ag + NO 3 Ag + Ag + NO 3 NO 3 Warstwa adsorpcyjna NO 3 NO 3 NO 3 Jądro Rys. 8. Schemat budowy miceli AgI Michał Wasiak 15/ 54

19 Cząsteczkowe NH + 3 NH + 3 OH NH + 3 NH + 3 OH COO COO COO H + COO NH + 3 NH + 3 NH + 3 OH H + COO COO COO H + Rys. 9. Schemat budowy cząsteczki białka w roztworze Michał Wasiak 16/ 54

20 Rys. 10. Zdjęcie miceli kazeiny(mikroskop elektronowy) P. Hristov, I. Mitkov, D. Sirakova, I. Mehandgiiski, G. Radoslavov, Milk Proteins- From Structure to Biological Properties and Health Aspects, Dr. Isabel Gigli(Ed.), InTech, 2016, DOI: / Michał Wasiak 17/ 54

21 asocjacyjne Surfaktanty(ang. surface active agents) część hydrofilowa część hydrofobowa Rys. 11. Schemat budowy cząsteczki związku powierzchniowo czynnego (surfaktantu) Michał Wasiak 18/ 54

22 Rys. 12. Schemat budowy miceli Michał Wasiak 19/ 54

23 Rys. 13. Model miceli This image was made with VMD/NAMD/BioCoRE/JMV/other software support. VMD/NAMD/BioCoRE/JMV/ is developed with NIH support by the Theoretical and Computational Biophysics group at the Beckman Institute, University of Illinois at Urbana-Champaign Michał Wasiak 20/ 54

24 Rys. 13. Model miceli This image was made with VMD/NAMD/BioCoRE/JMV/other software support. VMD/NAMD/BioCoRE/JMV/ is developed with NIH support by the Theoretical and Computational Biophysics group at the Beckman Institute, University of Illinois at Urbana-Champaign Michał Wasiak 20/ 54

25 micele sferyczne micele elipsoidalne micele cylindryczne Rys. 14. Różne formy micel Michał Wasiak 21/ 54

26 dwuwarstwy liposomy Rys. 14. Różne formy micel Michał Wasiak 21/ 54

27 micele odwrócone Rys. 14. Różne formy micel Michał Wasiak 21/ 54

28 . Proces micelizacji Dlaczego związki te nazywają się powierzchniowo czynne? Dlaczego ulegają procesowi agregacji(micelizacji)? Napięcie powierzchniowe wynika z niezrównoważenia sił działających na cząsteczki znajdujące cię na powierzchni cieczy(z jednej strony inne cząsteczki z wnętrza cieczy, z drugiej cząsteczki np. powietrza) siła przeciwstawiająca się zwiększaniu powierzchni skutkiem czego zewnętrzna warstwa cieczy zachowuje się jak sprężysta membrana. Michał Wasiak 22/ 54

29 70 65 γ/mn mol ,001 0,001 0, C m/mmol dm 3 Rys. 15. Napięcie powierzchniowe wodnego roztworu siarczanu dodecylosodowego jako funkcja stężenia Michał Wasiak 23/ 54

30 Rys. 16. Orientacja cząsteczek surfaktantu na powierzchni cieczy Krytyczne stężenie micelizacji(c.m.c. critical micelle concentration) Michał Wasiak 24/ 54

31 wartość własności γ napięcie powierzchniowe c.m.c. stężenie Rys. 17. Krytyczne stężenie micelizacji Michał Wasiak 25/ 54

32 κ przewodność właściwa wartość własności c.m.c. stężenie Rys. 17. Krytyczne stężenie micelizacji Michał Wasiak 25/ 54

33 wartość własności I natężenie światła rozproszonego c.m.c. stężenie Rys. 17. Krytyczne stężenie micelizacji Michał Wasiak 25/ 54

34 wartość własności c.m.c. stężenie q ciepło rozcieńczania Rys. 17. Krytyczne stężenie micelizacji Michał Wasiak 25/ 54

35 wartość własności Π ciśnienie osmotyczne c.m.c. stężenie Rys. 17. Krytyczne stężenie micelizacji Michał Wasiak 25/ 54

36 wartość własności u szybkość rozchodzenia ultradźwięków c.m.c. stężenie Rys. 17. Krytyczne stężenie micelizacji Michał Wasiak 25/ 54

37 η lepkość wartość własności c.m.c. stężenie Rys. 17. Krytyczne stężenie micelizacji Michał Wasiak 25/ 54

38 V 2 cząstkowamolowa objętość wartość własności c.m.c. stężenie Rys. 17. Krytyczne stężenie micelizacji Michał Wasiak 25/ 54

39 wartość własności c.m.c. stężenie C p,2 cząstkowamolowa pojemność cieplna Rys. 17. Krytyczne stężenie micelizacji Michał Wasiak 25/ 54

40 Podział Klasyfikacja według budowy chemicznej cząsteczki klasyczne bolaformowe geminalne(gemini) Michał Wasiak 26/ 54

41 trimeryczne Michał Wasiak 27/ 54

42 polimeryczne Michał Wasiak 28/ 54

43 kopolimery dwublokowe związki chiralne Michał Wasiak 29/ 54

44 Klasyfikacja według liczby elementów strukturalnych cząsteczki jedna głowa polarna i jeden łańcuch hydrofobowy jedna głowa polarna i dwa łańcuchy hydrofobowe Michał Wasiak 30/ 54

45 dwie głowy polarne jeden łańcuch hydrofobowy Michał Wasiak 31/ 54

46 dwie głowy polarne dwa łańcuchy hydrofobowe Michał Wasiak 32/ 54

47 Klasyfikacja według właściwości części polarnej jonowe anionowe kationowe amfoteryczne mezojonowe Michał Wasiak 33/ 54

48 Klasyfikacja według właściwości części polarnej c.d. niejonowe Michał Wasiak 34/ 54

49 CH3 H3C N + H3C CH3 CH3 H3C H3C N + CH3 H3C CH3 N + CH3 H3C N + H3C CH3 Rys. 18. Przykłady cząsteczek różnych związków powierzchniowo czynnych (surfaktantów) Michał Wasiak 35/ 54

50 CH3 H3C N + H2C CH3 H2C H2C CH3 H3C N + CH3 Rys. 18. Przykłady cząsteczek różnych związków powierzchniowo czynnych (surfaktantów) Michał Wasiak 35/ 54

51 H3C O C O Stearynian sodu mydło O H3C S O O Dodecylosiarczan sodu(ang. sodium dodecyl sulfate- SDS) Laurylosiarczan sodu(ang. sodium lauryl sulfate SLS) Rys. 18. Przykłady cząsteczek różnych związków powierzchniowo czynnych (surfaktantów) Michał Wasiak 35/ 54

52 O H3C( ) C 14 H3C( ) CH CH( ) O O CH O O O CH3 7 6 C P N + O O H3C CH3 Lecytyna składnik żółtka kurzego jaja Rys. 18. Przykłady cząsteczek różnych związków powierzchniowo czynnych (surfaktantów) Michał Wasiak 35/ 54

53 CH CH3 H3C N + N HC CH O H3C O OH Rys. 18. Przykłady cząsteczek różnych związków powierzchniowo czynnych (surfaktantów) Michał Wasiak 35/ 54

54 Układ heterogeniczny składający się z dwóch niemieszających się cieczy jedna stanowi fazę ciągłą, druga rozproszoną. Jedną cieczą jest woda (W) drugą nierozpuszczalna w wodzie ciecz(czysta substancja bądź mieszanina) zwana zwyczajowo olejem(o). Termodynamicznie nie trwałe. wodawolejuw/o Michał Wasiak 36/ 54

55 olejwwodzieo/w Michał Wasiak 37/ 54

56 proste podwójne Michał Wasiak 38/ 54

57 wielokrotne Michał Wasiak 39/ 54

58 A B C D E F Rys. 19. Procesy destabilizacji emulsji, A śmietankowanie, B sedymentacja,c flokulacja,d inwersjafaz,e koalescencja,f dojrzewanie Ostwaldowskie Michał Wasiak 40/ 54

59 Stabilizacja emulsji użycie emulgatora surfaktantu Rys. 20. Rozmieszczenie cząsteczek surfaktantu w emulsji Michał Wasiak 41/ 54

60 Majonez (wikipedia) (z fr. sauce mayonnaise) zimny, emulsyjny sos, o szerokim zastosowaniu. Głównym składnikiem klasycznego majonezu jest oliwa z dodatkiem surowego żółtka(lecytyna), jako składnika emulgującego, przyprawiona octem winnym lub cytryną, solą i białym pieprzem. Michał Wasiak 42/ 54

61 Mikroemulsje Pozornie jednolita mieszanina wody i oleju z dużą ilością surfaktantu (kosurfaktantu) Tworzą się spontanicznie Stabilne termodynamicznie Michał Wasiak 43/ 54

62 E OO E LL E LSO E LSW E HSO E HSW E HH E WW Rys. 21. Rodzaje oddziaływań międzycząsteczkowych w mikroemulsjach Michał Wasiak 44/ 54

63 Podział mikroemulsji według Winsora R= E HSO+E LSO E OO E LL E HSW +E LSW E WW E HH Michał Wasiak 45/ 54

64 Podział mikroemulsji według Winsora I II III IV R<1 R>1 R=1 O O µe W/O µe µe µe O/W W W Michał Wasiak 46/ 54

65 krople oleju w wodzie surfaktant krople wody w oleju faza ciekłokrystaliczna jedna faza micele micele odwrócone dwie fazy woda olej Rys. 22. Diagram fazowy mikroemulsji Michał Wasiak 47/ 54

66 bezsurfaktantowe Rys. 23. Grecka wódka Ouzo Michał Wasiak 48/ 54

67 Ouzo(gr. oúζo) grecka wódka o zawartości alkoholu do 48%, aromatyzowana anyżem(anyżkiem). Podawana zazwyczaj z wodą(w dodatkowej szklance); po rozcieńczeniu wodą zmienia kolor na mleczny. H 3 CO Rys. 24. Anetol główny składnik olejku anyżowego Michał Wasiak 49/ 54

68 Efekt Ouzo Powstawanie trwałych emulsji bezsurfaktantowych w układzie: Woda drugi rozpuszczalnik substancja hydrofobowa(olej) np. woda etanol toluen woda etanol diwinylobenzen woda acetonitryl diwinylobenzen Warunki zajścia zjawiska: woda i drugi rozpuszczalnik muszą się mieszać w dowolnym stosunku składnik hydrofobowy musi się dobrze rozpuszczać w drugim rozpuszczalniku, a nie rozpuszczać w wodzie mieszanie powinno być szybkie Michał Wasiak 50/ 54

69 Dziękuję za uwagę!!! Michał Wasiak 51/ 54

70 woda+ KMnO 4 płyn do mycia naczyń płyn do mycia naczyń AgBr woda 2-butoksyetanol Rys. 25. Efekt Tyndala Wiązka światła z lasera jest widoczna na skutek rozpraszania tylko w roztworach koloidalnych. Michał Wasiak 52/ 54

71 Rys. 26. Obniżenie napięcia powierzchniowego przez dodatek surfaktanta Po umieszczeniu przedmiotu na powierzchni wody, napięcie powierzchniowe powstrzymuje go przed zatonięciem. Po zanurzeniu przedmiotu pod powierzchnię, przedmiot tonie. Nie możliwe jest umieszczenie przedmiotu na powierzchni wody z dodatkiem płynu do mycia naczyń zawierającego surfaktant, przedmiot od razu tonie. Surfaktant obniża napięcie powierzchniowe wody. Michał Wasiak 53/ 54

72 Rys. 26. Obniżenie napięcia powierzchniowego przez dodatek surfaktanta Po umieszczeniu przedmiotu na powierzchni wody, napięcie powierzchniowe powstrzymuje go przed zatonięciem. Po zanurzeniu przedmiotu pod powierzchnię, przedmiot tonie. Nie możliwe jest umieszczenie przedmiotu na powierzchni wody z dodatkiem płynu do mycia naczyń zawierającego surfaktant, przedmiot od razu tonie. Surfaktant obniża napięcie powierzchniowe wody. Michał Wasiak 53/ 54

73 Rys. 26. Obniżenie napięcia powierzchniowego przez dodatek surfaktanta Po umieszczeniu przedmiotu na powierzchni wody, napięcie powierzchniowe powstrzymuje go przed zatonięciem. Po zanurzeniu przedmiotu pod powierzchnię, przedmiot tonie. Nie możliwe jest umieszczenie przedmiotu na powierzchni wody z dodatkiem płynu do mycia naczyń zawierającego surfaktant, przedmiot od razu tonie. Surfaktant obniża napięcie powierzchniowe wody. Michał Wasiak 53/ 54

74 Rys.27.EfektOuzowukładzieEtanol Toluen Woda Mieszaniaetanolu,toluenuiwodyozawartościwodyok.30% wag. jest przejrzysta. Pogwałtownymdodaniujejdowody,takżezawartośćwodywmieszaniniewzrastado80% wag. mieszaninastajesięmlecznobiała.dzieje się tak na skutek tworzenie bezurfaktantowej emulsjii, a zjawisko to nazywa się efektem Ouzo. Michał Wasiak 54/ 54

75 Rys.27.EfektOuzowukładzieEtanol Toluen Woda Mieszaniaetanolu,toluenuiwodyozawartościwodyok.30% wag. jest przejrzysta. Pogwałtownymdodaniujejdowody,takżezawartośćwodywmieszaniniewzrastado80% wag. mieszaninastajesięmlecznobiała.dzieje się tak na skutek tworzenie bezurfaktantowej emulsjii, a zjawisko to nazywa się efektem Ouzo. Michał Wasiak 54/ 54