Kolloid- och ytkemi (KFK176)

Transkript

1 Chalmers, Kemi och kemiteknik/fysikalisk kemi 1 Kolloid- och ytkemi (KFK176) Kurs-PM för läsperiod 3, läsåret 2014/2015 (ver. 2) Ytor och kolloider (partiklar i storleksintervallet 1 nm till 1 µm) är rikligt förekommande i biologiska system. Dessutom involverar så gott som alla tekniska processer ytor, inte bara som passiva behållare utan också aktivt, t.ex. för rening av produkter. Att ha relevanta kunskaper i kolloid- och ytkemi är följaktligen viktigt för en kemist med bioteknisk inriktning. Kursen avser att ge kunskaper om den fysikaliska kemi som behövs för att förstå hur molekyler uppträder vid gränsytor, varför de ibland aggregerar till kolloider och hur kolloidernas egenskaper beror av de kemiska och fysikaliska betingelserna. Kursens syfte Kursen avser att ge grundläggande kunskaper i kolloid- och ytkemi relevanta för teknologer med en bioteknisk inriktning. De kolloidala systemens egenskaper analyseras utgående från ett fysikaliskt kemiskt perspektiv, där begreppen intermolekylär växelverkan, entropi och kemisk potential är centrala. Kursens lärandemål (efter fullgjord kurs ska studenten kunna) ge exempel på olika typer av kolloidala system, beskriva vad som kännetecknar dem samt ge exempel på hur de kan studeras, karakteriseras och användas definiera begreppen ytenergi och ytspänning och ge exempel på hur ytspänning kan mätas samt kvantitativt beskriva ytspänningens betydelse för bubblors och droppars egenskaper definiera begreppen kohesionsenergi, adhesionsenergi, spridningskoefficient och kontaktvinkel samt utnyttja dessa för att avgöra om vätning sker definera begreppet ytöverskott, kunna härleda och utnyttja Gibbs adsorptionsisoterm för att analysera molekylers adsorption i gränsytor samt kvalitativt och kvantitativt kunna tolka resultat från ytvågsstudier av monolager ge exempel på olika typer av tensider och olika metoder att experimentellt bestämma och teoretisk definiera den kritiska micellbildningskoncentrationen (CMC) samt kunna beskriva hur CMC beror av tensidens kemiska struktur, olika tillsatser samt tryck och temperatur

2 Chalmers, Kemi och kemiteknik/fysikalisk kemi 2 beskriva olika lyotropa flytande kristallina system och ge exempel på hur de kan karakteriseras och studeras beskriva de mekanismer som leder till laddade ytor samt kvantitivt kunna beskriva det elektriska dubbelskiktet med Gouy-Chapmanmodellen analysera resultat från mikroelektroforesexperiment kvantitativt kunna beskriva växelverkan och koagulation i kolloidala system mha DLVO-teorin samt kunna beskriva olika sätt att stabilisera kolloider ge exempel på olika typer av emulsioner, hur dessa kan framställas, karakteriseras och praktiskt användas ge exempel på olika typer av skum och kunna beskriva hur skummets egenskaper beror av dräneringshastighet, ytelasticitet och ytviskositet beskriva egenskaper hos polymerer med modellen fritt ledad kedja Kursens innehåll Kursen inleds med en översikt där olika exempel på kolloider presenteras. Klassificering, terminologi, betydelse och framställningsprinciper tas också upp. Kopplingen mellan kolloidkemin och ytkemin betonas. Olika metoder för karakterisering diskuteras. Kolloidala partiklars rörelse i medier analyseras (Brownsk rörelse, diffusion, sedimentation). Ytspänningens betydelse för droppar och bubblors fysikaliska egenskaper studeras (Laplace ekvation, Kelvins ekvation) samt dess betydelse för vätning av ytor (Youngs ekvation). Gibbs adsorptionsisoterm härleds och diskuteras, speciellt i samband med micellbildning. Monolagers fysikaliska egenskaper behandlas i samband med diskussion av ytvågen. Tensiders fysikaliska kemi diskuteras ingående med fokus på micellers termodynamik (CMC, Krafftpunkt, hydrofob växelverkan, solubilisering) och flytande kristallina faser (struktur, packningsparameterar, liposomer). Ytelektriska egenskaper behandlas utgående från Gouy-Chapmanmodellen av det elektriska dubbelskiktet. Resultaten utnyttjas dels för att beskriva elektrokinetiska fenomen (Hückels, Henrys, och Smoluchowskis ekvationer för elektroforetisk mobilitet), dels för att beskriva växelverkan mellan kolloidala partiklar med DLVO-teorin, vilken i sin tur utnyttjas för att förstå kolloidal stabilitet (aggregering, Schulze-Hardys regel). Egenskaperna hos skum (dränering, ytelasticitet, ytviskositet) och emulsioner (HLB-tal) samt mikroemulsioner behandlas också. Kursen avslutas med en kort diskussion av polymermodellen fritt ledad kedja (entropisk fjäder, storleksmått).

3 Chalmers, Kemi och kemiteknik/fysikalisk kemi 3 Förkunskaper Grundläggande kunskaper i termodynamik och fysikalisk kemi. Kursens lärare: Beträffande e-post: lägg till adresserna nedan. Föreläsare Docent Nikola Marković (Examinator/kursansvarig) Institutionen för kemi och kemiteknik Fysikalisk kemi Rum 5071 i forskarhus I, telefon , e-post: nikola Laborationshandledare Lab CMC: Amir Saeid Mohammadi (rum 5051, e-post: saamir) Lab YS: Baharan Ali Doosti (rum D131 i MC2, tel , e-post:bellaa) Lab M: Joachim Hedberg (rum 5073, tel , e-post: hedbergj) Vid kursens fem räknestugor/konsultationstillfällen svarar Joachim Hedberg och Nikola Marković på frågor. Kurshemsida Du hittar hemsidan i PingPong eller via kursplanen i studentportalen: Sidan innehåller bl.a. kursinformation, kompletterande material och laborationshandledningar. Det mesta av materialet delas ut vid kursstart. Laborationsrapporterna lämnas in via hemsidan och här meddelas också schemaändringar och andra nyheter. Kurslitteratur R.M. Pashley, M.E. Karaman, Applied Colloid and Surface Chemistry, Wiley, 2004 (kallad Pashley); S. Wall, Yt- och kolloidkemi, kompendium, GU, 2013 (kallad SW); P. Atkins, J. de Paula & R. Friedman: Physical Chemistry Quanta, Matter, and Change, 2nd Ed., Oxford University Press, 2014 (kallad Atkins). Kompendiet Yt- och kolloidkemi utdelas vid kursstart. Quanta, Matter, and Change, som var kurslitteratur i Bt2-kursen Fysikalisk kemi, kommer att

4 Chalmers, Kemi och kemiteknik/fysikalisk kemi 4 användas mycket sparsamt. Det är huvudsakligen avsnitten om diffusion, osmos och intermolekylär växelverkan som delvis baseras på Atkins. I och med att kursen i kolloid- och ytkemi bygger på kursen i fysikalisk kemi är det lämpligt att ha tillgång till en lärobok i ämnet, varför boken listas ovan. Någon upplaga av Atkins Physical Chemistry kan läsas som alternativ. Dessutom finns mycket av materialet från Atkins i den föreläsningssammanfattning som utdelas vid kursstart. Undervisningsformer och examination Kursen består av föreläsningar, räknestugor/konsultationstillfällen samt laborationer. Laborationerna är obligatoriska. För godkänt betyg på kursen krävs: 1. Godkända laborationer med skriftlig redovisning (se Lab-PM); 2. Godkänd tentamen (betyg 3). Betygsgränser (av maximalt 40 p): Betyg 3: 20 p; Betyg 4: 26 p; Betyg 5: 32 p. Tillåtna hjälpmedel vid tentamen: Kurslitteraturen (Pashley, Atkins och Walls kompendium) med indexering, tillagda ekvationer och korta kommentarer, men utan lösta exempel. Physics Handbook. BETA Mathematics Handbook. Räknare av valfri typ med tömt minne, vilket innebär att anteckningar/sammanfattningar på papper eller i elektronisk form ej får medföras. Ordinarie tentamenstillfälle: 17 mars 2015 kl. 14:00 18:00 Johanneberg. Laborationer Viktiga kursmoment illustreras med följande laborationer (se separat Lab-PM för detaljer om lab-kursen): Lab CMC: Bestämning av kritisk micellbildningskoncentration Lab YS: Mätning av ytspänning med droppvikts- och ringmetoderna Lab M: Mikroelektrofores och Zetapotential Laborationskursen rapporteras som ett separat moment värt 1.5 hp. Anmälan till laborationerna sker via kurshemsidan. Du förutsätts ha förberett dig inför laborationerna, enligt anvisningar i Lab-PM. Laborationerna redovisas i form av fullständiga rapporter som inlämnas via kurshemsidan.

5 Chalmers, Kemi och kemiteknik/fysikalisk kemi 5 Förändringar sedan förra kurstillfället NM ensam föreläsare. Mindre ändringar i föreläsningssammanfattningen. Övningshäftet något utökat. En ytterligare räknestuga har tillkommit. Lab YS något förenklad. Föreläsningsplanering Hänvisningarna nedan definierar kursens omfattning. Föreläsningsplaneringen är preliminär, dvs en viss föreläsning kan omfatta annat material än vad som anges nedan. Ytterligare strukturering och komplettering av materialet finns i den föreläsningssammanfattning som utdelas vid kursstart. F 1: Kolloider: Definition, exempel, terminologi, egenskaper, framställning (Pashley 1 12; utdelat material). F 2: Kolloidala partiklars form, storlek, antal och massa. Kemisk potential, osmometri, sedimentation (Atkins ; utdelat material). F 3: Kolloidala partiklars form (forts. F 2). Diffusion, mikroskopi. Ytenergi och ytspänning. Krökta ytor, Laplace s och Kelvins ekvationer. Bubblor, droppar och kaviteter (Pashley 13 27, 37 41; Atkins ; utdelat material). F 4: Adhesion och kohesion. Spridningskoefficient. Vätning. Kontaktvinkel. Youngs ekvation (Pashley 27 34, 42 46). F 5: Adsorption vid gränsytor. Gibbs adsorptionsisoterm. (Pashley 47 55). F 6: Monolager. Ytvågen. Fasomvandlingar (Pashley ; utdelat material). F 7: Ytaktiva ämnen. Miceller. CMC. Krafft-punkt. (SW 32 44; Pashley Kapitel 4).

6 Chalmers, Kemi och kemiteknik/fysikalisk kemi 6 F 8: Ytaktiva ämnen forts. Mer om CMC. Termodynamiken för micellbildning. Hydrofob växelverkan. Solubilisering. (SW 44 57; Pashley Kapitel 4). F 9: Flytande kristallina system. Lyotropa vätskekristaller. Aggregatstruktur. Fasdiagram. Kritisk packningsparameter (SW 58 70; Pashley Kapitel 4; utdelat material). F 10: Laddade ytor. Det elektriska dubbelskiktet. Ytpotential. Gouy-Chapmanmodellen. Debye-Hückelapproximationen (Pashley ). F 11: Elektrokinetiska fenomen. Zeta-potential. Elektrofores. Hückels, Smoluchowskis och Henrys ekvationer. Relaxation (Pashley , ; utdelat material). F 12: Intermolekylär växelverkan. Elektrostatiska krafter, induktions- och dispersionskrafter. Växelverkan mellan kolloidala partiklar (Pashley , ; Atkins ). F 13: Växelverkan i kolloidala system. Koagulering och flockulering. Kolloidal stabilitet. CCC. Schulze-Hardys regel. DLVO-teori. Koagulationskinetik. (SW 5 21; Pashley ). F 14: Sterisk stabilisering. Entalpisk och entropisk stabilisering. Flockuleringsmekanismer (SW 22 31). F 15: Skum. Skumstabilitet. Dränering. Ytelasticitet. Ytviskositet. Skumdämpning. Emulsioner. HLB-tal. Fasinversionstemperatur. Mikroemulsioner. (SW 71 85; Pashley Kapitel 5, Kapitel 8). F 16: Makromolekylers struktur. Konfiguration och konformation. Fritt ledad kedja. Storleksmått (utdelat material). Räknestugor/Konsultationstillfällen En mycket viktig del av kursen är självständig problemlösning. En samling av rekommenderade problem utdelas separat samt ett häfte med lösningsförslag till utvalda problem. Fem räknestugor/konsultationstillfällen är schemalagda. Rekommenderade övningsuppgifter Övningsuppgifterna kopplas nedan till föreläsningarna. Detta skall tolkas så att när teoriavsnittet i fråga behandlats (se den preliminära föreläsningsplaneringen) skall man ha de verktyg som behövs för att lösa de angivna

7 Chalmers, Kemi och kemiteknik/fysikalisk kemi 7 problemen. Övningsuppgifterna från Atkins, Hunter, NM, Pashley, Shaw och SW är samlade i ett häfte som utdelas separat. SW-uppgifterna finns också i Walls kompendium. F 1. Hunter: 1.1.2, 1.1.4, F 2. Atkins: E23.1, E23.6 Hunter: 2.1.1, 2.1.2, 3.2.1, Shaw: 4, 5 NM: 1, 2 F 3. Atkins: E6.12, E6.13, E6.14 Hunter: 1.4.1, 1.4.2, 5.2.3, Shaw: 1, 7 NM: 3, 4 Pashley: 2.1, 2.2, 2.3, 2.5 F 4. Shaw: 12, 25 Pashley: 2.6, 2.7, 2.8, 2.9 F 5. Shaw: 8, 9, 10 NM: 5, 8 Pashley: 3.1, 3.2 F 6. Shaw: 13 NM: 6, 7 F 7. SW: 5, 6, 7 F 8. SW: 8, 9, 10 F 9. SW: 14 F 10. Shaw: 28 Hunter: NM: 9, 10, 11, 12 Pashley: 6.1, 6.2, 6.3, 6.6, 6.7 F 11. Shaw: 30, 31, 32 NM: 13 F 12. Atkins: E22.5, E22.7, E22.8, P22.1 Shaw: 33 NM: 14 Pashley: 6.4, 6.8, 6.9, 7.3, 7.4, 7.5

8 Chalmers, Kemi och kemiteknik/fysikalisk kemi 8 F 13. SW: 1, 2, 3 NM: 15 F 14. SW: 4, 13 F 15. SW: 11, 12 F 16. Atkins: E23.2, E23.4 NM: 16 Kursutvärdering Kursen utvärderas enligt Chalmers centrala riktlinjer. Information om utvärderare och minnesanteckningar från möte 2 kommer att läggas ut på kurshemsidan. NM