Kap. 8. Kolloidernas stabilitet

Transkript

1 Kap. 8. Kolloidernas stabilitet v1.00 M. Granfelt v1.01 NOP/LO TFKI30 Yt- och kolloidkemi 1

2 Kolloidal stabilitet De kolloidala partiklarna är i ständig rörelse (Brownian motion) Resultatet av en krock beror på den relativa styrkan hos de intermolekylära krafter som verkar mellan de kolloidala partiklarna Den totala växelverkan består av både attraktiva och repulsiva termer. V=V R +V +V S V R = elektrostatisk växelverkan (vanligen repulsiv) V = Van der Waals växelverkan (vanligen attraktiv) V S = sterisk växelverkan (stabilisering) (repulsiv) 2

3 DLVO-teorin (Deryagin - Landau och Verwey - Overbeek) Studerar stabiliteten hos lyofoba soler genom att studera hur de attraktiva och repulsiva krafterna varierar med avståndet mellan partiklarna Jonfördelningen ELEKTROSTTIK Potentialen Starkare elektrolyt ger snabbare avklingning Högre laddning på motjoner ger snabbare avklingning 3

4 Den elektrostatiska kraften mellan två laddade ytor konst. potential konst. laddning 4

5 Vid låga laddningstätheter är PB-ekvationen giltig 5

6 Van der Waals växelverkan elektrostatisk växelverkan mellan oladdade partiklar Ex: Fluktuerande Dipol-dipol växelverkan Fluktuerande Dipol- Inducerad dipol växelverkan Inducerad dipol- Inducerad dipol växelverkan (London disperisons växelverkan) (beror på fluktuationer i elektronmolnen) London växelverkan ges av: PROBLEM! tt bestämma Hamaker-konstanten 6

7 Van der Waals växelverkan mellan olika kroppar, beräknad m.h.a. parinteraktioner. 7

8 = Hamakerkonstanten figur =1, B=2, C= ( 1/ 1/ )( 1/ 1/ ) 11 = = Kan vara <0 131 = = ( 1/ 1/ ) > Total växelverkan = V R + V 8

9 Variation i elektrolytkoncentration Variation i potential 9

10 Den kritiska koaguleringskoncentrationen (c.c.c) Lägsta elektrolytkoncentration som behövs för koagulering Här gäller: V dv = 0 = 0 dh πεak T γ V = VR + V = e 2 2 e z dv dvr dv V = + = κvr dh dh dh H 3,84 10 c = 2 z γ [ κh ] = 0 a 12H = 0 e γ = stort e ψ zeψ d 2kT zeψ d 2kT d γ 1 zeψ d litet ψ d γ OBS, starkt beroende 4kT 10

11 Schulze-Hardy (c.c.c endast beroende av motjonens valens!) Vid höga potentialer c.c.c =konst 1/z 6 Vid låga potentialer c.c.c=konst ψ 4 /z 2 Experimentellt kan det vara svårt att avgöra om solen är koagulerad eller inte! 11

12 Sterisk stabilisering utan dubbelskiktrepulsion med dubbelskiktrepulsion Sterisk stabilisering - kan bero på ett flertal effekter Hög koncentration medför osmotisk effekt Polymeren växelverkar bättre med lösningsmedlet än med sig självt Mindre entropi 12

13 Lösningar med lyofila material Makromolekyler i lösning Tillsats av lyofila material till lyofoba soler Har stark affinitet för vatten Kan vara lösliga även vid isoelektriska punkten, d.v.s då de är oladdade. Påverkas inte av små mängder elektrolyt (som hydrofoba soler. Kan saltas ut, vilket innebär att de faller ut om joner med mycket hög affinitet för vatten tillsätts (Jonerna tar vatttenmolekylerna) Mer hydratiserade joner medför större effekt dsorberade makromolekyler påverkar stabiliteten på ett flertal olika sätt: Laddade makromolekyler kan öka den elektrostatiska repulsionen Det adsorberade skiktet kan sänka den effektiva Hamaker konstanten vilket medför minskad attraktion 13

14 Tillsatser av små mängder stabiliserande material kan ha motsatt effekt Laddade soler med motsatt laddat additiv kan leda till neutralisering och sedan aggregering Bryggbilding Kan vara energetisk eller entropisk 14

15 Kinetiken för koagulering Studera hur två kolloidala partiklar bildar en dimer Hastighet för aggregering: dn 2 = k2n dt n = antal partiklar n = antal vid tiden t = 0 1 n Man kan mäta experimentellt hur n varierar vilket gör att k 2 kan bestämmas. För fallet ovan (bild) där ingen barriär finns kan ett uttryck för k 2 också härledas teoretiskt (m.h.a. diffusionskoefficienten) 0 4kT k 2 = Om en repulsiv barriär finns så minskar hastighetskonstanten 3η d.v.s 0 k 2 < k Det finns teorier som beskriver k 2 som funktion av barriärens höjd 2 1 n 0 = k 2 t 0 15