Kolloidok, felületek Kolloid rendszerek: Olyan rendszerek, melyekben a komponensek legalább egy dimenziója a 10-9 m – 10-6 m mérettartományba esik. Nincs éles átmenet a valódi oldatok és a kolloid rendszerek között Jellegzetesség: Nagy felület/térfogat arány (Elég nagy részecskék ahhoz, hogy a felület fogalmának érelme legyen, de elég kicsik ahhoz, hogy a fajlagos felület kellően nagy legyen) Ezért a makroszkopikus, határfelületeket tartalmazó rendszerek tulajdonságait is a kolloidika tárgyalja. Kolloidok típusai: 1. Kolloid diszperziók. Termodinamikailag instabil rendszerek (nagy felületi szabadenergia), irreverzibilisek (szétválasztás után nehezen állíthatók vissza). 2. Makromolekuláris anyagok valódi oldatai Termodinamikailag stabilak, reverzibilisek 3. Asszociációs kolloidok Kisebb molekulák kolloid méretű asszociátumai (pl. micellák), termodinamikailag stabilak

Diszperziók típusai: Egymással nem elegyedő két fázis, melyek közül az egyik kolloid méretű részecskék formájában szét van oszlatva a másikban Diszpergált fázis Diszperziós közeg Név Példák folyadék gáz folyadék aeroszol köd, spray szilárd szilárd aeroszol füst hab szappanhab, tűzoltó hab emulzió tej, majonéz, tortakrém szuszpenzió, szol fogpaszta szilárd hab polisztirol hab, poliuretán hab szilárd emulzió opál szilárd szuszpenzió pigmentált polimerek

Termodinamikai alapok Makroszkopikus állapot megadása makroszkopikus paraméterekkel (extenzív-intenzív párok): extenzív intenzív S T V p N m A g Q u Belső energia: extenzív-intenzív állapotjelző párok szorzatösszege: folyamatok spontán végbemeneteléről döntő állapotfüggvények: termodinamikai állapotfüggvények: belső energia U ha U, V, ni (A, Q...) (az extenzív paraméterek) -TS állandóak (zárt rendszer) entalpia H = U + pV szabadenergia F = U - TS ha T, V, ni (A, Q...) állandóak F szabadentalpia G = H - TS entrópiatag -TS ha T, p, ni (A, Q...) állandóak G

A termodinamika főtételei axiomatikus tudomány a termodinamika főtételei nulladik főtétel: Ha az A és B illetve A és C rendszerek egyaránt termikus egyensúlyban vannak egymással, akkor a B és C rendszerek is termikus egyensúlyban vannak egymással. Létezik egy olyan (hőmérsékletnek nevezett) mennyiség, amely mérni tudja hogy valamely rendszerből egy másikba tud-e hő áramolni. első főtétel: Létezik egy olyan extenzív (energiának nevezett) állapotfüggvény, mely zárt rendszerben megmarad. (feltéve hogy nincsenek töltések, felületi effektusok, kémiai reakciók, stb.) második főtétel: Zárt rendszerben létezik egy olyan extenzív (entrópiának nevezett) állapotfüggvény, mely az energia monoton növekvő függvénye, és ha a B állapot adiabatikusan elérhető A-ból, akkor entrópiája nem lehet az A rendszerénél kisebb. – Alternatív megfogalmazás: – reverzibilis és irreberzibilis folyamatok

– Mivel S(U,V,N) monoton függvénye U-nak, az U(S,V,N) függvény is létezik – Intenzív változók definíciója: 1/T -m/T p/T és így harmadik főtétel: T 0 esetén egyensúlyi rendszer entrópiája zérushoz tart. T lehet negatív, csak 0 nem ! (természetesebb lenne 1/T használata)

Polidiszperzitás, átlagok, méreteloszlások Kolloid rendszerekben a részecskeméret gyakran nem jól meghatározott, hanem a rendszer különböző méretű részecskék keveréke (pl. porkeverék, polimerek...). Ilyenkor a részecskeméretet az átlagos mérettel illetve a méreteloszlással jellemezhetjük, használatuk a vizsgált jelenség jellegétől függ. Részecskeméret átlagok: súlyozatlan átlag számátlag : tömeg szerint súlyozott átlag tömegátlag: Z-átlag : viszkozitásátlag: A szám- és tömegátlag viszonya: <M>m/<M>n ≥ 1, az egyenlőség csak monodiszperz rendszer esetén teljesül. Az <M>m/<M>n hányados a minta polidiszperzitásfokának mértéke (minél nagyobb, annál szélesebb a részecskék méreteloszlása, annál polidiszperzebb a rendszer). számátlag: kolligatív sajátságok (pl. fagyáspontcsökkenés, ozmózis...) tömegátlag: fényszóródás Z-átlag: ultracentrifuga viszkozitásátlag: viszkozitásmérés

Egy általános X mennyiség értékét is csak átlagosan tudjuk az ilyen mintákban megadni, itt is értelmezhetjük a fenti átlagokat: számátlag : súlyozatlan átlag tömeg szerint súlyozott átlag tömegátlag: Z-átlag :

Részecskeméret eloszlás A részecskék méretének teljes leírását a méreteloszlás adja: differenciális részecskeméreteloszlás, f(r): minden r sugárhoz megadja az r és r+dr közötti sugarú részecskék arányát a mintában integrális részecskeméreteloszlás, F(r): minden r sugárhoz megadja az r-nél kisebb sugarú részecskék arányát a mintában f(r) : akármilyen alakú függvény lehet, integrálja 1 F(r) : monoton növekvő függvény, F(0) = 0, F() = 1

Kolloid részecskék kinetikus tulajdonságai: ülepedés folyadékban m tömegű, r sugarú (gömbszerű), r sűrűségű részecske ülepedik egy r0 sűrégű, h viszkozitású közegben (r ≥ r0) A részecskére ható erők gravitáció: felhajtóerő: súrlódás: Egyensúlyban: Stokes törvény: Az ülepedés sebessége konstans, annak nagysága adott anyagi rendszerek esetén csak az ülepedő részecske méretétől függ

Részecskeméret eloszlás meghatározása ülepedés alapján 1. Andreasen pipettával Az ismert koncentrációjú ülepedő rendszerből ismert magasságból veszünk mintát meghatározott idők után. A mintába csak egy kritikus sugárnál kisebb részecskék kerülnet, az ennél nagyobb részecskék ugyanis a mintavételi magasság alá ülepedtek a mintavétel idejére. A minta száraz- anyag tartalmának meghatározása az integrális részecskeméreteloszlást szolgáltatja. 2. szedimentációs mérleggel Az ülepedő szuszpenzióba mérlegtányér merül, a kiülepedett részecskék tömegét az eltelt idő függvényében mérjük (Q(t), szedimentációs görbe). Ha Q jelöli a relatív kiülepedett tömeget (kiülepedett tömeg / összes tömeg), akkor Q(t): monoton növekvő (telítésbe menő), alulról konvex függvény, Q(0)=0, Q() = 1