Fenomene coloidale n tiinele vieii

Curs 1

Conf.dr. Oana Ciocrlan(e-mail:ciocirlan_o@yahoo.com)

Departamentul de Chimie Anorganic, Chimie Fizic i Electrochimie

Planul cursului

Coloizi i interfee. Tensiune superficial/interfacial. Surfactani Determinarea tensiunii superficiale / interfaciale. Termodinamica suprafeelor lichide. Adsorbia n sisteme omogene. Izoterma de adsorbie Gibbs. Fenomene capilare: udarea suprafeelor, unghiul de contact.

Ascensiunea i depresiunea capilar. Echilibrul termodinamic ntr-un sistem capilar. Ecuaiile Laplace i

Kelvin. Filme subiri pe suprafaa lichidelor. Suprafee solide. Adsorbia pe solide. Electrochimia suprafeelor/ interfeelor. Termodinamica fenomenului de adsorbie. Izoterma de adsorbie

Langmuir. Izoterma BET. Adsorbani. Sisteme coloidale. Stabilitatea coloizilor. Emulsii i spume. Activitatea catalitic a suprafeelor. Adsorbia i cataliza.

Verificare tip test gril/ Prezentarea unui articol tiinific

A se amesteca sau nu... aceasta e problema...

A amesteca ceea ce este nemiscibil A pstra n timp acest amestec

Suprafa / Interfa

Suprafa (superficial) Interfa (interfacial)

Soluie omogen Coloizi

O cale simpl de a determina dac un amestec este o dispersie coloidal sau nu - are la baz efectul Tyndall - conform cruia un sistem dispers devine strlucitor dac este traversat de un fascicul luminos, deoarece particulele n suspensie difuzeaz lateral o parte din razele luminoase.

Coloizii Coloizii sunt n primul rnd caracterizai de dimensiunea lor. Coloizii sunt particule cu dimensiuni 10-610-9 m pot trece prin

membrane sau filtre cu pori < 10-6 m (1 m).

Coloizii nu se vd cu ochiul liber, ci cu un ultramicroscop. Pot fi observai (analizai) cu ajutorul luminii mprtiate (light

scattering).

http://en.wikipedia.org/wiki/File:MLS_scan.gif

Trec prin cele mai fine filtre dar sunt reinute de ultrafiltre, nu sedimenteaz vizibil, nu dializeaz i difuzeaz foarte puin, sunt vizibile numai la ultramicroscop.

10-5-10-7105-107Cu dispersie coloidal, coloizi(dispersoide)

Caracteristicile particulelor disperse

d, cmD, cm-1Grupa

Nu trec prin hrtie de filtru cu pori mici, sedimenteaz vizibil, nu dializeaz i nu difuzeaz, sunt vizibile la microscopul obinuit (de tip ulei n ap sau invers)

>10-5

Aerosoli, fum, prafg-ssolid

gazCea, sprayg-llichid

Amestecuri moleculare (soluii)

g-ggaz

Burei i spume solide, geluri uscate, spume izolatoare

s-ggaz

Geluri, emulsii solide (pasta de dini)

s-llichid

Suspensii solide, solide n plastic, soli solizi, pirosoli

s-ssolid

solid

Spume, filme subiri, spume extinctoare

l-ggazEmulsii (lapte), maionez, untl-llichid

Soli, suspensii, filme foto-grafice, cimenturi, cerneluri

l-ssolid

lichid

DenumireaInterfaa caracteristic

Faza dispersatMediul de dispersie (faza continu)

Caracterizarea sistemelor disperse dupstarea de agregare a mediului de dispersie i a fazei dispersate

http://www.philadelphia.edu.jo/academics/ohanbali/uploads/SUSPENSION%201.pdf

Sisteme coloidale tipice

Sisteme coloidale tipice

(K.S. Birdi, Ed., Surface and colloid chemistry, CRC Press, Taylor & Francis Group, Boca Raton, 2010)

Coloizii Forma particulelor coloidale poate fi:

sferic (f) -globule de grsime n lapte cilindric (e) virusul mozaicul tutunului prisme hexagonale (d) - cristale de

hidroxiapatit disc (a) - eritrocitele din sngele uman paletat (c) particule de trehaloz-utilizate ca ageni de protecie n unelemateriale biologice ac cu gmlie (b) -Staphylococcus aureus

Mrimea unor particule coloidale

(din W. Norde, Colloids and Interfaces in Life Sciences, Marcel Dekker, 2003)

Sistemele coloidale prezint suprafee de contact mari (interfee) trebuie s se in seama i de influena suprafeei asupra mrimii funciilor termodinamice (toate funciile termodinamice conin un termen superficial).

1 g crbune activ are aria suprafeei n jur de 1000 m2, pe cnd 1g de talc, doar 10 m2. 1L de dispersie coloidal, n care fracia volumetric a particulelor coloidale (dediametru 10 nm) este de numai 1%, are o arie interfacial de 6000 m2.

Interfeele sunt strns legate de coloizi. Fenomenele coloidale sunt strns legate de cele interfaciale.

Coloizii

Coloizii

Sistemele coloidale sunt alctuite din dou sau mai multe faze i componeni. n coloizii simpli se face distincie clar ntre faza continu

(mediul de dispersie) i faza dispersat, aa cum sunt emulsiile simple de ulei n ap (oil-in-water, o/w) sau ap n ulei (water-in-oil, w/o)

Coloizii multipli implic coexistena a 3 faze, dintre care 2 sunt fin divizate, aa cum sunt emulsiile multiple (maioneza, laptele) de water-in-oil-in-water , w/o/w, sau oil-in-water-in-oil, o/w/o.

Reelele coloidale conin 2 faze ce formeaz o reea interconectat, de exemplu o matrice polimeric.

Coloizii Sistemele coloidale prezint un raport ridicat arie interfacial/volum.

Zona interfacial joac un rol important n ceea ce privete proprietile coloizilor (reologice, optice, etc.) i stabilitatea acestora.

Un sistem alctuit din particule de aceeai dimensiune este monodispers, iar unul cu mrimi diferite ale particulelor este polidispers. Un sistem monodispers este mai stabil dect unul polidispers. Sistemele care au dimensiuni coloidale n doar una sau dou direcii aparin

domeniului coloidal.

Forele ce apar la interfa ntre particulele coloidale sunt cele care determin stabilitatea sau instabilitatea (coagularea, unirea, etc.) sistemelor coloidale. Principalele fore care apar ntre particulele unui sistem coloidal sunt cele de

atracie Van der Waals ce acioneaz pe distane mari (long-range) i cele repulsive, de scurt distan (short-range).

Dac dou particule coloidale sunt aduse mpreun la o anumit distan, ele sunt atrase una de alta, se unesc i duc la destabilizarea sistemului coloidal.

(din W. Norde, Colloids and Interfaces in Life Sciences, Marcel Dekker, 2003)

Toate fenomenele interfaciale i coloidale sunt legate de interacii i micarea moleculelor.

Pentru particule coloidale cu dimensiuni reduse, energia acestora este determinat de micarea termic (brownian) - micare haotic determinat de energia lor cinetic, ce tinde s menin particulele n stare dispersat n soluie.

La dimensiuni mai mari, particulele tind s se separe din soluie. Interaciile sunt adesea descrise n termeni de fore i energii.

Coloizii

Moleculele situate la interfa (suprafa) se comport diferit fa de cele din interiorul fazelor.

http://www-math.mit.edu/~dhu/Striderweb/striderweb.html

http://encarta.msn.com/encnet/refpages/RefMedia.aspx?refid=461560390

Chiar i obiectele de metal pot pluti, dac suntmici i sunt asezate cu grij pe suprafaa apei(densitatea oelului =8 x densitatea apei).

Dac suprafaa este agitat nct se rupestratul superficial, atunci agrafa se va scufunda rapid.

Tensiunea superficial

Moleculele din interiorul lichidului sufer, din partea moleculelor nconjurtoare, atracii egale n toate direciile.

Moleculele de la interfa se afl sub influena unui cmp de for asimetric, care d natere la aa-numita tensiune superficial sau tensiune interfacial, prin urmare, moleculele situate la interfa sunt atrase spre interiorul fazelor.

Stratul superficial (interfaa) are o grosime de ordinul razei de interaciune molecular (10-7 cm) i prezint proprieti deosebite de ale fazelor n contact.

Tensiunea superficial

Natura legturilor n lichide (solide)

Forele de coeziune prezente n lichide (i solide) indic prezena unor fore intermoleculare mult mai puternice dect fora de gravitaie.

Tensiunea superficial determin ca suprafaa lichidelor s se contracte i s ocupe astfel aria minim Lichidele tind s adopte forme care minimizeaz aria suprafeei lor.

Astfel, picturile de lichid tind s fie sferice, deoarece sfera este forma cu raportul suprafa/volum cel mai mic. Exist ns fore care concur la

tendina de a forma sfere, n particular fora de gravitaie determin turtirea sferelor (forma alungit a picturilor, existena mrilor, oceanelor).

Tensiunea superficial

Care este forma de echilibru?

Fenomenul de tensiune superficial poate fi explicat dac ne nchipuim suprafaa lichidului ca pe o membran elastic (film superficial).

Tensiunea superficial,

lF2

Film de lichid format pe o ram de

srm cu o latur mobil

dAdxlFdxlucrul 2

n mod obinuit tensiunea superficial este msurat n dyne/cm(CGS).1 dyne/cm =1 mN/m (SI)

dAlucrul

o Ea poate fi privit i ca energie liber pe unitatea de suprafa, cu uniti de Jm-2 sau erg/cm2.

o Tensiunea superficial este fora ce acioneaz pe unitatea de lungime, cu uniti de N/m sau dyne/cm.

A.W. Adamson, A.P. Gast, Physical chemistry of surfaces, Wiley-Interscience Publication, John Wiley & Sons, Inc.,

1997

Nu atingei cortul!Materialele comune pentru corturi sunt impermeabile datorit tensiunii superficiale a apei, ce va aciona ca o barier contra ptrunderii apei prin porii materialului ntins. Acest comportament este similar cu purtarea de nclri

speciale de zpad, ce permit mersul peste troiene, fr ca picioarele s se scufunde.

Astfel la suprafaa cortului umed exist un film superficial care actioneaz ca o membran elastic, datorit tensiunii superficiale.

Dar dac atingi materialul cortului cu degetul, acesta va rupe filmul superficial i ploaia va picura iroaie.

Tensiunea superficial a apei

Variaia cu temperatura a tensiunii superficiale a apei (fig.) indic faptul c apa cald este un agent de curare mai bun deoarece tensiunea sa superficial mai sczut o face un "agent de nmuiere" mai bun (ptrunde mai bine n pori i fisuri).

Tensiunea superficial a apei

Tensiunea superficial mare a apei provine din prezena punilor de hidrogen ntre moleculele de ap.

Sunt compui care reduc tensiunea superficial a unui lichid, tensiunea interfacial dintre dou lichide, sau dintre un lichid i un solid.

Pot fi detergeni, dezinfectani, ageni de umezire, emulgatori, ageni de spumare sau de dispersie. Spunurile i detergenii

Ajut la curarea hainelor prin scderea tensiunii superficiale a apei, astfel nct acesta ptrunde mai uor n porii esturilor, absorbind murdria.

Dezinfectanii Sunt soluii cu tensiune superficial mic, care

distrug pereii celulelor bacteriilor atunci cnd sunt pulverizate peste acestea. Un astfel de dezinfectant, ST 37, are tensiunea superficial 37 dyne/cm(comparativ cu apa, care are 72 dyne /cm).

Surfactani

Insectele nu mai plutesc pe ap dac la aceasta s-a adugat un surfactant.

Aplicaii ale surfactanilor

Emulsii (pentru stabilizarea acestora) Detergeni (spunurile) Micele (agregate moleculare de mrime coloidal)

CMC (concentraia critic micelar): Concentraia limit peste care surfactantul prezint fenomenul de autoasamblare n micele.

Cum acioneaz surfactanii ?

http://www.youtube.com/watch?v=Ac2s_fiTl0E

C. Micele: aranjamente ale moleculelor de surfactant sub form de agregate, n care poriunile hidrofobe sunt orientate n cluster (pentrua minimiza contactul cu apa) iar poriunile hidrofile sunt expuse la ap efectul hidrofob.

B. Prezena unor molecule de surfactant pe suprafaa apei. Acestea rupenergia de coeziune la suprafa i astfel scad tensiunea superficial.

http://www.attension.com/critical-micelle-concentration.aspx

http://www.attension.com/critical-micelle-concentration.aspx

Variaia tensiunii superficiale a unor soluii apoase de n-pentanol (hidrofob), SDS (amfifil) i LiCl (hidrofil) n

funcie de concentraie, la temperatura camerei(Hans-Jrgen Butt and Michael Kappl, Surface and Interfacial Forces,

WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, 2010, p. 182)

n cazul SDS (sodium dodecyl sulphate) la 25C, concentraia micelar critic este de 8.9 mM. Peste CMC, tensiunea superficial nu se schimb semnificativ la creterea concentraiei, deoarece orice adaos de substan merge n micele i nu la interfaa lichid gaz (ca s modifice ).