Bevezetés
A kémiai reakciók leggyakrabban valódi oldatokban játszódnak le. Az előző tananyagok bemutatták az oldatok tulajdonságait, a számolási feladatok a töménység kifejezésében segítenek eligazodni. Későbbi tanulmányai szempontjából fontos, hogy ne csak a homogén világgal, hanem a kolloid rendszerekkel is megismerkedjen. Ha erre nem is gondol, hétköznapi életében gyakran találkozik kolloid anyagokkal. Ahhoz, hogy az ivóvizek és szennyvizek kezelését jól megértse, ismernie kell a kolloidok természetét, tulajdonságait.
Követelmény:
• ismerje a kolloidok helyét az anyagi rendszerekben,
• tudja a fő típusokat és elnevezésüket,
• lássa a nagy fajlagos felületből adódó különleges megkötő képességet,
• legyen tisztában ennek gyakorlati jelentőségével!
Ezek az ismeretek más területen is hasznára lehetnek!
A 8. tananyagban a 38. ábra a keverékek osztályozását mutatja be. Az anyagok egymással nem elegyedő fázisait összekeverhetjük egymással, az egyik fázist például finoman eloszlathatjuk (diszpergálhatjuk) a másikban. A keverékek egyik alkotórésze a diszpergált részecskékből álló fázis, amely eloszlik a diszperziós közegben (az őt befogadó folytonos fázisban), ami lehet gáz, folyadék, de szilárd anyag is. Ha az eloszlatott részecskék mérete az 1-500 nm tartományban van, új tulajdonságú anyagokhoz jutunk, ezek a kolloidok.
Kolloid rendszerek keletkezése
A kolloid részecskék mérettartományának megállapítása nem tetszés szerinti besorolással történt. Az alsó határ olyan méretű diszpergált részecskéket jelent, ahol – szemben a valódi oldatok részecskéivel – már megkülönböztethetünk külső (felületi), az oldószerrel érintkező, és belső részecskéket (molekulákat, atomokat, ionokat), amelyek nem érintkeznek az oldószerrel.
A felület megjelenése más tulajdonságokat kölcsönöz a részecskéknek: a felületen megkötődnek a másik fázis molekulái, ionjai, sőt a részecskék felületei egymással is kölcsönhatásba léphetnek. A következő táblázat a durva diszperz rendszereket, kolloid oldatokat és a valódi oldatokat hasonlítja össze.
11. táblázat: Az anyagi rendszerek néhány jellemzője a részecskék mérete szerint
A kolloid részecskéknél nagyobb méretű részecskék alkotják a durva diszperz rendszereket, a kisebb méretűek a valódi oldatokat.
Kolloid rendszerek
A felület megjelenik a durva diszperz rendszereknél is, de nem mutat olyan kiemelkedő megkötő képességet, mint a kolloid rendszereknél.
A valódi oldatoknál nincs is felület, ahogyan ezt előzőleg is tárgyaltuk
Az átmenet a részecskeméret között folytonos, éppúgy keletkezhetnek kolloid rendszerek a kicsi (néhány száznál nem nagyobb relatív molekulatömegű) molekulák társulásával, mint a biológiai vagy más óriásmolekulákból (amelyek relatív molekulatömege milliós is lehet).
Diszperziós kolloid elvileg bármely anyagból létrehozható, a kolloid állapot független az anyagi minőségtől. Ha a kolloid rendszerben a szemcsenagyság egységes, monodiszperz, ha pedig változó, akkor polidiszperz rendszerekről beszélünk.
A kolloidok könnyen megkülönböztethetők a valódi oldatoktól azáltal, hogy a kolloid oldatok erősen szórják a fényt (Tyndall-jelenség).
Kolloidok csoportosítása
Több szempont szerint elvégezhető:
• A részecskék típusa szerint
Az osztályozás alapja: hogyan keletkezik a kolloid méretű részecske? Három fő csoportot különítünk el:
• diszperziós kolloidok
folytonos közegben eloszlatott „mikrofázisok” (szilárd, folyékony vagy gáz halmazállapotú, önálló felülettel rendelkező egységek)
• makromolekuláris kolloidok
az oldott anyag molekulái a kolloid mérettartományba esnek
• asszociációs kolloidok:
rendelkező (amfipatikus) molekulák micellákká állnak össze Diszperziós kolloidok
A diszpergált részecske és a diszperziós közeg halmazállapota szerint A fő típusok:
12. táblázat: A diszperziós kolloidok fő típusai
Kolloid rendszerek
59
Created by XMLmind XSL-FO Converter.
Kolloid rendszerek
Ezeket az anyagokat valóban ismerjük, de nem tudtuk, hogy kolloidok!
Makromolekuláris kolloidok
A kolloid méretű részecskék olyan makromolekulák, amelyek önmagukban elérik a kolloid mérettartományt, az oldatuk tehát kolloid oldat. Ilyenek például a fehérjék, amelyek kolloid oldatot alkotnak.
43. ábra: Makromolekuláris kolloidok néhány példája: vérplazma, keményítő oldat, lakk Asszociációs kolloidok
A kolloid méretű részecskék kisebb molekulák összekapcsolódásából, (asszociációjából) keletkeznek. Ilyen asszociációs kolloidok keletkeznek, amikor kisebb poláris és nagyobb apoláris csoportot tartalmazó molekulák megfelelő koncentráció esetén 50-100 molekulából álló egységeket, micellákat alkotnak (pl. a szappanmolekulák, detergensek).
Kolloid rendszerek
44. ábra: Egy detergens molekula (fent) és néhány micellatípus: (a) gömb, (b) lemezes, (c) hengeres, (d) fordított A hidrofil „fej” a molekula poláris, a hidrofób „farok” a molekula apoláris részlete w3.mkk.szie.hu/dep/chem/targyl/alk_kem/hull2ea.pdf
• A részecskék között ható erők szerint csoportosítva A részecskék között ható erők szerint csoportosítva
• inkoherens rendszerek: a kolloid részecskék egymástól függetlenek (gáz vagy folyadék közegben)
• koherens rendszerek: a részecskék összekapcsolódnak (gélek) vagy a szilárd közeg miatt nem függetlenek.
Az inkoherens rendszerekben az egymástól független részecskék a diszperziós közeg jellege miatt elmozdulhatnak (aeroszolok, lioszolok, kolloid oldatok).
A koherens rendszerekben összefüggő szilárd váz alakul ki vagy a közeg jellege miatt (xeroszolok) vagy a részecskék kapcsolódása révén (gélek). Az előző esetben a koherens állapot visszafordíthatatlan (ragasztók, lakkok száradása, agyag kiégetése, szilikagél, műgyanták, gumi).
A gélekben az összekapcsolódás a körülményektől függően kialakulhat, vagy megszűnhet (visszafordítható). A koncentráció növelésével vagy hűtés hatására a részecskék közötti kölcsönhatás erősebb lesz, szilárd vázat
Vegyünk képzeletben egy 1 cm élhosszúságú kockát! Számoljuk ki a felületét és a térfogatát! Majd képzeletben minden oldalát vágjuk 10 egyforma részre, az így kapott kis kockák felületét és térfogatát is határozzuk meg!
Addig végezzük ezt az elméleti „darabolást”, amíg nem jutunk el az 1 nm, vagyis 10-9 m élhosszúságig (ami a kolloid mérettartomány alsó határa). A számolás fő eredményeit összegzi a következő táblázat.
13. táblázat: A fajlagos felület változása különböző élhosszúságú kockák esetén
Látható, hogy az 1 cm élhosszúságú kockát feldarabolva, a kolloid mérettartományban igen tekintélyes felület tartozik a részecskékhez.
A fajlagos felület az egységnyi tömegű, vagy térfogatú anyag felülete: jelen esetben 6000 m2 lett (ez egy viszonylag nagy autóparkolónak felel meg.)
Mi a jelentősége a nagy fajlagos felületnek?
A nagy fajlagos felülethez nagy felületi energia társul. Mint már szóba került, a részecskék igyekeznek alacsonyabb energia szintre jutni. A kolloid részecskék ezt úgy érik el, hogy a felületükön a diszperziós közegből megkötnek (adszorbeálnak) más anyagokat.
Az adszorpciós folyamatokat az ún. határfelületi jelenségeken keresztül szokás vizsgálni: a szilárd részecske milyen halmazállapotú diszperziós fázisból köti meg az anyagot.
Szilárd-folyadék határfelületen a nedvesítés (szétterülés) vizsgálható. Ha a folyadék és a szilárd fázis határfelülete kémiailag hasonló, a folyadék szétterül a felületen (tehát nedvesíti, pl. esőcsepp az autó szélvédőn).
Kolloid rendszerek
Ha a szélvédő olajos lenne, a cseppek kis gömbök formájában legördülnének (nem nedvesítő), próbálnak a lehető legkisebb felületen érintkezni.
45. ábra: Nedvesítő illetve nem nedvesítő folyadék szétterülése
A nedvesítés befolyásolható a felületi feszültség változtatásával, pl. felületaktív anyagok hozzáadásával (pl.
mosószerrel lemossuk a szélvédőt).
Szilárd-gáz illetve szilárd-folyadék határfelületen jellemző az adszorpció.
Szilárd-gáz határfelületen a gázfázis molekulái megkötődnek, az adszorpció mértéke a hőmérséklet emelkedésével csökken.
A szilárd-gáz határfelületi adszorpciónak számos gyakorlati alkalmazását ismerjük, pl.: a gázálarcokban nagy fajlagos felületű aktív szenes szűrőt alkalmaznak, a gyógyászatban aktív szenet tabletta formában, az autók katalizátoraiban a kipufogó gázok megkötésére, vízkezelésben szennyezés megkötésére stb.
A szilárd-folyadék határfelületi jelenség különösen akkor érdekes, ha a folyadék elektrolit oldat (vagyis töltéssel rendelkező ionok szabadon mozoghatnak benne), a szilárd felületen töltéssel rendelkező molekularészletet (poláris „fej”) találunk. A szilárd felületen megkötődő ion (Na+) helyett vele egyenértékű mennyiségű ion (Ca2+) kerül az oldatból (ioncsere adszorpció) a felületre.
46. ábra: Ioncsere adszorpció szilárd-folyadék határfelületen
w3.mkk.szie.hu/dep/chem/targyl/alk_kem/hull2ea.pdf
(A szilárd- folyadék határfelületi jelenségek közül nagyon fontosak a talaj kolloid részecskéin végbemenő adszorpciós folyamatok. A talaj kolloid részecskéi az agyagásványok és humusz anyagok, amelyek nagy felületi energiájukat a talajoldat ionjainak megkötésével csökkentik. A megkötött ionok a növények fontos tápanyag forrásai, minél több a talaj kolloid tartalma, annál nagyobb tápanyag raktározó képességű a talaj.)
Összefoglalás
A kolloidok köztes helyet foglalnak el a homogén és heterogén anyagi rendszerek között. Megkülönböztetésüket a részecskeméretből adódó kiugróan nagy fajlagos felület indokolja. Ezen a felületen más anyagokat képesek megkötni (adszorbeálni), így csökkentik a felületi energiájukat. A határfelületi jelenségek közül különösen fontosak a szilárd-folyadék felületen végbemenő ioncsere adszorpciós folyamatok.
A felületi jelenségek tárgyalása mellett áttekintette a kolloidok főbb csoportjait is.
Kolloid rendszerek
Önellenőrző kérdések
A kolloid rendszerek témaköréhez számítási feladatok nem tartoznak, így az önellenőrzés az elméleti kérdések megválaszolására szorítkozik.
1. Hasonlítsa össze a homogén, heterogén és kolloid rendszereket (mérettartomány, ülepedés, szűrhetőség)!
2. Jellemezze a makromolekuláris kolloidokat!
3. Hogyan keletkeznek az asszociációs kolloidok?
4. Mi az oka a kolloidok nagy adszorpció képességének?
5. Hol használjuk ki az adszorpció jelenségét?
6. Mondjon példákat a kolloidok fő típusaira!
7. A diszperziós közeg és a diszpergált részecske halmazállapotát tekintve, mi a különbség az emulzió és a szuszpenzió között?
Zárszó
Az „Általános kémiai ismeretek” című fejezetet lezárta. Foglalkozott az anyagi rendszerek csoportosításával, elhatárolta a kémiai folyamatokat a fizikai folyamatoktól. Megismerte az elsőrendű kémiai kötéseket, később a molekulák közti kölcsönhatásokat is megvizsgálta. Részletesen tárgyalta az oldatok keletkezését, majd a kolloid rendszerekkel is megismerkedett.
Ízelítőt vett a kémiai számításokból, a moláris tömeg, gázok standard és normál állapota illetve az oldatok töménysége témakörökben végzett számításokat.
Ha ezen sikeresen túljutott, az önellenőrző kérdések és feladatok sem jelentettek nagy gondot, akkor tovább léphet a kémiai reakciók világába. Ha később valami mégsem teljesen világos, bármikor visszakanyarodhat egy kis ismétlésre. Minél többször foglalkozik valamivel, annál elmélyültebb lesz a tudása!
Jó kalandozást a kémiai reakciók között!