Kolloidal stabilitet Flashcards
Kolloidala system
Kolloidala system
En kolloid är en system där små (nm-μm - Små partiklar som är kolloider) partiklar av ett ämne är dispergerat eller ”flyter runt” i ett annat. Små partiklar av ett ämne som flyter i ett medium
Det finns två typer av kolloider:
1- Dispergerade kolloider: För att tillverka det, behöver vi utföra ett arbete:
* 2-fassystem: Bildar 2 faser
* Ej termodynamiskt stabila (dvs. ej jämviktsstrukturer). De bildas ej spontant.
T.ex:
Fasta partiklar i gas (Rök)
Gas i vätska (Vispgrädde)
Vatten och olja (Emulsion)
Majonnäs (Emulsion)
Fasta i vätska
Gas i fast fas (Skum maddrass)
Vätska i fast fas: Gel –> Smör
Fasta partiklar i fast ämne: Legering —> Stål
2- Associationskolloider: Bildas spontant.
* Bildas genom självaggregering (self-assembly)
* Termodynamiskt stabila
* Drivkraft: Hydrofoba effekten
Bildar 1 fas
Kolloidala partiklar: Storleksordning
Kolloidala partiklar: Storleksordning
- Atom ~10^-10 m
- Protein ~10^-9 m
- Rödblodkroppar ~10^-5 m —-> Så stor som BMC!
- Fysikalisk Kemi lärare ~1,70 m —-> Så stor som Jorden!
Kolloidala partiklar är mycket större än molekyler, men mycket mindre än makroskopiska objekt.
Kolloider i vardagen
Kolloider i vardagen
Kolloidal stabilitet —> Hur länge partiklarna förblir dispergerad
Termodynamisk stabilitet —> Jämvikt. Tillståndet med lägsta energi.
Termodynamisk stabilitet: Beskriver vad vi förväntar oss vid stabilitet (Tillståndet med lägsta energi). Dispergerade kolloider är ej termodynamiskt stabila.
Alla dispergerade kolloider bildas inte spontat, de kan separeras i olika faser efter en viss tid. T.ex:
Mjölk efter en tidsperiod kan olja separeras från vatten.
Blodprov: Den kan koagulera
Alla dessa kommer att separeras till dess olika komponenter
EX: Man delar kritor, arean ökar men volym är det samma, därför har dispergerade kolloider stor area till volym förehållande.
Växelverkan mellan kolloidala partiklar
Växelverkan mellan kolloidala partiklar
* DLVO växelverkan:
– Elektriskt dubbellager —-> Repulsion
– Van der Waals —-> Attraktion
Mellan 2 sfärer som växelverkar med varandra i medium:
Kappa ökar med ökande salt konc.
Hammarskonstant = 1 + 2 + 1
1 och 1 är av samma material.
DLVO-teorin: Teorin beskriver kraften mellan laddade ytor som interagerar i ett flytande medium. Den kombinerar van der Waals attraktionen och den elektrostatiska dubbellager repulsionen.
Man har avsatt den potentiella energin mot avståndet mellan ytorna. Negativ energi innebär att det är attraktion och positiv energi innebär att det är repulsion
Total växelverkan
Total växelverkan
Olika faktorer påverkar stabilitet:
Ökar vi salt konc. repulsionen får kortar räckvidd för att elektriska dubbellagret blir smalare.
Debye längd: Beskriver hur tjockt är den elektriska dubbelagret (Den påverkas av salt konc.). Ökar vi salt konc., blir dubbellagret smalare.
Total växelverkan
Öka salt —>
Total växelverkan
Öka salt —> Barriär förvinner, attraktion vinner.
Den lösningen med ökad salt konc. —> Den kan separeras direkt, för att den har hög attraktion dålig kolloid stabilitet.
Den med låg salt konc: Partiklar håller länge (De kommer närmare varandra och det blir repulsion)
Vi kan minska tjockleken på dubbellager genom att öka salt konc.
Med ökande saltkoncentration avskärmas den elektrostatiska repulsionen alltmer effektivt medan de attraktiva krafterna knappt påverkas och en nettointeraktion som är attraktiv kan hittas vid längre avstånd. I och med att repulsionen avskärmas alltmer kommer energibarriären att minska och sannolikheten för koagulering ökar. En hög salthalt ger en låg elektrisk dubbellager repulsion för att den osmotiska tryckskillnaden mellan bulk och området mellan ytorna inte blir så stor.
Flockulering och koagulering
Flockulering och koagulering
Flockulering: Innebär att de bildar klump och är inte i kontakt med varandra. Lokal minimum. De kan inte gå ifrån varandra och kan inte gå över barriär.
Om de har tillräcklig med energi kan de koaguleras.
Koagulering: Innebär att vi får separation till en annan fas.
Flockulering: Innebär att det finns avstånd mellan partiklar är inte i kontakt med varandra
Koagulering är irreversibel aggregation
Flockulering är reversibel aggregation
Att separera dem från varandra gå till höger är inte så svårt (Bara att skaka).
Under vissa omständigheter kan partiklarna i en kolloidal dispersion bilda aggregat. Man brukar tala om två minimum: ett primärt och ett sekundärt minimum. I primärt minimum sker koagulering. Detta innebär att partiklarna fastnar i varandra irreversibelt och vi får aggregat som faller ner till botten. Det går inte att slamma upp igen, vilket är ett problem om man vill ha en beredning som ska gå att skaka upp.
För att komma till primärt minimum måste energin vara tillräckligt hög för passage av energibarriären. Denna bestäms av repulsionen, ju högre repulsion desto högre energibarriär.
I sekundärt minimum sker istället något som kallas för flockulering. Detta innebär att partiklarna befinner sig i lösa aggregat där de är reversibelt associerade till varandra. Det kan ske en deflockulering, de lösa aggregaten kan skakas upp av tillfällig rörelseenergi.
Tre typfall
Tre typfall
Förväntat beteende:
a) Kolloidal stabilitet: Partiklar aggregeras inte.
b) Flockulering: Energi barriär med sekundär minimum
c) Koagulering: Ingen barriär eller liten barriär
Koagulerings hastighet
Koagulerings hastighet
Hastighets konstanten för koagulation (K koagulation) = Beskriver hur stor andel av partiklar som har tillräckligt med energi för att komma över barriären.
Ökande elektrolyt koncentration minskar Wmax
CCC (Kritiskkoaguleringskoncentration). Koncentrationer av elektrolyt där Wmax = 0
Om man vill att systemet koagulerar, tillsats av multivalenta joner är mer effektiv (T.ex. NaCl)
z-potential:
z-potential: Laddad partikel i vätska, det finns diffusa lager som är parameter som är lätt att mäta experimentellt. Värde för detta är beroende på ytladdnings enhet.
Liten z = Systemet är ostabil (Koaguleras snabbt)
Tumregel:
- Fr.o.m. 0 mV t.o.m. ±5 mV : Snabb koagulering/flockulering
- Fr.o.m ±10 mV t.o.m ±30 mV: Ostabil
- From ±30 mV to ±40 mV: Stabil
- From ±40 mV : Utmärkt stabilitet i flera år
Hur kan man påverka stabiliteten?
Hur kan man påverka stabiliteten?
- Orsaka koagulering/flockulering (minska repulsionen)? Öka
- Stabilisera en ostabil kolloid (öka repulsionen)?
Växelverkan mellan 2 sfäriska ytor:
Attraktion kan vi inte påverka.
Kolloida stabilitet kan vi påverka:
Öka stabilitet = Starkare repulsion
Kappa —> Minska stabolitet genom att öka jon stryka
Minska stabilitet = öka salt konc.
Sigma: Laddningsenheten kan vi påverka genom att påverka pH: Dissociationsgraden kan vi påverka genom att ändra pH.
Apelsin är sur + fett partiklar. Mjölkproteiner är negativ laddad —> Vi tillsätter något surt —> Separation
Kaffe med mjölk + ättiksyra (Sur lösning) —> separation
Vi kan påverka Kappa och pH:
Vid minskad pH —> Minskad stabilitet (För negativ proteiner på ytan) —> Minskar repulsion
Vid ökad pH —> Minskad stabilitet (För positiva proteiner på ytan)
Ökad repulsion = ökad stabilitet = ökad ytladdningsenhet
Icke-DLVO växelverkan (exempel)
Icke-DLVO växelverkan (exempel)
- Effekt av polymerer
– Sterisk stabilisering (repulsiv, ökar kolloid stabilitet)
– Överbryggande flockulering (”Bridging flocculation”, attraktiv, minskar stabilitet)
– Utarmning flockulering (”depletion flocculation”, attraktiv, minskar stabilitet)
– Polyjonbryggning (attraktiv, minskar stabilitet) - Elektrostatisk korrelationskraft (attraktiv)
- Termiska fluktuationer (repulsiv)
- Hydratiseringskrafter (repulsiv)
- Hydrofoba interaktioner (attraktiv)
Ögondroppar ska vara isotona (salt) och ha fysiologiska pH (pH), då kan vi påverka andra krafter, nämligen icke-DLVO krafter.
Effekt av kedjepolymerer i lösning
Effekt av kedjepolymerer i lösning
Polymerer som löser upp sig i medium. Om man tillsätter polymerer till en lösning med kolloid.
En polymer kan skapa en nysta som får en konfigurationen och att polymer kedjan ändras hela tiden.
Avstånd mellan ytor kan vara passande så att polymer passar in men om dessa ytor är nära, ingen polymer kan komma in där inne, nu har vi konc. gradient, vatten går ur mellan ytor och det leder till osmotisk attraktiv kraft.
Polymerer i lösning orsakar en attraktiv kraft mellan partiklar när d <= 2Rg
Utarmade område mellan ytorna när d <=2Rg
En osmotisk attraktiv kraft uppstår
Utarmningskrafter
Utarmningskrafter
* Utarmnings flockulering är reversibel! Genom att skaka eller utspädda man kan separera partiklarna.
– Exempel på tillämpning: Separera celler från medium
Utarmningskrafter används för att:
Celler i medium + polymer —> Kan vi separera celler från ett medium genom att cellerna är väldigt nära och att inte vatten finns närvarande. De kan görs med polymerer som är lösliga och inte växelverkar med partiklar.
Effekt av adsorberade kedjepolymerer
Effekt av adsorberade kedjepolymerer
* Hög yttäckning / ”grafted polymers”: Sterisk stabilisering:
Partiklarna repellerar varandra pga:
* Entropi vid polymerkedjorna
* Osmotiskt tryck (lägre kemisk potential för vatten mellan partiklar än i bulken)
Grafted polymerer: När man kopplar polymerer till 2 molekyler som man vill ha separerade kan man gör det för att separera dem från varandra, detta funkar genom att vi får hög konc. polymerar mellan molekyler, därför vill vatten komma in och späda polymerer, därför repellerar molekyler varandra.
Polymerer kan också vara adsorberade (Med hög yttäckning) som innebär att polymerer att kopplade till nästa hela molekylen och täcker en stor del av molekylens yta.
