Übungskatalog Teil 2 Flashcards
Was sind amphiphile Moleküle? Wie lässt sich die Amphiphilie begründen?
Amphiphile Moleküle sind sowohl lipophil als auch hydrophil. Das heißt, dass sie
sich sowohl in unpolaren Medien wie Öl als auch in polaren Medien wie Wasser
lösen können. Diese Eigentschaft entsteht durch geometrisch getrennte, polare
und unpolare Teilstrukturen amphililer Moleküle.
Erkläre Amphiphilie am Beispiel von Ethanol.
Bei Ethanol ist die polare Teilstruktur die funktionelle OH-Gruppe, wohingegen
der Alkylrest unpolar ist.
Ist Methanol amphiphil? Begründe.
Nein, da die Alkylrest von Methanol nicht ausreichend stark ausgeprägt ist.
Dadurch ist Methanol eher ein rein hydrophiles Molekül. Analog sind sehr langkettige, einfache Alkohole eher hydrophobe, lipophile Moleküle. Es wird deut-
lich, dass beide Teilstrukturen gut ausgeprägt sein müssen, damit Moleküle
amphiphil sein können. (HBC-Balance)
Erkläre kurz Adsorption und Absorption.
Adsorption ist die Anreicherung von amphiphilen Molekülen an der Grenzfläche.
Die Grenzfläche wird von diesen Molekülen bevorzugt, da sie sich dort ausrich-
ten können (energetisch günstigere Position). Absorption hingegen bezeichnet
die Aufnahme von Stoffen ins Innere einer anderen Phase.
Die Grenzflächenkonzentration ist definiert als Γ = nσ
A , wobei σ für die
Gibbs’sche Trennebene steht.
Was ist die Gibbs’sche Trennebene σ?
Die reale Grenze zweier Phasen ist räumlich ausgedehnt und wenige Moleküllängen breit. Durch die Gibbs’sche Trennebene wird die Grenze idea-
lisiert, indem sie als zweidimensionale Grenzfläche angenommen wird. So
sind beide Phasen durch die Gibbs’sche Trennebene “scharf“ getrennt.
Die Grenzflächenkonzentration ist definiert als Γ = nσ
A , wobei σ für die
Gibbs’sche Trennebene steht.
Die Grenzflächenkonzentration Γ kann negativ werden. Wie kann das sein?
Was bedeutet das?
Die Grenzflächenkonzentration Γ ist eine Exzessgröße, daher kann sie auch
negativ werden. Negative Grenzflächenkonzentration Γ entsteht, wenn ein
Stoff die Grenzfläche meidet.
Die Grenzflächenkonzentration ist definiert als Γ = nσ
A , wobei σ für die
Gibbs’sche Trennebene steht.
Zeichne den Grenzbereich in das untere Diagramm ein. Kennzeichne die
reale Ausweitung. Idealisiere anschließend so, dass die Grenzflächenkon-
zentration Γ = 0 ist. Kannst du die Gibbs’sche Trennebene σ so legen,
dass Γ ungleich 0 ?
Zeichnung: Diagramm Konzentration c über Länge z; Ideal direkter Wechsel von Flüssifphasenkonzentration zu Gasphasenkonzentration; real: Übergangsphase δ
Bei der realen Grenzfläche verändert sich die Konzentration von der Flüssigphase zur Gasphase stetig. Die Ausdehnung δ des Grenzbereiches ent-
spricht diesem Übergangsbereich.
Die Gibbs’sche Trennebene ist hier so gewählt, dass Γ = 0. Beim Vergleich
des idealen und realen Verlaufs ist zu erkennen, dass durch die Idealisie-
rung auf der Flüssigphase bis zur Trennebene eine höhere Konzentration
angenommen wird. Im Gegensatz dazu wird auf der Gasphase eine ge-
ringere Konzentration angenommen. Ist die hinzugefügte Stoffmenge und
die reduzierte Stoffmenge identisch, dann ist Γ = 0. Die graphische Bedeutung ist, dass die graue Flächen links und rechts von zσ den gleichen
Flächeninhalt haben.
Wird die Ebene nun nach rechts verschoben, ist die hinzugefügte Stoffmenge größer als die reduzierte Stoffmenge (linke Fläche größer als rechte
Fläche). Um die Massenbilanz dennoch zu erfüllen, muss die Exzessstoffmenge an der Gibbs’schen Grenzfläche nσ negativ sein. Dann ist Γ < 0.
Für den Fall, dass die Ebene nach links verschoben wird, ist es genau
andersrum und Γ > 0.
Wieso ist die Syzszkowski-Langmuir Gleichung nur bei niedrigen Konzentrationen gültig?
Bei hohen Konzentrationen konkurrieren Lösungsmittelmoleküle ebenfalls um
Adsorptionsplätze. Diesen Effekt kann die Isotherme nicht berücksichtigen.
Wieso konkurrieren Lösungsmittelmoleküle um Adsorptionsplätze, auch wenn
sie eigentlich nicht grenzflächenaktiv sind?
Die Grenzflächenaktivität des gelösten Stoffes reduziert die Konzentration des
Lösungmittels an der Grenzfläche und induziert somit einen Konzentrationsgradienten. Das ist die Triebkraft für einen diffusiven Stofftransport an die
Oberfläche.
Was ist für Tenside charakteristisch?
Tenside sind amphiphile Moleküle mit sehr stark ausgeprägten polaren und unpolaren Strukturen. Sie adsorbieren sehr stark an Phasengrenzen und können
bereits bei geringsten Mengen eine starke Reduktion der Oberflächenspannung
bewirken. Des Weiteren bilden Tenside Mizellen, wenn eine kritischen Konzen-
tration im Lösungsmittel überschritten wird.
Definiere Adsorptiv, Adsorbat und Adsorbens.
Adsorptiv: Fluid, dass noch nicht adsorbiert wurde
Adsorbat: Partikel, die an der Phasengrenze adsorbieren
Adsorbens: Stoff an dessen Oberfläche adsorbiert wird
Adsorption unterteilt sich in Physisorption und Chemisorption. Erkläre den wesentlichen Unterschied. Wie lassen sich die unterschiedlichen Charakteristika
(siehe Tabelle 5.1 im Skript) erklären?
Unterschied: Chemiesorption sind die Anziehungskräfte sehr stark, deswegen wird es als irreversibel betrachtet
Enthalpie:
Physiosorption: 20-40 KJ/mol
Chemisorption: 80-400 KJ/mol
Kräfte:
Physiosorption: Van-der-Waals
Chemiesorption: chemische Bindung
Bedingungen:
Physisorption: niedrige Temperatur
Chemiesorption: erhöhte Temperatur
Schichthöhe:
Physisorption: Multimolekulare Schichten
Chemiesorption: Monomelukuare Schichten
Aktivierungsenergie:
Physisorption: nicht benötigt
Chemiesorption: benötigt
Was ist Kapillarkondensation? Welche Auswirkung hat sie?
Kapillarkondensation tritt in porösen Feststoffen auf, in der zuvor Physisorption
stattgefunden hat. Bei steigendem Druck wird in den Mesoporen eine stetig
wachsende multimolekulare Adsorptionsschicht aufgebaut. Ab einen kritischen
Punkt ist die Schicht so groß, dass sie auskondensiert. Das Kondensat reduziert
die verfügbare Oberfläche und unterbindet die weitere Physisorption.
Was wird durch die Adsorptionsisothermen dargestellt?
Die relative Adsorption wird über den relativen Druck im Gleichgewichtszustand
aufgetragen. Für die Adsorptionsisothermen ist die Temperatur konstant. Die
relative Adsorption ist das Verhältnis der adsorbierten Stoffmenge zur einschich-
tig adsorbierten Stoffmenge und der relative Druck das Verhältnis zwischen
vorherrschenden Druck und Sattdampfdruck.
Warum verlaufen Adsorptionsisotherme unterschiedlich? Existieren Charakteristika?
Je nach Tendenz zur Chemisorption(1), Physisorption(2) und Kapillar-/ Porenkondensation(3) resultieren bei der Reinstoffadsorption unterschiedliche Isothermen
Charakteristika:
(1) Chemisorption: Isotherme verläuft nach dem Langmuir Modell. Bei sehr
geringen Drücken bildet sich sehr schnell eine ausgeprägte, monomolekulare Schicht aus, jedoch nimmt auch die Druckabhängigkeit anschließend
sehr stark ab. Die Vervollständigung der monomolekularen Schicht ist mit
einer deutlichen Druckerhöhung verbunden.
(2) Physisorption: Isotherme verläuft bei geringen Drücken mit einer sehr ge-
ringen Steigung. Mit zunehmendem Druck wird die Kurve steiler. Im Be-
reich hoher relativer Drücke verlaufen die Kurven sehr steil. Bereits adsorbierte Moleküle begünstigen offensichtlich die weitere Adsorption.
(3) Kapillar-/Porenkondensation: bei hohen relativen Drücken kann bei porösen Komponenten Kapillar-/Porenkondensation auftreten. Die Isotherme
weist dann eine Adsorptionshysterese auf und die Steigung fällt sehr stark ab.
Zeichne und erkläre die Verläufe der Adsorptionsisothermen im Skript (S. 73f)
Diagramm: realtive Adsorption über relativer Druck
Typ I: reine Chemisorption (steigt satrk an und läuft dann gegen 1)
Typ II: erst Chemisorption, dann Physisorption (erst wie bei Typ 1 und dann weiterer anstieg)
Typ III: reine Physisorption (erst langsamerAnstieg und dann stärkerer Anstieg)
Typ IV: erst Chemisorption, dann Physisorption, dann Porenkondensation (wie Typ 2 nu am Ende ein abfallen der Steigung)
Typ V: erst Physisorption, dann Porenkondensation (Wie Typ 3 mit am Ende fallende Steigung)
Was sind Kolloide? Was sind ihre Eigenschaften?
Kolloide sind im Allgemeinen Teilchen oder Tröpfchen, die in einem Dispersionsmedium verteilt sind. Die mittlere Teilchengröße liegt typischerweise zwischen
1nm - 5000nm. Aufgrund des sehr großen Oberflächen-Volumen-Verhältnises,
dominieren ihre Grenzflächeneigenschaften.
Was wird durch die DLVO-Theorie beschrieben und wie?
Die DLVO-Theorie beschreibt die Stabilität kolloidaler Dispersionen. Es
wird angenommen, dass die Stabilität aus der Summe der Anziehungs-
und Abstoßungspotentiale resultiert.
Welche Arten von Kolloiden gibt es? Was ist charakteristisch?
Dispersionskolloide sind lyophobe Kolloide und die Dispersion ist thermodyna-
misch instabil. Die Teilchen streben zur Reduktion der freien Oberfläche und
neigen somit zur Koagulation.
Molekülkolloide sind geknäulte Makromoleküle in der Größenordnung eines Kolloides. Sie sind lyophil und somit ist das System thermodynamisch stabil.
Assoziationskolloide (Mizellkolloide) sind durch die Ausrichtung der Tenside lyophil und das System ist thermodynamisch stabil.
DLVO-Theorie: Welche Kräfte gibt es und wie wirken sie sich auf die Stabilität aus?
Es gibt die Born’sche Abstoßung, die Anziehung durch die Van-der-Waals-
Wechselwirkung und die Abstoßung durch die elektrochemische Doppel-
schicht.
Zur Beschreibung der Stabilität kolloidaler Dispersionen kann die Born’sche Abstoßung vernachlässigt werden. Sie verhindert aber, dass sich die Teilchen direkt berühren oder gar dass sich ihre Oberflächen überschneiden.
Die Stabilität ist primär abhängig von der Van-der-Waals-Wechselwirkung
und von der elektrochemischen Doppelschicht. Wenn die Anziehungs-
und die Abstoßungskräfte im Gleichgewicht sind, ist das System stabil.
Überwiegt die Van-der-Waals-Wechselwirkung, wird es zur schnellen Aus-
flockung kommen.
DLVO-Theorie: Zeichne für ein stabiles System qualitativ die Potentialverläufe sowie das
Gesamtpotential
Diagramm: Potential V über Abstand s
1. Kurve Born’sche Abstoßung Vb: kommt aus dem unendlichen und fällt schnell auf 0
2. Kurve Doppelschicht Abstoßung Vds: langsamer Abfall auf null
3. Kurve Van-der-Waals-Anziehung Vvdw: langsamer Abfall gegen null aus negativ unendlich
4. Kurve Gesamtpotenzial Vges: erst starker Abfall aus unendlich ins negative (primäres Minimun), dann Anstieg auf Maximum und wieder ein Abfall auf Vvdw mit sekundärem Minimum
DLVO-Theorie: Wie sind die Extrema des Gesamtpotentials zu interpretieren?
Wenn zwei Partikel den Abstand einnehmen, in dem das Gesamtpotential
ein Extremum hat, stehen sie im Kräftegleichgewicht.
Das primäre Minimum ist ein globales Minimum und der thermodynamisch
stabile Abstand. Die Anziehungs- und Abstoßungskräfte sind im Gleichgewicht. Wird das System durch äußere Einwirkung gestört, kehrt es wieder
in diesen Abstand zurück.
Das Maximum ist instabil. Theoretisch könnten die Partikel auch diesen
Abstand nehmen, jedoch würde die kleinste Fluktuation zum Verlassen
des Gleichgewichtszustandes in Richtung des primären oder des sekundären Minimums führen.
Das sekundäre Minimum ist meta-stabil, da es nur ein lokales Minimum
ist. Das primäre Minimum kann nicht erreicht werden, da dass Maximum eine Enegiebarriere darstellt, die nicht so leicht überwunden werden kann. Auch hier sind die Kräfte im Gleichgewicht und bei einer moderate Störung
würden die Partikel wieder zu diesem Abstand zurückkehren.
DLVO-Theorie: Lässt sich aus dem Diagramm ablesen, bei welchem Abstand die Partikel
sich abstoßen oder anziehen?
Ja, denn die Richtung der Kraft lässt sich aus dem Vorzeichen der Steigung
ableiten, denn es gilt:
dV/ds < 0 Abstoßung
dV/ds > 0 Anziehung
dV/ds = 0 Gleichgewicht
Die Größe der Kraft ist der Betrag der Ableitung.
DLVO-Theorie: Welchen Abstand nehmen Partikel ein, wenn die Dispersion stabil bzw. instabil ist.
Bei einer stabilen Dispersion nehmen die Partikel den Abstand ssek des
sekundären Minimums ein. Ist die Dispersion instabil, wird es zur Ausflockung kommen und die Partikel den Abstand spr i des primären Minimums einnehmen.
DLVO-Theorie:
Wie sieht das aus? Zeichne jeweils sieben gleichgroße Partikel die eine
stabile und instabile Dispersion darstellen.
Bild s.34 (Übungsumdruck)
Stablie Dispersion: ssek (größer als spri)
Insatblie Dispersion: spri
DLVO-Theorie: Wie kann die Stabilität der Dispersion erhöht werden?
- Vergrößerung des Partikeldurchmessers
- Erhöhung des Oberflächenpotentials
- Verringerung der effektiven Hamaker Konstante
- Verringerung der Ionenstärke
- Senkung der Temperatur
