Vorlesung Kolloidchemie I

I. Einführung in die „Welt der Kolloide“

1.1. Historischer Abriß

1.2. Bedeutung und Einordnung heute

II. Einteilung kolloidaler Systeme

Einteilung kolloidaler Systeme

• Nach dem Aggregatzustand

• Nach der Wiederauflösbarkeit

• Nach der WW mit dem Dispersionsmittel

• Nach dem Ladungszustand

• Nach der Bindungsart

• Nach Substanzklassen

Einteilung nach der Wiederauflösbarkeit

KOLLOIDE

reversibel

-Mizellkolloide -Molekülkolloide

irreversible

-ionisch geladene Kolloide

Einteilung nach der Wechselwirkung mit dem Dispersionsmittel

KOLLOIDE

-osmotischer Druck: hoch-Viskosität: hoch

lyophil lyophob

-osmotischer Druck: niedrig-Viskosität: niedrig

Einteilung nach der Bindungsart

• Metallische Bindungen

• Hauptvalenzbindungen

• Semipolare Bindungen

• Van der Waals Bindungen

Einteilung nach dem Ladungszustand

KOLLOIDE

elektrokratisch

-elektrische Doppelschicht

solvatokratisch

-Solvathülle

Einteilung nach Substanzklassen

• Dispersionskolloide

• Assoziationskolloide

• Makromoleküle

III. Stabilität kolloidaler Systeme

Stabilität disperser Systeme

• Kolloidales Gold

• Milch

• Creme

koagulationsstabil

Kolloidal stabiler Zustand

ist ein koagulationsstabiler Zustand

Warum sind kolloidale Systeme stabil ?

Wechselwirkungsenergie – Abstands

Funktion ?

3.1. Zwischenmolekulare Kräfte

• 3.1.1. WW zwischen zwei Ionen• 3.1.2. WW zwischen zwei permanenten Dipolen• 3.1.3. WW mit dipolinduzierten Molekülen• 3.1.4. WW zwischen zwei Neutralmolekülen• 3.1.5. Atomare Abstoßungskräfte

3.1. Zwischenmolekulare Kräfte3.1.1. WW zwischen zwei Ionen

 

 

Coulomb’sche Gesetz 

Coulomb - Energie

204/ rqqrF BA

rqqdrrFrV BA

r

04/

rezz BA 02 4/

3.1. Zwischenmolekulare Kräfte

3.1.2. WW zwischen zwei permanenten Dipolen

Permanenter Dipol

• Alle unsymmetrischen Moleküle stellen permanente Dipole dar.

Permanenter Dipol

• Zwei gleichgroße elektrische Ladungen unterschiedlichen Vorzeichens, die einen Abstand l besitzen, bilden einen elektrischen Dipol

3.1. Zwischenmolekulare Kräfte3.1.2. WW zwischen zwei permanenten Dipolen

lqDipolmoment:

-bei beliebiger Orientierung gilt:

cossinsincoscos24/ 30 BABABA rrV

-bei paralleler Orientierung gilt:

304/2 rrV BA

-bei antiparalleler Orientierung gilt:

 bei Rotation durch Wärmebewegung (Keesom):

Keesom - Energie

304/ rrV BA

620

22 43/2 rkTrV BA

3.1. Zwischenmolekulare Kräfte

3.1.3. WW mit dipolinduzierten Molekülen

Induzierter Dipol

• Bringt man ein symmetrisches Molekül in ein elektrisches Feld der Feldstärke E, so kann dadurch eine Ladungsverschiebung im Molekül stattfinden, und es wird ein Dipolmoment induziert.

3.1. Zwischenmolekulare Kräfte3.1.3. WW mit dipolinduzierten Molekülen

Debye - Energie

Dipolmoment:

-WW zwischen einem Ion (B) und einem dipolinduzierten Molekül (A):

-WW zwischen einem Molekül mit permanenten Dipol (B) und einem

dipolinduzierten Molekül (A):

Eind

420

22 32/ rqzrV BBA

620

2 4/ rrV BA

3.1. Zwischenmolekulare Kräfte3.1.4. WW zwischen zwei Neutralmolekülen

Ladungsfluktuation durch Elektronenbewegung zeitlich veränderlicher Dipol-WW zwischen zwei fluktuierenden Dipolen bedingt Phasenverschiebung ( = 180°) 

 

= Londonsche Konstante 

h- Plancksches Wirkungsquantum

(für gleiche Moleküle)

London- Energie

6/ rrV

02010201

0201

2

3

h

mit (für ungleiche Moleküle)

24/3 dhmit

- Elektronenfrequenz

3.1. Zwischenmolekulare Kräfte3.1.5. Atomare Abstoßungskräfte

Abstoßung bedingt durch Ladungen der Elektronenhüllensowie einen quantenmechanischen Effekt bei der

gegenseitigen Durchdringung von Atomen oder Molekülen

b, k – Konstanten

Born - Energie

k

r

ebrV

Lennard-Jones-Potential

Born - Abstoßung

Van der Waals - Anziehung

Lennard- Jones-Potential

3.2. Zwischenpartikulare Kräfte

• 3.2.1. Van der Waalssche

Wechselwirkung

Energie-Abstandsfunktion zwischen Partikeln

• Makroskopischer Ansatz

• Summation der molekularen WW-kräfte durch Integration über die Volumina

3.2. Zwischenpartikulare Kräfte3.1.1. Van der Waalssche Wechselwirkung

Londonsche Wechselwirkungsenergie

a) für kugelförmige Teilchen gilt in erster Näherung (für a d) :

mit A – Hamaker Konstante

262

21

/ dvrqdvVvv

daAV 12/ 22 qA

1, 2 – Volumina der Teilchenq – Atome pro cm3

a - Partikelradiusd - Abstand zwischen den Partikeln

b) für zwei parallele Platten

2d-A/12V

im Vakuum

3.2. Zwischenpartikulare Kräfte3.1.1. Van der Waalssche Wechselwirkung

(Berechnung der Hamaker Konstanten)

Zum Einfluß des umgebenden Mediums auf die Hamaker-Konstante  Näherungsgleichung:

 

- Hamaker-Konstante für WW zwischen zwei Teilchen des dispergierten Stoffes im Vakuum 

- Hamaker-Konstante für WW zwischen zwei Teilchen des Dispersionsmittels im Vakuum

22120

2110 AAA

2110A

2120A

3.2. Zwischenpartikulare Kräfte3.1.1. Van der Waalssche Wechselwirkung

(Berechnung der Hamaker Konstanten)

Hamaker-Konstante für zwei verschiedenartiger Teilchen   Näherungsgleichung:

12212

12 qqA

2112 mit