Tfki30 Yt –och kolloidkemi Ht-02

TFKI30 Yt –och kolloidkemi Ht-05 Institutionen för fysik och mätteknik
Marianne Granfelt
Kortfattade lösningar till tentamen i Yt– och kolloidkemi 2005-12-21
1. Exempel på metoder som kan användas:
Molmassa: Kan fås med hjälp av ultracentrifugering eller genom mätning av osmotiskt tryck( obs endast för termodynamiskt stabila system). En ytterligare möjlighet är ljusspridning.
Laddning: Kan fås med elektrokinetiska metoder. De som gäller för partiklar är elektrofores och sedimentationspotential. En annan möjlighet kan vara kraftmätning med AFM.
Porositet: Kan fås med hjälp av kvicksilverporosimetri. En uppfattning om ytans struktur kan också få med ytskanningstekniker som AFM och SEM. Att gör adsorptionsmätningar ( t.ex. adsorbera kvävgas sär molekylernas storlek är känd) ger också uppfattning om ytstorlek och därmed indirekt information om porositet.
Ytsammansättning: Fås enklast med ESCA. Ämnen som finns vid ytan kan också fås med hjälp av ESEM- instrument ( environmental SEM)
(4p)
-
a) För antalet partiklar gäller
Vid halveringstiden är n=n0/2 vilket ger att:
(5p)
b)
Total yta små=
Total yta stora =
Yta per tensidmolekyl = 18 *10-20 m2
Totalt antal mol som behövs för små doppar =
Totalt antal mol som behövs för stora doppar =
(3p)
3. a) Då flödet p.g.a.sedimentation är lika stort som
flödet p.g.a.diffusion blir nettoflödet =0
Detta kallas sedimentationsjämvikt
(2p)
b) Vid sedimentationsjämvikt gäller
om man plottar data såsom angivits i uppgiften så gäller att:
Där n= antalet varv per sekund
Lutningarna för de två graferna bestäms till 3,3cm-2 för den övre och 2,8 cm-2 för den undre. (lite svåravlästa)
Detta ger
Och
D.v.s det är troligt att det handlar om två subenheter.
(4p)
4. Ytspänning beror på obalans i de intermolekylära krafterna. En molekyl som
befinner sig i gränsytan påverkas inte av lika stora krafter åt alla håll. Detta leder till en resulterande kraft inåt åt bulken.
De attraktiva krafterna mellan molekylerna kan utgöras av Van der waals krafter, elektriska krafter eller metalliska ”bindningar”. Ju starkare
de intermolekylära krafterna är ju större blir obalansen och ju högre är den energi som behövs för att flytta en molekyl från bulken till ytan. Detta är den energi som behövs för att skapa ny gränsyta vilket är vad ytspänningen beskriver.
Vätska Verkande krafter
Hexan Dispersionskrafter
Oktan Dispersionskrafter (blir starkare ju större molekylen är)
Oktanol Dispersionskrafter och dipol-dipolinteraktioner och vätebindingar
Vatten Dispersionskrafter, dipol-dipol och vätebindningar
Kvicksilver Metallisk bidning (mycket stark växelverkan)
En gränssiktsspänning kan beräknas m.h.a. Fowkes approximation: , d.v.s. gränsskiktsspänningen är lägre än summan av ytspänningarna.
Korrekt tabell ska därför vara
Gränsytor ytspänning/gränsskiktsspänning ( mJ/m2)
Kvicksilver/luft 485
Hexan/luft 18,4
Hexan/vatten 51 beräknad till 51,1
Oktan/luft 21
Oktanol/luft 27,5
Vatten/luft 72,8
Kvicksilver/vatten 416 ”gissad” bör vara lägre än kvicksilver/luft
(7p)
5.
a) De tre olika beteendena är följande:
1- organiskt ämne, 2- elektrolyt, 3- ytaktivt ämne som bildarstrukturer ( miceller) (2p)
b) kurva 3 innebär att strukturer ( miceller) bildas i lösningen. Miceller bildas av
tensidmolekyler som har en hydrofob svans och ett hydrofilt huvud. Drivkraften
för micellbildning är att det är ogynnsamt för vattnet att växelverka med de
hydrofoba kedjorna
För att geometriskt passa för att bilda miceller bör huvudet vara stort och svansen
liten:
(3p)
c) För ytöverskottskoncentrationen gäller:
Ytan per molekyl fås då som:
(3p)
6. konstruktion av vatten avstötande material
I detta fall vill vi att SW ska vara stor och att SA ska vara liten så att P blir negativ d.v.s. alternativ b)
Spridning av vatten på hydrofobt material
I detta fall vill vi att SW ska minska och att WA ska minska d.v.s. alternativ c)
Tvätt av oljig smuts
I detta fall är det bra om SW minskar och OW minskar och ännu bättre om OS dessutom ökar, d.v.s. a) är rätt svar.
(6p)
7. a)
(3p)
b) Adsorptionsentalpin får genom att avsätta lnP mot 1/T eftersom
Lutningen är -5228K vilket ger adsorptionsentalpin = -5228 K *8,314 J/mol K=
-43,4 kJ/mol
Ytan för det aktiva kolet =
(1p)
-
Adsorptionsentalpin skulle förmodligen vara mindre negativ, d.v.s. mindre mängd värme skulle avges vid en högre beläggningsgrad eftersom de mest energirika ”siten” på ytan besätts först.
(1p)
8.
a) Den s.k. DLVO-teorin studerar stabiliteten hos lyofoba soler genom att studera hur
de attraktiva och repulsiva krafterna varierar med avståndet mellan partiklarna.
Kolloidala partiklar är ofta laddade ( i en vattenlösning) och den laddade ytan (laddad partikel) påverkar fördelningen av joner i lösningen. Närmast ytan finns ett skikt med motsatt laddade joner (sternskiktet) och utanför detta skikt finns ett diffust skikt. Jonerna i det diffusa skiktet påverkas av elektrostatiska krafter och av termisk rörelse. Sternskiktet och det diffusa skiktet utgör tillsammans det elektriska dubbelskiktet.
Den repulsiva kraften beror på minskad entropi, det blir trångt när skikten överlappar. Kraften beror naturligtvis på elektrostatiken så till vida att skikten inte skulle finnas annars!
Den attraktiva termen är Van der Waals växelverkan och beror på vad som kan kalla elektrostatisk växelverkan mellan oladdade pariklar, i detta fall inducerad dipol-inducerad dipol ( d.v.s. växelverkan p.g.a. ”asymmetri” i elektronmolnet)
Den attraktiva och den repulsiva termen har olika avståndsberoende och summan är den totala växelverkansenergin. Nedan visas hur summan kan se ut som funktion av avståndet mellan partiklarna.
(4p)
b) då den kritiska koaguleringskoncentrationen inträffar gäller
d.v.s. då måste
och följaktligen H=1
insättning i den första ekvationen ger då att
(4p)
c) Det diffusa skiktets tjocklek ges av 1/ där
C är motjonernas koncentration vilket i detta fall är 0,010 M
Z är motjonens valens vilken kan antas vara 1.
Insättning ger:
Tjockleken 1/ blir då: 3,0410-9m (2p)
9.
a) För emulgatorer kan man ange ett värde kallat HLB-talet. Detta tal beskriver
balansen mellan den hydrofila och den lipofila delen av molekylen. Ju högre
HLB tal ju mer hydrofil är molekylen. Mer hydrofil gynnar en O/W-
emulsion. Mer lipofil emulgator gynnar en W/O-emulsion.
PIT= Phase Invesion Temperature. Detta är den temperatur då
emulgatorn,som ändrar hydrofil/lipofil balansen med ökande temperatur ( blir
mer lipofil) övergår från att gynna en O/W emulsion till att gynna en
W/O-emulsion.
b)
-
O/W
|
W/O
|
Blandas lätt med vatten
|
Blandas lätt med olja
|
Leder ström bra
|
Leder ström dåligt
|
Färgas av vattenlösligt färgämne
|
Färgas av oljelösligt färgämne
|
”Krämig”
|
”Flottig”
|
c)
d)
e)
-
Potential
|
Stationär
vägg
|
Partiklar
i rörelse
|
Pålagd
|
Elektro-osmos
|
Elektrofores
|
Inducerad
|
Strömningspotential
|
Sedimentationspotential
|
(4p)
För uppgift 10-14 se respektive projektrapport.
|