Päivän teemat. 1) Käsittelemättä jääneet asiat ensimmäiseltä luennolta. 2) Kotitehtävä 3) Adsorptio ja pintojen termodynamiikka

Samankaltaiset tiedostot
Adsorptio ja pintojen termodynamiikka

CHEM-C2230 Pintakemia

CHEM-C2230 Pintakemia. Prof. Monika Österberg

CHEM-C2230 Pintakemia L12 Yhteenveto

L7 Kaasun adsorptio kiinteän aineen pinnalle

L7 Kaasun adsorptio kiinteän aineen pinnalle

CHEM-C2230 Pintakemia Barnes & Gentle: luku 8 L7 Kaasun adsorptio kiinteän aineen pinnalle

782630S Pintakemia I, 3 op

L10 Polyelektrolyytit pinnalla

L6 Neste-neste rajapinnat: Emulsiot

Tänään 1. Emulsiot 2. Projetityötupa

CHEM-C2230 Pintakemia L11 Pintakemia teollisissa prosesseissa - yhteenveto

Teddy 7. harjoituksen malliratkaisu syksy 2011

L10 Polyelektrolyytit liuoksessa

Tässä luvussa keskitytään faasimuutosten termodynaamiseen kuvaukseen

Puhtaat aineet ja seokset

ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto TERVETULOA!

Mitkä ovat aineen kolme olomuotoa ja miksi niiden välisiä olomuodon muutoksia kutsutaan?

Termodynaamisten tasapainotarkastelujen tulokset esitetään usein kuvaajina, joissa:

KEMS448 Fysikaalisen kemian syventävät harjoitustyöt

VESI JA VESILIUOKSET

CHEM-C2230 Pintakemia Barnes & Gentle: luku 4 L4 Pinta-aktiiviset aineet ja niiden adsorptio

CHEM-A1250 KEMIAN PERUSTEET kevät 2016

PINTA-AKTIIVISET AINEET

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

Luento 9 Kemiallinen tasapaino CHEM-A1250

2. Pintajännitys ja kostutus

4. Pinta-aktiiviset aineet ja niiden adsorptio

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

SAMI VESAMÄKI PINTAKEMIAN LABORATORIOTYÖN KEHITTÄMINEN

vetyteknologia Polttokennon tyhjäkäyntijännite 1 DEE Risto Mikkonen

Seoksen pitoisuuslaskuja

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

KEMIAN MIKROMAAILMA, KE2 VESI

L8 Pintavoimat, kolloidaalinen stabiliteetti ja partikkelikoko

Chapter 7. Entropic forces at work

Puhtaan kaasun fysikaalista tilaa määrittävät seuraavat 4 ominaisuutta, jotka tilanyhtälö sitoo toisiinsa: Paine p

Chem-C2400 Luento 3: Faasidiagrammit Ville Jokinen

CHEM-C2230 Pintakemia. Työ 2: Etikkahapon adsorptio aktiivihiileen. Työohje

Atomi. Aineen perusyksikkö


kuonasula metallisula Avoin Suljettu Eristetty S / Korkealämpötilakemia Termodynamiikan peruskäsitteitä

(l) B. A(l) + B(l) (s) B. B(s)

kemiallisesti puhdas vesi : tislattua vettä käytetään mm. höyrysilitysraudoissa (saostumien ehkäisy)

L8 Pintavoimat, kolloidaalinen stabiliteetti ja partikkelikoko

Gibbsin energia ja kemiallinen potentiaali määräävät seosten käyttäytymisen

Faasi: Aineen tila, jonka kemiallinen koostumus ja fysikaalinen ominaisuudet ovat homogeeniset koko näytteessä. P = näytteen faasien lukumäärä.

SISÄLLYSLUETTELO SYMBOLILUETTELO 4

luku 1.notebook Luku 1 Mooli, ainemäärä ja konsentraatio

Kemiallinen reaktio

Palautus yhtenä tiedostona PDF-muodossa viimeistään torstaina

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

Lämpöoppi. Termodynaaminen systeemi. Tilanmuuttujat (suureet) Eristetty systeemi. Suljettu systeemi. Avoin systeemi.

Kertausta 1.kurssista. KEMIAN MIKROMAAILMA, KE2 Atomin rakenne ja jaksollinen järjestelmä. Hiilen isotoopit

MT Sähkökemialliset tutkimusmenetelmät

Tavoite. Projektissa tutkitaan ja prosessoidaan mineraalivarantoja ja teollisuuden sekä voimalaitosten yhteydessä syntyviä sivuvirtoja ja poisteita.

Tehtävä 1. Valitse seuraavista vaihtoehdoista oikea ja merkitse kirjain alla olevaan taulukkoon

4. Pinta-aktiiviset aineet ja niiden adsorptio

Sähkökemian perusteita, osa 1

Valitse seuraavista joko tehtävä 1 tai 2

c) Tasapainota seuraava happamassa liuoksessa tapahtuva hapetus-pelkistysreaktio:

Seosten erotusmenetelmiä

Luku 3. Protolyysireaktiot ja vesiliuoksen ph

Tehtävä 1. Tasapainokonversion laskenta Χ r G-arvojen avulla Alkyloitaessa bentseeniä propeenilla syntyy kumeenia (isopropyylibentseeniä):

= P 0 (V 2 V 1 ) + nrt 0. nrt 0 ln V ]

Sekoituksen merkitys kemikaalien syötössä

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

CHEM-A1200 Kemiallinen rakenne ja sitoutuminen

Ohjeellinen pituus: 2 3 sivua. Vastaa joko tehtävään 2 tai 3

Luku 5: Diffuusio kiinteissä aineissa

Tehtävä 2. Selvitä, ovatko seuraavat kovalenttiset sidokset poolisia vai poolittomia. Jos sidos on poolinen, merkitse osittaisvaraukset näkyviin.

5 LIUOKSEN PITOISUUS Lisätehtävät

Lasku- ja huolimattomuusvirheet - ½ p. Loppupisteiden puolia pisteitä ei korotettu ylöspäin, esim. 2½ p. = 2 p.

Fysiikan, kemian, matematiikan ja tietotekniikan kilpailu lukiolaisille

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

Seokset ja liuokset. 1. Seostyypit 2. Aineen liukoisuus 3. Pitoisuuden yksiköt ja mittaaminen

3Työ. 3.1 Yleinen määritelmä

Kemiallinen mallinnus I: mallintamisen perusteita. Astrokemia -kurssin luento

Kemia ja ympäristö opintojakso

Veden ionitulo ja autoprotolyysi TASAPAINO, KE5

Elektrolyysi Anodilla tapahtuu aina hapettuminen ja katodilla pelkistyminen!

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

Biofysiikka, Luento

Tikkurila-opisto Rakennusmaalauksen suunnittelu. Vanhojen maalipintojen analysoinnista Tutkimuspäällikkö Jukka Järvinen

AKD-LIIMAN PARTIKKELIKOKOJAKAUMAAN VAIKUTTAVAT TEKIJÄT

Funktionaaliset nanopinnoitteet koneenrakennuksessa

Törmäysteoria. Törmäysteorian mukaan kemiallinen reaktio tapahtuu, jos reagoivat hiukkaset törmäävät toisiinsa

Liike ja voima. Kappaleiden välisiä vuorovaikutuksia ja niistä aiheutuvia liikeilmiöitä

Luento 13: Periodinen liike. Johdanto Harmoninen värähtely Esimerkkejä F t F r

vetyteknologia Polttokennon termodynamiikkaa 1 DEE Risto Mikkonen

6. Yhteenvetoa kurssista

2CHEM-A1210 Kemiallinen reaktio Kevät 2017 Laskuharjoitus 7.

Tekijä lehtori Zofia Bazia-Hietikko

HEIKOT VUOROVAIKUTUKSET MOLEKYYLIEN VÄLISET SIDOKSET

Nanotäyteaineiden sekoittamisen haasteet ja ongelmat Kumi-instituutin keväseminaari

JÄÄTYMISPISTEEN ALENEMA Johdanto. 2 Termodynaaminen tausta

P = kv. (a) Kaasun lämpötila saadaan ideaalikaasun tilanyhtälön avulla, PV = nrt

Jauheiden varautumismekanismit, mittaaminen ja varautumisen hallinta. Matti Murtomaa FT, Orion, Espoo,

Dislokaatiot - pikauusinta

4) Törmäysten lisäksi rakenneosasilla ei ole mitään muuta keskinäistä tai ympäristöön suuntautuvaa vuorovoikutusta.

Transkriptio:

Päivän teemat 1) Käsittelemättä jääneet asiat ensimmäiseltä luennolta a) Kolloidi- ja pintakemian käytännön haasteet b) Muutamat käsitteet 2) Kotitehtävä 3) Adsorptio ja pintojen termodynamiikka

Miksi pintakerros on niin ohut? Kahden molekyylin välinen vuorovaikutusenergia: U A r 6 B r 12 U/kT 0.8 0.6 r r o U = energia r = etäisyys Energia pienenee nopeasti etäisyyden funktiona. 0.4 0.2 0-0.2-0.4-0.6-0.8 r/r 0 0 1 2 3 4 A = 2.5 10-20, B = 1.5 10-20, T = 298 K 29.2.2016 2

Voimia rajapinnalla Molekyylien väliset vuorovaikutukset Kaasu Isotroopinen / homogeeninen rajapinta Anisotrooppinen/ heterogeeninen Neste Isotrooppinen Vaikutukset: pintajännitys, vesipisarat, kapilaarivoimat 29.2.2016 3

Tyypillisiä käytännön haasteita kolloidikemiassa Miten valmistetaan stabiili dispersio, emulsio tai vaahto? Miten ph, T, suolakonsentraatio tai leikkausvoimat vaikuttavat dispersion (emulsion, vaahdon) stabiiliuteen? Miten kolloidi flokataan? Mikä on flokatun kolloidin rakenne? Pickering emulsion Huokoinen Järjestäytynyt Tiivis Mikä on dispersion ja liuoksen ero? Mitä tarkoittaa flokkaus?

Kolloidikemian käsitteitä Suspensio: kiinteät partikkelit nesteessä Kolloidaalinen suspensio: partikkelit kolloidaalisessa kokoluokassa (nm-µm) Dispersio: partikkelit ja väliaine voi olla kiinteä, neste tai kaasu Kolloidi/kolloidaalinen dispersio: dispersio, mutta partikkelit ovat kolloidaalista kokoluokkaa Kaksi faasia: jatkuva ja dispergoitunut faasi Liuos: esim NaCl + vesi: yksi faasi

Flokkuointi dispersio flokkulointi sedimentaatio Flokkulointi: reversiibeli aggregoituminen Koagulointi: irreversiibeli aggregoituminen 29.2.2016 6

Pintakemian käytännön haasteet Miten puhdistaa pintaa? Miten pitää pintaa puhtaana? Miten kontrolloit miten neste kostuttaa pintaa? Miten saada pinnat tarttumaan toisiinsa? Miten nesteet tunkeutuvat huokoisiin?

Kolloidien stabilisuus Flokkulointi/koagulointi Mikä vaikuttaa flokkulointiin: Kuinka usein partikkelit törmäävät: - Partikkelikoko - Partikkelimuoto - Sekoitus - Sedimentaatio Törmäystehoon vaikuttaa: - Partikkeleiden välinen vuorovaikutus - Tämän vuorovaikutuksen riippuvuus etäisyydestä

Voimia kolloidaalisissa dispersioissa pintavoimia diffuusivoima(brownian motion) kitkavoima Hydrodynaamisia voimia Esim. sekoitus

Brownian motion (Brownin liike) Partikkelit liikkuvat koko ajan kolloidaalisessa dispersiossa. Tämä liike on nopea ja täysin satunnainen. x x

Miksi kannattaisi tutkia pintakemiaa? Uudet funktionaaliset (kestävät) materiaalit Nanosellu Nanolitografiaa käyttäen lohkopolymeerejä ja kontrolloimalla niiden itsejärjestätymistä liuotin- vaihdolla Nanoteknologiassa tärkeää Paljon avoimia kysymyksiä ACS Nano, 2014, 8 (10), pp 10009 29.2.2016 11

CHEM-C2230 Pintakemia 3. Adsorptio ja pintojen termodynamiikka Monika Österberg Kevät 2016

Adsorptio muuttaa pintaominasuuksia Pinta-aktiivisen aineen adsorptio vedenpinnalle Miten vaikuttaa pintajännitykseen? Voidaan muuttaa pinnan varausta Retentiopolymeerien adsorptio Veden puhdistus (flokkaus) käyttäen polymeerejä flokkulantteina Voidaan muuttaa pinnan pintaenergia Vaikutetaan veden/liuosten leviämiseen Vaikutetaan aineiden tarttumiseen Pintojen likaantuminen Mitä adsorboituu? Mitkä ominaisuudet voi muuttua? Adsorptio voi muuttaa pintajännitystä, vuorovaikutusta, varausta, pintaenergiaa,

Adsorptio Adsorptio = aineen rikastuminen pintaan Adsorption suuruutta kuvataan pintakonsentraation, (surface concentration), avulla: n s A n s = pinta-alaan A adsorboituneen aineen määrä. 03/14

Adsorption kuvaaminen: adsorptioisotermi Pintakonsentraatio, Adsorptioisotermi = pinnalle adsorboitunut ainemäärä liuoksen konsentraation funktiona Konsentraatio liuoksessa, c HUOM: Kokonaiskonsentraatio = adsorboitunut määrä + konsentraatio liuoksessa 03/15

Adsorptioon vaikuttavia vuorovaikutuksia van der Waals-vuorovaikutuksia: fysikaalinen adsorptio (physisorption) Kemialliset reaktiot pinnassa: kemisorptio (hyvin tärkeä katalyysissä) (chemisorption) Sähköstaattiset vuorovaikutukset Adsorboitunut kerros on usein järjestäytynyt: molekyylit orientoituvat tiettyyn suuntaan ionit jakautuvat kerroksiin 03/16

Pintakonsentraation laskeminen: Gibbsin jakopinta β τ X B α A = liuotin, B = liennut aine 03/17

Fysikaalisesti ei voida yksiselitteisesti määrittää mistä toinen faasi alkaa ja toinen loppuu, koska aineiden konsentraatiot muuttuvat faasirajassa yleensä astettain. Määritetään matemaattinen rajapinta (X), jolla ei ole paksuutta. n s B Adsorboitunut määrä on se määrä ainetta B, joka on systeemissä yli sen määrän joka olisi siellä jos faasien koostumukset todella säilyisivät muuttumatomina tasoon X asti. X sijoittuu siten että liuotinylimäärä = 0 Merkitään aineen B pintaylimäärää Useimmiten käytetään liuotinta A referenssiaineena B (A) Pintakonsentraatiota kutsutaan näin määritettäessä myös pintaylimääräksi (surface excess). 29.2.2016 18

Adsorption mittaaminen (kiinteät aineet) c A o Sekoitetaan Erotetaan c A c B 0 m c B m Liuos ja kiinteä aine (hiukkaset), jonka massa on m ja ominaispinta-ala on A s, sekoitetaan siten, että systeemi saavuttaa tasapainotilan. Kiinteä aine erotetaan liuoksesta ja mitataan aineiden konsentraatiot. Jos liuos on laimea ja adsorptio voimakasta voidaan pintakonsentraatio laskea kaavasta (V = liuoksen tilavuus) A ( ) B c B o cb A m s V Adsorptio nesteen pinnalle on mahdotonta mitata tällä tavalla, koska pintaala muuttuu nestettä erotettaessa 03/19

Gibbs in adsorptioyhtälö Adsorptio voidaan laskea pintajännityksestä. Pintaylimäärän ja pintajännityksen välinen yhteys saadaan, adsorptiotasapainon vallitessa, Gibbsin adsorptioyhtälön mukaan (Gibbs adsorption equation): d d B B (A) B = aineen kemiallinen potentiaali. Laimeassa liiuoksessa B B o RT ln cb joten B (A) 1 RT d dlnc B 03/20

Adsorption mittaaminen (liuokset) Pintajännitys Pintakonsentraatiota lasketaan käyrän kaltevuudesta Mitataan liuoksen pintajännitys aineen konsentraation (c B ) funktiona Lasketaan pintakonsentraatio käyttämällä Gibbs in adsorptioyhtälöä B (A) 1 RT d dlnc B ln c B 03/21

Esimerkkejä 03/22

Esimerkki: alifaaattisten alkoholien vesiliuosten pintajännitykset (25 o C) A = hexanoli (C 6 H 13 OH) B = heptanoli (C 7 H 15 OH) C = oktanoli (C 8 H 17 OH) D = nonanoli (C 9 H 19 OH) E = dekanoli (C 10 H 21 OH) Heptanolin pintakonsentraatio kun c 2 = 0,01 mol/dm 3 : Miten pinta-aktiivisen aineen ketjunpituus vaikuttaa d dl ln c B -2 d 21,5 mj m 2.303d log c B 2,303 0,5 (A) B = 7,55 mol m 2 45,5 10 17 molek. m 2 0, 2 nm 2 / molek 03/23

Surface modification of lignin nanoparticles (LNP) with polycation Zeta potential (mv) 80 40 0-40 The surface charge can be reversed + - + - - + + -80 1E-6 1E-4 1E-2 1E+0 PDADMAC/LNP (mg/mg) Lievonen et al Green Chemistry 2015 Mitä hyötyä on pintavarauksen muuttamisesta? PDADMAC 29.2.2016 24

Application: Layer-by-Layer coatings Wax particles ZnO particles Pre-coating (PDDA/PSS)3 + - Possibilities: Pre-coating + (ZnO/PSS)n + Wax Pre-coating + (ZnO/Wax)n Pre-coating is required to even out the charges on wooden surface and make the coating homogeneous

Kostuminen Sinkkioksidipartikkeleita + vahapartikkeleita puupinnalla 140 1 layer of ZnO Contact angle 130 120 110 100 90 80 70 60 50 Polyelektrolyyttejä+ nanopartikkeleita 40 0 20 40 60 80 100 Time, s Pre-coating Pre-coating + ZnO Pre-coating + Zno + Wax Lozhechnikova manuscript 29.2.2016 26

Vaahdon muodostus air 29.2.2016 27

Paperin valmistus: retentio Hubbe 29.2.2016 28

Mitä ominaisuuksia voidaan muuttaa adsorption avulla? Antakaa käytännön esimerkkejä 1) Adsorptio neste-kaasu rajapinnalle 2) Adsorptio kiinteälle pinnalle - polymeeri - pinta-aktiivinen aine - partikkeli 03/29

Adsorptioilmiöt esimerkkejä paperin valmistuksesta Hemiselluloosan, uuteaineiden, ligniinin ja metalli-ionien adsorptio kuituihin Pesu, valkaistavuus, sitoutumiskyky Hydrofobisten aineiden ja hartsien adsorptio paperin pinnalle Hydrofobointi, pintakäsittelyt, märkä- ja kuivalujitteet Synteettisten polymeerien ja pinta-aktiivisten aineiden adsorptio kuitujen ja pigmenttien pinnoille Retentioaineiden toiminta, vedenpuhdistus Päällystyspastojen ja täyteaineiden dispergointi ja stabiilisuus Pinta-aktiivisten aineiden, polymeerien ja partikkelien adsorptio vesiliuosten pinnoille Vaahdon muodostus, vaahdonestoaineiden toiminta Hydrofobisten aineiden ja polymeerien adsorptio paperikoneen telapinnoille jne.

Eri paperikemikaalien toimintamekaniskmit Adsorptio esim. Retentiokemikaalit Adsorptio-Reaktio e.g. Märkälujahartsit Adsorption-Leviäminen-Reaktio hydrofobointiaineet (esim. AKD)

+ + + + + + - - - Polymeerien adsorptio

AKD (alkylketendimer) hydrofobointi 1) Retentio 2) Leviäminen 3) Reaktio AKD reagoi selluloosan OH-ryhmien kanssa

Yhteenveto Adsorptio = aineen rikastuminen pintaan Gibbsin adsorptioyhtälö pintaylimäärä Adsoption avulla voidaan muuttaa pintaominaisuuksia Varaus, vuorovaikutus, pintajännitys Kostuminen, likaantuminen Vaahtojen muodostus tai esto Emulsioiden muodostus 03/34