เคมีพื้นผิวและคอลลอยด์
เคมีพื้นผิวและคอลลอยด์ศึกษาฟิสิกส์และเคมีของส่วนต่อประสานและสสารที่ถูกแบ่งละเอียด ซึ่งอัตราส่วนพื้นที่ผิวต่อปริมาตรที่สูงทำให้แรงระหว่างส่วนต่อประสานมีอิทธิพลต่อพฤติกรรม
Definition
เคมีพื้นผิวและคอลลอยด์เป็นสาขาหนึ่งของเคมีฟิสิกส์ที่เกี่ยวข้องกับคุณสมบัติของส่วนต่อประสานและระบบคอลลอยด์ ซึ่งสารหนึ่งถูกกระจายตัวอย่างละเอียดในอีกสารหนึ่ง และปรากฏการณ์ระหว่างส่วนต่อประสานมีอิทธิพลต่อพฤติกรรม
Scope
สาขาวิชานี้ครอบคลุมเคมีของส่วนต่อประสานและระบบการกระจายตัว: แรงตึงผิวและอุณหพลศาสตร์ของส่วนต่อประสาน; การดูดซับก๊าซและตัวถูกละลายบนพื้นผิวและไอโซเทอร์มของการดูดซับ; คุณสมบัติและความเสถียรของการกระจายตัวแบบคอลลอยด์; สารลดแรงตึงผิวและการรวมตัวกันเองเป็นไมเซลล์และเมมเบรน; และโครงสร้างของส่วนต่อประสานที่มีประจุและชั้นคู่ไฟฟ้า เคมีเร่งปฏิกิริยาของพื้นผิวเชื่อมโยงกับจลนพลศาสตร์ ในขณะที่ในที่นี้เน้นไปที่อุณหพลศาสตร์ของส่วนต่อประสาน แรง และโครงสร้าง
Sub-topics
Core questions
- แรงตึงผิวเกิดขึ้นได้อย่างไรจากอุณหพลศาสตร์ของส่วนต่อประสาน?
- โมเลกุลดูดซับบนพื้นผิวได้อย่างไร และไอโซเทอร์มใดที่ใช้อธิบายกระบวนการนี้?
- แรงใดที่ทำให้การกระจายตัวแบบคอลลอยด์เสถียรหรือไม่มีเสถียรภาพ?
- สารลดแรงตึงผิวรวมตัวกันเองได้อย่างไร และส่วนต่อประสานที่มีประจุมีโครงสร้างของสารละลายโดยรอบอย่างไร?
Key concepts
- แรงตึงผิวและพลังงานระหว่างส่วนต่อประสาน
- ไอโซเทอร์มการดูดซับ
- การกระจายตัวแบบคอลลอยด์และความเสถียร
- สารลดแรงตึงผิวและการรวมตัวกันเอง
- ชั้นคู่ไฟฟ้า
Key theories
- ไอโซเทอร์มการดูดซับของแลงเมียร์
- การดูดซับบนพื้นผิวที่สม่ำเสมอซึ่งมีจำนวนตำแหน่งที่เทียบเท่ากันคงที่และไม่มีปฏิกิริยาระหว่างโมเลกุลที่ถูกดูดซับ ทำให้เกิดการปกคลุมที่อิ่มตัวด้วยความดันหรือความเข้มข้น ซึ่งเป็นแบบจำลองพื้นฐานของการดูดซับบนพื้นผิว
- ทฤษฎี DLVO ของความเสถียรของคอลลอยด์
- ความเสถียรของคอลลอยด์ที่มีประจุถูกควบคุมโดยความสมดุลระหว่างแรงดึงดูดแบบแวนเดอร์วาลส์และแรงผลักของชั้นคู่ไฟฟ้า ซึ่งอธิบายว่าทำไมการกระจายตัวจึงเกิดการจับตัวเป็นก้อนเมื่อเกลือที่เติมเข้าไปบดบังแรงผลัก
Clinical relevance
เคมีพื้นผิวและคอลลอยด์เป็นพื้นฐานของการเร่งปฏิกิริยาแบบวิวิธพันธ์ สารซักฟอกและอิมัลชัน สี อาหาร และยา ความเสถียรของหมึกและเซรามิก พฤติกรรมของเยื่อหุ้มชีวภาพและเซลล์ และกระบวนการต่างๆ เช่น การลอยตัว การเปียก และการบำบัดน้ำ
History
โทมัส เกรแฮม (Thomas Graham) ได้จำแนกคอลลอยด์ออกจากคริสตัลลอยด์ในช่วงทศวรรษ 1860; กิบบส์ (Gibbs) ได้วางรากฐานทางอุณหพลศาสตร์ให้กับส่วนต่อประสาน; งานของแลงเมียร์ (Langmuir) ในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 ได้สร้างทฤษฎีโมเลกุลของการดูดซับและชั้นโมโนเลเยอร์; และทฤษฎี DLVO ในทศวรรษ 1940 ได้อธิบายความเสถียรของคอลลอยด์ในเชิงปริมาณ
Key figures
- Irving Langmuir
- Thomas Graham
- Jacob Israelachvili
Related topics
Seminal works
- langmuir1916
- adamson1997
- israelachvili2011
Frequently asked questions
- เหตุใดผลกระทบระหว่างส่วนต่อประสานจึงมีอิทธิพลเหนือกว่าในคอลลอยด์ แต่ไม่พบในสสารจำนวนมาก?
- อนุภาคคอลลอยด์มีขนาดเล็กมากจนโมเลกุลจำนวนมหาศาลของพวกมันอยู่บนพื้นผิว อัตราส่วนพื้นที่ผิวต่อปริมาตรที่สูงมากนี้ทำให้พลังงานและแรงระหว่างส่วนต่อประสาน ซึ่งมีค่าน้อยมากในตัวอย่างจำนวนมาก เข้ามาควบคุมพฤติกรรมของระบบ
- อะไรที่ทำให้การกระจายตัวแบบคอลลอยด์ไม่ตกตะกอน?
- แรงผลักระหว่างอนุภาค ซึ่งส่วนใหญ่เป็นแรงผลักทางไฟฟ้าสถิตจากพื้นผิวที่มีประจุและแรงผลักแบบสเตอริกจากชั้นที่ถูกดูดซับ จะช่วยให้อนุภาคอยู่ห่างกันจากแรงดึงดูดแบบแวนเดอร์วาลส์ เมื่อแรงผลักเหล่านี้ลดลง อนุภาคจะรวมตัวกันและการกระจายตัวจะไม่มีเสถียรภาพ