Yüzey ve Kolloid Kimyası
Yüzey ve kolloid kimyası, arayüzeylerin ve ince dağılmış maddelerin fizik ve kimyasını incelemektedir; bu alanlarda, büyük yüzey alanı/hacim oranı nedeniyle arayüzey kuvvetleri davranışa hakim olmaktadır.
Tanım
Yüzey ve kolloid kimyası, bir maddenin diğer bir madde içinde ince bir şekilde dağıldığı ve arayüzey fenomenlerinin davranışı yönettiği arayüzeylerin ve kolloidal sistemlerin özellikleriyle ilgilenen fiziksel kimyanın bir dalıdır.
Kapsam
Bu alan, arayüzeylerin ve dağılmış sistemlerin kimyasını kapsamaktadır: yüzey gerilimi ve arayüzeylerin termodinamiği; gazların ve çözünen maddelerin yüzeylere adsorpsiyonu ve izotermleri; kolloidal dispersiyonların özellikleri ve stabilitesi; sürfaktanlar ve bunların misellere ve membranlara kendi kendine birleşimi (self-assembly); ve yüklü arayüzeylerin yapısı ile elektriksel çift katman. Yüzeylerin katalitik kimyası kinetik ile bağlantılı olmakla birlikte, burada vurgu arayüzey termodinamiği, kuvvetler ve yapı üzerindedir.
Alt konular
Temel sorular
- Yüzey gerilimi, arayüzeylerin termodinamiğinden nasıl kaynaklanmaktadır?
- Moleküller yüzeylere nasıl adsorbe olmaktadır ve bu süreci hangi izotermler tanımlamaktadır?
- Kolloidal dispersiyonları hangi kuvvetler stabilize etmekte veya destabilize etmektedir?
- Sürfaktanlar kendi kendine nasıl birleşmektedir ve yüklü arayüzeyler çevredeki çözeltiyi nasıl yapılandırmaktadır?
Anahtar kavramlar
- Yüzey gerilimi ve arayüzey enerjisi
- Adsorpsiyon izotermleri
- Kolloidal dispersiyonlar ve stabilite
- Sürfaktanlar ve kendi kendine birleşim (self-assembly)
- Elektriksel çift katman
Temel kuramlar
- Langmuir adsorption isotherm
- Sabit sayıda eşdeğer bölgeye sahip tekdüze bir yüzeye adsorpsiyon ve adsorbe edilmiş moleküller arasında etkileşim olmaması, basınç veya konsantrasyonla doygunluğa ulaşan bir kaplamaya yol açmaktadır; bu, yüzey adsorpsiyonunun temel modelidir.
- DLVO theory of colloid stability
- Yüklü kolloidlerin stabilitesi, çekici van der Waals kuvvetleri ile itici elektriksel çift katman kuvvetleri arasındaki denge tarafından yönetilmektedir; bu durum, eklenen tuzun itmeyi perdelemesiyle dispersiyonların neden floküle olduğunu açıklamaktadır.
Klinik önem
Yüzey ve kolloid kimyası, heterojen kataliz, deterjanlar ve emülsiyonlar, boyalar, gıdalar ve farmasötikler, mürekkeplerin ve seramiklerin stabilitesi, biyolojik membranların ve hücrelerin davranışı ile flotasyon, ıslatma ve su arıtma gibi süreçlerin temelini oluşturmaktadır.
Tarihçe
Thomas Graham, 1860'larda kolloidleri kristaloidlerden ayırmıştır; Gibbs, arayüzeylere termodinamik bir temel sağlamış, Langmuir'in yirminci yüzyılın başlarındaki çalışmaları adsorpsiyon ve tek tabakaların moleküler teorisini oluşturmuş ve 1940'ların DLVO teorisi kolloidal stabiliteyi nicel olarak açıklamıştır.
Öne çıkan isimler
- Irving Langmuir
- Thomas Graham
- Jacob Israelachvili
İlgili konular
Temel eserler
- langmuir1916
- adamson1997
- israelachvili2011
Sıkça sorulan sorular
- Arayüzey etkileri kolloidlerde neden baskınken, yığın maddelerde (bulk matter) baskın değildir?
- Kolloidal parçacıklar o kadar küçüktür ki, moleküllerinin çok büyük bir kısmı yüzeyde yer almaktadır; bunun sonucunda ortaya çıkan devasa yüzey alanı/hacim oranı, yığın örneklerde ihmal edilebilir olan arayüzey enerjisi ve kuvvetlerinin sistemin davranışını kontrol etmesine neden olmaktadır.
- Kolloidal bir dispersiyonun çökmesini engelleyen nedir?
- Parçacıklar arasındaki itici kuvvetler, başlıca yüklü yüzeylerden kaynaklanan elektrostatik itme ve adsorbe edilmiş tabakalardan kaynaklanan sterik itme, onları çekici van der Waals kuvvetlerine karşı ayrı tutmaktadır; bu itmeler azaldığında parçacıklar kümelenmekte ve dispersiyon destabilize olmaktadır.