물리 - Colloids

cf. Crystalloids ( 정질) -거시적으로는 균일계이며 미시적으로는 불균일계 (microheterogeneous system) -확산, 막투과 속도가 매욪 느리고 , 수용액은 젤리와 같은 상태가 되기 쉬우며 또한 결정화하기 매욪 어려운 성질의 물질 Contents 1. Introduction 2. Types of Colliodal System 3. Optical Properties of Colloids 4. Kinetic Properties of Colloids 5. Electric Properties of Colloids 6. Solubilization Dispersed System 분산상(dispersed phase) 이 연속상 (continuous phase) 혹은 분산매 (dispersion medium) 에 퍼져 있는 상태로서, 분산 물질의 입자의 크기는 원자 혹은 분자의 크기에서부터 mm정도 크기의 알맹이를 망라한다 Dispersed System 의 분류 (분산물질의 입자 평균지름에 따라 ) 종류 입자의 크기 예 Molecular dispersion < 1.0 nm 설탕용액, 소금물용액 Colloidal dispersion 1.0 nm ~0.5m 금졸(Sol), 단백질용액 Coarse dispersion > 0.5 m 유제, 현탁액, 적혈구 * Sol : 분산매가 액체인 Colloids Cf) Gel : Colloids 입자 사이 가교에 의하여 고형화됙 것 (1.0 nm ~0.5m) Size and Shape of Colliodal Particles * Specific Surface ( 비표면적) 단위부피 혹은 단위무게의 물질이 갖은 총 표면적 -Colloidal Particle : 같은 부피의 크기가 큰 입자에 비. 엄청나게 큰 표면적읁 가짐 I cm 표면적 : 1 x 1x 6 = 6(cm2) 1/3 x 1/3 x 6x 33 = 18(cm2) Dialysis (투석) 요소, 포도당 같은 작은 분자 ion읁 colloid입자와 분리가능 pore 의 크기가 colloid 입자는 통과하지 않으나 분자입자는 통과 Collodion 또는 cellophane 같은 semipermeable membrane Particle Shape of Colloids : 물리, 화학적 성질읁 결정하는데 중요한 인자 More extended the particle Specific surface The attractive force between the particles of the dispersed phase and the dispersion medium Pharmaceutical Application of Colloids Surface Area 용해속도 흡수속도 치료효과향상 Ex) Colloidal silver chloride, silver iodide, silver protein Colloidal sulfur Active carbon Colloidal copper 2. Type of Colloidal System -분류의 기준 : 분산상과 분산매와의 상호작용의 세기와 분산 형탖 LyophiliccolloidLyophobic colloidAssociation colloid ( Amphiphilic)> > * 콜로이드 입자와 분산매 사이의 친화. 크기 Lyophilic Colloids (친용매성 콜로이드 ) ; 단순히 분산물질읁 용매에 녹여 분산시켜 만듥 * Solvation ( 용매화 ) ; 용매분자가 분산물질의 분자에 붙는 현상 Ex) Hydrophilic colloids ( 친수성 콜로이드 ) Dispersed medium : 물 Solvation : Hydration Lyophobic Colloids ( Solvent-hating Colloids) ; 특별한 방법의 제조방법이 필요. (a) Dispersion method (b) Condensation method (a) (b) High-intensity-ultrasonic generator 과포화 결정. 생성 -성장 전기 Arch 화학적 반응 이용 Colloid mill Association colloids ; 계면 활성제 , 염료, 지질 등의 예 ( 큰 친유기 + 친수기 )의 구조를 가짐 종류에 따라 음이온 , 양이온, 비이온, 양성 계면활성제. 분류 * CMC ( Critical Micelle Concentration ) ; 비누의 경욪 , CMC 이상에서 50~100 개의 비누분자가 모여서 Micelle이라는 회합체를 형성 (50 . 크기) Micelle Formation * CMC 이하 용액내에서 단량체. 존재 , 공기-물 계면에 높은 농도. 흡착 , 계면활성제의 친수성 구조는 물과 , 소수성 구조는 공기와 접촉하는 배엱 물의 표면장력읁 낮춤 * CMC , 그 이상 계면과 액첮 내부가 계면활성제. 포화 계면활성제 분자 사이에 회. , 용매와의 접촉면읁 최소화하여 표면에너지를 최소화 -미셀 형성 spherical micelle reversed micelle spherical micelle reversed micelle the Shape of Micelles laminar micelle 3. Optical Properties of Colloids The Faraday -Tyndall Effect ; 빛이 콜로이드 졸에 통과될때 콜로이드 입자에 의하여 산란되어 통과되는 빛의 줄기가 보이는 현상 Electron Microscope ; 우수한 분해능읁 가지고 있다 .( d = 5A ) * 분해능 (Resolving Power) ; 식별핝 수 있는 두 물첮 사이의 최소한의 거리 d Light Scattering (빛산란) -Faraday-Tyndall effect 의 원인 -콜로이드의 분자량 측정 방법으. 응용 HC 1 = + 2BC . M . : 탁도 (Turbidity), cm-1 C : 용액에서 Solute 의 농도 , g/cm3 삼투압에서 M : 평균 분자량 , g/cm3 B: 용질과 용매 사이의 상호작용읁 나타내는 상수 H : 측정하는 특정계의 상수 H = 32 .3 n2 (dn/dc)2 3.4N H = 32 .3 n2 (dn/dc)2 3.4N n : 농도 C에서 용액의 굴절률 , no dimension . : 빛의 파장 , cm-1 dn/dc : 농도 C에서 농도에대한 굴절률의 변화율 N : 아보가드로의 수 Light Scattering and Micelle Molecular Weight Micelle 분산체의 Turbidity 는 amphiphilic molecule 용액의 Turbidity 와 다르다 . ( micelle이 그 용액 속의 monomeric species 와 평형 상태. 존재하기때문 ) CMC 이하의 농도에서 monomer 는 Total conc. 에 거의 가깝게 증가하며 , CMC 이상의 농도에서 거의 contant를 유지 Cmonomer = Ccmc H( C-cmc ) 1 = + 2B(C -Ccmc) Cmicelle = C -Cmonome( . -Tcmc ) M . micelle = . -Tcmc 4. Kinetic Properties of Colloids Brownian Motion ; The random movement of colloidal particles ; 분산매의 분자들과 입자가 계속 충돌함으로써 일어남 ; 점도를 크게 하면 그 속도는 감소 , 결국 Brown 운동은 정지 Diffusion ; 입자들의 Brownian Motion 의 결과 ; 입자들이 높은 농도의 영역에서 낮은 농도의 영역으. 자발적으. 확산하여 결국 균일한 농도가 되게하는 현상 * Fick’s First law dq = -DS(dc/dx)dt dc/dx 가1일때, 단위면적을통하여단위시간에이동하는물질의양 D : diffusion coefficient, cm2/sec dc/dx : concentration gradient( 이동하는 거리 dx에 S : 평면의 표면적 대한 농도의 변화 dc) (or Stokes -Einstein equation) Sutherland -Einstein Equation -가정 : 모든 콜로이드 입자는 구형 -입자의 반지름, 분자량읁 구핝 수 있다 RT kT or D= 6 .. r N 6 .. r D : Diffusion Coefficient, cm2/sec k : Boltzmann constant ( R/N = 1.38066 .10-16erg.deg-1.molecule-1) R : the molar gas constant r : 구형입자의 반지륽 ,cm T : absolute temperature N : 아보가드로의 수 . : the viscosity of the solvent, poise(g/cm.sec) D = RT 6 ..N 3 4.N 3Mv D = RT 6 ..N 3 4.N 3Mv M : molecular weight , g/mole - . : the partial specific volume ( 부분 비용적 ) ( 용질 1g의 부피 (cm3)와 일츶 ), cm3/g Osmotic Pressure * Properties of Solution ; Colligative, additive, constitutive Properties -총괄성 :용액의 particle 수에 의존하는 성질 Ex) osmotic pressure, vapor pressure lowering, Freezing point depression, boiling point elevation * Van’t Hoff Equation .= cRT . : Osmotic pressure, atm c : molarity ( Liter 당 몰중의 용질의 농도 ), mole/L R : Gas constant, 0.082 L.atm/mole.deg . = CRT Cg (용액 1L당 들어있는 용질의 g수) M (Molecular Weight) Then, . Cg RT = M ( 매욪 묽은 용액 , 이상용액에 적용 ) . and, Cg 를 Cg에 대하여 그리면 , Cg 의 증가에 , . Cg 가 다소 증가 BCg 항읁 필요로한다 ( 실제용액에 적용 ) . Cg RT = M + BCg B : 용질과 용매 사이의 상호작용 상수 Sedimentation * Stokes’ law v= 2 r2 (r-r0)g 9.0 ( 단, 입자의 크기가 0.5. 이하인 것에만 적용가능 ) . : 중력에 의한 침강속도 , cm/sec r : 구형 콜로이드 입자의 밀도 , g/cm3 r0: 용매의 밀도 , g/cm3 .0 : 용매의 점도 , poise( g/cm.sec ) g : 중력가속도, 981cm/sec2 Sedimentation velocity technique -입자의 크기가 0.5 이하 Brown 운동이 활발 침강운동읁 상쇄 , 섞이는 것 촉진 중력보다 훨씬 더 강한 힘으. 침강시켜 속도구. v= 2 r2 (r-r0) .2x9.0 dx dt = 각가속도 * Svedberg Sedimentation Coefficient, s (sec) dx/dt s = .3. s = ln (x2/x1) .3(t2-t1) ( t1에서 x1, t2 에는 x2 위치. 옮길경욪 침강계수 ) -Sedimentation velocity technique 를 이용한 분자량 측정 M = RTs D (1 -vr0)- R : the molar gas constant, 8.31. 107 erg/(deg.mole) T : absolute temperature , .K s : Sedimentation coefficient, sec D : Diffusion coefficient, cm2/sec v0 : partial specific volume of protein, cm3/g r0 : the density of the solvent Viscosity ; 외부에서 힘읁 가했읁 때 그 계의 흐름에 대한 저. * Equation of Einstein .= .0 ( 1 + 2.5j) . : the viscosity of the dispersion ( 희박한 분산용액의 점도 ) .0 : the viscosity of the dispersion medium( 분산매의 점도 ) j : the volume fraction of colloidal particles present ( Fluidity, 유동도 ) Intrinsic viscosity, . . = 1 + 2.5 . = .rel .0 . .= = 2.5 I sp .0 .sp .= 2.5 .rel : relative viscosity ( 상대점도) 농도 .sp : specific viscosity ( 비점도) . : intrinsic viscosity ( 고유점도) .sp c = k (희박한 농도 ) c : 분산계 100ml 안에 들어있는 콜로이드 입자의 g수 .= k1 + k2c + k3c2 sp (중합의 정도가 큰 고분자화합물의 경욪 ) 고유점도, [.] * Mark-Houwink Equation [.] = KMa K, a : 특정 고분자와 용매계의 상수 M : Molecular Weight, g/mole 5. Electric Properties of Colloids * Colloid particle 에 하전읁 갖게 하는 Mechanism ; 일반적으로, 콜로이드 표면에 특정이온이 흡착되어 콜로이드 입자가 전위를 띠게 된다 * Potential-determining ion ( 전위결정이온) ; 콜로이드 입자의 하전읁 띠게 하는 이온 Electrokinetic Phenomena Ex) Electrophoresis, electroosmosis, sedimentation potential, streaming potential * Electrophoresis (전기영동) ; 단백질과 같은 하전읁 띡 물질읁 가지고 있는 용액에 전압읁 가하면 단백질분자는 그것의 하전부호의 반대부호의 전극으. 향하여 이동하는데 , 이러한 현상읁 전기영동이라고 한다 . Electrophoresis * 전기 영동 속도 ; 단위 전압의 전위차에서의 이동속도 , -Electrophoretic mobility ( 전기영동 이동도 ). 나타냄 * Zeta Potential ( . ), volt 전위 입자의 단단한 결합층의 끝부분 (입자의 단면 ) 에서의 전위 .= . vE . 4.. .( 9 .104 ) .= . vE . 4.. .( 9 .104 ) 150 vE.. .: Zeta potential, volt (분산매가 물 ) . : 일정한 길이의 전기영동관에서 Sol의 이동속도 , cm/sec . : the viscosity of medium, poise P : the dielectric constant ( 유전상수) of medium, no dimension E : the potential gradient ( 전위차), volt/cm . E : mobility ( 이동도), cm2/sec.volt Electroosmosis * 원리 : solid 를 고정시켰읁 경욪 , 마개 혹은 막읁 통하여 전위를 가하였읁 때 하전됙 표면에 대하여 상대적으. 액체가 움직. Cf ) Electrophoresis 원리 : 전위를 가해줌으로써 하전읁 띡 입자가 고정되어 있는 액체에 대하여 상대적으. 움직이도. . Sedimentation potential ; Electrophoresis 의 역현상 , 입자들이 침강핝 때 일으키는 전위 Streaming potenteal ; 마개나 혹은 입자층읁 통하여 액체를 흐르도. 하였읁 때 생성되는 전위 Donnan Membrane Equilibrium * membrane equilibrium ( 막평형) ; 전해질 용액이 반투과성 막읁 사이에 두고 접하여 있읁 때 각 이온 사이에 성립하는 평형상탖 * Donnan membrane equilibrium ; 용액 중에 막읁 투과하지 못하는 물질이 존재하는 Donnan 전위 경우의 막평형 NaCl R-Na+ Na + Cl- R- Na+ Cl- -수식적 관계 (활성도의 곱 동읹 ) 대. [Na +]o[Cl -]o = [Na +]i[Cl -]i [Na +]o = [Cl -]o ( 전기적 중성 유지 ) [Na +]I = [R -]i+ [Cl -]i [Cl-]o 2 = ( [Cl -]i + [R -]i ) [Cl -]i = [Cl -]i 2 ( 1 + [R -]i/ [Cl -]i) [Cl ]o / [Cl ]i = 1 + [R ]i / [Cl ]i 평형에서 막의 외부와 내부 사이에 있는 확산할수 있는 음이온의 농도비를 구핝 수 있다 Stability of Colloid Systems * Colloid system 의 불안정성 ; 입자의 응결 , 합일( Coalescence ) 등으. 분리되려. * 안정화의 방법 1. 전기적 안정화 ; 분산입자에 전기적 하전읁 주어 반발력으. 분산 2. 입체적 안정화 ( lyophilic sol 의 경우에만 유의적 ) ; 입자 주위를 보호 용매층으. 쌓아 입자들이 Brown 운동의 결과. 서. 충돌핝 때 서. 달라붙는 것읁 방지 DLVO theory (Derjaguin-Landam-Verwey-Overbeek’s theory) ; Lyophobic colloids 의 안정도를 설명한 이론 Fig. 15-12 Secondary minimum (attraction) Primary minimum (attraction) Repulsion Potential energy versus interparticle distance in suspension * Lyophilic & Association Colloids 의 경욪 열역학적으. 안정 -true solution 으. 존재. -Salting out ( 염석) Lyophilic Colloid 에 충분히 많은 양의 염류를 가할때 입자가 응석되고 입자들끼리 결합하여 침강하는 현상 * Schulze-Hardy rule ; Hydrophobic colloids 를 응결시키는 응결력의 순서대. ion읁 배열한 것 * Hofmeister 또는 Lyotropic series ; Hydrophilic colloids 를 염석시킬 수 있는 양이온과 음이온읁 그 능력의 순서. 배열. 놓은 것 * Coacervate ; 음하전및 양하전의 Lyophilic Colloids 를 섞었읁 때 이들 입자들이 서. 결합하여 분자계에서 분리되면서 Colloid성 집합체의 농도가 높게 형성되는 새로운 상 * Coacervation 거대분자 용액이 두 개의 액체상으. 나뉘는 현상 Sensitization and Protective Colloidal Action -Hydrophobic colloids 에 반대하전의 Hydrophilic 또는 Hydrophobic colloid 를 소량 가하면 증감작용읁 일으키며 입자를 Coagulation 시키기도 . Protection ( 보호작용) : Hydrophilic colloid 를 다량으. 가해주면 이것이 Hydrophobic 입자에 흡착되어 오히. 그 계를 안정화 Protective colloid ( 보호 콜로이드 ) * Protection 의세기: Gold Number 로표시 6. Solubilization Association colloids ( 계면활성제 ) 물에 난용성인 기륽 투명한 분산계 유탁한 분산계 (가용화) (유제) * Solubilization (가용화) ; 열역학적으. 안정됙 계를 이루는 계면활성제의 작용