TEKNISKA HÖGSKOLAN I LINKÖPING Institutionen för Fysik och mätteknik Marianne Granfelt Tentamen i Yt-och kolloidkemi TFKI 30 Datum: 2005-12-21 Tid: 8.00-12.00 Hjälpmedel: Räknedosa Formelsamling i Yt-och kolloidkemi Poängbedömning: Totalt 72 poäng För godkänt krävs 50 % Examinator: Marianne Granfelt LYCKA TILL! I nedanstående uppgifter kan ni anta att för vatten är känd och kan sättas till 72,8 mJ/m2, det dispersiva bidraget till denna är 21,8 mJ/m2. Om inget annat anges är densiteten för vatten är 1g/cm3 och viskositeten 1,0 10-3 Pas. Gravitationskonstanten = 9,81 m/s2 Om ingen annan temperatur anges kan denna sättas till 298 K Kolloidala system 1. Med vilka experimentella tekniker skulle du kunna få fram följande viktiga egenskaper för kolloidala system. Ange två sätt per egenskap. Du behöver inte förklara metoderna. Partiklarnas molmassa Partiklarnas laddning Partiklarnas porositet Partiklarnas ytsammansättning ( d.v.s vilka ämnen finns vid ytan) 4 Kinetiska Egenskaper 2. I en emulsion är oljedropparna i ständig rörelse och ”krockar” ibland med varandra . a) Beräkna med hjälp av följande uppgifter halveringstiden för antalet droppar. Andelen olja i emulsionen är 1 vol% Hastighetskonstanten = k2 = 8Da där D är diffusionskoefficienten och a är partiklarnas radie Gör beräkningen för stora och små ( sfäriska) emulsionsdroppar d.v.s. a= 0,1m och a=10m b) Om du skulle vilja stabilisera denna emulsion genom att tillsätta ytaktivt ämne och har tänkt dig ett tätpackat monolager med molekyler som upptar 18 Å2 per molekyl. Hur många mol måste du då tillsätta per m3 av din lösning för respektive emulsion? 8 3. Mätning med hjälp av sedimentationsjämvikt har utförts på ett protein, både i vattenlösning och i en lösning av guanidinhydroklorid (G) ( en vätska som orsakar denaturering och dissociation). Resultaten har plottats i grafen på nästa sida. Övriga data finns i tabell nedan På y-axeln i grafen ges värdet för c ln c0 och på x-axeln x 2 x 02 i cm2 Specifik volym ( för proteinet i vatten = 0,747 cm3/g Specifik volym ( för proteinet i G = 0,737 cm3/g Rotorhastighet (n) i försök med vatten = 28000 rpm Rotorhastighet i försök med G = 35000 rpm Densitet för vatten ( = 1,000 g/cm3 Densitet för G = 1,015 g/cm3 a) Förklara hur en sedimentationsjämvikt uppkommer b) Uppskatta, med hjälp av de molvikter du bestämmer, hur många subenheter proteinet har. Den övre kurvan i figuren ovan är för proteinet i vatten och den undre för proteinet i G 6 Ytspänning, ytaktiva ämnen 4. Nedan anges ett antal vätskor och ett antal värden på ytspänning alternativt gränsskiktsspänning. Para ihop rätt ytspänning/gränsskiktsspänning med rätt gränsytor. MOTIVERA svaren utifrån orsaken till fenomenet. Gränsytor Kvicksilver/luft Hexan/luft Hexan/vatten Oktan/luft Oktanol/luft Vatten/luft Kvicksilver/vatten 5. ytspänning/gränsskiktsspänning ( mJ/m2) 18,4 27,5 51 485 72,8 21,6 416 7 Tillsats av olika ämnen påverkar ytspänningen för en vätska på olika sätt: Visa i en graf vilka tre typer av beteende man kan särskilja då mäts som funktion av koncentrationen tillsatt ämne. b) I ett av fallen kommer det tillsatta ämnet att bilda strukturer i lösningen. Vilka egenskaper bör den molekyl som ska ingå i dessa strukturer ha? c) I en graf av den typ som omnämns i a-uppgiften har lutningen på kurvan i en punkt där koncentrationen var 2*10-5 M uppmätts till -0,362 Jm/mol . Beräkna m.h.a. detta ytan per molekyl ( vid ytan) vid denna koncentration. 8 a) 6. I nedanstående tabell är S= Solid (fast ämne), W=Water (vatten), O=olja eller annan vätska som inte är blandbar med vatten. De tre fallen a-c nedan hör var och en ihop med en av följande processer: 1- konstruktion av vattenavstötande material, 2- spridning av vatten på ett fast (hydrofobt)material ( vätmedel) 3 - tvätt av oljig smuts, För samtliga processer gäller att tensider tillsätts för att påverka ytspänning, ytenergi eller gränsskiktsspänning. Observera att alla gränsytor inte existerar i alla system. SA SW SO OW WA __________________________________________________________________ a) b) c) minska minska öka öka minska minska minska Avgör och motivera vilken av processerna som hör ihop med vilken önskvärd påverkan av ytspänning, ytenergi och/eller gränskiktspänning 6 Adsorption 7. a) Vad skiljer kemisk från fysikalisk adsorption? b) En adsorptionsmätning med 1g aktivt kol har gett samma beläggningsgrad (0,2) för följande tryck och temperaturer. Den angivna beläggningsgraden innebär adsorption av 0,10 g etylklorid (C2H5Cl) Vid T= -15,3 °C och P=0,20 torr Vid T= 0°C och P= 0,63 torr Vid T=20°C och P=2,40 torr diverse data för etylklorid Kemisk formel = C2H5Cl Molvikt = 64,5 g/mol Storleken på etylkloridmolekylerna kan antas vara 25 Å2 Beräkna adsorptionsentalpin vid den angivna beläggningsgraden samt ytan för det aktiva kolet. Skulle du förvänta dig att adsorptionsentalpin ökade eller minskade om beläggningsgraden istället var 0,8? 7 Laddade ytor och kolloidal stabilitet I nedanstående figur visas växelverkansenergin mellan två laddade partiklar som funktion av avståndet mellan partiklarna. Kurvorna är framtagna m.h.a. den s.k. DLVO-teorin. 8 För kurvorna nedan gäller att VA aA121 2 H och V R 2a 0 e . I övrigt gäller att partiklarna 12H finns i en 10 mM elektrolytlösning ( NaCl). Hamakerkonstanten för systemet ( för partiklarna med lösning i mellan) är 5*10-20J Besvara följande frågor: a) b) c) Beskriv den s.k. DLVO-teorin Vilket värde på ytpotentialen ger koagulering. ( ledning, vad ska vara uppfyllt då koagulering sker) Hur tjockt är det diffusa skiktet? 10 Blandade frågor ( Besvara en av nedanstående frågor) 9. a) b) c) d) e) Vad betyder begreppen HLB-tal och PIT Ange fyra sätt att särskilja en O/W emulsion från en W/O emulsion Jämför egenskaper för en emulsion och en mikroemulsion Ange tre faktorer som bidrar till sterisk stabilitet Ange fyra elektrokinetiska fenomen ( det ska framgå om det handlar om pålagd eller inducerad spänning samt partiklar i rörelse eller stationär vägg) 4 Tekniska tillämpningar Besvara två av frågorna 10-14 6p / fråga. Sist i denna tentamen finns särskilda frågor för studenter som läst kursen ht 2004 eller tidigare. Läkemedel 10. a) Ange två huvudtyper av kolloidala system kan användas för läkemedelstransport. Ge minst två exempel ur varje grupp och en kort redogörelse för fördelar respektive nackdelar med respektive system. b) Vad menas med ett responssystem? c) Beskriv några för- och nackdelar med liposomer som läkemedelsbärare? Papper 11. a) Vad betyder begreppet retention i papperstillverkningssammanhang och varför är det så väsentligt? b) Polymerer kan användas för retention. Beskriv deras funktion samt hur molekylvikten påverkar beteendet. c) Tillsatta polymerer kan ge oönskade effekter i processen, ge ett exmpel. Vätning, spridning och penetration 12 a) Vad är en precursor-film? b) Youngs ekvation beskriver hur en kontaktvinkel beror av ytenergier i ett idealt system. Vilka typer av icke-ideala förhållanden kan man behöva ta hänsyn till för att kunna jämföra beräknade och uppmätta kontaktvinklar? c) Vad är spridningsparametern, och vad innebär den? Skum 13 a) Beskriv kortfattat hur flotation av mineraler går till. b) Beskriv en metod för att skapa metalliska skum. c) Ge exempel på hur ett antiskumningsmedel kan fungera. Rengöring 14. a) Ange viktiga komponenter i ett tvättmedel samt beskriv kort respektive komponents funktion b) Ange två problem som kan uppkomma under tvättprocessen. Beskriv också hur de kan motverkas. c) I ett experiment har man studerat hur en oljedroppe lossnar från en glasyta. Ange viktiga parametrar som påverkar förloppet och vilken effekt respektive parameter har. OBS!!! Nedanstående frågor är endast för studenter som läst kursen ht 2004 och tidigare. Tekniska tillämpningar Besvara två av frågorna 10-37 6p / fråga (OBS detta är frågor från projekt som genomförts olika år. Om det finns flera frågor inom ett visst område så välj den fråga som passar dig bäst) Livsmedelsemulsioner 10. a) Vad är gräddsättning och hur kan det förhindras? b) Beskriv fenomenet koalescens. Varför är detta ibland önskvärt? c) Beskriv ett kolloidalt livsmedelssystem. Livsmedel 11. a) Ge tre exempel på livsmedel som kan beskrivas som kolloidala system b) Vad gör en emulgator, och vad används som emulgator i glasstillverkning (liksom f.ö. i mycket annan livsmedelstillverkning)? c) Det kan finnas många anledningar till att hålla fetthalten låg i glass, ange en som har direkt med ytkemi att göra. Livsmedel 12. a) Glass innehåller flera typer av kolloidala system på en gång, nämn tre av dessa, samt vad den dispergerade fasen består av. b) Stabiliteten i de i uppgift a beskrivna systemen är viktig, hur åstadkommer man den? c) Varför är det viktigt att inte förvara glass för kallt? Spraytorkning 13. a) Beskriv kort en spraytorkningsprocess och ange viktiga steg. d) Vilka tre steg tror man sig kunna dela upp adsorptionsprocessen av proteiner till vätska/gas gränsskiktet i. Ge en kort beskrivning av resp. steg. e) Vilka problem kan ytaktiviteten hos proteiner leda till? Hur kan det avhjälpas? Spraytorkning 14. a) Beskriv kort processen spraytorkning och ange viktiga steg. b) En relativt ny idé för spraytorkning av känsligt biologisk material är användning av vattenbaserade tvåfassystem, förklara kort hur detta går till. c) Vid spraytorkning av mjölk uppstår problem relaterat till komponenternas ytaktivitet. Vilket är detta problem? Hur kan det studeras? Spraytorkning 15. a) Beskriv torkningsprocessen vid spraytorkning, ange också hur torktemperatur relativt lösningsmedlets kokpunkt påverkar den bildade partikelns utseende. b) Vilka tre steg tror man sig kunna dela upp adsorptionsprocessen av proteiner till vätska/gas gränsskiktet i? Förklara hur detta påverkar det färdiga pulvret lösningsegenskaper. c) Hur kan man undersöka den bildade partikelytans sammansättning, ge exempel? Biomaterial 16. a) Definiera begreppet biomaterial och ge exempel. b) Beskriv interaktionen mellan proteiner och ett biomaterial. c) Varför sker celladhesion lättare då proteiner adsorberats på biomaterialet. Biomaterial 17. a) Definiera begreppet biomaterial och ge exempel. b) Ange tre parametrar som påverkar proteinadsorption på ytor. c) Vilka egenskaper bör ett implantat ha, och varför? Biomaterial 18. a) Definiera begreppen biomaterial, ge exempel och ange vad som menas med att materialet ska vara biokompatibelt. b) Beskriv interaktionen mellan proteiner och ett biomaterial. c) Ange några faktorer som avgör en ytas biokompatibilitet Skum/skumdämpning 19. a) Hur kan man skapa ett skum och hur kan skum indelas efter stabilitet? b) Beskriv några skumdämpare/antiskumbildare och deras funktion. c) Beskriv skumkollaps i ett ölskum och ge något exempel på hur man experimentellt kan följa processen. a) Vad är ett skum och vilka två huvudtyper kan man dela in det i när det gäller förhållandet mellan mängden vätska och mängden gas samt vad gäller stabilitet? Skum 20. b) Beskriv en antiskumbildare baserad på olösbara oljedroppar c) Beskriv några faktorer som påverkar skumningen hos ett öl. Asfalt 21. a) Beskriv de ingående komponenterna i en massabeläggning för vägar. b) Förklara begreppet kolloidalt stabilitetsindex för asfalt. c) Beskriv det ytkemiska problem med vätning som kan uppkomma i asfalt, ange viktiga egenskaper hos ingående stenmaterial och hur man experimentellt kan studera problemet. Papper 22. a) Varför antar cellulosafibrer en laddning i vattenmiljö och hur påverkar detta omgivande lösning. b) Förklara begreppet retention och beskriv två mekanismer som kan vara aktuella vid retention. c) Vad innebär hydrofobering av papper? Ge ett exempel på hur detta kan åstadkommas. Papper 23. a) Vad kan varieras i ett tryckpapper för att uppnå önskvärda egenskaper b) Visa med en figur vad som händer då en droppe vatten läggs på ett hydrofoberat respektive ett hydrofilt papper. Markera kontaktvinkeln i figuren. c) Vad innehåller en bestrykningssmet, varför finns ett stabilitetsproblem i denna smet och hur löses detta? Papper 24. a) Vad består den ursprungliga pappersmassan av och vilka typer av ämnen tillsätts för att ge önskade egenskaper? b) Vad innebär retention och vilka effekter kan ge upphov till denna retention? c) Varför är vätning och uppsugningsförmåga för ett papper väsentligt, hur kan det studeras? Papper 25. a) Olika typer av papper måste ha olika egenskaper, ge exempel ur ett ytkemiskt perspektiv. b) Visa med en figur vad som händer då en droppe vatten läggs på ett hydrofoberat respektive ett hydrofilt papper. Markera kontaktvinkeln i figuren. c) Vad innehåller en bestrykningssmet, varför finns ett stabilitetsproblem i denna smet och hur löses detta? a) Förklara begreppen kohesion och adhesion och beskriv mekanisk och specifik adhesion. Lim 26. b) Ange viktiga egenskaper hos ett lim ur ytkemisk synpunkt. c) Beskriv kort innehållet i ett lim. Vattenrening 27. a) Vad vill man åstadkomma vid kemisk fällning? Beskriv mekanismerna laddningsneutralisation samt svepkoagulering. b) Hur kan det se ut då en polyelektrolyt adsorberas till en laddad yta då ytans och polyelektrolytens laddning varieras. c) Beskriv hur man experimentellt kan studera krafter mellan polyelektrolyt - täckta ytor, ge exempel på resultat som kan erhållas. Flotation 28. a) Ge en kort beskrivning av processen flotation samt ange funktion hos de tillsatser som görs. b) Ge två exempel på uppreningsprocesser där flotation kan användas, ange några viktiga faktorer för att dessa processer ska vara välfungerande. c) På vilket sätt är bläckpartiklarnas storlek ett problem vid flotationsavsvärtning, hur kan det avhjälpas? Flotation 29. a) Ange tre viktiga tillämpningsområden för flotation i allmänhet. b) Ange tre parametrar som påverkar flotationen. c) Vilka är de viktigaste stegen i avsvärtningsprocessen? Mikroemulsioner 30. a) Vad är en mikroemulsion? Ange viktiga egenskaper. b) Hur kan löslighetsproblem vid organisk syntes lösas med hjälp av mikroemulsioner c) Beskriv, gärna med ett konkret exempel, oorganisk syntes i mikroemulsioner. Nanopartiklar 31. a) Varför är nanopartiklar intressanta för läkemedelsdistribution? b) Ge två skäl till varför det kan vara nödvändigt att kapsla in läkemedel i t.ex. miceller? c) Vilka är de vanligaste metoderna för tillverkning av polymera nanopartiklar? Nanopartiklar 32. a) Vad innebär en kontrollerad fällningsreaktion? b) Vad gör ett ”kappningslager”, beskriv funktionen? c) Vad innebär strukturbegränsad syntes, beskriv tillvägagångssätt? Tvätt/”Detergency” 33. a) Beskriv tre metoder att lösgöra oönskade partiklar från en yta. b) Vilka kategorier av ytaktiva ämnen finns, ge något exempel på tillämningar för resp. typ? c) Ange kort innehållet i ett tvättmedel. Läkemedel 34. a) Vilka typer av kolloidala system används som läkemedelsbärare? b) Redogör för fördelar och nackdelar med tre av ovanstående system. c) Vilken funktion har polyetylenoxid som används flitigt i läkemedelssammanhang? Petroleumindustrin 35. a) Vilka ytkemiska fenomen kan inträffa då råolja träffar på saltvatten? b) Beskriv processen för ökad oljeutvinning med hjälp av surfaktant-polymerflöde. c) Hur kan ytkemi ”hjälpa till” vid sanering av oljeutsläpp? Jordbruk 36. a) Växtskyddsmedel är ofta i form av kolloidala system, beskriv tre olika typer. . b) Viktiga faktorer vi användande av jordbrukskemikalier är - droppstorlek, vidhäftningsförmåga och vätning, ge en kort redogörelse för respektive faktor. Färg 37. a) Vilka komponenter finns i en färg och vilka uppgifter har respektive komponent? b) Ge exempel på tillsatser och förklara deras respektive funktion. c) Vilka problem av kolloidkemisk karaktär kan uppstå under torkningen?