Praktikum II, SS 06. Versuch Kolloidchemie. Zahner Michele Büchi Luca

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1 Praktikum II, SS 06 Versuch Kolloidchemie Zahner Michele Büchi Luca Assistent: Joakim Reuteler

2 Zusammenfassung In diesem Versuch wurden keramische Schlicker untersucht. Es wurde TiO2- und Al2O3-Pulver verwendet. Ziel war es, die Abhängigkeit der Viskosität der Schlicker vom Salzgehalt und ph aufzuzeigen sowie die Wirkung von Adsorbaten zu untersuchen. Am Beispiel des Gemisches Milch und Titanoxid wurde die Interaktion des Pulvers mit biologischen Systemen (Proteine) untersucht. Während PEI bei Lösungen mit saurem IEP den IEP stark erhöht und bei Lösungen mit basischem IEP keine Wirkung zeigt, führt das Zitratanion zur Absenkung des IEP bei Lösungen mit basischem IEP und zeigt bei Lösungen mit tiefem IEP keine Wirkung. Milch vermag ebenfalls den IEP einer TiO2-Lösung zu erhöhen, wahrscheinlich durch Adsorption der Milchmoleküle an der Partikeloberfläche. 2

3 1. Einführung unter einem Kolloid versteht man ein Gemisch von Kleinsten Teilchen (Kolloide) und einem Lösungsmittel. Die Typische Teilchengrösse beträgt zwischen 1 nm und 1!m. Als Lösungsmittel und Kolloid sind sowohl Flüssigkeiten wie auch Gase oder Feststoffe möglich. Ein Beispiel für ein flüssigflüssig-kolloid ist Milch, für fest-gasförmig Rauch. Im folgenden Versuch befassen wir uns ausschliesslich mit Keramikpulvern in wässriger Lösung. Kolloidale Lösungen ähneln echten Lösungen, obwohl sie eigentlich Dispersionen sind. Dieses Verhalten ist auf die extrem kleinen Abmessungen der Teilchen zurückzuführen, die eine hohe spezifische Oberfläche implizieren Oberfläche keramischer Partikel Durch die Luftfeuchtigkeit bzw. dem Kontakt mit Wasser bildet sich auf fast jeden keramischen Partikeln eine Hydroxidschicht aus. Diese Hydroxidschicht kann in Wasser durch (ph-abhängige) Protonierung bzw. Deprotonierung elektrostatisch geladen werden. Der ph-wert, bei welchem die Nettoladung der Hydroxidgruppen gleich null ist, heisst point of zero charge (PZC). In Abb. 1 ist der Vorgang dargestellt. Abb. 1: Ausbildung der Hydroxidschicht und deren Protonierung bzw. Deprotonierung 3

4 1.2. Elektrische Doppelschicht Das Wasser und die Ionen der kolloidalen Lösung werden mit der geladenen Oberfläche der Partikel wechselwirken. Dabei ziehen sich ungleiche Ladungen an und gleichnamige Ladungen stossen sich ab. An der geladenen Grenzschicht der Partikel bildet sich nun eine Schicht mit einer höheren Konzentration an Gegenionen, welche die Ladung kompensieren. Mit zunehmender Entfernung zur Partikeloberfläche nimmt die Konzentration an Gegenionen exponentiell auf den Durchschnittswert ab. Diese Schicht mit erhöhter Konzentration an Gegenionen wird elektrische Doppelschicht genannt und deren Reichweite heisst Zetapotential (Abb. 2). Der Punkt, bei dem das Zetapotential null ist, heisst isoelektrischer Punkt (IEP). Für Al2O3 liegt der IEP bei ph 9, bei TiO2 zwischen 2 und 3. Abb. 2: Elektrische Doppelschicht und Zetapotential an der Oberfläche eines Kolloids Der diffuse Teil der Doppelschicht wird durch mehrere Faktoren beeinflusst: Wie oben erwähnt, bestimmt der ph der Suspension die Ladung der Oberfläche. Ist der ph zu nahe beim IEP, ist das Zetapotential so tief, dass keine abstossenden Kräfte zwischen den Partikeln mehr wirken: Die Viskosiät nimmt zu und die Suspension koaguliert. Ein anderer wichtiger Faktor ist die Ionenstärke der Lösung: Befinden sich viele Salzionen in der Lösung, vermögen diese die Abstossenden Kräfte der geladenen Oberflächen viel besser abzufangen. Dieser Effekt ist stark mit der Wertigkeit der Ionen korreliert Einfluss von Polyethylenimid (PEI) und Zitronensäure In einigen teilversuchen wurde PEI bzw. Zitronensäure der Lösung zugegeben, um den Einfluss von Adsorpzion zu studieren. Es gibt bestimmte Stoffe, die auf der Partikeloberfläche adsorbieren und somit neben dem ph und dem Salzgehalt der Lösung die Stabilität des Schlickers ebenfalls beinflussen. PEI ist ein sogenannter positiver Polyelektrolyt, der auf einer negativ geladenen Partikeloberfläche adsorbieren kann. In wässriger Lösung reagiert es basisch, da die Aminogruppen protoniert werden [2] (Abb. 3). 4

5 Abb. 3: polyethylenimid (PEI) 2. Materialien und Methoden 2.1. Materialien Laborgeräte: Materialien: Bechergläser 100 ml Magnetrührer mit Fischen Glasstäbe Al2O3-Pulver, Teilchendurchmesser ca. 150 nm TiO2-Pulver, Teilchendurchmesser ca. 300 nm Deionisiertes Wasser HCl-Lösung (2 mol/l) NaOH-Lösung (2 mol/l) Zitronensäure Polyethylenimid (PEI) Vollmilch, homogenisiert 2.2. Methoden TiO2- Schlicker Als erstes wurde der Schlicker aus Titandioxid untersucht. Es wurden folgende Versuche durchgeführt: i) Es wurden 8 ml Wasser mit 7 g TiO2-Pulver vermischt, dann tropfenweise HCl-Lösung zugegeben. Bei ph 1 wurde 1 Tropfen PEI zugegeben. ii) 8 ml Wasser + 7 g TiO2-Pulver, dann tropfenweise NaOH-Lösung dazu. iii) 8 ml Wasser + 1 Tropfen PEI, dann 7 g TiO2-Pulver zugemischt. Dazu tropfenweise HCl-Lösung und dann NaOH-Lösung zugegeben. iv) 8 ml Wasser g Zitronensäure, + 5 Tropfen NaOH-Lösung, dann 7 g TiO2-Pulver. Anschliessend wurde tropfenweise HCl-Lösung und dann NaOH-Lösung zugeben. Es wurde mit Hilfe von ph-streifen jeweils der ph der Ausgangslösung und der ph des Schlickers bei signifikanter Veränderung notiert. 5

6 Al2O3-Schlicker i) Es wurden 8 ml Wasser + 5 Tropfen HCl-Lösung gemischt, dann 20 g Al2O3- Pulver eingerührt. Mit Zugabe der NaOH- bzw. HCl-Lösungen wurde der ph zuerst auf etwa 13 erhöht und darauf auf ph 4 erniedrigt. Anschliessend wurde die Lösung wieder auf ph 13 gebracht und eine Spatelspitze CaCl2 dazugegeben. ii) 0.1 g Zitronensäure + 8 ml Wasser + 5 Tropfen HCL-Lösung gemischt, dann 20 g Al2O3-Pulver eingerührt. Mit den Lösungen wurde tropfenweise der ph erniedrigt und wieder erhöht. iii) 1 Tropfen PEI + 8 ml Wasser + 5 Tropfen HCl-Lösung, dann 20 g Al2O3-Pulver. Dann wurde der ph mit den Lösungen erniedrigt und wieder erhöht. Auch hier wurde der ph der Ausgangslösung und der ph des Schlickers bei Zustandsänderung notiert TiO2 und Milch dieser Versuch diente dazu, Die Wechselwirkungen zwischen kolloidalem TiO2 und eines bioloischen Systems (hier Milch) zu untersuchen. i) Hier wurde versucht, den IEP von Vollmilch zu bestimmen. (20 ml). ii) 20 ml Milch wurden mit 10 g TiO2 vermischt und das System mit der NaOHund HCl-Lösung untersucht. iii) Wie ii), jedoch mit Zusatz von 1 Tropfen PEI Berechnungen Zur Veranschaulichung der Resultate wurden noch einige Daten berechnet: Konzentration in Volumenprozent der Schlicker in 1.i), 2.ii) und 3.ii) Gegeben:!(TiO2)=3.8 g/cm 2!(Al2O3)=3.98 g/cm 2 Berechnung: 1.i) VWasser = 8 cm 3, VTiO2 = m/! = 1.84 cm 3 " 1.i) hat 18,7 Vol% TiO2 2.i) VWasser = 8 cm 3, VAl2O3 = m/! = 5.03 cm 3 " 2.i) hat 38,6 Vol% Al2O3 3.ii) VMilch = 20 cm 3, VTiO2 = m/! = 2.63 cm 3 " 3.ii) hat 11,6 Vol% TiO2 Bedeckungsgrad eines TiO2-Partikels im Schlicker 1.iii) durch das PEI Annahme: Auf einer Oberfläche adsorbieren 100 ng PEI pro cm 2 Ein Tropfen PEI wiegt 0.03 g Spezifische Oberfläche von TiO2 = 9.54 m 2 /g Berechnung: 7 g Pulver = 66.8 m 2 Oberfläche 0.03 g / 100 ng/cm 2 = 30 m 2 " Die Partikeloberfläche ist zu etwa 45% mit PEI bedeckt. 6

7 Spezifische Oberfläche eines Pulvers mit sphärischen Teilchen in m 2 /g Gegeben: Radius r, Dichte! Berechnung: OKugel= 4!r 2 VKugel =4/3 r 3! m=v! O m = 4"r 2 = "r 3 # $ r # $ führt man diese berechnung mit den Literaturdaten[1] der Pulver durch, so erhält man folgende Werte: TiO2 = 5.26 m 2 /g (Literaturwert: 9.54 m 2 /g) Al2O3 = m 2 /g (Literaturwert: 5.58 m 2 /g) 3. Resultate 3.1. TiO2- Schlicker i) Ausgangsbedingungen: ph0=7 Konsistenz: flüssig, dünn bei Zugabe von HCl immer dicker, Maximum etwa bei ph 3-4 Bei Zugabe von PEI Schlicker wieder flüssig ii) Ausgangsbedingungen: ph0=6 Konsistenz: flüssig, dünn Bei Zugabe von NaOH bis ph 9 keine Veränderung Ab ph 9 leichte Zunahme der Viskosität, bei ph dick iii) Ausgangsbedingungen: ph0=6-7 Konsistenz: flüssig, dünn Bei Zugabe von HCl -Lösung bis ph 1 immer noch flüssig Zugabe von NaOH; lange Zeit nichts, dann bei ph 13 dick iii) Ausgangsbedingungen: ph0=3-4 Konsistenz: Wie Joghurt Bei Zugabe von HCl erhöht sich die Viskosität noch weiter, bei ph 1 Probe fester als bei Versuch i)-ii) (Mayonnaise- bis Gipsartig, siehe Abb. 4) Zugabe von NaOH; leichte Abnahme der Viskosität, aber nicht mehr so dünn wie am Anfang Abb. 4: Aussehen des Schlickers 1.iii) bei Erreichen des IEP. 7

8 3.2. Al2O3-Schlicker i) Ausgangsbedingungen: ph0=5 Konsistenz: flüssig Um ph 8-9 leichte Eindickung des Schlickers Bei ph 13 wieder flüssig Zugabe von HCl: Eindicken bei ph 8 Bei ph 4 wieder flüssig Zugabe von CaCl2: sofortige Eindickung des Schlickers Ii) Ausgangsbedingungen: ph0=0-1 Konsistenz: flüssig Die Zugabe von NaOH ändert die Viskosität nicht Zugabe von HCl: Bei ph 3 fest iii) Ausgangsbedingungen: ph0=7 Konsistenz: flüssig Die Zugabe von HCl ändert die Viskosität nicht (bis ph 1) Zugabe von NaOH: Bei ph 10 fest 3.3. TiO2 und Milch i) Ausgangsbedingungen: ph0=7 Konsistenz: flüssig Zugabe von HCl: Bildung von kleinen Klümpchen, Maximum bei ph 3-4 Konsistenz der Milch aber nach wie vor flüssig ii) Ausgangsbedingungen: ph0=6-7 Konsistenz: flüssig Bestimmung des IEP bei ca. ph 4-5 iii) Ausgangsbedingungen: ph0=7-8 Konsistenz: flüssig Bestimmung des IEP bei ca. ph 4 8

9 4. Diskussion Zu den Berechnungen: Es ist erstaunlich, wie genau sich das einfache Modell des Pulvers aus lauter Kugeln auf die Realität übertragen lässt. Die Berechnungen lagen lediglich um einen Faktor kleiner 2 neben den Literaturwerten. Diese Abweichung ist einfach zu erklären: Ein TiO2-Partikel hat in Wahrheit eine verfurchtere Oberfläche als der Idealfall einer Kugel. Das erklärt den zu kleinen Rechenwert. Im Falle von Al2O3 ist die Partikelform wahrscheinlich eher einer Kugel ähnlich, jedoch die Grössenunterschiede ziemlich gross: Zwei kugeln mit Radius 3 und 1 (im Mittel 2) besitzen nämlich eine kleinere spezifische Oberfläche als zwei Kugeln von Radius 2. Der errechnete Bedeckungsgrad von PEI sagt aus, dass ein einzelner Tropfen durchaus ausreichen sollte, um eine nennenswerte Änderung der Partikeleigenschaften hervorzurufen. Ergebnisse: Die erste Versuchsreihe brachte eine Überraschung: Obwohl der Literaturwert [1] für den IEP von TiO2 bei ph 2-3 liegt, koagulierte die Lösung 1.ii) bei ph 12. Dies lässt sich entweder über einen Durchführungsfehler erklären (PEI in der Lösung) oder über den durch das NaOH erzeugten hohen Salzgehalt der Lösung erklären. Wie erwartet zeigte das auf negative Oberflächen adsorbierende PEI seine Wirkung in 1.i) und 1.iii) und das negative Zitronensäureanion in 1.iv) entsprechend keine Wirkung. In 2.i) fiel die Wichtigkeit der Ionenwertigkeit auf. 2-wertige Ca ++ -Ionen vermögen das Zetapotential effektiv abzupuffern, die Lösung erstarrt. in 2.ii) und 2.iii) zeigten das PEI und das Zitronensäureanion das erwartete Verhalten: Das auf positven Flächen adsorbierende Zitrat senkte den IEP auf ph 3 ab, während das PEI keine Veränderung zur Folge hatte. Versuch 3 lieferte interessante Resultate: der IEP von TiO2 wurde durch die Interaktion mit Milch um etwa 2 Punkte erhöht und das PEI zeigte keine Wirkung mehr. Das lässt sich durch eine rasche Adsorption der Milchproteine auf die Partikeloberfläche erklären: Die Oberfläche ist mit Proteienen besetzt, so dass sich das PEI nicht mehr anlagern kann. Dieser Annahme nach reagieren Milchproteine in Wasser, ähnlich dem PEI, leicht basisch, und führen deshalb zum leicht höheren IEP dieses Systems. 5. Referenzen [1] Walde, P. und Reuteler, J. (2006), Versuchsanleitung Kolloidchemie [2] (Stand ) 9