Tyndall-Effekt - univet.hu · 3 Beispiele-Traubenzucker-Lösung-NaCl-Lösung-Eiweißlösungen-Blutplasma-Stärkelösung-Ag-kolloid-Seifenlösung-Fasern-Goldschaum-Farbwaren

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Feine Staubteilchen streuen das Licht, das zwischen den Bäumen hineinkommt.

Tyndall-Effekt

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Kolloide (Kolloidale Lösungen)

dispergierter Stoff

Dispersions-mittel

.. .

... .

.

... .

heterogenesSystem(voneinanderabgegrenztePhasen)homogene Lösung

echte Lösungenkolloiddisperse

Systemegrobdisperse

Systeme

1-5 nm 500 nmhomogeneSysteme

(molekular- oderiondisperseSysteme)

heterogeneSysteme

Größe des gelöstenStoffes




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Beispiele

- Traubenzucker-Lösung

- NaCl-Lösung

- Eiweißlösungen- Blutplasma- Stärkelösung- Ag-kolloid- Seifenlösung- Fasern- Goldschaum- Farbwaren

- Wasser/Eis- Erythrozyten

im Blut

Kolloidale Teilchen: unsichtbar mit dem Lichtmikroskop. Teilchengröße ca. 1 – 500nm

Kolloide




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Tyndall-Effekt

kolloidale Lösung echte Lösung

Lichtstrahl: unsichtbar bei seitlicherBeobachtung

Lichtstrahl:sichtbar bei seitlicherBeobachtung




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Tyndall-Effekt




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Richard Zsigmondy (1865-1929)Nobel Preis 1925

Ultramikroskop

Dunkelfeldprinzip




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Spezifische Oberfläche

Wegen ihrer kleinen geometrischen Größe besitzen die Kolloidtelchen eine hohe spezifische Oberfläche

hohes Adsorptionsvermögen

1 cm N = 1Fg = 6 cm2

1 m = 10-6 mN = 1012

Fw = 6.10-12 m2

Fg= N . Fw = 6 m2

10 nm = 10-8 mN = 1018

Fw = 6.10-16 m2

Fg= N . Fw = 600 m2

zunehmender Dispersionsgrad

zunehmende spez. Oberfläche

Fg = Gesamtfläche

Fw = Fläche der einzelnenWürfel

N = Zahl der Würfel




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Einteilung der Kolloide

- nach dem Aggregatszustand des dispergierten Stoffes, bzw. Dipersionsmittels

Bezeichnung dispergierter Stoff Dispersionsmittel Beispiel

Aerosol fest gasförmig RauchAerosol flüssig gasförmig NebelSol fest flüssig GoldsolEmulsion flüssig flüssig MilchSchaum gasförmig flüssig Schlagrahm




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Kolloide




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- nach der Teilchengestalt: - isotrope (Sphärokolloide, z.B. Globuline)- anisotrope (Linearkolloide, z.B. feine Fasern)

- nach der Teilchengröße: - monodisperse systeme- polydisperse Systeme





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- nach der Wechselwirkungzwischen den dispergierten Teilchen und dem Dispersionsmittel:

- lyophil (hydrophil) - Proteine- Nukleinsäuren- Mizellen von Seifen, Emulgeatoren, …

- lyophob (hydrophob)- Goldsol, Silbersol, …- Metallhydroxide, Metallsulfide

Suspensionen

-nach dem dispergierten Stoff

- Dispersionskolloide (Metall-, Metalloxid-Suspensionen, usw.)- Assoziationskolloide (Seifen, Detergenzien, Emulgeatoren,)- makromolekulare Kolloide (natürlich vorkommende

Makromoleküle, z.B. Proteine, Polysaccharide,hochmolekulare Kunststoffe)





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Bildung der Assoziationskolloide

Seifen-Moleküle

Micelle Doppelschicht

1 unpolare Kohlenwasserstoffkette: hydrophob2 polare Gruppe (z.B. Carboxylgruppe): hydrophil

1

2




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Stabilität der Kolloide

große spezifische Oberfläche große Oberfläche-Energiethermodynamische Instabilität

Abnahme des Dispersionsgrades größere AggregatenAusfällung (Koagulieren)

Koagulation = Aufhebung des Kolloidzustandes

Stabilisierende Faktoren: - elektrische Ladung

- Hydratation (Solvatation)

- Schutzkolloide




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Elektrische Ladung der Kolloide

elektrische Ladung an der Oberfläche der Kolloidteilchen durch

- adsorbierte Ionen

- ionische funktionelle Gruppenz.B. -COOH -COO-

-SO2OH -SO2O-

-NH2 -NH3+

COO-

COO-

NH3+

+H3N




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Elektrophorese

Wanderung der Kolloidteilchen unter dem Einfluß eines elektrischen Feldes

Isoelektrischer Punkt:

- bestimmter pH-Wert, beim die + und – Ladungen inGleichgewicht sind (keine Netto-Ladung)

- keine elektrophoretische Wanderung

DNA Analyse

DNA Standard




16Gelelektrophoreseapparatur

Elektrophorese




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Wirkung der Schutzkolloide

Die lyophobe (hydrophobe) Teilchen werden durch eine dünne Schichteines lyophilen (hydrophilen) Kolloids umhüllt.

hydrophobe Teilchen

Schutz-kolloid

dünne Schichtdes Schutz-kolloids




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Stabilisierende Wirkung der Hydratation

Es kommt zu einer starken Wechselwirkung zwischen den gelösten(Protein)Molekülen und Molekülen des Lösungsmittels (Wassers)

Wasserstoff-Brücke-Bindung




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Methoden der Koagulation

- Aussalzen: durch Zugabe von konz. Salzlösungen (z.B. (NH4)2SO4, Na2SO4)

- Denaturierung: - durch Erhitzen- durch Mineralsäuren, Schwermetallionen, usw.

- Ultrafiltration: durch Ultrafilter (spez. tierische, pflanzliche oderkünstliche Membrane, mit Porenweiten 10-6 cm)

- Gelfiltration:Filtrieren durch einen makromolekularen Stoff mit einerspeziellen Porenstruktur




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Blut ausArterien

Blut zuVenen

spez. semipermeableMembran

strömende Lösung mit Ionenund Molekülen der Blutplasma

toxischeTeilchen

essenzielleIonen

Dialyse

- biochemische Anwendung: Proteinreinigungmolekulardispers gelöste Stoffe (Ionen, kleine Moleküle):diffundieren durch semipermeable Membran;kolloidale Teilchen: passieren die Membranporen nicht

- medizinische Anwendung: künstliche Niere




21

Dialyse




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Herstellung der kolloidalen Lösungen

Auflösen Kondensation Dispersionvon makromolekularen molekular- oder Partikel grobdisperser

Substanzen iondisperse Systeme Systeme(z.B. Stärke, Proteine) (echte Lösungen)

Lösungen hochmole- typische anorganische typische anorganischekularer Verbindungen Kolloide Kolloide

(Herabsetzung (mechanischeder Löslichkeit durch Zerkleinerung in derLösungsmittelaustausch, Kolloidmühle oderz. B. alkoholische durch Ultraschall)Schwefel-Lösung + Wasser)

Teilchen-vergrößerung

Teilchen-verkleinerung




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Sol-Gel-Umwandlung

Solzustand Gelzustand wasserfreies Xerogel

Koagulation

Peptisation




24 24




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Adsorption

Adsorption:

Adsorbenzien: Feststoffe mit sehr poröser Struktur (große spezifischeOberfläche!) und mit hohem Adsoptionsvermögen

Adsorbens

Adsorptiv

Adsorbat

Physikalische Adsorption: Bindung an der Oberfläche durchvan der Waalssche Kräfte

dynamisches Gleichgewicht: Adsorption Desorption

Chemische Adsorption: chemische Bindung zwischen dem Adsorbenzund dem Adsorbat




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Ausmaß der Adsorption

abhängig von der - Art und der Oberfläche des Adsorbenz- Art und dem Partialdruck (der Konzentration)

des Adsorptivs- Temperatur

= .p

a + p

= adsorbierte Menge (g Stoff / g Adsorbenz)

= maximale adsorbierte Menge(Sättigungswert)

p = (Partial)Druck (Konzentration, c)

a = Konstante

wenn p a , p/(a+p) 1, =

Adsoptionsisothermen: – p (c) Kurven bei verschiedenen Temperaturen

p, Partialdruckdes Adsorptivs




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Oberflächenaktive Substanzen

Struktur der Grenzfläche der Lösungen oberflächenaktiver Substanzen:Anreicherung der gelösten Moleküle

Wasser(Lösung)

Lufthydrophober Molekülteil

hydrophiler MolekülteilOberflächen-schicht

Konsequenz der positiven Adsorption in der Oberfläche:starke Herabsetzung der Oberflächenspannung




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Schwefel schwimmt aufder Oberfläche desWassers(hohe OF-Spannung!!)

Dichte von Schwefel:2,07 g/cm3

Wasser + 1 Tropfen derDetergenz-Lösung:Schwefel-Teilchensinken

Oberflächenspannung




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Wirkung von Detergenzien (Waschvorgang)

Textil

Moleküle derDetergenzien Wasser

Öl




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M. S. Cvet1872-1919

Säulenchromatographie:

Adsorbens: CaCO3

Eluent: petrolether/ether

Trennung von Chlorophill, Carotinoide

Chromatography




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Methoden der Chromatographie

Ziel der Chromatographie: - Trennung- Identifizierung (qualitative Analyse)- quantitative Bestimmung

der Komponenten von Stoffgemischen

Physikalische-chemische Grundlagen der Stofftrennung: unterschiedliche - Adsorption

- Löslichkeit- Austausch von Ionen zwischen zwei Phasen- Permeabilität

der einzelnen Komponenten des Stoffgemisches

Prinzip der Durchführung: die Komponenten eines Gemisches werden von einem zweiphasigenTrennsystem in unterschiedlichem Ausmaß aufgenommen

stationärePhase

mobile Phase mobile Phase

GemischgetrennteKomponenten




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Methoden der Chromatographie

nach den physikalisch-chemischen Grundprinzipien der Stofftrennung:

- Adsorptionschromatographie

- Verteilungschromatographie

- Ionenaustauschchromatographie

- Gelchromatographie

Stationäre Phasen:- Adsorbens- Flüssigkeitsschicht (benetztes Trägermaterial)- Ionenaustauscher- Trenngele mit bestimmter Porenstruktur

Mobile Phasen:- Flüssigkeit ( Flüssigkeitschromatographie)- Gas ( Gaschromatographie)




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Adsorptionschromatographie

Prinzip der Trennung: unterschiedliche Adsorption der Komponentenan der festen Phase (Adsorbens)

Stationäre Phase: Adsorbens, untergebracht in einem Rohr (= Säule)Mobile Phase: verschiedene Lösungsmittel (Eluent)

1. Säulenchromatographie




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Adsorbent

Substanzgemisch

Lösungsmittel Getrennte Substanzen

Zeit

Säulenchromatographie




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Praktische Ausführung




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2. Dünnschichtchromatographie

Prinzip der Trennung: unterschiedliche Adsorption der Komponentenan der festen Phase (Adsorbens)

Stationäre Phase: Adsorbens, meistens Kieselgel oder Aluminiumoxid,in dünner Schicht auf Glas- oder Plastikplattenausgestrichen (0,1 – 0,3 mm)

Mobile Phase: verschiedene org. Lösungsmittel oderLösungsmittelgemische (Laufmittel, Fließmittel)

„Laufen”

Trenn-kammer

Filterpapier

Laufmittel(Lösungsm.)

Entwicklung(die Flecken werden

sichtbar gemacht)

Jodkristalle

Joddampf

Praktische Ausführung:

Auftragen der Probe

Dünn-schicht-Folie

Kapillare




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Auswertung

- Anzahl der Komponenten = Anzahl der Flecken- charakteristische Angabe für die einzelnen Komponenten:

Retentionsfaktor, Rf

Rf =Wanderungsstrecke des Stoffes

Wanderungsstrecke des Lösungsmittels 0 < Rf < 1

Vorteile: - schnelle Analyse- hohe Empfindlichkeit- große Trennschärfe

Tropfen des Gemisches

Lösungsmittelfront

Startpunkt

getrennteKomponenten

A, B, C

RfC = 8,0/10,0 = 0,80

RfB = 5,5/10,0 = 0,55

RfA = 1,4/10,0 = 0,14




38

Dünnschichtchromatographie




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Papierchromatographie

Prinzip der Trennung: Unterschiede in den Verteilungkoeffizientender Komponenten des Gemisches zwischen zwei Flüssigkeiten

Stationäre Phase: dünne Wasserschicht, die durch die Cellulosefaserndes präparierten Filterpapiers gebunden wird (10-20%)

Mobile Phase: Lösungsmittel, nur begrenzt mischbar mit Wasser

Vorteile: - einfache Ausführung- Empfindlichkeit

Nachteile: - Zeitaufwand- mäßige Trennschärfe

Praktische Ausführung: ähnlich, wie bei der Dünnschichtchrom.(Auftragen, Entwicklung, Auswertung)

Papierchromatogrammverschiedener Filzstifte(Lösungsmittel: Wasser, Start: links)




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Gaschromatographie

Prinzip der Trennung:

untersciedliche Adsorption oder Löslichkeit

der einzelnen Komponenten des Stoffgemisches

Stationäre Phase:

Adsorbens oder benetztes Trägermaterial (Flüssigkeitsschicht)

Mobile Phase: inert Gas (Stickstoff, Argon, Helium)

gas-solid-chromatographyGSC

gas-liquid-chromatographyGLC




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Verteilungs-Gaschromatographie (GLC)

Prinzip der Trennung:

unterschiedliche Verteilung (Löslichkeit) der einzelnen Komponenten zwischen einemFlüssigkeitsfilm und dem Trägergas

Stationäre Phase:

nichtflüchtige Flüssigkeitsschicht auf der Oberflächevon feinen Körnchen eines Trägermaterials

Mobile Phase: Gas

Körnchen des Trägermaterials

Füssigkeitsschicht

Füssigkeitsschicht: nichtflüchtige Flüssigkeit, polymere Stoffe

Trägermaterial: feine Körnchen von Silicatmineralien (Diatoma-Mineralien, „Chromosorb”)

Gaschromatographie




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Vorgang der Trennung




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Aufbau einer gaschromatographischen Apparatur

Steuereinheit(Strömungs-geschw.des Trägergases)

Trennsäule(stat. Phase)

Trägergas

Säulen-thermostat

Detektor El. Verstärker

Schreiber

Probeneinlaß

Gaschromatogramm

Thermometer




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Auswertung eines Gaschromatogramms

idő

Detektor-signal

Zeitmin

Probeneinlaß

Luft

Rt

- Anzahl der Peaks = Anzahl der Komponenten- Retentionszeit, Rt (min): charakteristische Angabe (qual. Analyse)

(Rt = Zeitdauer zwischen dem Probeneinlaß und demPeaksmaximum)

- Flächeinhalt der Peaks: proportional den rel. Mengen der getrennten Stoffe(quantitative Analyse)




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Gaschromatogramm

chromatographierte Probe: Gemisch von Kohlenwasserstoffen




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Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC)

A készülék felépítése:

- Pumpe- Säule- Detektor




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Ionenaustausch-Chromatographie

Ionenaustausch: die Ionen einer Elektrolytlösung werden durch gleichsinniggeladene Ionen des Ionenaustauschers ausgetauscht

Prinzip der Trennung: unterschiedliche Bindungsstärke der zu trennenden Ionen mit den fixierten („Anker-”) Ionen des Ionenaustauschers

Stazionäre Phase: Kationen- oder Anionenaustauscher

- Zeolithe (Natrium-aluminium-silicate) (Kationenaustauscher)

- Kationenaustauscher-Polymere, - Anionenaustauscher-Polymere

A = Matrix mit fixierten IonenB = austauschbare Gegenionen

austauschbaresKation

Si oderAl-Atom

O Atom

Mobile Phase: wäßrige Lösung der Ionenverbindungen




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Praktische Ausführung der Ionenaustauschchromatographie

Anwendung: in Aminosäure-Analysatoren,Aminosäure-Kationen (in saurem Milieu): R-CH-COOH

NH3+

Lösung vonuntersch. Kationen

Ionen-austauscher

RH + K+A- RK + H+A-

Die Selektivität hängt von der geometrischen Größe und elektrischen Ladung der Ionen ab.




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Gelchromatographie (Gelfiltration)

Prinzip der Trennung: die kleineren Moleküle dringen leichter in dieNetzstruktur der Gelkörnchen ein, als die größeren

Stationäre Phase: Trenngele = Polymer-Substanzen mit Kettenvernetzungund bestimmter Porengröße(modifizierte Polysaccharide, s.g. Sephadex-Gele)

Mobile Phase: Lösung der zu trennenden Komponenten

Die größeren Moleküle verlassen die Säuleschneller, als die kleineren (inverse Filtration)

Anwendung:- Trennung von Peptiden, Proteinen-semiquantitative Bestimmungder Molekülmasse




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