微粒子合成化学・講義 E-mail: mura@tagen.tohoku.ac.jp 村松淳司 http://www.tagen.tohoku.ac.jp/labo/muramatsu/MURA/kogi/fine-p/index.html E-mail: mura@tagen.tohoku.ac.jp 村松淳司

分散と凝集

コーヒー牛乳に塩を入れる 乳脂肪が浮上している 1 mol/L KCl溶液 コーヒー牛乳だけ

なぜ、乳脂肪は浮上したか？ 乳脂肪は水よりも軽い 牛乳は乳脂肪が分散したもの 塩を入れることで「凝集」して浮上した

分散と凝集 分散とは何か 凝集とは何か 物質は本来凝集するもの 溶媒中にコロイドが凝集せずにただよっている コロイドがより集まってくる 分子間力→van der Waals力

分散と凝集　（平衡論的考察） 凝集 van der Waals力による相互作用 分散 静電的反発力 粒子表面の電位による反発 凝集 分散

分散と凝集　（速度論的考察） 分散するためには 平衡的に分散条件にあること 速度論的に分散条件にあること ブラウン運動（熱運動） 分散

速度論：ブラウン運動 分散の平衡論的な解釈は、静電的反発力であるが、水の中を漂い、空気の中に分散する、コロイド粒子の動き、つまり速度論的解釈は、ブラウン運動 Brownian motion である。 分散

速度論：ブラウン運動 粒子がブラウン運動を起こして（不規則な運動）いるとすると、ブラウン運動は粒子の熱運動であるので、粒子１個について、kTのエネルギーを持っている。これが運動エネルギーに変換されているとすると kT = 1/2 mv2 となる。 分散

速度論：ブラウン運動 Einsteinの統計的計算によると、粒子１個がブラウン運動によって、t時間にx方向へ移動する平均距離xは、 Dは、粒子の拡散定数。Einsteinは、さらに、拡散定数に関する式 を提出した。ここで、fは摩擦係数と呼ばれるもので、粒子が媒質の分子に比べて非常に大きいとき、Stoksの法則がなりたつ。 分散

速度論：ブラウン運動 ここで、ηは物質の粘度、aは粒子半径である。 結局、 となる。Rは気体定数、NAはアボガドロ数。 分散

速度論：ブラウン運動 たとえば、20℃、蒸留水中において、粒子の１秒後の変位xを計算すると、つぎのようになる。 粒子半径 １秒後の変位（μm） 1 nm 20.7 10 nm 6.56 100 nm 2.07 1μm 0.656 である。 分散

分散するか凝集するか 平衡論 静電的反発力 コロイドの界面電位による 速度論 コロイド同士の衝突←熱運動と衝突確率

静電的反発力とは 力の源は、粒子の表面電位 表面電位が絡んでいる現象 電気泳動 電気浸透 沈降電位

電気泳動 電気泳動というのは、電気を帯びた分子（イオン）が、電圧によって動く現象のこと プラスの電気を帯びた分子はマイナス電極へ、マイナスの電気を帯びた分子はプラスの電極へ、引きつけられる コロイドも同じ。電圧のかかっている場所（電場）の中で、コロイド全体としての電荷の反対符号の電極の方向へ動く ＋ －

表面電荷

牛乳では 水 乳脂肪 タンパク質 ブラウン運動

墨汁では 水 煤 膠 ブラウン運動

墨汁と膠 　古墨の価値とは、原料の煤が作られた時代が古いことで生じるのではなく、実際に墨として製造されてからの経時変化により生じる様々の事象により創成される。 　墨の主原料は「煤（すす）」と「膠（にかわ）」。墨を摺るという作業で、煤と膠がうまく混合された水溶液＝墨（液）ができる。 http://www.minase.co.jp/syouhin/sumi/koboku.htm

墨汁と膠 　この墨（液）中の煤をコロイド状に保つのが膠の役目で、コロイド状態であるからこそ、紙に書いた時、水分が紙の中を拡散していく、その水分と共に墨の主成分である煤も水分に乗って拡散していく。 　コロイド状態が完全であればあるほど、拡散していく水分に含まれるコロイド粒子(墨の煤)量と最初に筆が入った墨跡の煤量との差が少なくなる。つまり、筆跡とその周辺へと滲んでいく水溶液に含まれる粒子量の差により出来る濃淡の差が僅かしか生じないと言うことになる。

墨汁と膠 　　保護コロイド：疎水コロイドを処理して＝膠を加えて＝親水コロイドにしたもの　例：墨汁　　疎水コロイドである炭素のコロイドに膠を加えて親水コロイドにする→保護コロイド） 　固形墨を摺って得た墨（液）はこの「保護コロイド」状態にある。 　固形墨は時の経過と共に、その構成物で有機物の膠が分解していき、分解が一定以上進むと、固形墨を摺ることにより得られる墨（液）は十分な保護コロイドを形成することが出来なくなってくる。

墨汁と膠 　墨（液）の水分に乗って移動するコロイド粒子＝煤の量が減少するのだ。これにより、筆が最初に通った墨跡と、そこから滲んでいった（水分が移動していった）墨跡の濃度に差＆変化が生ずる。 　この墨量＝移動する煤の量＝の差や変化の生じ方などが、新しい墨、つまり膠が十分で、完全な保護コロイドになっている墨（液）では表現不可能な作風を創作するのだ。 　古墨を使うと言うことは、墨が作られた後、十分な時間経過があってはじめて表現可能になる作品の表現方法、墨色の濃淡の差を取り込んだ作品の作成を可能にする、それだからこそ古墨は価値が認められるのだ。

墨汁と膠 　墨の外観に時代をつける＝古く見せる＝化粧方法が進んだ今、本当に古くなった墨かどうかの判断は、実際に墨を摺り、書き、その墨跡の濃淡の差などにより判断するのが一番間違いのない、或いは間違いの少ない方法。 　これには経験が必要。実際に数多くの墨を摺って、そして実際に書いて、墨の変化の様子を視るという一番単純な経験を重ねることで、少しずつ墨の経時変化の判断が正確になっていく

墨汁と膠 　古墨の価値は、前述の主題になった「にじみ」の変化に加えて、墨色の冴え・切れなど、文章では十分に伝えることが困難な、そして困難であるのに、経験が無くとも、何か他とは違う美しさや魅かれる何かが感じられ、更に経験を積むことでその感覚が無限の領域へと広がっていく。 それらが古墨の持つ美的領域・価値には含まれるのだ。

分散と凝集 DLVO理論へ Derjaguin，Landau，Verway，Overbeek B.V.Derjaguin and L.Landau;Acta Physicochim.,URSS, 14, 633 （1941）. E.J.W.Verwey and J.Th G Overbeek; Theory of the Stability of Lyophobic Colloids, 193 （1948）.

分散と凝集 分散とは何か 凝集とは何か 物質は本来凝集するもの 溶媒中にコロイドが凝集せずにただよっている コロイドがより集まってくる 分子間力→van der Waals力

分散と凝集　（平衡論的考察） 凝集 van der Waals力による相互作用 分散 静電的反発力 粒子表面の電位による反発 凝集 分散

分散と凝集 考え方 van der Waals力による相互作用 静電的反発力 Vtotal = VH + Vel VH : van der Waals力による相互作用エネルギー Vel : 静電的反発力による相互作用エネルギー

分散と凝集 考え方 Vtotal = VH + Vel VH : van der Waals力による相互作用エネルギー

静電的反発力

静電的反発力 粒子表面は電荷を帯びている 証拠：電気泳動など これが静電的反発力の源ではないか ここからスタートする

表面電荷

粒子表面の電荷 イオンの周りの電子雲と同じ 離れるほど電位は小さくなる では、なぜ電荷を帯びるのか

粒子が電荷を帯びる理由 酸化物の場合 -Si-O-H → -Si-O– + H+ プロトンが解離して負電荷 空気の場合 何らかのイオンが吸着

電位は遠ざかると下がる Helmholtz理論 Gouy-Chapman理論 Stern理論

Helmholtz理論

Gouy-Chapman理論 拡散二重層

Stern理論 直線で下がる Stern面 拡散二重層 Slip面

現実的にはどう考えるか 実測できるのはζ電位 ζ電位＝Stern電位と置ける それなら、ζ電位＝Stern電位を表面電位と見なして考えよう Stern理論ではなく、Gouy-Chapmanの拡散二重層理論を実社会では適用

表面電荷 拡散層だけを考える

(1)

(2)

(3)

(4)

(5) (6)

(7) (8) (9) (10) このκは、Debye-Huckelパラメータと呼ばれる。

次に平板電気二重層間の相互作用を考える 平板間の相互作用をまず考えよう

(15) (16)

(17)

(18) (19)

(20)

(21)

次に球形粒子間の相互作用を考える 次に球形粒子間の相互作用を考えよう

Derjaguin近似から球形粒子の相互作用力へ (22) (23)

(24)

(25) (26)

(25) (26) (27) (28) (13)

van der Waals相互作用 凝集の源 (29) (30)

全相互作用エネルギーは (31) (32) (33)

式の意味を考える 溶液条件によってどう変わるのか

これを図に書いてみる

電気二重層による反発力 トータル van der Waals引力

電気二重層による反発力 トータル van der Waals引力

身の回りのコロイド 温泉中のコロイド 湯ノ花だけがコロイドか？

別府・地獄めぐり

別府・海地獄＝いちのいで会館

青い熱湯 ～海地獄 １．温泉水 20 mlを遠心分離機にかける ２．上澄み液（固相のない）を保存 青い熱湯　～海地獄 １．温泉水 20 mlを遠心分離機にかける 遠心分離　10,000 r.p.m. 30 min この条件で、コロイドはすべて沈んだ (この条件でシリカなら、20 nm程度のものまで沈む） ２．上澄み液（固相のない）を保存 ３．沈んだ固体（白色）に２段蒸留水 20 mlを入れる ４．超音波分散

遠心分離後 の上澄み 海地獄

青色の正体は何か？ 遠心分離により、透明になった 可能性１： シリカコロイドによる着色 可能性２： シリカコロイドに色の原因のイオンが吸着 色がつく原因のものは固相になった。 可能性１：　シリカコロイドによる着色 可能性２：　シリカコロイドに色の原因のイオンが吸着 可能性２は、遠心分離で得た固相の色が白色だったことから可能性が薄い。

遠心分離後 の上澄み 再分散後 海地獄 写真では見えにくいが、右はほぼ元の青白い色を呈している。

青色の正体＝シリカコロイド このシリカコロイドは小さいためにまるで溶液のように見えたわけ。

そのシリカコロイドの 　　　　電子顕微鏡写真

シリカ微粒子 形は球形で、アモルファス（非晶質）であることがＸ線などの解析によってわかった。 なお、FT-IRで分析したところ、シリカ組成であることがわかった。 球形シリカ粒子は、高いアルカリ領域で加水分解により合成されるので、地下深部で高アルカリ、高温で生成したものと推測される。

シリカ＝化学分析 20.0℃で pH 8.438 ICP Si濃度： 2.706 mmol/L これを　H2SiO3（分子量=78.09958）の標記に変えると 211.3 mg/L

なぜ、青いのか？ Rayleigh散乱の概念で説明可能 粒径が小さくなると短い波長、つまり青色は散乱しやすい。 数十nm程度以下のシリカによって青色を散乱→懸濁液は青くなる

ＵＶ分析結果

シリカコロイドの凝集・沈殿 左側が、温泉水。右側は、温泉水に、KCl（塩化カリウム）を混ぜて、1 mol/l KCl溶液としたもの。２～３時間で完全に凝集体となって沈殿した。右側の底にこずんでいるのが、そのシリカコロイド凝集体。