Bài giảng Hóa keo: Chương I - Hệ phân tán

Chia sẻ: Phát Phát | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:25

Thêm vào BST

Báo xấu

300
lượt xem 27
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mời các bạn cùng tìm hiểu định nghĩa của hệ keo, tính chất của hệ keo, đặc điểm của hệ keo, phân loại hệ keo,... được trình bày cụ thể trong "Bài giảng Hóa keo: Chương I - Hệ phân tán". Cùng tìm hiểu để nắm bắt nội dung thông tin tài liệu.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Hóa keo: Chương I - Hệ phân tán

HÓA KEO 1 CHƯƠNG I Hệ phân tán Định nghĩa và tính chất  Định nghĩa: Hoá học chất keo là khoa học nghiên cứu : - đặc tính của hệ keo → các hệ phân tán dị thể - các quá trình xảy ra trong các hệ này (quá trình hình thành và phân hủy).  Hệ keo: -Vật chất tồn tại ở trạng thái phân tán cao (trạng thái keo) -Pha phân tán (chất tan) được chia nhỏ đến kích thước hạt khoảng 10-7 – 10-5 cm (phân tử, nguyên tử, ion) -Phân bố trong môi trường phân tán đồng nhất (dung môi) 2 1
CHƯƠNG I Hệ phân tán Đặc điểm hệ keo Cuối thế kỉ 19, một số đặc điểm sau của dung dịch keo đã được ghi nhận:  Khả năng phân tán ánh sáng.  Khuếch tán chậm và có khả năng thẩm tích (khả năng lọc được bằng màng bán thẩm).  Không bền vững tập hợp (các hạt keo dễ tập hợp lại với nhau để thành các hạt lớn hơn dưới tác dụng của các nguyên nhân vật lý bên ngoài như nhiệt độ, khuấy lắc, chất điện ly).  Có hiện tượng điện di. 3 CHƯƠNG I Hệ phân tán Tính chất của hệ keo  Tính chất động học phân tử - Quá trình khuyếch tán - Quá trình sa lắng - Áp suất thẩm thấu - Độ nhớt  Tính chất quang học - Sự phân tán ánh sáng - Sự hấp thụ ánh sáng  Tính chất điện - Cấu tạo của hạt keo - Cấu tạo lớp điện kép - Các hiện tượng điện động học 4 2
CHƯƠNG I HỆ PHÂN TÁN 5 CHƯƠNG I Hệ phân tán Các khái niệm • Hệ phân tán dị thể : là các hệ cấu tạo từ 2 tướng (pha) trở lên và 1 trong 2 tướng (pha) ở trạng thái chia nhỏ (pha phân tán) được phân bố trong pha liên tục (môi trường phân tán). • Pha phân tán VD: Các hạt sét, các phân tử Al(OH)3 • Môi trường phân tán VD: Nước, metanol, benzen… • Hệ phân tán đồng thể: khi pha phân tán phân bố đều trong môi trường tạo thành một hệ đồng nhất, không có bề mặt phân cách (ví dụ như dung dịch nước muối). 6 3
7 CHƯƠNG I Hệ phân tán Phân loại 1 Kích thước hạt (Độ phân tán) 2 Trạng thái tập hợp 3 Tương tác giữa các hạt Tương tác giữa pha phân tán 4 và môi trường phân tán 8 4
CHƯƠNG I Hệ phân tán 1 Kích thước hạt Sự phân loại các hệ phân tán theo kích thước hạt Hệ phân tán Kích thước hạt Đặc điểm Ví dụ (cm) Dung dịch < 10-7 Hệ đồng thể một pha. Các dung dịch phân tử phân tử và điện ly -7 -5 Dung dịch 10 ÷ 10 Hạt đi qua giấy lọc, Keo AgI, keo keo không nhìn thấy Protit trong kính hiển vi. Hệ phân tán > 10-5 Hạt không đi qua giấy Huyền phù và thô lọc, nhìn thấy trong nhũ tương kính hiểm vi thường. Hệ dị thể không bền vững. 9 Hệ có kích thước hạt keo thấy được bằng kính hiển vi thường (a > 0,2 micron) là hệ micron, Hệ có kích thước hạt keo không thấy được bằng kính hiển vi thường (a < 0,2 micron) là hệ siêu micron. Hệ siêu micron lại được phân thành supmicron (0,005 < a < 0,2 micron - nhìn thấy nhờ kính siêu vi) và amicron (a < 0,05 micron - kính siêu vi cũng không phát hiện thấy). Cách phân loại này không phản ánh bản chất của hệ keo và nói chung các hệ keo thường gặp là các hệ đa phân tán nên cách này ít được sử dụng. 10 5
CHƯƠNG I Hệ phân tán 1 Kích thước hạt Độ phân tán (D) là số phân tán trong một đơn vị độ dài: D= 1/a a: kích thước hạt phân tán Bề mặt riêng Sr là bề mặt của tất cả các hạt được quy về một đơn vị thể tích pha phân tán. Kích thước hạt a càng nhỏ thì D và Sr càng lớn. 11 CHƯƠNG I Hệ phân tán 1 Kích thước hạt Sự thay đổi bề mặt riêng khi chia nhỏ 1cm3 chất: 12 6
CHƯƠNG I Hệ phân tán 2 Trạng thái tập hợp Sự phân loại các hệ phân tán theo trạng thái tập hợp Số TT Pha phân Môi trường Kí hiệu Tên gọi hệ Ví dụ tán phân tán 1 Rắn Lỏng R/L Huyền phù 2 Lỏng Lỏng L/L Nhũ tương (emulsion) 3 Khí Lỏng K/L Bọt (foam) 4 Rắn Rắn R/R Dung dịch rắn 5 Lỏng Rắn L/R Nhũ tương rắn, gel 6 Khí Rắn K/R Bọt rắn (solid foam) 7 Rắn Khí R/K Son khí 8 Lỏng Khí L/K Son khí 9 Khí Khí K/K Dung dịch khí (hệ phân 13 tán phân tử) CHƯƠNG I Hệ phân tán Môi trường phân tán • Aerosol (sol khí): môi trường phân tán là khí, hệ L/K (các giọt lỏng phân bố trong pha khí) như mây, sương mù…; hệ R/K (các hạt rắn phân bố trong pha khí) như khói, bụi... (Hệ K/K là hệ phân tán phân tử). • Liosol (sol lỏng): môi trường phân tán là chất lỏng như nước, rượu, ete... được gọi tương ứng là hidrosol, ancolsol, etesol... Danh từ acganosol được dùng để chỉ các sol có môi trường phân tán lỏng là dung môi hữu cơ. Ở độ phân tán cao, các hệ có cùng môi trường phân tán có tính chất tương đối giống nhau nên để đơn giản, các hệ keo chỉ được phân loại theo trạng thái tập hợp của môi trường phân tán. 14 7
CHƯƠNG I Hệ phân tán 3 Tương tác giữa các hạt Hệ phân tán tự do: - các hạt tồn tại độc lập nhau và chúng chuyển động hỗn loạn. - ví dụ aerosol, liosol, huyền phù và nhũ tương rất loãng. o o o O o o o o o O O o o o o o o O O oO o o O o o o O o O O o 15 CHƯƠNG I Hệ phân tán 3 Tương tác giữa các hạt Hệ phân tán liên kết: - các hạt liên kết với nhau bằng các lực phân tử tạo nên trong môi trường phân tán một mạng lưới không gian. - các hạt dính lại với nhau tại các điểm tiếp xúc. - gọi là gel - Tuỳ theo số điểm tiếp xúc của mỗi hạt, gel có thể ở dạng liên kết lỏng lẻo (a, c) hoặc sắp xếp đặc khít (b), ví dụ như huyền phù đậm đặc (kem), nhũ tương đậm đặc (bọt). - Các hạt cũng có thể kết dính với nhau để lại các lỗ xốp gọi là các hệ mao quản (d, e), ví dụ như gỗ, da, giấy, các loại màng. oo oo ooooooooo ooooo oo OO o ooooo OOOOO O ooo oo o oo O O OOOO oooooooo oooo OO O OOo o o (a) (b) (c) (d) (e) 16 a, c: Gel lỏng lẻo; b: Gel đặc khít; d, e: Các hệ mao quản 8
CHƯƠNG I Tương tác giữa pha phân tán Hệ phân tán 4 và môi trường phân tán • Keo thuận nghịch: - Có sự tương tác giữa pha phân tán với các phân tử môi trường nên chúng hoà tan trong môi trường đó. - Gọi là hệ keo ưa lưu (ưa lỏng, lyophylles). - Môi trường phân tán là nước thì các hệ này được gọi tương ứng là ưa nước. - Ví dụ : xà phòng, nhiều loại đất sét tự hòa tan trong nước, các hợp chất cao phân tử được hòa tan trong dung môi thích hợp. • Keo bất thuận nghịch: - Pha phân tán không tự ý tương tác với các phân tử môi trường nên chúng không hòa tan trong môi trường. - Gọi là hệ keo ghét lưu (kỵ lỏng, lyophobes), - Môi trường phân tán là nước thì các hệ này được gọi tương ứng là ghét nước. 17 - Ví dụ: cao su trong benzene, PMMA trong toluene… CHƯƠNG I Hệ phân tán Ý nghĩa của hóa keo Trong tự nhiên: -Không gian vũ trụ là một hệ thống keo khổng lồ, chứa những hạt bụi ˂ 3.10- 5 cm. -Sao chổi là một đám bụi vũ trụ tương đối tập trung mà nhờ sự phân tán ánh sáng mặt trời ta có thể thấy chúng vào những lúc rạng đông hoặc chập tối. 18 9
CHƯƠNG I Hệ phân tán Ý nghĩa của hóa keo Trong tự nhiên: - Mây và sương mù là những hệ keo L/K - Mưa, tuyết là những hiện tượng phá hủy độ bền vững của hệ keo. 19 CHƯƠNG I Hệ phân tán Ý nghĩa của hóa keo Trong tự nhiên: - Đất là một hệ thống keo phức tạp, hình dạng, kích thước cũng như bản chất của các hạt keo đất quyết định khả năng thấm ướt, khả năng hấp thụ của đất. - Việc tạo thành các vùng châu thổ tại những nơi cửa sông nối liền với biển được giải thích bằng sự keo tụ các hạt keo chứa trong nước sông khi các hạt đó gặp các chất điện ly chứa trong nước biển. 20 10
CHƯƠNG I Hệ phân tán Ý nghĩa của hóa keo Trong tự nhiên: - Nhiều quá trình sống trong cơ thể động thực vật cũng là những quá trình keo. Cơ thể động vật, thực vật là gồm những dung dịch và gel của các chất cao phân tử. 21 CHƯƠNG I Hệ phân tán Ý nghĩa của hóa keo Trong kĩ thuật: - Nhuộm sợi, thuộc da là làm cho các hạt keo (phẩm nhuộm, chất thuộc da) khuyếch tán vào vải, vào da và bị keo tụ trên bề mặt các vật liệu này. - Nhựa: Nhiều quá trình điều chế polime được tiến hành ở dạng nhũ tương. Bản chất composite cũng là các hệ keo với sự có mặt các chất độn ở dạng các hạt rất nhỏ. - Dược phẩm: các loại dựơc phẩm dưới dạng huyền phù, nhũ tương, kem, dầu, cao. 22 11
Lĩnh vực Foam Emulsion Suspension Môi trường và khí tượng Bọt sông bị ô nhiễm, Nước thải Hạt lơ lửng trong mưa, bong bong khí trong biển, hồ và sông nước, biển và sông dòng chảy băng Thực phẩm Champagne, soda, bia, Sữa, bơ, kem, sốt Thạch, đồ uống sô cô la, kem tươi, bánh trứng mayonnaise, pho mát, đồ uống bán đông lạnh, đường, kem nước sốt kem, dầu thực vật Địa chất, nông nghiệp và Bọt hun khói, thuốc Thuốc trừ sâu và thuốc Bùn, cát, đất sét khoa học đất trừ sâu và thuốc diệt diệt cỏ cỏ, bong bóng trong chất nhão Sản xuất và khoa học vật Bọt xà phòng, bọt mực Nhựa đường, sơn, chất Mực in, gel, sơn, dung liệu đánh bóng dịch bột giấy Sinh học và y học Bọt tiêu hóa, chất bài Vitamin hòa tan và các Dầu xoa bóp, protein, tiết của côn trùng sản phẩm nội tiết tố, virus, thuốc nang các tế bào sinh học, máu, mụn nước Sản xuất dầu mỏ và chế Bọt nhà máy lọc dầu, Dung dịch nhũ tương Dung dịch khoan cắt, chế biến khoáng sản bọt dầu và nhựa khoan và thông dòng biến khoáng sản đường, bọt chữa cháy, chảy tuyển khoáng Nhà và các sản phẩm chăm Bọt dầu gội đầu, kem Nước hoa và kem thoa Chất tẩy tế bào chết, kem sóc cá nhân cạo râu, bọt xà phòng da, tóc đắp mặt, son dưỡng môi 23 tắm, gel (mousse) tạo kiểu tóc CHƯƠNG II CÁC HIỆN TƯỢNG BỀ MẶT 24 12
1. Sức căng bề mặt 2. Hiện tượng thấm ướt Chất thấm ướt Sự ngưng tụ mao quản 3. Hấp phụ 25 CHƯƠNG II Các hiện tượng bề mặt Sức căng bề mặt 26 13
CHƯƠNG II Các hiện tượng bề mặt Sức căng bề mặt •Muốn làm tăng bề mặt cần phải đưa thêm các phân tử từ bên trong đến lớp bề mặt, tức là đã thực hiện một công chống lại nội áp. •Công này chỉ dùng để thắng lực tương tác giữa các phân tử nên tỷ lệ với độ tăng diện tích bề mặt. Công tiêu tốn để tạo ra một đơn vị diện tích bề mặt: W= dGs = . ds  là hệ số tỷ lệ và được gọi là sức căng bề mặt (SCBM). Khi ds=1 thì năng lượng dư bề mặt dGs =  nên có thể nói  là năng lượng tạo ra 1 đơn vị bề mặt. [ J] [ N ] [m] [ N] 105 dyn  = = = = 100cm = 103 dyn/cm [ m2 ] [ m2 ] [ m] 27 CHƯƠNG II Các hiện tượng bề mặt Sức căng bề mặt SCBM là lực tác dụng trên một đơn vị độ dài của bề mặt phân chia pha. Kéo màng thêm 1 đoạn dh thì cần tác dụng 1 lực f. Diện tích bề mặt tăng lên 1 giá trị: ds = 2. l . dh f Công thực hiện quá trình bằng lực nhân quãng đường đi: W = f.dh = .ds f   2 l 28 14
CHƯƠNG II Các hiện tượng bề mặt Sức căng bề mặt -1 -1 Chất lỏng σ,Nm Kim loại, σ,Nm o o (20 C) muối nóng chảy (20 C) -3 o -3 n-hexan 18,4.10 Hg (20 C) 472.10 -3 o -3 C2H5OH 22,0.10 Ag (970 C) 800.10 -3 o -3 Xyclohexan 26,5.10 NaCl (1000 C) 98.10 -3 o -3 Benzen 28,9.10 BaSO4 (25 C) 1250.10 -3 o -3 H2O 72,75.10 CaF2 (25 C) 2500.10 Giá trị SCBM phụ thuộc: - Bản chất của mỗi chất - Bản chất của chất tiếp xúc 29 Giá trị của sức căng bề mặt phụ thuộc vào bản chất của các pha tiếp xúc (do tương tác phân tử giữa các pha khác nhau), nhiệt độ và lượng chất hòa tan. Khi nhiệt độ tăng, sức căng bề mặt của đa số chất lỏng giảm xuống. 30 15
Dưới tác dụng của sức căng bề mặt, chất lỏng khi không có tác dụng của ngoại lực luôn có dạng hình cầu. 31 CHƯƠNG II Các hiện tượng bề mặt Sức căng bề mặt So sánh sức căng bề mặt  tính toán và thực nghiệm -1 -3 Chất lỏng  , N.m (thực H, J.m l, m nghiệm) H.l  6 -3 9 - -3 Nước 72,75.10 2,2.10 3,12.10 114.10 10 -3 9 - -3 Clorofom 27,6.10 0,55.10 5,16.10 47,3.10 10 -3 9 -10 -3 n-hexan 18,4.10 0,23.10 6.10 23.10 -3 9 - -3 Benzen 28,9.10 0,34.10 5,28.10 29.10 10 32 16
CHƯƠNG II Các hiện tượng bề mặt Sức căng bề mặt Giả thiết có 1m3 chất được phân chia thành phân tử tự do: Năng lượng phân chia: nhiệt hoá hơi H Giả thiết các phân tử hình lập phương có cạnh l, có l-3 hình lập phương. Công hình thành bề mặt S là S. (chính là nhiệt hóa hơi). Nước: H = 2,2 J/m3 l = 3,12.10-10m Diện tích bề mặt 1 hình lập phương 6 l2 → Tổng diện tích bề mặt 6 l2 l-3 = 6.l-1 6 H .  H =  hay  = 33  6 CHƯƠNG II Các hiện tượng bề mặt Hiện tượng thấm ướt Hiện tượng thấm ướt: là hiện tượng chất lỏng lan rộng trên bề mặt chất rắn. Mức độ thấm ướt : -Được quyết định bởi tương quan giữa các SCBM -Đặc trưng bởi góc thấm ướt  34 17
CHƯƠNG II Các hiện tượng bề mặt Hiện tượng thấm ướt •  < 90°, thấm uớt bề mặt. •  > 90°, không thấm ướt bề mặt. •  = 0, chất lỏng thấm ướt hoàn toàn. •  = 180°, hoàn toàn không thấm ướt. 35 CHƯƠNG II Các hiện tượng bề mặt Hiện tượng thấm ướt Khi thấm ướt: bề mặt tiếp xúc R-K có SCBM lớn được thay bằng bề mặt tiếp xúc R-L có SCBM nhỏ SCBM của hệ giảm Khi cân bằng được thiết lập, quá trình dừng lại, tại biên giới tiếp xúc của 3 pha có cân bằng lực như sau: RL + LK.cos= RK Phương trình Young: cos = (RK - RL)/ LK SCBM là hằng số do đó  cũng là hằng số đối với một cặp pha xác định. cos : hệ số thấm ướt Bề mặt thấm ướt tốt (cos > 0 ) được gọi là bề mặt ưa nước/lỏng, Bề mặt không thấm ướt nước được gọi là bề mặt ghét nước/kỵ̣ lỏng. 36 18
CHƯƠNG II Các hiện tượng bề mặt Hiện tượng thấm ướt Góc tiếp xúc  của nước trên một số bề mặt rắn: Dựa vào việc đo góc tiếp xúc ta có thể kiểm tra độ sạch của bề mặt. 37 CHƯƠNG II Các hiện tượng bề mặt Chất thấm ướt Chất thấm ướt là chất khi thêm vào thì làm tăng tính thấm ướt của nước trên bề mặt. Các chất hoạt động bề mặt đều là chất thấm ướt. Giả thiết góc tiếp xúc của nước tinh khiết trên bề mặt nào đó là  : RL + LK.cos = RK Nếu thêm chất HĐBM vào pha lỏng thì sức căng bề mặt có liên quan đến pha lỏng sẽ giảm: ’RL + ’LK.cos’ = RK So sánh 2 PT trên ta có: RL + LK.cos = ’RL + ’LK.cos’ Vì ’RL ˂ RL và ’LK ˂ LK nên cos’  cos hoặc ’˂  38 19
CHƯƠNG II Các hiện tượng bề mặt Sự chảy loang Sự chảy loang là trường hợp thấm ướt hoàn toàn của một giọt chất lỏng B lên bề mặt một chất lỏng A (thường là nước, có sức căng bề mặt lớn hơn). Điều kiện chảy loang : AH  BH + AB Hệ số chảy loang : S = AH - BH - AB  0 Rượu ROH, axít hữu cơ R-COOH, amin R-NH2 loang tốt trên bề mặt nước Dầu vazelin, dầu máy không chảy loang 39 CHƯƠNG II Các hiện tượng bề mặt Sự ngưng tụ mao quản Hiện tượng ngưng tụ mao quản: là sự ngưng tụ hơi của chất bị hấp phụ trong các mao quản của chất hấp phụ xốp. Nếu chất bị hấp phụ thấm ướt thành mao quản thì sẽ tạo thành một mặt cong lõm trong mao quản. •Sức căng bề mặt của chất lỏng càng lớn hoặc bán kính mao quản càng nhỏ thì áp suất hơi bão hòa trong mao quản càng nhỏ, nghĩa là hơi càng dễ ngưng tụ thành lỏng. 40 20