Nguyên tắc gây keo tụ hệ keo ƣa lƣu. Về nguyên tắc gây keo tụ hệ keo ƣa lƣu là phá bỏ lớp dung môi bao bọc. Khi này hạt keo không đƣợc bảo vệ các hạt keo sẽ kết tụ lại với nhau gây ra hiện tƣợng keo tụ. Có nhiều phƣơng pháp gây keo tụ keo ƣa lƣu nhƣ: Tăng nhiệt độ: Khi nhiệt độ tăng lớp vỏ solvat bị phá vỡ do chuyển động nhiệt tăng. Ví dụ: đun nóng albumin [lòng trắng trứng] làm cho nó vón lại. Thay đổi pH dung môi: Đối với hệ keo ƣa lƣu là các dung dịch cao phân tử đa điện tích [lipit, protein ], việc điều chỉnh pH môi trƣờng để tạo trạng thái đẳng điện sẽ dễ dàng làm chúng keo tụ. Thay đổi dung môi: Ví dụ: thêm rƣợu etylic vào cũng làm cho albumin đông vón do rƣợu hiđrat hoá mạnh, lấy nƣớc của albumin.
Bạn đang xem nội dung tài liệu Hóa đại cương - Chương 7: Hiện tượng bề mặt - Hệ phân tán keo, để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
9/26/2015 1 Chƣơng 7: HIỆN TƢỢNG BỀ MẶT - HỆ PHÂN TÁN KEO I- HIỆN TƢỢNG BỀ MẶT Năng lƣợng bề mặt – sức căng bề mặt Hiện tƣợng hấp phụ Hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học Hấp phụ trên bề mặt pha lỏng Hấp phụ trên bề mặt pha rắn Chất hoạt động bề mặt II- HỆ PHÂN TÁN KEO Khái niệm hệ keo Cấu tạo hạt keo ghét lƣu Điều chế hệ keo Hiện tƣợng đông tụ hệ keo [hiện tƣợng keo tụ] Các loại điện thế trên bề mặt hạt keo Phân loại hệ keo I- HIỆN TƢỢNG BỀ MẶT 1.1. KHÁI NIỆM VỀ NĂNG LƢỢNG BỀ MẶT, SỨC CĂNG BỀ MẶT Hiện tƣợng bề mặt phát sinh trên ranh giới phân chia giữa các tƣớng dị thể, có ảnh hƣởng đến tính chất của toàn hệ. Hơi Mặt thoáng Lỏng A B C D Sơ đồ về sự xuất hiện năng lượng bề mặt của chất lỏng Để hiểu rõ về năng lƣợng bề mặt ta hãy khảo sát hiện tƣợng xảy ra trên bề mặt của một chất lỏng tiếp xúc với chất khí. [hình vẽ]: Phân tử A [hình cầu] trong lòng chất lỏng đƣợc bao quanh bởi các phân tử khác, chịu sự tác động đồng đều về mọi phía, tổng hợp lực tác động lên phân tử A là P1=0. Phân tử ở gần bề mặt B, khối lƣợng vật chất của các phân tử phân bố xung quanh nó không đồng đều về mọi phía. Phía gần mặt thoáng số lƣợng phân tử phân bố ít hơn phía trong lòng chất lỏng, do đó tổng hợp lực tác dụng lên phân tử B là P2 0. Phân tử trên bề mặt chất lỏng C, khối lƣợng vật chất phân bố xung quanh càng mất cân đối. Phần trên là thể khí có khối lƣợng rất nhỏ so với phần dƣới là chất lỏng. Tổng hợp lực tác động lên phân tử C là P3 có giá trị lớn hơn P2, hút về phía trong lòng chất lỏng. Nhƣ vậy, mỗi phân tử ở trên bề mặt có dự trữ năng lƣợng lớn hơn các phân tử trong lòng vật thể, năng lƣợng dƣ đó gọi là năng lƣợng bề mặt. Lớp học phần VNUA-Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam //sites.google.com/site/lophocphank57vnua/ 9/26/2015 2 Vậy “ năng lượng dư của các phần tử ở bề mặt so với năng lượng trung bình của các phần tử bên trong vật chất gọi là năng lượng bề mặt tự do, gọi tắt là năng lượng bề mặt” Năng lƣợng bề mặt đƣợc kí hiệu là E. Năng lƣợng bề mặt [E] luôn tỷ lệ thuận với số phần tử trên bề mặt dung dịch [Tức là tỷ lệ thuận với diện tích bề mặt S]. K.SE [7.1] Khi S = 1 đơn vị diện tích [cm2, m2] thì E = K. Giá trị E = K được gọi là sức căng bề mặt. Nhƣ vậy: sức căng bề mặt là năng lượng của một đơn vị diện tích bề mặt. Kí hiệu và ta có thể viết: σ.SE [7.2] S E σ Suy ra [7.3] Đơn vị của là: ] m Niuton [ hay cm dyn 1.2. HIỆN TƢỢNG HẤP PHỤ 1.2.1. Khái niệm về sự hấp phụ. Hấp phụ là 1 quá trình tự diễn xảy ra trên bề mặt nhằm tập trung các phân tử, nguyên tử, ion của chất bị hấp phụ lên bề mặt chất hấp phụ nhằm làm giảm năng lƣợng bề mặt của chất hấp phụ. Là quá trình hấp phụ mà lực hấp phụ là lực giữa các phân tử [lực Vander waals]. 1.2.2. Hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học. Lực hấp phụ là lực phân tử nhỏ bé [lực Vander waals] Quá trình hấp phụ là quá trình thuận nghịch- phân tử đã bị hấp phụ dễ dàng tách khỏi bề mặt, tức là dẽ xảy ra quá trình khử hấp phụ Quá trình hấp phụ là quá trình toả nhiệt, do đó sự tăng nhiệt độ sẽ làm giảm độ hấp phụ. b. Hấp phụ hóa học. a]- Hấp phụ vật lý Đặc điểm của hấp phụ vật lý: Hấp phụ hoá học là sự hấp phụ các ion hoặc phân tử tạo nên các liên kết bền hoặc các hợp chất bền trên bề mặt vật hấp. Do đó hấp phụ hoá học còn mang tính chất của phản ứng hoá học. Đặc điểm của hấp phụ hoá học Lực hấp phụ lớn, do đó quá trình phản hấp phụ khó xảy ra Hấp phụ hóa học là quá trình thu nhiệt. Vì vậy khi nhiệt độ tăng thì độ hấp phụ tăng. 9/26/2015 3 Hấp phụ hoá học mang tính chất chọn lọc: Nếu chất bị hấp phụ là các phân tử: thì bề mặt vật hấp chỉ ƣu tiên hấp phụ các phân tử có khả năng tƣơng tác với các phân tử trên bề mặt vật hấp để tạo ra hợp chất bền. Ví dụ: CaO ƣu tiên hấp phụ CO2, H2O để tạo ra CaCO3 ,Ca[OH]2. CaO + CO2 = CaCO3 hoặc CaO + H2O = Ca[OH]2 Nếu chất bị hấp phụ là các ion trong dung dịch: thì bề mặt vật hấp chỉ hấp phụ các ion mang điện tích trái dấu với điện tích trên bề mặt vật hấp. Đối với các ion có cùng điện tích Sự hấp phụ sẽ ƣu tiên cho các ion có trong thành phần cấu trúc bề mặt vật hấp phụ [nhằm kiện toàn cấu trúc bề mặt]. Tiếp đó mới hấp phụ các ion[ gần giống] có cùng điện tích. Trong đó ion nào có bán kính thuỷ hoá nhỏ [cƣờng độ điện trƣờng lớn] sẽ đƣợc ƣu tiên hấp phụ trƣớc. Nếu các ion có điện tích khác nhau thì ion nào có điện tích cao hơn sẽ đƣợc hấp phụ trƣớc. Ví dụ trong thực tập: Al2O3/ [ Fe 3+ , Cu2+, Co2+]. 1.2.3. Độ hấp phụ [ thƣờng đƣợc kí hiệu G]: là lƣợng chất [tính theo mol hay gam] đã bị hấp phụ trên 1 đơn vị diện tích bề mặt [tính theo cm2] hay trên 1 đơn vị khối lƣợng vật hấp [tính theo gam] ở trạng thái cân bằng hấp phụ ở nhiệt độ xác định. S n G hay m n G [7.4] n- số mol hay số milimol chất bị hấp phụ S diện tích bề mặt [m2, cm2,] m Khối lƣợng chất hấp phụ Ở nhiệt độ không đổi, độ hấp phụ của một cặp chất hấp phụ và chất bị hấp phụ phụ thuộc vào bản chất của cặp chất ấy, bề mặt chất hấp phụ, nồng độ [hoặc áp suất] của chất bị hấp phụ. Khi tăng nồng độ chất bị hấp phụ thì độ hấp phụ tăng đến cực đại và không đổi cho dù nồng độ chất tiếp tục tăng. Gmax G 0 Ccb C Sự phụ thuộc của độ hấp phụ G vào nồng độ của chất bị hấp phụ Nhƣ vậy độ hấp phụ cực đại Gmax là độ hấp phụ tối đa của chất hấp phụ ứng với nồng độ cân bằng xác định của chất hấp phụ, ở nhiệt độ xác định 9/26/2015 4 1.2.4. Hấp phụ trên bề mặt pha rắn [đọc sách] Nhƣ đã biết: sức căng bề mặt chất rắn> chất lỏng> chất khí, nên chất rắn rễ dàng hấp phụ chất lỏng và chất khí để giảm sức căng bề mặt. Trên bề mặt chất rắn khác với bề mặt chất lỏng là không đồng nhất: Trên bề mặt vật rắn bên cạnh phần có tính hoạt động mạnh có phần hoạt động yếu. Những phần hoạt động mạnh gọi là trung tâm. Do vậy, sự hấp phụ trên bề mặt vật rắn rất phức tạp. Sự hấp phụ trên ranh giới phân chia của vật rắn- dung dịch phức tạp hơn nhiều so với hấp phụ trên bề mặt lỏng-khí, vì không những chỉ các phân tử của chất hoà tan bị hấp phụ mà còn có cả phân tử của dung môi. Khả năng hấp phụ của chất rắn phụ thuộc vào bản chất của chất hấp phụ, chất bị hấp phụ vào bề mặt riêng của vật rắn, vào nhiệt độ và vào nồng độ chất bị hấp phụ. Phƣơng trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir Những giả thuyết cơ bản của thuyết hấp phụ đẳng nhiệt của Langmuir: +Hấp phụ trên bề mặt vật rắn là hấp phụ vật lý, và đơn phân tử. +Bề mặt vật hấp phụ là đồng nhất. +Nhiệt hấp phụ tại mọi điểm nhƣ nhau [Hệ hấp phụ là đẳng nhiệt] Dựa vào những luận điểm đã nêu ở trên, Langmuir đã xây dựng thành phƣơng trình hấp phụ đẳng nhiệt có dạng: max.G aC C G [7.5] Gmax là độ hấp phụ cực đại; a là hằng số đối với hệ hấp phụ xác định; C là nồng độ chất bị hấp phụ ở trạng thái cân bằng. Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ có dạng đƣờng cong. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir G 0 C1 C2 C M1 M2 m Khi nồng độ chất bị hấp phụ [ C] rất nhỏ so với a [ C>a]. Khi ấy phương trình [7.5] có dạng: G = G max . [7.7] Đƣờng biểu diễn là đƣờng thẳng song song với trục hoành. Ở khoảng nồng độ có giá trị trung bình [từ C1 - C2], người ta thấy đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir không phù hợp với đường cong thực nghiệm. Đƣờng gẫy M1M2, mà không phải là đƣờng cong M1mM2 nhƣ thực nghiệm [hinh vẽ]. Nhƣ vậy: Phƣơng trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir chỉ nghiệm đúng khi nồng độ chất bị hấp phụ ở phạm vi nhỏ hoặc lớn; khoảng nồng độ trung bình không phù hợp. Hạn chế này bắt nguồn từ giả thiết ban đầu gần đúng của tác giả: Thực tế bề mặt vật rắn không đồng nhất, và hấp phụ có thể là đa phân tử. 9/26/2015 5 Khi nồng độ chất bị hấp phụ có giá trị trung bình, ngƣời ta thƣờng sử dụng phƣơng trình hấp phụ đẳng nhiệt Frenđlich [Frendlish]: n 1 K.C m x G [7.8] G là độ hấp phụ,[ tính bằng mol/g] x là lƣợng chất bị hấp phụ, [ mol] m là khối lƣợng vật hấp phụ, [gam] C là nồng độ chất bị hấp phụ ở trạng thái cân bằng hấp phụ, [mol/l]. K, n là hằng số đối với một hệ hấp phụ. [ K chính là độ hấp phụ ứng với nồng độ cân bằng C = 1] Nếu lấy lôgarít thập phân hai vế phƣơng trình [7.8]: [ lg[x/m] = lgk + 1/n lgC ta xác định đƣợc 1/n, k khi vẽ đồ thị về sự phụ thuộc của lgG vào lgC. Hấp phụ và giải hấp phụ đƣợc sử dụng rộng rãi trong việc khử trùng, diệt những loại vi khuẩn hại cây, góp phần bảo vệ và nâng cao năng suất cây trồng. Đầu tiên ngƣời ta dùng những chất có tính hấp phụ cao nhƣ: than, đất bột, phân hấp phụ những chất có tính khử trùng. Sau đó đem trộn lẫn với các hạt giống, củ giống, . Khi ấy quá trình phản hấp phụ sẽ xảy ra. Vi khuẩn bị tiêu diệt. 1.2.5. Hấp phụ trên bề mặt pha lỏng [đọc sách] Mỗi chất lỏng có một sức căng bề mặt xác định, chúng luôn có khuynh hƣớng hấp phụ các chất có sƣc căng bề mặt nhỏ hơn nó lên bề mặt của chúng để làm giảm sức căng bề mặt [hấp phụ dƣơng]. Ví dụ: nƣớc dễ dàng hấp phụ các chất hữu cơ có sức căng bề mặt nhỏ hơn nó. Ngoài ra có trƣờng hợp chất lỏng hấp phụ những chất có sức căng bề lớn hơn nó chất bị hấp phụ tan vào trong lòng chất lỏng làm cho nồng độ chất bị hấp phụ ở bề mặt nhỏ hơn ở trong lòng chất lỏng [hiện tƣợng hấp phụ âm]. Khi này chúng làm tăng sức căng bề mặt của chất lỏng. Ví dụ: các axi, bazơ, muối tan khi tan vào nƣớc. Phương trình Gibbs dC dσ . RT C G G là độ hấp phụ C là nồng độ dung dịch T là nhiệt độ tuyệt đối [0 K] R là Hằng số khí là sức căng bề mặt. [7.9] dC d - biến thiên sƣc căng bề mặt của dung dịch theo sự thay đổi nồng độ chất bị hấp phụ ở lớp bề mặt so với lớp bên trong trong quá trình hấp phụ, đƣợc gọi là độ hoạt đông bề mặt. dC dσ 9/26/2015 6 Ý nghĩa của phương trình Gibbs = [C] G =G[C] Z 0 C [C] Tg[]= = = 0G0 dC dσ Khi Có nghĩa là sức căng bề mặt giảm khi nồng độ chất bị hấp phụ tăng, G >0 có nghĩa là nồng độ chất bị hấp phụ trên bề mặt chất lỏng cao hơn trong lòng chất lỏng. Ta gọi đó là sự hấp phụ dƣơng. 0G0 dC dσ Khi Có nghĩa là sức căng bề mặt chất lỏng tăng khi nồng độ chất bị hấp phụ tăng, G < 0 có nghĩa là nồng độ chất bị hấp phụ ở lớp bề mặt nhỏ hơn ở trong lòng chất lỏng. Ta gọi đó là sự hấp phụ âm. + Dựa vào phƣơng trình Gibbs ta có thể vẽ đƣợc đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ G = G[C] thông qua đƣờng đẳng nhiệt sức căng bề mặt = [C]. Hiện tƣợng hấp phụ dƣơng, đặc biệt là sự hấp phụ định hƣớng các hợp chất hữu cơ sinh lí có mạnh cacbon dài có ý nghĩa sinh học to lớn. Nó giúp ta nghiên cứu mối quan hệ giữa các quá trình hấp phụ- hoà tan- vận chuyển chất trong cơ thể sống. 1.2.6. Khái niệm về các chất hoạt động bề mặt [HĐBM]. [đọc sách] Chất HĐBM là chất có khả năng bị hấp phụ trên lớp bề mặt phân chia hai pha và làm giảm sức căng bề mặt của chất hấp phụ nó. Nhƣ vậy: + Tất cả các chất gây ra sự hấp phụ dƣơng đều là chất HĐBM. + Ngƣợc lại những chất gây ra hấp phụ âm là những chất không HĐBM. Đối với nƣớc: Chất HĐBM thƣờng là những chất hữu cơ mà phân tử có nhóm phân cực nhƣ: -COOH; -NH2; -NO2; -SO3H và nhóm không phân cực là các gốc hiđrocacbon CnHm- [với n, m khá lớn]. Khi nghiên cứu về chất HĐBM, nhà bác học Traube đã đƣa ra mối quan hệ giữa sức căng bề mặt của nƣớc [nƣớc] với nồng độ và độ dài mạch cacbon của chất HĐBM: Sự quan hệ này còn đƣợc thấy ở trong phƣơng trình hấp phụ đẳng nhiệt Gibbs: dC dσ . RT C G Từ phƣơng trình cho thấy: Để có tốc độ hấp phụ dƣơng thì G >0 có nghĩa là sức căng bề mặt của dung môi giảm khi tăng nồng độ chất bị hấp phụ. 0 dC dσ 9/26/2015 7 Tác dụng tẩy rửa và nhũ hoá của các chất hoạt động bề mặt. Các chất hoạt động bề mặt, phân tử của nó gồm 2 phần rõ rệt. Phần phân cực [gồm 1 hoặc nhiều nhóm phân cực, ion]. Phần không phân cực gồm mạch Hyđrô các bon dài. Các chất hoạt động bề mặt có sức căng bề mặt rất nhỏ, nên chúng dễ dàng bị hấp phụ và dễ dàng tạo hạt mixen. Vì thế chúng có tác dụng tẩy rửa và nhũ hoá. Nhũ hoá và tẩy rửa là quá trình làm cho các chất vốn khó hoà tan hoặc không hoà tan như dầu , mỡ trở thành phần tử dễ hoà tan, dễ phân bố trong 1 môi trường nào đó nhờ chất hoạt động bề mặt đã làm tăng khả năng thấm ướt của chúng Chẳng hạn: Vết dầu D không hoà tan trong nƣớc, nhƣng khi thêm xà phòng vào, dầu dễ dàng tan trong nƣớc. Cơ chế của hiện tƣợng hoà tan đƣợc giải thích theo 2 cách: Cách2: Cơ chế hấp phụ. Các giọt dầu hấp phụ các phần tử xà phòng, phần không phân cực của xà phòng hƣớng vào dầu, phần phân cực hƣớng vào nƣớc. Nhƣ vậy, giọt dầu bị phân cực hoá, thấm ƣớt tốt, dễ tan và bị nƣớc cuốn đi [hình vẽ a]. D a]-Giọt dầu bị phân cực hoá do hấp phụ định hướng các phần tử chất HĐBM b]-Dầu bị hoà tan trong lòng hạt mixen . Cách2: Cơ chế nội hoà tan. Hạt mixen của dung dịch chất HĐBM hoà tan dầu [dƣới dạng từng phần tử hay các hạt nhỏ] ngay trong lòng nó, do vậy dầu đƣợc hoà tan dễ dàng trong nƣớc [hình vẽ b]. Tác dụng tẩy rửa, nhũ hoá của chất HĐBM đƣợc ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực: tẩy rửa, nhuộm, chế thuốc bôi ngoài da, hoà tan thuốc trừ sâuCác cơ chế hoà tan nêu trên còn là hình thức vận chuyển, trao đổi và tích luỹ các chất trong một số bộ phận của cơ thể sống II- HỆ PHÂN TÁN KEO 2.1. Khái niệm hệ keo Hệ phân tán keo là hệ có kích thƣớc hạt phân tán 10-7cm