HLHK ch4 cac hien tuong be mat

Chất lỏng dính ướt hồn tồn Chất lỏng khơng dính ướt Khi một chất lỏng tiếp xúc với bề mặt rắn: Các đại lượng đặc trưng: - Gĩc dính ướt: θ - Độ dính ướt: cosθ Chất lỏng tiếp xúc với bề mặ

Trang 1

Chương 4

CÁC HIỆN TƯỢNG BỀ MẶT

Nội dung

4.1 Năng lượng bề mặt

4.1.1 Sức căng bề mặt 4.1.2 Chiều xảy ra của các hiện tượng bề mặt

4.2 Các hiện tượng bề mặt

4.2.1.Dính ướt 4.2.2.Chảy loang 4.2.3.Mao dẫn 4.2.4 Tạo mầm 4.2.5.Hấp phụ

29/03/2021 Hóa lý Hóa keo -Chương 4 2

Hiện tượng bề mặt: các phân tử ở bề mặt chịulực hút

vào trong pha thể tích

Phân tử bên trong chất lỏng Phân tử trên bề mặt

 Phân tử ở bề mặt có xu hướng bị kéo vào

bên trong khối thể tích của vật liệu

4.1.1 SỨC CĂNG BỀ MẶT

Khí

Lỏng

Bề mặt tiếp xúc pha

4.1 NĂNG LƯỢNG BỀ MẶT

NĂNG LƯỢNG TỰ DO BỀ MẶT:

là công cần thiết để tăng diện tích bề mặt = sự chênh lệch thế năng giữa các phân tử trong pha thể tích và

trên lớp bề mặt

Nếu dS = 1: dG S = 

là năng lượng tự do trên 1 đơn vị diện tích bề mặt,

là công cần thiết để tăng diện tích bề mặt lên 1cm 2

SỨC CĂNG BỀ MẶT  (hay )

Thứ nguyên của : - Năng lượng/diện tích: J/m 2

- Lực/chiều dài:N/m ; dyn/cm; erc/cm 2

(1 dyn/cm = 10-3N/m; 1 erc = dyn.cm)

A = dG S = .dS

- Phương của  :tiếp tuyến với bề mặt

- Hướng của  :làm giảm diện tích bề mặt

Sức căng bề mặt trên bề mặt lỏng – khí

 càng lớn thì càng khó tạo bề mặt tiếp xúc pha

Chất lỏng Nhiệt độ ( o C)  (erc/cm 2 )

Trang 2

CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN 

• Bản chất 2 pha tiếp xúc((lực tương tác trong từng pha)

• Nhiệt độ:T tăng   giảm

• Khối lượng riêng: d tăng   tăng(σrắn > σlỏng> σkhí)

Chất lỏng o(dyn/cm)

Lỏng–Khí Lỏng - Nướco(dyn/cm)

29/03/2021 Hĩa lý Hĩa keo -Chương 4 9

Tears of wine - Marangoni effect

https://youtu.be/tgrTbvSnE50

Chiều tự xảy ra của các hiện tượng trong tự nhiên:

“chiều làm giảm năng lượng tự do”

Chiều tự xảy ra của các hiện tượng bề mặt là:

tự làm giảm diện tích

bề mặt

dG S = .dS < 0

Các giọt chất lỏng cĩ hình cầu

Các hạt nhỏ tập hợp lại thành các hạt lớn

?

 = const  dS < 0 ( > 0)

4.1.2 CHIỀU XẢY RA CỦA HIỆN TƯỢNG BỀ MẶT

4.2 CÁC HIỆN TƯỢNG BỀ MẶT

4.2.1.HIỆN TƯỢNG DÍNH ƯỚT (thấm ướt)

Hiện tượng dính ướt: là sự phân bố bề mặt tiếp xúc

giữa 3 pha Rắn – Lỏng – Khí sao cho

năng lượng tồn phần bề mặt là nhỏ nhất

Chất lỏng dính ướt hồn tồn Chất lỏng khơng dính ướt

Khi một chất lỏng tiếp xúc với bề mặt rắn:

Các đại lượng đặc trưng: - Gĩc dính ướt: θ

- Độ dính ướt: cosθ

Chất lỏng tiếp xúc với bề mặt rắn, tạo ra:

Gĩc dính ướt θ

dính ướt hồn tồn

hồn tồn khơng dính ướt dính ướt

khơng hồn tồn

Trang 3

r-k , r-l , l-k : sức căng bề mặt trên bề mặt

rắn – khí, rắn – lỏng, lỏng-khí

(vẽ từ A, tiếp tuyến với bề mặt phân chia 2 pha,

theo hướng sao cho làm giảm diện tích bề mặt tiếp xúc)

r-k r-l l-k

σ - σ cos θ =

σ

Khi góc thấm ướt θ ổn định, các lực tại A cân bằng

nhau: r-k =  r-l +  l-k cosθ

 Độ thấm ướt:

đặc trưng cho khả năng thấm ướt bề mặt:

θ = 180o  0o cosθ = 1  1

cosθ > 0: bề mặt ưa lỏng; cosθ < 0: bề mặt kỵ lỏng

cosθ càng lớn (θ càng nhỏ): chất lỏng càng dễ thấm ướt

Định luật Young

Góc thấm ướt  của Nước trên một số bề mặt rắn

Bề mặt rắn  (độ) Bề mặt rắn  (độ)

Chất lỏng dính ướt lên bề mặt rắn:

là quá trình làm giảm năng lượng

tự do bề mặt ở hệ có 3 pha tiếp xúc,

thay thế bề mặt có SCBM lớn ( r-k )

bằng bề mặt có SCBM nhỏ( r-l )

Ứng dụng của hiện tượng dính ướt:

• Điều chế, bảo vệhệ keo(là chế phẩm có hoạt chất

khó tan

• Tuyển nổi quặng (khoáng chất)

• Nhuộm màu

Tác nhân dính ướt: có khả năng làm giảm SCBM của

dung dịch xuống dưới SCBM của chất rắn

 chuyển bề mặt kỵ lỏng thành bề mặt ưa lỏng và

ngược lại

4.2.2 HIỆN TƯỢNG CHẢY LOANG

Sự tiếp xúc giữa 3 pha tốt nhất (bền nhất) khi chất lỏng

chảy loang trên bề mặt:

CHẢY LOANG =bề mặt R-K có r-klớnđược thay thế bằng bề mặt R-L có r-lnhỏhơn

 làm giảm năng lượng tự do

 hệ trở nên bền vững hơn, có tỏa nhiệt

Chất lỏng chảy loang trên bề mặt chất rắn

r-kcàng lớn thì chất lỏng càng dễ chảy loang

l-k

r-k

r-l



(r-k > r-l)

Chất rắn dễ chảy loang: có r-k > 100 mN.m -1

kim loại, oxit, clorua, muối vô cơ.(r-k 500 ~ 5000 mN.m -1 )

Chất rắn khó chảy loang: có r-k < 100 mN.m -1

chất rắn hữu cơ, polymer

(PTFE: r-k 18 mN.m-1)

Chảo không dính nhờ

có lớp polymer

S O/W =  W -  O -  W/O

SO/W > 0: dầu chảy loang trên

mặt nước

S O/W < 0 : dầu nổi trên mặt nước thành từng mảng/giọt

Liquids Iso-C5H12O C6H6 C6H12 CS2 CH2I2

Chất lỏng chảy loang trên bề mặt chất lỏng

Xét 2 chất lỏng không hòa tan: dầu – chất hữu cơ (O)

và nước (W)

Hệ số chảy loang Harkins

SCBM tại bề mặt lỏng/khí bề mặt O/WSCBM tại

Trang 4

Váng dầu nổi trên

mặt nước súp

Xăng/Dầu chảy loang trên mặt nước biển

4.2.3 HIỆN TƯỢNG MAO DẪN

Là hiện tượng tự dâng lên hay hạ xuống của chất lỏng

trong ống mao quản

Ứng dụng: thực vật có thể hút nước lên cao nhờ có

các ống mao dẫn cực nhỏ

Mặt khum

lõm

Mặt khum

lồi

do sự dính ướt / không dính ướt

Giải thích:

- Lực dính ướt >:

chất lỏng dâng lên

(dính ướt)

- Lực dính ướt < :

chất lỏng hạ xuống (không dính ướt)

Phương trình Thompson – Kelvin

về áp suất hơi trên bề mặt chất lỏng

V : thể tích mol riêng phần của giọt chất lỏng

P r: áp suất hơi bão hòa trên bề mặt cong

P o: áp suất hơi bão hòa trên bề mặt phẳng

- Đối với giọt chất lỏng trong pha lỏng:

2 ln

r o

R T





- Đối với giọt chất lỏng trong pha khí:

/

2 ln

r

o

R T





Quy ước:

- mặt phẳng: r  

- mặt cong lồi: r > 0

- mặt cong lõm: r < 0

r 1 < r 2

: P = P o : P r > P o : P r < P o

:P r1 > P r2

P r < P o

r

Plõm < Pphẳng < Plồi

Giải thích:

Vì P 1 (lõm) < P 2 (phẳng)

 chất lỏng dâng lên

để cân bằng áp suất

Mặt cong lõm

Plõm< Pphẳng

Mặt cong lồi

Pphẳng< Plồi

Áp suất hơi trên bề mặt chất lỏng thay đổi theo hình dạng & đường kính của bề mặt

PT Thompson - Kelvin

& P lõm< Pphẳng< Plồi

Phương trình Young – Laplace:

Đối với mặt elip:

1 2

.

P P P

r

P < 0

P > 0

Quy ước:





P P







P P

P  



- Mặt cong lồi : r > 0

- Mặt cong lõm: r < 0

- Mặt phẳng : r = ∞   P 0

Trang 5

Chiều cao chất lỏng dâng lên (hạ xuống) trong ống mao quản

2 cos

h gR





 : khối lượng riêng phần của chất lỏng

R : bán kính ống mao quản

g :gia tốc trọng trường

4.2.4 HIỆN TƯỢNG TẠO MẦM

Quá trình kết tinh (Lỏng  Rắn), gồm các giai đoạn : tạo mầmtinh thể lớn lên tạo tinh thể hoàn chỉnh

- Thế năng G (năng lượng tự do):

ban đầu tăng, sau đó giảm dần

- Trong giai đoạn tạo mầm: có rào cản năng lượng

Kết tinh từ lỏng quá lạnh–supercooling

Kết tinh từ lỏng quá bão hòa –supersaturation

Hiện tượng tạo mầm - Nucleation

• Tạo mầm đồng thể (do các phân tử sắp xếp & gắn kết)

• Tạo mầm dị thể (từ mầm tinh thể được cho vào từ trước)

Ví dụ: cho thêm sợi chỉ khi làm đường phèn;

hoặc mầm tinh thể (seed), hạt bụi …

- Tăng do nhận công để

tăng bề mặt của các hạt tinh thể kích thước r

- Giảm do sinh công để

tăng thể tích khi phân tử chuyển từ lỏng sang rắn

=> G tăng rồi giảm

• Biến đổi G tùy thuộc vào

điều kiện quá lạnh

Nucleation

• G thay đổi trong quá trình kết tinh:

Trang 6

Khi tạo mầm dị thể:vì không cần trải qua giai đoạn

sắp xếp để tạo mầm nên rào cản năng lượng giảm xuống

Giải thích:

29/03/2021=> Quá trình kết tinh xảy ra nhanh hơn Hóa lý Hóa keo -Chương 4 34

Giải thích: các hạt tinh thể mới tạo thành có r rất nhỏ

P rất lớn hệ có thế năng rất lớn (chính là rào

cản năng lượng)

Tạo mầm đồng thể: luôn có rào cản năng lượnglàm quá trình kết tinh bị cản trở (bị chậm lại)

4.2.3 HIỆN TƯỢNG HẤP PHỤ

Ví dụ: than hoạt tính (chất hấp phụ) trong mặt nạ phòng

độc, máy hút khói… hút các chất khí độc (chất bị hấp phụ)

là sự thu hút làm gia tăng nồng độ một chất

lên bề mặt của chất khác

Nguyên nhân của sự Hấp Phụ: hoạt tính bề mặt

của các phân tử nằm tại bề mặt phân chia pha

• Chất bị hấp phụ:là chất bị hút lên bề mặt phân chia pha (chất khí, chất lỏng)

• Chất hấp phụ:là chất trên bề mặt xảy sự hấp phụ (chất lỏng, chất rắn)

Adsorption vs Absorption Hấp phụ Hấp thụ/ Hấp thu : chất bị thu hút

đi sâu vào bên trong thể tích

ĐỘ HẤP PHỤ: là lượng chất bị HP gia tăng trên

1 đơn vị bề mặt chất HP

• X (mol/g)

•  (mol/m2)

S i

n S

 

n i S : số mol chất bị HP (mol)

S: diện tích bề mặt chất HP (m2, cm2)

Các yếu tố ảnh hưởng đến độ hấp phụ:

- Bản chất của chất HP và chất bị HP

- Nồng độ chất tan hay áp suất chất khí

- Nhiệt độ

- Mặt nạ phòng độc, khẩu trang, máy hút khói dùng than

hoạt tính Gói hút ẩm dùng silicagel.

- Tinh chế, tách hỗn hợp khí, loại bỏ khí độc

- Hấp phụ khí lên bề mặt kim loại làm xúc tác (H2lên Pt,

Pd, Ni) trong quá trình phản ứng có xúc tác trong công

nghệ hóa học và phân tích

- Than hoạt tính dạng viên

hoặc biệt dược (Carbophos,

Carbogast, Quinocabine )

để hấp phụ khí hơi khi bị đầy bụng, chướng hơi, rối loạn tiêu hóa và giải độc

Ứng dụng của sự hấp phụ

Chất tan trong dung dịch có thể là:

-Chất không hoạt động bề mặt, nếu C tăng   tăng (dd >  dm)

-Chất hoạt động bề mặt (HĐBM), nếu C tăng   giảm (dd <  dm)

4.2.3.1 SỰ HẤP PHỤ TRÊN

Sự thay đổi SCBM theo C:

1-Chất không HĐBM 2- Dung môi nguyên chất 3- Chất HĐBM

Trang 7

Chất tan là chất KHÔNG HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT

• Chất tan không điện ly và không bị solvat hóa:

 chất tan phân bố đều trong dd và trên bề mặt

 dd =  dm

• Chất tan điện ly: ion bị solvat hóa (hydrat hóa)

vào trong lòng dd  chất tan nằm trong dd, không

tập trung ở bề mặt  dd >  dm

Chất tan là chất HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT

Cấu tạo gồm 2 phần:

• Phần đầu phân cực (thân nước): là các nhóm chức

NO2, -COOH, NH2, -OH, -SO3H

• Phần đuôi không phân cực (kỵ nước-thân dầu):

là gốc hydrocarbon R

Đuôi của chất HĐBM kỵ nướclàm cho:

 Tương tác chất tan và dung môi (nước) yếu đi

 Chất tan chỉ Tập Trung Ở Bề Mặt:  dd <  dm

C nhỏ: phân tử xếp

Phương trình hấp phụ Gibbs

S

i

n

S

       i: thế hóa học của cấu tử i

i: độ hấp phụ bề mặt của cấu tử

Xác định mối quan hệ giữa lượng chất bị hấp phụ trên

bề mặt với nồng độ trong dd và sức căng bề mặt

* Nếu hấp phụ chất hòa tan trong dd lên bề mặt pha lỏng:

.

T



a : hoạt độ của chất tan

Nếu dd loãng, thay a bằng C

* Nếu hấp phụ hơi của cấu tử chất tan (2) trên dung môi(1)

trong đó không có sự tan lẫn (VD: hydrocarbon/H2O)

T

P

T

.

R

P























 P:áp suất hơi bão hòa của hơi/khí

Hấp phụ âm Chất không HĐBM

*

G

dC da dP

= Đại lượng Gibbs

Độ hoạt động bề mặt

*

a G RT

  

* d 0 G 0 <0 :

dC

Hấp phụ dương Chất HĐBM

* d 0 G 0 >0 :

dC

Quy tắc Traube:

Độ hoạt động bề mặt tăng lên 3 - 3,5 lần khi tăng

chiều dài mạch cacbon lên thêm một nhóm

methylene CH2

Đường đẳng nhiệt sức căng bề mặt của dãy đồng đẳng chất HĐBM – axit hữu cơ

1 HCOOH

5 (CH3)2CHCH2COOH

3 CH3CH2COOH

4 CH3(CH2)2COOH

Ứng dụng của chất hoạt động bề mặt chất HĐBM làm tác nhân:

- Thấm ướt - Hòa tan

- Nhũ hóa - Tạo bọt

- Chất tẩy rửa

- Tạo mixen

Dầu không tan trong Nước

Dầu tan trong nước

xà phòng

Tác nhân hòa tan

Mixen Stearat trong nước

Trang 8

Chất HĐBM trong dung môi:

a) Phân cực (nước) b) Không phân cực (dầu)

Tác nhân tạo bọt

Nước chứa xà phòng sẽ tạo bọt

 chất HĐBM làm giảm SCBM nhiều thì tạo bọt tốt

Sự thấm ướt H2O= 72 dyn/cm, polyetylen= 31 dyn/cm

=> nước không thấm ướt trên polyetylen

Thêm chất HĐBM vào nước:dd 31 dyn/cm

 thấm ướt được trên polyetylen

Tác nhân nhũ hóa:Chất HĐBM tạo ra nhũ tương:

dầu trong nước (D/N) hoặc nước trong dầu (N/D)

(D/N) (N/D)

Khả năng tẩy rửa:là tổng hợp các tính chất của xà phòng: thấm ướt, nhũ hóa, hòa tan, tạo bọt

 tách các chất bẩn ra khỏi bề mặt vải sợi và hòa tan vào nước

4.2.3.2 SỰ HẤP PHỤ CHẤT KHÍ TRÊN

THAN HOẠT TÍNH

https://www.heraeus.com/cn/hpt/

products_solutions_renewables/porocarb/home_porocarb/porocarb-home.aspx

CHẤT HẤP PHỤ dạng Rắn thường là chất rắn xốp,

có diện tích bề mặt lớn:

Ví dụ: 1 g than hoạt tính có diện tích bề mặt bằng

400 – 1200m 2 ; 98% là bề mặt bên trong lỗ xốp

Lỗ xốp (mao quản)

(Bề mặt riêng S = 400 – 1200 m 2 /g)

Trang 9

I hấp phụ đơn lớp, tuân

theo phương trình Langmuir.

II Hấp phụ vật lý có tạo thành nhiều lớp phân tử trên bề mặt Trước điểm

B là đơn lớp, qua B là

đa lớp.

IIIhấp phụ có nhiệt hấp phụ nhỏ hơn hay bằng nhiệt ngưng tụ.

IV,Vtương ứng dạng II & III trong trường hợp có ngưng tụ mao quản, đặc trưng cho hấp phụ trên vật liệu xốp.

ĐƯỜNG ĐẲNG NHIỆT HẤP PHỤ:Biểu diễn sự phụ thuộc

độ HP theo nồng độ hay áp suất:

X = f(C) hay  = f(P) Có các dạng sau:

Đường đẳng nhiệt hấp phụ khi Hấp Phụ Đơn Lớp

T tăng   giảm

P thấp:

-HP chưa bão hòa

- tăng theo P

P cao:

- Hấp phụ bão hòa

- = const = max

HP bão hòa (đơn lớp )

HP

đa lớp

Ngưng tụ mao quản

HP

chưa

bão

hòa

HẤP PHỤ trên bề mặt Rắn

Hấp phụ hoá học Hấp phụ vật lý

PHÂN LOẠI HẤP PHỤ

1 HP vật lý: lực tác dụng khối lượng

(lực Van-der waals),

HP tương tự quá trình ngưng tụ hơi

2 HP hóa học: lực liên kết hóa học

(liên kết cộng hóa trị, liên kết hydro, liên kết ion)

dựa vào LỰC HẤP PHỤ

HẤP PHỤ VẬT LÝ HẤP PHỤ HÓA HỌC

+ Lực HP là lực tác dụng

khối lượng

+ Lực HP là lực liên kết hóa học

+ Không chọn lọc + Có tính chọn lọc

+ Tạo đa lớp HP + Tạo đơn lớp HP

+ Là QT thuận nghịch + Là QT bất thuận nghịch

+ Tỏa nhiệt, xảy ra ở nhiệt

độ thấp

+ Nhiệt HP nhỏ: 4–100 kJ.

( nhiệt ngưng tụ)

+ Tỏa nhiệt , xảy ra ở nhiệt

độ cao + Nhiệt HP lớn: 100– 400 kJ ( nhiệt phản ứng)

Thuyết hấp phụ của Langmuir về HP chất khí lên

bề mặt rắn

- Lực HP là lực tác dụng khối lượng, tạo đơn lớp HP

- HP ở các vết nứt, góc, cạnh, đỉnh trên bề mặt rắn

- Quá trình nghịch là giải hấp phụ (phản hấp phụ)

- Khi đạt cân bằng, tốc độ HP bằng tốc độ giải HP

a Phương trình HẤP PHỤ LANGMUIR

max 1

kP kP

   



,  max: độ HP và độ HP cực đại (HP đơn lớp)

:phần bề mặt đã bị HP; k:hằng số cân bằng HP

max 1

kP kP

  

Trang 10

Nhận xét:

OA: P nhỏ   = maxkP

AB: P trung bình

BC: P lớn   = max

max

1

kP

   



 : độ hấp phụ

k :hằng số

1/n :hệ số thực nghiệm (0,2 < 1/n < 1)

b Phương trình hấp phụ thực nghiệm FREUNDLICH

1

S

i

n

kP

m

  

4.2.3.1 SỰ HẤP PHỤ CHẤT TAN TRÊN

BỀ MẶT RẮN(Hấp phụ LỎNG - RẮN) VD: Hấp phụ chất màu, chất hữu cơ lên than hoạt tính

a HẤP PHỤ PHÂN TỬ (chất không điện ly)

S

i o

n C C V



  

niS : số mol chất tan bị HP lên m g chất HP

V(L): thể tích của dd

m(g): lượng chất hấp phụ

C o ; C (mol/L): nồng độ chất tan trước & sau HP

Hấp phụ LỎNG - RẮN có nhiều điểm giống với

hấp phụ KHÍ - RẮN

Điểm khác : Dung môi tương tác với chất bị hấp phụ

Dung môi có thể bị hấp phụ

Phương trình Langmuir:

max 1

kC kC

  



PT mô tả độ HP theo C ở nồng độ loãng:

. n

k C

 

Ví dụ: than hoạt HP axit axetic trong nước (0,1 < 1/n < 0,2)

Đường đẳng nhiệt hấp phụ (ở nồng độ loãng + đặc)

biểu diễn X2theo phần mol N2 của chất tan trong

dung dịch

• Thường gặp: dạng I

• Dạng I, II, III: x2dương

• Dạng IV, V: x2đổi dấu

Các yếu tố ảnh hưởng đến hấp phụ phân tử

 Ảnh hưởng của dung môi Dung môi cũng bị HP HP cạnh tranh:

Giữa dung môi và chất tan, cấu tử nào có  nhỏ hơn

sẽ ưu tiên bị HP lên chất rắn

 Sự HP chất tan trong nước tốt hơn trong dm hữu cơ

 Ảnh hưởng của chất hấp phụ

- Chất HP và chất tan có cùng bản chất (phân cực hoặc không phân cực) > HP tốt.

- Kích thước lỗ xốp nhỏ sẽ cản trở sự HP

- Chất tan có trọng lượng phân tử lớn >sự HP tăng

 alkaloid, phẩm màu bị HP mạnh

 Ảnh hưởng của chất bị hấp phụ

Định dạng
Số trang	12
Dung lượng	1,45 MB