Giáo trình hóa keo đại cương

Hiện tượng phân tán ánh sáng là một biểu hiện của sự có mặt trong hệmột bề mặt phân cách giữa các hạt của pha phân tán với môi trường phân tán, có nghĩa là hệ không đồng nhất.. Điện di k

Giáo trình hóa keo đại cương

Biên tập bởi:

Huong Ton Nu Lien

Giáo trình hóa keo đại cương

Biên tập bởi:

Huong Ton Nu Lien

Các tác giả:

unknownHuong Ton Nu Lien

Phiên bản trực tuyến:

http://voer.edu.vn/c/4d06b941

MỤC LỤC

1 Chương 1: Khái niệm - đối tượng của hoá keo

2 Chương 2: Tính chất bề mặt của hệ keo

2.1 Tóm tắt

2.2 Sức căng bề mặt

2.3 Sự hấp phụ (Adsorption)

2.4 Sự hấp phụ trên ranh giới lỏng - khí

2.5 Sự hấp phụ trên ranh giới lỏng - rắn

2.6 Hiện tượng thấm ướt

3 Chương 3: Tính chất hoạt động của hệ keo

4 Chương 4: Tính chất điện của hệ keo

5 Chương 5: Tính chất quang của hệ keo

6 Chương 6: Tính bền tập hợp của hệ keo

7 Chương 7: Các tính chất cơ học cấu thể của hệ keo

8 Bài tập và câu hỏi

Tham gia đóng góp

Chương 1: Khái niệm - đối tượng của hoá keo

Một số khái niệm

Hệ phân tán

* Hệ phân tán: là hệ có cấu tạo từ 2 pha trở lên Trong hệ, pha ở trạng thái chia nhỏ gọi

là pha phân tán được phân bố trong pha có tính liên tục gọi là môi trường phân tán Khipha phân tán phân bố đều trong môi trường tạo thành một hệ đồng nhất, không có bềmặt phân cách thì gọi là hệ phân tán đồng thể (ví dụ: dung dịch nước muối)

* Hệ phân tán dị thể: là hệ có cấu tạo từ 2 pha trở lên, các pha không đồng nhất đượcvới nhau Giữa pha phân tán và môi trường phân tán có bề mặt phân cách

* Hệ keo là hệ có độ phân tán cao và dị thể trong đó pha phân tán (hay hạt keo) lớn hơnphân tử và không thể nhìn thấy bằng kính hiển vi quang học

Độ phân tán

Để làm số đo cho độ phân tán có thể dùng kích thước hạt Kích thước hạt phân tán là số

đo mức độ chia nhỏ của hệ phân tán, ký hiệu là a (đối với hạt có hình cầu, kích thướchạt là đường kính d; với hạt hình lập phương là thước cạnh l)

Độ phân tán là số phân tán trong một đơn vị độ dài, ký hiệu là D

D bằng nghịch đảo của a.D = 1a (1.1)

Nếu hệ chứa những hạt có kích thước bằng nhau ta gọi là hệ đơn phân tán, nếu chứanhững hạt có kích thước khác nhau, ta gọi là hệ đa phân tán

Bề mặt riêng

Bề mặt riêng, ký hiệu Sr là diện tích bề mặt phân cách của pha phân tán trong một đơn

vị thể tích, được tính bằng diện tích bề mặt của hạt chia cho thể tích của hạt S r= S1,2 V1

(1.2)

S1,2: diện tích bề mặt phân cách hai pha 1,2 V1: thể tích của pha phân tán

Đối với hạt hình lập phương:S r= S1,2 V1 = 6.l2

Theo quan điểm nhiệt động thì sự có mặt của một bề mặt phân cách lớn gắn liền với sự

có mặt của một năng lượng bề mặt lớn Do có một bề mặt phát triển như vậy nên các hệthống keo không bền vững tập hợp, có nghĩa là các hạt keo dễ liên kết lại thành tập hợphạt lớn hơn Các tập hợp này lớn lên đến một mức độ nào đó thì sa lắng thành kết tủa

Trạng thái keo của vật chất

Trạng thái keo của vật chất là trạng thái phân tán cao, trong đó pha phân tán (chất tan)gồm tập hợp nhiều phân tử kích thước xấp xỉ từ10− 7− 105cm (1- 100 mμ) phân bố trongmôi trường phân tán, hệ không đồng nhất

Bất cứ một chất nào cũng có thể đưa đến trạng thái keo sau khi thiết lập được nhữngđiều kiện cần thiết Ví dụ: nhựa thông (colophan) khi hòa tan vào rượu thì tạo dung dịchthực nhưng khi hòa tan vào nước thì tạo nên dung dịch keo Ngược lại, NaCl trong nướcthì tạo dung dịch thực, còn trong benzen tạo dung dịch keo

Bảng sau cho thấy giới hạn qui ước được thừa nhận về kích thước của các phân tử của những hệ có độ phân tán khác nhau

Tính chất của hệ keo

* Các hệ keo lỏng, keo khí có những tính chất điển hình tương tự nhau :

Có khả năng phân tán ánh sáng Ví dụ như khi chiếu một chùm ánh sáng mạnh vàodung dịch keo, phần dung dịch bị chiếu sáng có hình nón sẽ mờ đục, (gọi là hình nónTyndahl), hiện tượng này được xem là một đặc trưng để phân biệt dung dịch keo vớidung dịch thực Hiện tượng phân tán ánh sáng là một biểu hiện của sự có mặt trong hệmột bề mặt phân cách giữa các hạt của pha phân tán với môi trường phân tán, có nghĩa

là hệ không đồng nhất

Khả năng khuếch tán chậm

Không bền vững tập hợp (nghĩa là dưới tác động rất nhỏ của những điều kiện bên ngoàinhư nhiệt độ, thời gian, chất điện ly, khuấy lắc , các hạt keo dễ dàng tập hợp thànhnhững hạt lớn hơn - gọi là sự keo tụ)

Có thể thẩm tách, các hạt keo không thể lọt qua màng bán thẩm như các phân tử chấttan trong dung dịch thực Như vậy các hạt keo có kích thước rất lớn hơn các phân tửthường

.Thường có hiện tượng điện di Điện di khác với điện phân là: trong điện phân sản phẩmđược tạo ra ở các điện cực với lượng đương lượng tuân theo định luật Faraday; còn điện

di là sự di chuyển của vật chất hướng đến một điện cực trong điện trường với một lượngđáng kể nhưng không theo định luật Faraday

* Các hệ keo rắn không có tất cả những tính chất điển hình của keo lỏng, keo khí nhưvừa nêu Chẳng hạn các hệ keo rắn có tính bền vững tập hợp ở điều kiện thường, vì hệ

có độ nhớt rất lớn nên các hạt không thể dễ dàng chuyển dịch, chúng liên kết với nhau

vững tập hợp Ngoài ra ở hệ keo rắn có những khác biệt về tính phân tán ánh sáng, có

hệ trong suốt, có hệ mờ đục, có hệ hoàn toàn không cho ánh sáng đi qua

* Các tính chất của hệ keo thể hiện đối với hệ chất vô cơ lẫn chất hữu cơ, chất có tựnhiên hay chất chế tạo từ phòng thí nghiệm; không phụ thuộc vào trạng thái tập hợp,nguồn gốc và thành phần hóa học của hệ

* Phân biệt hệ keo - hệ dung dịch thực - hệ các hợp chất cao phân tử

- Dung dịch keo là những hệ dị thể, đa pha, có những tính chất keo, còn dung dịch thực

là những hệ đồng thể, đơn pha

- Những dung dịch chất cao phân tử (ví dụ: protein, cellulose, cao su ) có nhiều tínhchất đặc trưng như những dung dịch keo, ví dụ có khả năng thẩm tách, có tính khuếchtán chậm Trong hệ, kích thước của pha phân tán trong một số trường hợp vượt quá kíchthước của các hạt keo; mặt khác, trong những dung dịch với dung môi xấu, các phân tửnày cuộn lại thành búi với bề mặt rõ ràng mà trên đó có thể xảy ra sự hấp phụ Tuy nhiênkhông thể đồng nhất các dung dịch chất cao phân tử với các dung dịch keo, do các dungdịch chất cao phân tử được xem là các dung dịch thực có chứa các phân tử khổng lồ

Dù dung dịch chất cao phân tử không phải là dung dịch keo với ý nghĩa chính xác củadanh từ này, nhưng việc mô tả các tính chất và khảo sát các đặc điểm của loại hệ nàyvẫn được viết trong các giáo trình về hóa học chất keo

Đối tượng của hóa keo

Hóa keo là khoa học về các quá trình hình thành và phá hủy các hệ phân tán, trong đóchú trọng hệ phân tán cao dị thể (hệ keo); nghiên cứu các tính chất đặc trưng của hệ vàcác quá trình xảy ra trong các hệ đó, nhất là quá trình lý học, hóa học xảy ra ở bề mặtkeo :

- Các hiện tượng bề mặt, hấp phụ, dính ướt

- Tính không bền nhiệt động học và xu hướng dính kết (khuếch tán, keo tụ, sa lắng)

- Tính chất quang, tính chất điện, tính chất động học phân tử

- Sự hình thành và đặc điểm của cấu thể trong các hệ phân tán

- Đặc điểm cùng cách điều chế, ứng dụng một số hệ keo điển hình

Cơ sở kiến thức căn bản để nghiên cứu: hóa lý

Phương pháp nghiên cứu đặc trưng: sử dụng các phương tiện mới như kính siêu vi, kínhhiển vi điện tử, siêu li tâm, điện di

Phân loại các hệ phân tán

Do sự muôn hình muôn vẻ của tính chất của các hệ vi dị thể, nên có nhiều cách phânloại khác nhau để tiện cho việc hình dung một cách tòan diện các loại hệ, sau đây là vàicách phổ biến

Phân loại theo độ phân tán

Siedentopf và Zigmondy đề nghị; dựa theo kích thước hạt có trong hệ phân tán

- Hạt nhìn thấy dưới kính hiển vi thường, kích thước lớn hơn một phần năm micro met(a > 0,2μm = 0,2.10− 4cm) còn gọi là các micron: hệ phân tán thô

- Hạt không thấy được dưới kính hiển vi thường – được gọi là các siêu micron(ultramicron): hệ keo Các hạt siêu micron lại chia thành: submicron và amicron.Submicron là những hạt có kích thước từ 5mμ đến 0,2mμ(5 milimicromet đến 0,2micromet = 5nm đến 200nm), có thể nhìn thấy dưới kính siêu vi Amicron có kích thướcnhỏ hơn 5 mμ mà kính siêu vi cũng không phát hiện được

Dựa vào kích thước của các phần tử của pha phân tán người ta chia ra các hệ phân tánnhư sau: Hệ phân tán thô (có kích thước hạt khoảng 10− 4 cm); Hệ phân tán trung bình(có kích thước hạt trong khoảng 10− 5− 10− 4cm); Hệ phân tán cao (có kích thước hạttrong khoảng10− 7− 10− 5cm, còn gọi là hệ keo); Dung dịch (còn gọi là dung dịch thực,

có kích thước hạt nhỏ hơn10− 7cm, đây là kích thước của phân tử hay ion) Hệ phân tánthô (như huyền phù, nhũ tương) khác với hệ phân tán keo ở chỗ: pha phân tán sa lắnghay tách lớp nhanh dưới ảnh hưởng của trọng trường, không lọt được qua giấy lọc, cóthể quan sát được dưới kính hiển vi thường

Cách này phiến diện vì dựa theo độ phân tán chỉ là một trong những yếu tố xác định tínhchất của hệ keo; kích thước các hạt chứa trong hệ keo có thể thay đổi do hiện tượng tậphợp thường xảy ra trong các hệ phân tán Mặt khác những hệ thường gặp không phải là

hệ đơn phân tán, mà đối với các hệ đa phân tán, cách phân loại này không áp dụng được

Phân loại theo trạng thái tập hợp của pha phân tán và môi trường phân tán

Cách này do Ostwald đề nghị và được sử dụng phổ biến hơn cả Ta thấy rằng 3 trạngthái tập hợp của vật chất là rắn (R), lỏng (L), và khí (K) có thể tạo thành 9 loại hệ khácnhau Trong đó trừ hệ khí- khí là hệ phân tán phân tử, còn lại có thể có 8 hệ phân tán dịthể

Pha phân Môi trường phân Ký hiệu

Tên hệ

Khí Khí K/K Hệ đồng thể (không thể tạo nên hệ keo)

kim

- Qui ước mọi hệ ứng với độ phân tán keo có tên là sol, từ air để chỉ môi trường khí, từ

lyo để chỉ môi trường lỏng (tiếng Hy lạp lyos là lỏng).

Vì vậy hệ R/K, L/K đều được gọi là airosol; hệ K/L, L/L, R/L có tên là lyosol, tùy theo

bản chất môi trường từ lyo được thay bằng tên môi trường phân tán tương ứng (ví dụ

như hydrosol, alcosol, etersol, benzosol ) Danh từ organosol để chỉ chung những sol

có môi trường phân tán lỏng là dung môi hữu cơ

- Các hệ phân tán dị thể thô: pha phân tán rắn trong môi trường phân tán lỏng (hệ R/ L)

có tên là huyền phù; hệ L/L có tên là nhũ tương

Cách phân loại này thích hợp để khảo sát tính đa dụng của các hệ keo, và ngày nay có vẻthích hợp nhất, song nó cũng có nhược điểm Theo sự giảm kích thước hạt thì sự khácnhau về trạng thái tập hợp pha phân tán trong các hệ dần mất đi Thực nghiệm cũng chothấy đối với những hệ phân tán cao có pha phân tán lỏng và rắn thì tính chất của chúngrất giống nhau

Phân loại theo cường độ tương tác giữa pha phân tán và môi trường phân tán

Zigmondy đề nghị, dựa theo khả năng của chất kết tủa khô (có được bằng cách làm bayhơi cẩn thận môi trường phân tán) có thể hòa tan trở lại vào môi trường phân tán nguyênchất hay không Cách phân loại này chỉ dùng với hệ có môi trường phân tán lỏng

- Những hệ mà chất kết tủa khô không có khả năng tự ý phân tán vào môi trường phântán gọi là hệ keo bất thuận nghịch, còn gọi là hệ keo kỵ lỏng

- Những hệ mà chất kết tủa khô khi cho tiếp xúc với môi trường phân tán lúc đầu trươnglên, sau đó tự ý hòa tan để tạo trở lại hệ giống như khi chưa bay hơi dung môi gọi là hệkeo thuận nghịch, còn gọi là hệ keo ưa lỏng.

Ví dụ: Hệ keo bất thuận nghịch: hydrosol AgI, hydrosol As2S3

Hệ keo thuận nghịch: dung dịch gelatin trong nước, cao su trong benzen

Phân loại theo sự tương tác giữa các hạt

Các hệ phân tán được chia ra là hệ phân tán tự do và hệ phân tán liên kết

- Hệ phân tán tự do là những hệ không có cấu thể, các hạt của pha phân tán không liênkết nhau, độc lập di chuyển trong môi trường phân tán dưới ảnh hưởng của chuyển độngnhiệt hay của lực trọng trường Do đó các hệ này không gây trở ngại đến lực chuyểndịch, có tính chảy và có mọi tính chất đặc trưng của chất lỏng bình thường Thuộc loại

hệ này là các lyosol, airosol, nhũ tương và huyền phù khá loãng

- Hệ phân tán liên kết là những hệ trong đó các hạt liên kết với nhau nhờ lực phân tử tạonên trong môi trường phân tán một lưới hoặc khung không gian đặc biệt gọi là cấu thể.Các hạt tạo nên cấu thể không di chuyển tự do, chỉ có thể dao động Thuộc loại hệ này

là các huyền phù đậm đặc (bột ngào), nhũ tương đậm đặc, các gel

* Gel là các hệ được tạo thành từ các sol khi mất tính bền vững.Quá trình chuyểnsolthành gel gọi là sự tạo gel Sự tạo gel luôn làm tăng nồng độ của pha phân tán tronghệ

Các hệ phân tán liên kết phần nào có mang tính chất của chất rắn, nhưng không nênlẫn với các hệ có môi trường phân tán rắn (trong hệ có môi trường phân tán rắn các hạtkhông chuyển dịch tự do được vì môi trường phân tán có độ nhớt cực kỳ lớn, còn trong

hệ phân tán liên kết các hạt không chuyển dịch tự do được vì các hạt liên kết thành cấutử)

Cách phân loại này áp dụng tốt cho các dung dịch chất cao phân tử

Ý nghĩa của các hệ keo và các quá trình keo trong tự nhiên và kỹ thuật

Các hệ keo rất phổ biến trong tự nhiên Chúng có ý nghĩa to lớn trong kỹ thuật hiện đại;

có liên quan đến hoạt động thực tế của con người

Sao chổi là một đám mây khí-bụi, chính là một hệ keo khổng lồ Ánh sáng đặc trưngcủa sao chổi là do sự phân tán ánh sáng mặt trời.Vấn đề cấu tạo của thái dương hệ hoặcvấn đề tạo thành hành tinh trong thiên hà cũng có quan hệ trực tiếp đến các hiện tượng

keo Chúng ta có thể nghĩ rằng vai trò cơ bản của cơ chế thống nhất các hạt bụi thànhhành tinh cũng chính là những yếu tố gây nên sự dính kết hạt trong airosol, có thêm ảnhhưởng các lực bề mặt Tính chất của các hệ thống keo trong vũ trụ chịu ảnh hưởng rấtlớn của các ion được hình thành do tác dụng của các tia vũ trụ đến các phân tử khí.

Các hệ keo và quá trình keo có ý nghĩa to lớn trong các hiện tượng thiên văn Mây vàsương mù thuộc loại hệ keo L/K, hạt keo trong hệ này (các hạt nước) thường mang điệntích Mưa, sét, bão, trốt cũng được xem là các hiện tượng có liên hệ tới quá trình keo

Sự tạo thành đồng bằng ở cửa sông là quá trình keo, trong đó những hạt phù sa lơ lửngtrong nước sông sẽ mất tính bền vững, dính kết nhau dưới dạng các tập hợp và sa lắngtạo nên những dải cát lớn khi nước sông có hòa nước biển (vốn chứa một lượng lớn chấtđiện ly)

Hóa học chất keo có ý nghĩa to lớn trong môn thổ nhưỡng học, trong sự canh tác Đất làmột hệ keo phức tạp Kích thước và hình dạng các hạt đất cùng với bản chất hóa học của

nó xác định tính thấm ướt và khả năng hấp phụ của đất Tất cả các tính chất đó có ảnhhưởng lớn đến năng suất cây trồng Cát gồm những hạt lớn thường dễ cho nước thoátqua, trái lại, đất sét có độ phân tán cao, nên có khả năng giữ ẩm Sự có mặt của cationkiềm làm tăng tính phân tán và tính ưa nước của đất Trái lại, cation Ca2+làm keo tụ đất

và làm giảm tính ưa nước của đất, do đó bón vôi cho đất để làm giảm khả năng giữ ẩm

Trong nền kinh tế quốc dân, ít có ngành sản xuất nào không có liên quan đến các hệ keo

và các quá trình keo Ví dụ ngành luyện kim, ngành sản xuất đồ gốm, ngành giấy, ngànhnhuộm, công nghiệp cao su tổng hợp, chất nhựa và chất dẻo, ngành sản xuất sơn đều cóứng dụng quá trình keo Trong ngành luyện kim, để thu được kim loại có vi cấu thể haysiêu vi cấu thể ổn định phù hợp nhất, người ta thêm vào hợp kim những chất xác địnhnhằm làm biến đổi những vi cấu thể theo chiều hướng mong muốn Trong ngành cao sutổng hợp và chất dẻo, các quá trình keo có vai trò không nhỏ, ví dụ như quá trình trùnghợp nhũ tương thu được nhựa lỏng latex, quá trình thêm chất độn, chất phụ gia, chất hóadẻo … vào chất dẻo Một số quá trình khác như khử nước trong dầu mỏ, phá vỡ huyềnphù nước mà khi chế tạo cần rửa bằng nước, làm sạch nước, làm sạch khí đều là nhữngquá trình keo

Trong nghiên cứu cũng như trong công nghiệp hóa học, chất xúc tác dưới dạng keo cótác dụng tăng lên gấp bội so với dạng hạt lớn Nhiều khâu chủ yếu trong kỹ nghệ dượcphẩm về cơ bản cũng là những quá trình keo, ví dụ việc chế tạo nhũ tương, kem, caodán là quá trình phân tán những chất cần thiết vào một môi trường thích hợp Đưa vào

cơ thể một chất thuốc dưới dạng keo, trước hết sẽ định xứ được tác dụng của thuốc vàsau nữa sẽ làm cho thuốc tăng thời gian tác dụng trên chỗ đau Một số chất ở trạng tháikeo có những tính chất đặc biệt, ví dụ như keo bạc có tính chất sát trùng (conlacgon) làkeo Ag trong dung dịch chất bảo vệ (ví dụ dung dịch gelatin)

Đa số quá trình kỹ thuật của ngành thực phẩm về cơ bản là quá trình keo.Trong chế biếnthực phẩm, làm bánh mì, bánh xốp, bánh bao, khi làm bột ngào, hiện tượng trương nở

có ý nghĩa to lớn, còn khi nướng và hấp bánh thì hiện tượng keo tụ có ý nghĩa chủ yếu.Việc sản xuất bơ, nước chấm và các nước xốt chính là quá trình nhũ tương hóa Trongngành sản xuất sữa, việc chế tạo sữa chua và phô mai là quá trình keo tụ và teo (hiệntượng ngược lại với sự trương) Việc muối và luộc thịt gắn liền với hiện tượng keo tụhay đúng hơn, với hiện tượng biến tính của các chất protein (hợp chất cao phân tử) Đốivới hợp chất cao phân tử, dung dịch của chúng có nhiều tính chẩt keo dù không phải là

hệ keo và cũng được nghiên cứu trong hóa học chất keo Điển hình như cơ thể động vật,thực vật là gồm những dung dịch và gel (thạch) của các chất cao phân tử, nên sinh hóahọc và y học gắn liền với hóa học chất keo

Chương 2: Tính chất bề mặt của hệ keo

Tóm tắt

Trong các hệ có hai pha trở lên, những hiện tượng xảy ra ở gần bề mặt phân cách cácpha gọi là những hiện tượng bề mặt Bất kỳ một bề mặt phân cách nào giữa hai pha cũngđều có những tính chất lý hóa khác với những phần bên trong của các pha ấy

Khác với những lớp bên trong lòng thể tích của hai pha, ở lớp bề mặt phân cách sự tácđộng của lực hút giữa các phân tử hoàn toàn không được cân bằng Do đó trên lớp bềmặt phân cách xuất hiện một dự trữ nào đó của năng lượng bề mặt tự do.Cùng với sựphân tán nhỏ vật chất thì tổng số hạt tăng lên rất nhanh, đồng thời bề mặt tổng cộng và

bề mặt riêng cũng tăng lên rất nhanh Do đó mà dự trữ năng lượng bề mặt của hệ cũngtăng Với những hệ chứa những hạt có kích thước của hạt keo thì tất cả những đại lượng

đó trở nên rất lớn

Trong những hệ có sự dư năng lượng tự do có thể tự xảy ra những quá trình dẫn đến sựgiảm năng lượng tự do ấy Một trong những quá trình tự xảy ra trên ranh giới phân cáchgiữa hai pha là quá trình hấp phụ Trước khi khảo sát sự hấp phụ chúng ta cần làm quenvới một đại lượng rất quan trọng, đó là sức căng bề mặt (ký hiệu σ)

Sức căng bề mặt

Sức căng bề mặt

* Xét bề mặt hệ dị thể gồm pha lỏng và pha khí Mật độ phân tử trong pha lỏng lớn hơnnhiều so với trong pha khí Các phân tử nằm trong pha lỏng tác dụng lên nhau bởi lựchút phân tử, lực này trong pha khí có thể bỏ qua Lực hút phân tử chỉ tác dụng trong mộtkhoảng cách nhất định, bằng bán kính hiệu dụng của phân tử (rhd~10-7cm)

- Xét ba phân tử A, B, C Gọi d là khoảng cách từ tâm phân tử đến bề mặt thoáng, tathấy dA> rhd; dB< rhd; dC~ 0 , (dC<rhd)

Phân tử A nằm ở trong lòng pha lỏng chịu các lực hút như nhau về mọi phía Trái lại,phân tử B và C có d < rhdnên chịu lực hút vào trong lòng thể tích pha lỏng lớn hơn lựchút ra phía ngoài pha khí Các phân tử này có khuynh hướng bị hút vào trong lòng phalỏng Độ lớn của lực này càng tăng khi phân tử B càng tiến gần bề mặt thoáng Lực épcác phân tử B, C và các phân tử nằm trên bề mặt vào trong gọi là nội áp Nội áp kéo cácphân tử chất lỏng vào trong, theo hướng vuông góc với bề mặt nên có xu hướng làm cho

bề mặt giảm đến tối thiểu trong những điều kiện nhất định

Chất lỏng càng phân cực nội áp càng lớn (ví dụ nội áp của nước là 14 800 atm, củabenzen là 3 800 atm)

Lực tác dụng lên một đơn vị chiều dài của ranh giới phân chia và làm giảm bề mặt chấtlỏng được gọi là sức căng bề mặt Lực hút đó luôn có hướng tiếp tuyến với bề mặt chấtlỏng Đơn vị của đại lượng này là dyn/cm

* Mặt khác các phân tử ở lớp bề mặt có thế năng lớn hơn thế năng của các phân tử nằmbên trong Phần năng lượng lớn hơn đó gọi là năng lượng dư bề mặt của chất lỏng (hay

là năng lượng tự do bề mặt, ký hiệu là ES) Gọi diện tích tổng cộng của bề mặt là S thìgiữa S và EScó mối liên hệ : ES= σ S

Hệ số tỉ lệ σ được gọi là năng lượng tự do của một đơn vị diện tích bề mặt, hay nănglượng tự do riêng bề mặt (ta thấy khi S = 1 thì σ = ES) Đơn vị đo của đại lượng này làerg/cm2

* Để tăng bề mặt chất lỏng phải tiêu hao một công để thắng áp suất nội Công này chỉdùng để thắng lực tương tác giữa các phân tử, nên nó phải tỷ lệ với độ tăng diện tích tiếpxúc Trong điều kiện đẳng nhiệt, thuận nghịch, chất lỏng là đơn cấu tử, thì công đó bằng

độ tăng của năng lượng dư bề mặt Ta có: W = dES= σ dS

Vậy trong trường hợp hệ đơn cấu tử thì năng lượng bề mặt tự do riêng về giá trị bằngsức căng bề mặt, cùng ký hiệu là σ

Chúng ta có thể hình dung: Sức căng bề mặt là lực tác dụng kéo một màng tưởng tượng (giống một màng đàn hồi) trên bề mặt chất lỏng Đứng về mặt năng lượng mà xét thì chúng ta có thể tính SCBM qua thí nghiệm sau:

Nhúng khung hình vuông cạnh dài l vào dung dịch xà phòng rồi rút ra, trên khung sẽ

có màng xà phòng hai mặt tạo thành Để màng xà phòng khỏi co lại, cần tác động lên cạnh MN một lực f đúng bằng sức căng bề mặt Khi dịch chuyển cạnh MN một đoạn dh thì diện tích bề mặt tăng lên một giá trị là: dS = 2 l dh (vì màng xà phòng có hai mặt ngoài ở hai phía của khung) Công thực hiện quá trình: W = f dh

Công đó dùng để tăng bề mặt lên một diện tích là dS, tức là làm tăng năng lượng bề mặt của quá trình lên một giá trị là dE S

Vậy ta suy ra: W = dE S = σ dS = 2 σ l dh

f dh = 2 σ l dh

σ = 2.l f Ta thấy sức căng bề mặt σ của một chất lỏng hay rắn là năng lượng tạo ra mộtđơn vị bề mặt cũng chính là lực kéo căng tác dụng lên một đơn vị chiều dài của ranhgiới bề mặt phân chia pha giữa chất đó và chất khác

Thứ nguyên của σ là erg cm-2= dyn cm cm-2= dyn cm-1

Dưới tác dụng của sức căng bề mặt, chất lỏng khi không có tác dụng của ngoại lực luôn

có dạng hình cầu vì hình cầu có bề mặt là nhỏ nhất trong các hình có cùng thể tích và do

đó khi ấy năng lượng bề mặt của giọt lỏng là tối thiểu, giúp nó tồn tại bền

* Giá trị của sức căng bề mặt phụ thuộc vào bản chất của các pha tiếp xúc, nhiệt độ vàlượng chất hòa tan Khi tương tác giữa các phân tử của chất càng lớn thì công cần đểthắng lực gây nên nội áp càng lớn do đó sức căng bề mặt càng lớn Do tương tác phân

tử giữa các pha khác nhau nên sức căng bề mặt của nước tiếp xúc với hơi nước sẽ có giátrị khác với sức căng bề mặt cũng của nước với bề mặt tiếp xúc là chất khác

Chất rắn có sức căng bề mặt rất lớn và không cố định Ví dụ: NaCl có σ trong khoảng150- 870 erg/cm2 Kim cương có σ trong khoảng 11 000- 39 000 erg/cm2 Sức căng bềmặt của chất rắn rất khó xác định và phụ thuộc vào mạng tinh thể

Chất lỏng càng phân cực thì sức căng bề mặt càng lớn Khi nhiệt độ tăng, σ của đa sốchất lỏng giảm xuống gần như tuyến tính vì tương tác giữa các phân tử yếu đi và ở nhiệt

độ tới hạn khi ranh giới giữa các pha mất đi thì σ = 0 Điều này đúng cho hệ lỏng – khílẫn cho hệ lỏng - lỏng, sức căng bề mặt mất đi ở nhiệt độ tới hạn hòa tan

* Sức căng bề mặt cũng như năng lượng tự do bề mặt là những đại lượng có thể sử dụngcho cả trường hợp có hai chất lỏng không tan lẫn vào nhau, song ở đây mức độ cân bằngcủa các lực tương tác phân tử không lớn như trường hợp bề mặt phân chia pha lỏng –khí

Bảng dưới đây cho biết sức căng bề mặt trên ranh giới lỏng – khí (σo)

và ranh giới lỏng – nước của một số chất (σ1).

• Nếu σ > 0 và không đổi thì phải có ΔS < 0: đó là khi bề mặt của hệ bị giảmxuống, hiện tượng này thường thấy trong sự keo tụ, sự kết tinh lại của hệ keo.

• Nếu ΔS không đổi thì bắt buộc biến thiên σ < 0, hiện tượng này thường xảy ratrong các quá trình hấp phụ dương Sự giảm năng lượng tự do mà không cầnphải làm giảm bề mặt phân cách xảy ra khi thêm vào hệ một cấu tử thứ ba nào

đó (ngoài hai cấu tử là pha phân tán và môi trường phân tán) sao cho cấu tử này

có thể được hấp phụ lên bề mặt hạt và làm giảm sức căng bề mặt của hạt Cấu

tử thứ ba này được gọi là chất làm bền (hay chất ổn định) Cân bằng đạt đượctrong trường hợp này là một cân bằng giả bền, và hệ thường giữ được độ bềnvững (độ phân tán) trong một thời gian nhất định

Ví dụ: Khi cho than tiếp xúc với O2thì than hút O2làm khí O2tập trung lên bề mặt của

nó, ta nói than hấp phụ O2 Trong quá trình nhuộm, những sợi bông thực vật hấp phụnhững chất màu (hấp phụ cation) từ môi trường dung dịch thuốc nhuộm

- Vật hấp phụ (adsorbent) là vật có bề mặt pha rắn hay lỏng thu hút và giữ ở bề mặt củamình những chất bị hấp phụ (adsorbate) như ion, nguyên tử, phân tử

- Đồng thời với quá trình hấp phụ (adsorption) có thể xảy ra quá trình hấp thu(absorption) là quá trình thu hút vào sâu bên trong thể tích chất hấp phụ

Trong chương này chúng ta chỉ quan tâm đến quá trình hấp phụ vì nó có liên quan đếntrạng thái bề mặt của hệ dị thể

Phân loại hấp phụ

Người ta phân làm 2 loại hấp phụ: hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học

- Trong sự hấp phụ vật lý, chất bị hấp phụ tương tác với bề mặt vật hấp phụ bởi nhữnglực vật lý (như lực Van der Waals) và không có sự trao đổi e- giữa hai chất này Ngượclại trong sự hấp phụ hóa học, liên kết sẽ hình thành giữa chất hấp phụ và chất bị hấpphụ

- Sự hấp phụ lý học luôn kèm theo một quá trình ngược lại là sự phản hấp phụ Sau mộtthời gian xác định, tốc độ hấp phụ bằng tốc độ phản hấp phụ, ta có một cân bằng hấpphụ (cân bằng động) Với mỗi nồng độ chất bị hấp phụ trong môi trường ta có một trạngthái cân bằng khác nhau Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự hấp phụ tuân theo nguyên lý

Le Châtelier vì sự hấp phụ là một quá trình phát nhiệt

Bảng so sánh hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học

liên kết

Tương tác vật lý không có sự trao

đổi electron Liên kết hóa học có sự trao đổi electronNhiệt

Ít phụ thuộc vào bản chất của bề

mặt, phụ thuộc vào những điều

kiện về nhiệt độ và áp suất

Có tính đặc thù Sự hấp phụ chỉ diễn rakhi chất bị hấp phụ có khả năng tạo liênkết hóa học với chất hấp phụ

Biểu diễn sự hấp phụ

Sự hấp phụ được đánh giá qua các đại lượng biểu diễn lượng hấp phụ:

a Độ hấp phụ x là lượng chất bị hấp phụ (tính theo mol, mmol) trong một đơn vị diệntích bề mặt vật hấp phụ (tính theo cm2) , đó chính là hàm lượng bề mặt của chất bị hấpphụ x = nCBHP sCHP (mol/cm2hoặc mmol/cm2) (2.1)

b Khi bề mặt vật hấp phụ không đo được, lượng chất bị hấp phụ được qui về 1 đơn vịkhối lượng vật hấp phụ (tính theo gam) và ký hiệu x’

Ta cóx'= nCBHP mCHP (mol/g) (2.2)

c Đại lượng Gibbs Γ là lượng dư của số mol chất bị hấp phụ trong thể tích lớp bề mặt

có diện tích 1 cm2so với số mol của nó trong toàn thể tích, nếu trong mặt tiếp xúc phakhông có sự thay đổi hàm lượng chất bị hấp phụ

Khi hàm lượng chất bị hấp phụ thấp, đại lượng Γ xấp xỉ với x, nhưng khi hàm lượngchất lớn thì Γ khác x Trong các trường hợp nếu hàm lượng chất hấp phụ trên lớp bề mặtnhỏ hơn hàm lượng của nó trong thể tích, đại lượng Γ âm, thì hiện tượng được gọi là hấpphụ âm

Độ hấp phụ x là một hàm của nhiều thông số, trong đó 2 thông số quan trọng là nhiệt

độ, áp suất: x = f (P,T) Giản đồ hấp phụ được biểu diễn theo các đường đẳng nhiệt (T=const), đẳng áp (P = const) và đẳng lượng (x = const)

Các chất hoạt động bề mặt, chất không hoạt động bề mặt

Khi hòa tan một chất nào đó vào chất lỏng thì sức căng bề mặt (σ) của dung dịch sẽ khác

σ của chất lỏng nguyên chất So sánh σ của dung dịch với σ của dung môi, người ta chiachất tan thành hai loại: chất hoạt động bề mặt và chất không hoạt động bề mặt

* Chất hoạt động bề mặt là chất có khả năng chất chứa trên lớp bề mặt, có nghĩa là có

độ hấp phụ dương

- Chất hoạt động bề mặt có những tính chất sau :

Có sức căng bề mặt bé hơn của dung môi, vì như vậy sự chất chứa chất đó trên bề mặtdung môi mới là quá trình nhiệt động học tự diễn ra Kết quả làσdd< σdm

Có độ tan tương đối bé, vì nếu không như thế thì nó có xu hướng tách rời khỏi bề mặt

mà tan sâu vào trong chất lỏng

- Có thể kể một số chất HĐBM trong dung dịch nước là những hợp chất hữu cơ phâncực như acid hay baz và muối của chúng, những dẫn xuất halogen, rượu Đặc điểmcủa các chất này là có cấu trúc phân tử gồm hai phần:

Nhóm định chức phân cực : -OH, -COOH, -NO2 , -NH2, -Cl Phần phân cực cómomen lưỡng cực lớn và dễ hydrat hóa làm cho chất hoạt động bề mặt có ái lực lớn vớinước và bị kéo vào phía lớp nước.

Nhóm không phân cực: gốc hydrocarbon -R, là phần kỵ nước, là nguyên nhân làm chochất HĐBM có độ tan nhỏ

- Thường người ta biểu diễn chất HĐBM như sau : O

Vòng tròn biểu diễn nhóm chức phân cực, đoạn thẳng là gốc không phân cực

- Những chất HĐBM được phân bố ở lớp bề mặt nhiều hơn trong thể tích hệ

* Chất không hoạt động bề mặt là chất có xu hướng rời khỏi bề mặt để tan sâuvào dungdịch, khi đó độ hấp phụ âm

- Chất không hoạt động bề mặt có các tính chất sau :

Có sức căng bề mặt lớn hơn của dung môi, như thế quá trình rời khỏi bề mặt mới làquá trình nhiệt động học tự diễn ra Kết quả là luôn có σdd> σdm

Có độ tan cao, vì thế chất mới có thể rời khỏi bề mặt mà tan sâu vào dung dịch

- Các chất điện ly về cơ bản đều là chất không hoạt động bề mặt, đó là các acid, baz,muối Phân tử của chúng không có phần kỵ nước, khi tan thì điện ly thành những ionhydrat hóa mạnh

Sự hấp phụ trên ranh giới lỏng - khí

Sự hấp phụ trên ranh giới lỏng - khí

Phương trình Gibbs

Phương trình Gibbs nêu lên mối quan hệ giữa lượng dư chất bị hấp phụ trong lớp bề mặt(Γ) với nồng độ chất tan trong dung dịch (C) và sức căng bề mặt trên ranh giới lỏng –khí (σ)

Γ = − R.T C dC dσ (2.12)

Ta thấy rằng nếu σ tăng theo nồng độ C tăng, nghĩa là dC dσ> 0 thì Γ < 0, ta nói rằng vớinồng độ chất tan trong dung dịch lớn hơn ở lớp bề mặt thì có sự hấp phụ âm Vậy ngượclại, có sự hấp phụ dương khi nồng độ chất tan ở lớp bề mặt lớn hơn trong dung dịch.Cuối cùng, nếu σ không đổi theo nồng độ C tăng, thì sự hấp phụ không xảy ra, nồng độchất tan phân bố đều cả trên lớp bề mặt lẫn trong dung dịch

Đại lượng - dC dσ được gọi là độ hoạt động bề mặt, ký hiệu là G

1

Alà hằng số mao quản riêng, đặc trưng cho mỗi chất hoạt động bề mặt Hằng số A trongphương trình Langmuir và Sitkôpski là như nhau

Nguyên nhân khi độ dài mạch tăng thì độ hòa tan của acid béo, rượu, amin…bị giảm,nên chúng có xu hướng chuyển từ thể tích dung dịch lên lớp bề mặt nhiều hơn.

Ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ phòng thì hệ số tăng này giảm dần

Tuy nhiên qui tắc Traube chỉ đúng cho trường hợp dung môi là nước (môi trường rấtphân cực)

Cấu tạo lớp bề mặt trên giới hạn dung dịch – khí

Trên bề mặt dung dịch nước, phân tử chất HĐBM phân bố theo kiểu khí hai chiều, nếulượng chất HĐBM ít, còn nếu lượng chất khá đủ thì chúng phân bố dưới dạng lớp ngưngtụ: các phân tử được sắp xếp thẳng đứng như hàng rào đều đặn

Sự hấp phụ trên ranh giới lỏng - rắn

Sự hấp phụ trên ranh giới lỏng - rắn

Đây là sự hấp phụ quan trọng nhất đối với hóa học chất keo vì nó gắn liền với nhiều hiệntượng và quá trình xảy ra trong hệ keo (như sự tạo thành, tính bền vững, sự phá vỡ các

hệ keo lỏng) và ứng dụng thực tế

Dựa vào đặc điểm của chất bị hấp phụ có thể phân thành hai trường hợp: sự hấp phụphân tử và sự hấp phụ chất điện ly

Sự hấp phụ các chất không điện ly (hấp phụ phân tử)

* Lượng chất không điện ly bị hấp phụ x (mmol/g) trên bề mặt chất rắn trong dung dịch,được tính từ công thức:x = C0 − C m V.1000(2.15)

Trong đó Co: nồng độ ban đầu

* Sự hấp phụ phân tử chịu ảnh hưởng của các yếu tố sau:

a Ảnh hưởng của dung môi: Cấu tử nào có sức căng bề mặt nhỏ sẽ được ưu tiên hấp phụ

vì thế khi cho một dung dịch tiếp xúc với chất hấp phụ rắn, giữa dung môi và chất phântán thường có sự cạnh tranh trong quá trình hấp phụ lên bề mặt vật rắn Dung môi càngkhó bị hấp phụ trên chất hấp phụ thì sự hấp phụ chất tan càng dễ Ví dụ: sự hấp phụ trênchất rắn thường diễn ra tốt từ dung dịch nước, và kém hơn từ các dung dịch ít phân cựcnhư dung môi hữu cơ

Dung môi càng hòa tan tốt chất bị hấp phụ thì sự hấp phụ chất tan ấy càng kém Ví dụ:khi hấp phụ chất béo diễn ra trên chất hấp phụ ưa nước (như silicagen) từ môi trườngdung môi kém phân cực (như benzen), đối với chất béo A có phân tử lượng cao hơn sẽtan tốt trong môi trường này hơn là chất béo B có phân tử lượng thấp, lẽ ra sự hấp phụ

A là nhiều hơn B nhưng thực tế lại ít hơn

b Ảnh hưởng của tính chất chất hấp phụ: Bề mặt phân cực sẽ hấp phụ tốt chất bị hấpphụ phân cực và ngược lại Trạng thái vật lý và độ xốp của chất hấp phụ cũng ảnh hưởngrất lớn đến khả năng hấp phụ Ví dụ: các chất hấp phụ ở trạng thái vô định hình hấp phụcác chất khí và chất lỏng tốt hơn các chất kết tinh.

c Ảnh hưởng của chất bị hấp phụ:

- Quá trình hấp phụ diễn ra theo chiều hướng làm san bằng sự phân cực giữa các pha,qui tắc này gọi là qui tắc cân bằng hóa độ phân cực, còn gọi là qui tắc Rebinder

Ví dụ chất C có thể bị hấp phụ lên bề mặt phân cách pha của A và B nếu sự có mặt của

C tại đó có thể loại trừ bớt sự khác biệt về độ phân cực của hai pha kia; nói cách khác,

sự hấp phụ sẽ xảy ra nếu độ phân cực của chất C được đặc trưng bằng hằng số điện môi

ε nằm giữa giá trị phân cực của A và B

Điều kiện có sự hấp phụ C là: εA> εC> εBhayεA< εC< εB

Khác biệt về sự phân cực giữa chất tan và dung môi càng lớn thì sự hấp phụ chất tan ở

bề mặt phân cách diễn ra càng mạnh

Xu hướng làm giảm sức căng bề mặt bắt buộc các chất HĐBM có trong dung dịch phân

bố có định hướng trên bề mặt: nhóm phân cực hướng vào pha phân cực và ngược lại

- Sự tăng khối lượng phân tử chất bị hấp phụ làm cho khả năng bị hấp phụ tăng lên rõrệt Chính vì thế các chất alkaloid và chất màu bị hấp phụ rất mạnh, các hợp chất thơm

bị hấp phụ mạnh hơn các chất mạch thẳng Tuy nhiên đối với chất hấp phụ có lỗ xốpnhỏ, do hiệu ứng cản trở không gian, sẽ hấp phụ chậm chất có mạch carbon dài

Ngoài ra, còn phải xét đến tương quan về tính hòa tan tốt hay kém với dung môi vìnhững chất tan tốt trong môi trường phân tán của nó có thể là chất kém bị hấp phụ

d Ảnh hưởng của thời gian, nhiệt độ và nồng độ :

- Sự hấp phụ trong dung dịch xảy ra chậm hơn trong không khí vì chất tan trong dungdịch khuếch tán chậm hơn Việc giảm nồng độ trong lớp phân cách chỉ được bù lại bằng

khuếch tán, khuếch tán trong môi trường lỏng chậm hơn trong môi trường khí Để tăngnhanh việc thiết lập cân bằng hấp phụ thường phải khuấy.

- Khi nhiệt độ tăng thì theo nhiệt động học sự hấp phụ trong dung dịch sẽ giảm, tuynhiên mức độ giảm ít hơn so với sự hấp phụ khí

Tuy nhiên đối với chất hòa tan kém trong dung môi, nếu khi tăng nhiệt độ làm tăng độhòa tan của chất đó, thì sự hấp phụ sẽ tăng nhờ vào sự tăng nồng độ dung dịch Hiệntượng này có thể thấy được khi quan sát sự hấp phụ naptalin hòa tan trong dung môi

n-butan trên bề mặt hydroexin của silic.

* Hiện tượng hấp phụ phân tử có ý nghĩa rất lớn vì nó là một trong những hiện tượngquan trọng diễn ra trong cơ thể động vật cũng như trong nhiều quá trình kỹ thuật khác.Các hiện tượng biến đổi hóa học khi đồng hóa thức ăn thường bắt đầu bằng sự hấp phụnhững đối chất này trên bề mặt xúc tác tự nhiên- enzym Trong thẩm thấu, sự chuyểncác chất qua màng bán thẩm cũng bắt đầu từ hiện tượng hấp phụ xảy ra trên bề mặt phâncách rắn - lỏng Sự hấp phụ trong dung dịch được ứng dụng rộng rãi trong việc tách các

hệ nhiều cấu tử, gọi chung là phương pháp sắc ký, trong việc làm sạch chất lỏng, thu hồihóa chất quí, đánh giá bề mặt riêng…

Sự hấp phụ chất điện ly

Đối với dung dịch nước, các chất điện ly là những chất không hoạt động bề mặt, sự cómặt của chúng trong dung dịch làm tăng sức căng bề mặt của dung dịch, trên mặt thoángcủa dung dịch chúng bị hấp phụ âm

Khi có mặt trong dung dịch một vật hấp phụ rắn thì trên bề mặt phân cách vật rắn-dungdịch thường có sự hấp phụ dương những chất điện ly Sự hấp phụ chất điện ly thường

có tính chọn lọc, phụ thuộc vào hóa trị của ion, bán kính ion, mức độ solvat hóa ion

Các ion trong dung dịch chất điện ly là những phần tử tích điện, cho nên sự hấp phụ cácion là quá trình diễn ra sự phân bố lại điện tích Động lực của quá trình là điện trườngtrong khu vực lớp bề mặt Ví dụ như sự chuyển các cation từ thể tích pha lỏng đến ranhgiới của pha rắn làm cho nó được tích điện dương hơn Do tương tác tĩnh điện các iontrái dấu được hút đến gần lớp bề mặt phân chia hai pha và hình thành lớp điện kép Sựhấp phụ ion có tính trao đổi, đó là sự trao đổi giữa ion của lớp điện kép với ion của môitrường

Dung dịch các chất điện ly trong nước là dung dịch thường gặp nhất trong thực tế, ởphần này chủ yếu ta khảo sát sự hấp phụ các chất điện ly trong nước

Tính chọn lọc của sự hấp phụ chất điện ly

- Phần bề mặt chất hấp phụ có điện tích xác định, nên chỉ hấp phụ các ion tích điện tráidấu với nó.

- Khả năng hấp phụ thì phụ thuộc vào bản chất các ion Đối với ion có cùng hóa trị, ionnào có bán kính lớn thì khả năng bị hấp phụ cao Nguyên nhân là do các ion có bán kínhlớn sẽ có độ phân cực lớn và có lớp vỏ solvat hóa mỏng hơn nên dễ tiến gần bề mặt vậtrắn hơn, được hấp phụ mạnh hơn

+ Khả năng hấp phụ của các ion cùng hóa trị được xếp như sau (dãy Lyotrop):

Ví dụ: Các tinh thể AgI khi cho vào dung dịch KI thì bề mặt tinh thể hấp phụ ion I-, cònnếu cho vào dung dịch AgNO3thì lại hấp phụ ion Ag+

Mạng tinh thể hình thành bằng lực hóa học như thế cũng xảy ra đối với các ion đồnghình (ion có cùng dấu) với ion đang xét Ví dụ: ngoài ion I-, các anion Cl-, Br-, CN-,CSN- cũng có thể bị hấp phụ lên bề mặt tinh thể AgI

Liên kết chặt chẽ còn có thể xảy ra đối với những nhóm nguyên tử tương tự nhómnguyên tử bề mặt Ví dụ: than giữ một cách vững chắc các chất bị hấp phụ mà trongthành phần có carbon

Tính hấp phụ trao đổi ion

Trong sự hấp phụ chất điện ly khi trên bề mặt chất hấp phụ đã hấp phụ sẵn một chất điện

ly khác, chất hấp phụ sẽ hấp phụ một lượng ion xác định nào đó từ trong dung dịch vàđồng thời đẩy một lượng tương đương các ion khác có cùng dấu điện tích với nó trở vào

dung dịch Tham gia sự trao đổi không những chỉ có các ion bám trên bề mặt chất hấpphụ, mà có thể có cả các ion nằm sâu trong chất hấp phụ (với điều kiện các ion đó tiếpxúc được với dung dịch).

Sự hấp phụ trao đổi có một số đặc điểm sau:

- Có tính chọn lọc cao, nghĩa là sự hấp phụ trao đổi chỉ xảy ra với những loại ion xácđịnh như:

+ Chất hấp phụ acid (acidoid, như SiO2, SnO2) có khả năng trao đổi với cation

+ Chất hấp phụ acid (acidoid, như Fe2O3, Al2O3) có khả năng trao đổi anion

+ Ngoài ra còn có chất hấp phụ lưỡng tính, nghĩa là trong điều kiện xác định nào đó,loại chất hấp phụ này có khả năng trao đổi cả cation lẫn anion

- Quá trình hấp phụ không phải luôn luôn thuận nghịch

- Sự hấp phụ trao đổi có tốc độ nhỏ, nhất là đối với các quá trình phải trao đổi các ionnằm sâu trong chất hấp phụ

- Nếu sự trao đổi diễn ra với sự tham gia của ion H+hay OH-thì pH của môi trường sẽthay đổi

Sự hấp phụ trao đổi có ý nghĩa rất lớn trong việc nghiên cứu đất, trong sinh vật học cũngnhư trong kỹ thuật Đất có khả năng hấp phụ và giữ những ion xác định Ví dụ: các ion

K+, NH4+là thức ăn của cây, thường được bón vào cho đất Khi hạt keo đất hấp phụ cácion này sẽ có các cation Ca2+, Mg2+bị đẩy ra một lượng tương đương, do đó sẽ gây nênnhững thay đổi lý, hóa tính cho đất sau một thời gian

Một trong những ứng dụng quan trọng nhất của sự trao đổi ion là xử lý nước Nướctrong thiên nhiên đều có độ cứng nhất định (do sự có mặt của các ion Ca2+, Mg2+), cóthể làm mềm nước bằng phương pháp trao đổi ion Với mục đích này, nhựa trao đổi ion

+

Quá trình trao đổi ion diễn ra theo cơ chế sau :

2 cationid Na++ Ca2+→ (cationid)2Ca2++ 2Na+

Để tách các chất điện ly ra khỏi nước biển, người ta cho nước này chảy liên tục quacột trao đổi ion loại cationid H+ có tính acid mạnh và sau đó qua cột trao đổi ion loạianionid OH-có tính acid mạnh Các nhựa trao đổi ion sau khi sử dụng có thể tái sinh trởlại bằng cách xử lý với acid và acid

Hiện tượng thấm ướt

Hiện tượng thấm ướt

Hiện tượng thấm ướt rất gần với hiện tượng hấp phụ vì cũng là hiện tượng do tương tácgiữa phân tử của các loại chất khác nhau Nếu các phân tử chất lỏng có tương tác mạnhvới các phân tử bề mặt rắn hơn là giữa các phân tử chất lỏng với nhau, thì chất lỏng sẽchảy lan ra trên bề mặt rắn, đó là sự thấm ướt, ví dụ nước thấm ướt thủy tinh

Nếu các phân tử chất lỏng có tương tác hút với nhau mạnh hơn so với tương tác hútgiữa chất lỏng với các phân tử bề mặt chất rắn mà chúng tiếp xúc, thì sự thấm ướt khôngxảy ra, và chất lỏng có xu hướng tụ lại thành giọt, ví dụ thủy ngân trên bề mặt thủy tinh

và các á kim rắn Nếu tương tác giữa hai loại phân tử lỏng và rắn không trội hơn nhaunhiều, ta sẽ có sự thấm ướt không hoàn hảo và ta sẽ xác định được một góc thấm ướtnào đó

- Chu vi giọt chất lỏng là giới hạn tương tác của 3 môi trường: R, L, K, chúng tạo thànhtừng cặp phân cách: rắn - lỏng, rắn - khí, lỏng - khí

Độ thấm ướt được đo bằng góc thấm ướt, là góc hình thành giữa tiếp tuyến của giọt chấtlỏng tại điểm tiếp xúc giữa 3 pha rắn, lỏng, khí với bề mặt của pha rắn Chất lỏng thấmướt hoàn toàn khi θ = 0o; nó hoàn toàn không thấm ướt khi θ = 180o

- Quá trình thấm ướt chỉ xảy ra khi năng lượng tự do của hệ giảm xuống Năng lượng tự

do giảm càng nhiều thì quá trình thấm ướt càng tốt

- Khi thấm ướt, các phân tử trong giọt chất lỏng sẽ chuyển động lan trên bề mặt của pharắn theo khuynh hướng thay thế bề mặt tiếp xúc rắn – khí có sức căng bề mặt (SCBM)lớn (σ RK) bằng bề mặt tiếp xúc R/L có SCBM nhỏ hơn (σRL), như vậy là hệ giảmSCBM

Khi cân bằng được thiết lập, quá trình dừng lại, tại biên giới tiếp xúc của 3 pha có cânbằng lực Do vậy : σRK = σRL+ σLK.cosθ (2.16)

Phương trình trên gọi là phương trình Young, thể hiện điều kiện cân bằng của sự thấmướt và giúp tính toán khả năng thay đổi tính thấm ướt dựa vào thay đổi góc thấm ướt Tacó:cosθ = σRK − σRL σLK (2.17)

Vì θ [0, 180] nên cos θ [-1, +1] Chất lỏng thấm ướt hoàn toàn khi θ = 0o, hay cos θ =1; nó hoàn toàn không thấm ướt khi θ = 180ohay cos θ = -1 Do đó cos θ càng lớn thìchất lỏng thấm ướt bề mặt rắn càng tốt Xét hệ thức (2.13) trên, ta thấy muốn có cos θlớn thì σRKphải lớn hơn σRLvà σLKphải nhỏ, sao cho thỏa biểu thức -1cosθ = σRK − σRL σLK

+1

Những bề mặt thấm ướt tốt (cos θ > 0) được gọi là những bề mặt ưa lỏng, trái lại (những

bề mặt có cos θ < 0) được gọi là những bề mặt kỵ lỏng

Ta có thể chuyển bề mặt từ kỵ lỏng sang ưa lỏng, hay ngược lại.Ví dụ tạo ra một lớp hấpphụ trên bề mặt rắn để thay đổi σRL - sức căng bề mặt giữa rắn và lỏng Nếu sức căng

bề mặt mới này nhỏ đi thì hệ trở thành thấm ướt tốt hơn, bề mặt trở thành ưa lỏng hơn;

và ngược lại

- Hiện tượng thấm ướt có nhiều ứng dụng thực tế Ta thường gặp vấn đề này trong tuyểnnổi quặng, trong việc bảo vệ keo và nhũ tương, trong kỹ nghệ nhuộm, trong việc sửdụng các chất diệt sâu bọ, diệt ký sinh vật (vì bề mặt lá cây, lông động vật là bề mặt kỵnước)

Hiện tượng ngưng tụ mao quản

Sự hấp phụ đa phân tử đặc trưng bởi đường hấp phụ đẳng nhiệt hình chữ S tuy nhiên khichất bị hấp phụ là xốp, đường hấp phụ đẳng nhiệt cũng có dạng chữ S Hiện tượng này

có được do sự ngưng tụ hơi của chất bị hấp phụ trong các mao quản của chất hấp phụxốp diễn ra tiếp sau sự hấp phụ (gọi là sự ngưng tụ mao quản)

Do kết quả của sự hấp phụ thông thường, màng mỏng chất bị hấp phụ hình thành trênthành mao quản hẹp Nếu chất bị hấp phụ thấm ướt thành mao quản thì sẽ tạo thành mộtmặt cong lõm trong các mao quản hẹp Hơi chất bị hấp phụ sẽ bắt đầu ngưng tụ trên mặtcong tại đó áp suất hơi bão hòa (p) nhỏ hơn áp suất hơi bão hòa trên bề mặt phẳng (po)

Nếu gọi p là áp suất hơi bão hòa thì: pmặt khum xuống < pmặt phẳng< pmặt khum lên Điềunày được xác định bằng phương trình Thompson- Kelvin: Δp p = RTρ.r2Mσ trong đó M là khốilượng phân tử, σ là sức căng bề mặt của chất lỏng, ρ là tỷ khối của chất lỏng, r là bánkính mao quản hay hạt chất lỏng Ví dụ như, với một hạt nước bán kính 10-6 cm có bềmặt khum lên, tính được áp suất hơi bão hòa lớn hơn so với mặt phẳng nước là 10%.

Các loại chất hấp phụ rắn và đặc tính cơ bản của chúng

Một trong những đặc điểm quan trọng của chất hấp phụ rắn là độ xốp Độ xốp thể tích

là tỷ lệ giữa tổng thể tích lỗ trống với tổng thể tích khối chất hấp phụ Khái niệm độxốp được sử dụng rộng rãi để phân loại và đánh giá đặc tính của chất hấp phụ Các chấtkhông xốp : loại này có kết cấu chặt (tuy nhiên vẫn hình thành cấu trúc có lỗ trống là cáckhe do các hạt nguyên tố xếp sát lại nhau tạo ra), loại này có bề mặt riêng không lớn.Các chất hấp phụ xốp: cấu trúc bao gồm các hạt với nhiều lỗ xốp bên trong, hay cấu trúcmạng không gian chứa lỗ trống nhỏ

Các chất hấp phụ không xốp được tạo ra bằng cách cho kết tủa các chất kết tinh khó tancủa oxid, muối (như BaSO4, TiO2 .) hay đem nghiền các chất kết tinh và không kếttinh rồi nén lại Chúng có bề mặt riêng không lớn, chỉ khoảng vài m2/g Một số loại hạtkhông xốp quan trọng tiêu biểu cho hệ phân tán cao là: muội graphit (than hoạt tính) vàmuội trắng (SiO2có độ phân tán cao) Muội trắng có thể điều chế bằng cách thủy phânSiCl4hay SiF4trong môi trường hơi nước Sự thủy phân trong điều kiện đặc biệt có thểtạo được khói chứa các hạt hình cầu kích thước khoảng 100 Ao và khi ngưng tụ lại thìbột nhuyễn SiO2 sẽ được hình thành Các loại muội trắng được sử dụng rộng rãi làmchất hấp phụ, xúc tác và các chất độn cho vật liệu polymer

Các chất hấp phụ xốp với bề mặt riêng Solớn có thể điều chế bằng nhiều cách, trong đó

có 2 phương pháp quan trọng

Phương pháp thứ nhất là tạo thành kết cấu rắn từ các hạt nhỏ có kích thước keo với

bề mặt trong phát triển lớn Ví dụ tiêu biểu là silica gel, alumo gel, alumo silicat, oxidmangan hoạt động Silica gel cũng có thành phần hóa học là SiO2 nhưng được điềuchế trong các điều kiện khác với muội trắng, người ta cho Na2SiO3 hay K2SiO3 (thủytinh lỏng) tác dụng với acid trong dung dịch nước, ở đó gel poly của acid silic được tạothành Sau đó tách nước gel này thu được các hạt silica gel có nhiều lỗ xốp Bằng cáchtương tự có thể điều chế được alumo gel Al2O3

Trong phương pháp thứ hai người ta thu các chất hấp phụ xốp bằng cách cho các chấtkhí hay lỏng tác dụng lên vật rắn không có lỗ xốp hay ít xốp Cấu trúc xốp thuộc loạinày được tạo ra không phải từ các hạt mà từ mạng lưới vững chắc của pha rắn

Than hoạt tính là một ví dụ thuộc loại này, nó đã được nghiên cứu từ lâu và được sửdụng rộng rãi trong thực tế

Thủy tinh xốp có chứa nhiều mao quản là một trong những loại có cấu trúc xốp mớiđược tạo ra cách đây không lâu và nhiều ứng dụng Người ta tạo loại thủy tinh xốp đóbằng cách bằng cách loại trừ các cấu tử kiềm và kiềm thổ khỏi thủy tinh có thành phầnđặc biệt trong dung dịch nước

Chất hấp phụ tinh thể có lỗ xốp tiêu biểu nhất là các loại Zeolit tự nhiên và tổng hợp.Zeolit là một dạng alumo silicat tinh thể có công thức R22+O Al2O3 nSiO2 mH2O hay

R2+O Al2O3 nSiO2 mH2O trong đó các cation R22+, R2+là các cation hóa trị 1 và 2như K+, Na+, Ag+, Ca2+, Ba2+, Sn2+ Các tinh tể Zeolit có mạng không gian xốp (Zeolitloại A có mạng khối lập phương đơn giản như NaCl, Zeolit loại X có cấu trúc theo kiểukim cương), có khoang trống khá lớn và thông nhau vì vậy có thể cho các phân tử cókích thước 4 - 7,5 Aođi qua Do đặc điểm này mà Zeolit được dùng làm rây phân tử đểtách một loại cấu tử xác định ra khỏi hỗn hợp khí Ví dụ phân tử benzen không thể điqua cửa sổ của Zeolit 5A nhưng có thể đi qua được cửa sổ Zeolit X một cách tự do; vìvậy Zeolit 5A chỉ hấp phụ n-hexan mà không hấp phụ benzen, nó đóng vai trò như râyphân tử, còn Zeolit X là chất hấp phụ tốt các chất trên

Chương 3: Tính chất hoạt động của hệ keo

Chuyển động Brown của các phân tử

Trong các hệ phân tán, giữa các phân tử có ba loại chuyển động: tịnh tiến, quay và daođộng Trong chuyển động tịnh tiến số dao động va chạm giữa các phân tử là rất lớn dẫnđến sự vô trật tự được gọi là chuyển động Brown, đó là chuyển động hỗn loạn có cường

độ không phụ thuộc theo thời gian, nhưng lại được tăng cường khi nhiệt độ tăng Ngoàichuyển động Brown tịnh tiến các hạt còn tham gia chuyển động Brown quay

Chuyển động của các hạt keo là kết quả của sự va chạm hỗn loạn giữa các phân tử củamôi trường với các hạt Đối với hạt có kích thước nhỏ (a < 5nm), số va chạm từ cáchướng thường không đều nhau và làm cho các hạt chuyển động hỗn loạn về nhiều hướngtheo quỹ đạo phức tạp Đối với hạt có kích thước tương đối lớn (a > 5nm), những vachạm đồng thời từ các hướng có thể bù trừ cho nhau về lực, nên hạt gần như đứng yên

Nếu các phân tử của môi trường phân tán va đập vào hạt keo không thẳng góc có thểlàm cho hạt keo chuyển động quay, cũng có thể làm cho hạt keo dao động quanh vị trícân bằng (đặc biệt khi hạt có dạng không phải hình cầu)

Do không thể quan sát hết được quãng đường chuyển dịch thật sự của hạt keo nênEinstein đã sử dụng khái niệm quãng đường chuyển dịch trung bình của hạt trongkhoảng thời gian t Giá trị này là hình chiếu đoạn đường đi từ điểm đầu đến điểm cuốitheo hướng xác định trong thời gian t

Để tính toán người ta dùng đại lượng chuyển dịch bình phương trung bình ∆x2của hạt

¯

Δx2= Δ12+ Δ22n+ +Δn2 (3.1)

Ở đây, ∆1, ∆2, ∆3, , ∆n, là hình chiếu của những chuyển dịch của hạt trên trục x trongnhững khoảng thời gian bằng nhau và n là số lần lấy hình chiếu (Người ta không dùnggiá trị trung bình cộng hình chiếu của sự chuyển dịch vì giá trị này sẽ bằng 0, do tính cóxác suất đồng đều theo mọi hướng)

Vậy chuyển động của các hạt keo có biểu hiện của chuyển động nhiệt Qua nghiên cứuthực nghiệm động học, người ta phát hiện hệ keo có những tính chất động học như thẩmthấu, khuếch tán, sa lắng.

Sự khuếch tán

Khuếch tán là quá trình tự san bằng nồng độ trong hệ (để hóa thế của mỗi cấu tử đồngnhất ở mọi điểm trong thể tích hệ), tức là quá trình chuyển chất từ vùng có nồng độ lớnđến vùng có nồng độ nhỏ Quá trình đó tự xảy ra trong hệ do ảnh hưởng của chuyểnđộng nhiệt Quá trình khuếch tán là bất thuận nghịch và tiến hành cho đến khi nồng độhoàn toàn đồng đều Mức độ không đồng đều được đặc trưng bởi gradien nồng độ - làbiến thiên nồng độ trên một đơn vị khoảng cách, nó quyết định mức độ và hướng củaquá trình khuếch tán

Các định luật khuếch tán Fick

Định luật Fick I: Lượng chất m chuyển qua tiết diện S (đặt vuông góc với chiều khuếch

tán), thì tỉ lệ thuận với S, với khoảng thời gian khuếch tán t và với gradien nồng độ theokhoảng cách (dC/dx)

dm = − D dC dx S.dt (3.2)

Hệ số tỉ lệ D gọi là hệ số khuếch tán Vì khuếch tán luôn xảy ra từ nơi có nồng độ caođến nơi có nồng độ thấp và luôn luôn (dC/dx) < 0 (c giảm khi ta tăng x), nên cần đặt dấutrừ trước biểu thức để dm > 0

Với định nghĩa dòng khuếch tán i là lượng chất chuyển qua một đơn vị bề mặt trong mộtđơn vị thời gian, định luật Fick I có thể trình bày cách khác:

i = S.dt dm = − D dC dx (3.3)

Dòng khuếch tán i là hàm số của khoảng cách x và thời gian t (vì gradien nồng độ dC/dxphụ thuộc vào x và t) Nếu tạo điều kiện cho gradien nồng độ không đổi theo thời gianthì dòng khuếch tán sẽ không thay đổi theo thời gian và trong hệ sẽ thiết lập trạng tháidừng

Vậy hệ số tỷ lệ D là thước đo sự khuếch tán trong điều kiện chuẩn (S = 1 cm2, dt = 1giây, dC/dx = 1) Thứ nguyên của D là cm2.s-1

Hệ số khuếch tán phụ thuộc vào tính chất hạt và môi trường phân tán Đối với hệ phântán keo, người ta thường lấy 1 ngày đêm làm đơn vị thời gian thay cho giây vì tốc độkhuếch tán trong hệ rất nhỏ

Định luật Fick II: cho thấy sự biến đổi của nồng độ (C) theo thời gian (t) khi trong hệ

không thiết lập trạng thái dừng, áp dụng cho sự khuếch tán theo không gian ba chiều

dC

dt = D.ΔC(3.4)

dC/dt là độ giảm nồng độ chất tan trong thể tích hệ D là hệ số khuếch tán

Δ có dạng toán tử Laplace, vậy ΔC có dạng:ΔC = d2C

Phương trình Einstein:D = RT N 1B = kT B (3.6) với k = R T: hằng số Boltzmann

Nếu hạt gần với hình cầu, theo Stock, hệ số ma sát B = 6πηr, do đó:D = 6πηr kT (3.7)

D có thể tìm được bằng các phương pháp thực nghiệm

Người ta đã xác định giá trị D trong các hệ khác nhau như sau: hệ dung dịch phân tử vàion có D ≈10-5cm2/giây, các hệ keo D ≈10-7 - 10-9cm2/giây, tức là giữa hai loại hệ đó

D khác nhau hàng nghìn lần Trong hệ keo bán kính hạt keo lớn hơn bán kính phân tửrất nhiều, độ nhớt của hệ keo cũng lớn hơn của hệ dung dịch thực, dựa vào đó ta thấy sựkhuếch tán là rất chậm vì D nhỏ

Theo phương trình Einstein có thể tính được kích thước và khối lượng phân tử hạt nếubiết được D.Từ hệ quả:r = 6πηD kT , suy ra khối lượng phân tử của hạt hình cầu khi biết tỷkhối γ của nó:M = 43π.r3γ.N(3.8), N là số Avogadro

Phương trình Einstein- Smolukhopski

Phương trình hệ số khuếch tán của Einstein - Smolukhopski thiết lập mối liên quan giữa

hệ số khuếch tán D và quãng đường dịch chuyển bình phương trung bình ¯Δx

2

của hạttrong hệ keo, khi mà nguyên nhân khuếch tán là chuyển động Brown, không kể đến sựảnh hưởng nhiệt:¯Δx2= 2Dt(3.9)

Trong những trường hợp khó xác định D bằng thực nghiệm, theo phương trình này ta cóthể tìm D (sau đó là r) dựa trên cơ sở đo quãng đường dịch chuyển bình phương trungbình¯Δx2 Ngược lại khi biết D có thể tính được quãng đường dịch chuyển trung bình

Phương trình Einstein- Smolukhopski:¯Δx=√ RT2t

N.6π.η.r =√ kT.t

3π.η.r (3.10)

Ta thấy ¯Δxtỷ lệ với √t chứ không tỷ lệ với thời gian t như chuyển động thẳng đều, kếtquả tính toán và thực nghiệm cho thấy rất phù hợp nhau

Áp suất thẩm thấu của dung dịch keo

Sự chuyển động hỗn loạn của các hạt trong dung dịch keo còn là nguyên nhân của hiệntượng thẩm thấu

Hiện tượng thẩm thấu trong dung dịch keo cũng tương tự như trong dung dịch thực, vàchúng chỉ khác nhau về mặt định lượng Khi ta ngăn cách hai dung dịch có nồng độ khácnhau bởi một màng bán thẩm, thì sẽ có một dòng dung môi di chuyển từ phía dung dịch

có nồng độ thấp sang phía dung dịch có nồng độ cao hơn để san bằng nồng độ ở hai phíacủa màng Hiện tượng đó gọi là hiện tượng thẩm thấu Dòng dung môi sẽ ngưng lưuchuyển khi đã tạo được một gradien áp suất cần thiết chống lại áp suất thủy tĩnh tươngứng gọi là áp suất thẩm thấu π

Nói cách khác, áp suất cần tác dụng vào dung dịch đủ để ngăn dòng thẩm thấu gọi là ápsuất thẩm thấu của dung dịch

* Đối với dung dịch lý tưởng áp suất thẩm thấu πddtheo phương trình Van’t Hoff: πdd=mRT/MV = Cddlt.R.T (3.11)

Trong đó m: khối lượng chất tan (g); M: khối lượng mol phân tử chất tan

Cddlt: nồng độ mol; R: hằng số khí lý tưởng; T: nhiệt độ tuyệt đối của hệ (độ K)

* Phương trình đó có thể áp dụng được cho cả dung dịch keo

πk= Cddk.R.T =

m

ω.N

V RT= NνR.T= ν.k.T (3.12)Trong đó m: khối lượng chất tan (g); ω: khối lượng của 1 hạt keo (g);

ν: nồng độ hạt (là số hạt trong một đơn vị thể tích, đơn vị của ν là hạt/lít)

N là số Avogadro; k: hằng số Boltzmann, k = R/N

* Áp suất thẩm thấu của dung dịch keo có những đặc điểm sau :

- Vì dung dịch keo không bền vững nhiệt động nên khi để lâu nồng độ hạt có thể bị giảm

do hiện tượng keo tụ Như thế áp suất thẩm thấu của hệ keo thường bị giảm theo thờigian

- Trong những điều kiện giống nhau về nhiệt động và nồng độ khối lượng, bao giờ hệkeo cũng có áp suất nhỏ hơn nhiều so với dung dịch thực

Áp suất thẩm thấu chỉ phụ thuộc vào số hạt chứ không phụ thuộc vào bản chất và kíchthước hạt Giả sử có hai hệ có cùng nồng độ khối lượng, ở cùng nhiệt độ nhưng do tạothành số hạt khác nhau nên áp suất thẩm thấu của hai hệ cũng tỉ lệ nhau theo hệ thức:

π1

π2 = ν1ν2 (3.13)

Kết quả này chứng tỏ nếu kích thước hạt càng nhỏ, do đó càng có nhiều hạt, thì áp suấtthẩm thấu càng lớn Dung dịch thực chứa các phân tử có kích thước rất nhỏ so với dungdịch keo nên bao giờ cũng có áp suất thẩm thấu lớn hơn hệ keo

Sự sa lắng trong hệ keo

Phần này ta sẽ xét chuyển động Brown của các phân tử pha phân tán trong hệ keo dướitác dụng của trọng trường Do sự tương quan giữa xu hướng “có trật tự” (dưới tác dụngcủa trọng trường) và “vô trật tự” (chuyển động Brown) nên các phân tử pha phân tán cóthể sa lắng nếu là hạt lớn, hoặc phân bố ở độ cao xác định trong hệ nếu là hạt nhỏ

Độ bền vững sa lắng

Khả năng các hệ vi dị thể phân bố cân bằng hạt trong toàn hệ được gọi là tính bền salắng (tính bền vững động học) Đối với hệ phân tán thô như huyền phù, có hạt lớn, khánặng, không chuyển động Brown: là hệ không bền vững sa lắng Đối với các hệ dungdịch thực và các hệ khí có tính bền vững động học cao vì vừa có chuyển động Brown,vừa có khả năng khuếch tán cao Các hệ keo lỏng, keo khí thì chiếm vị trí trung giangiữa hai loại hệ trên

Như vậy độ bền vững sa lắng phụ thuộc vào kích thước hạt của pha phân tán

Cân bằng khuếch tán - sa lắng

Xét sự cân bằng khuếch tán sa lắng trong trọng trường: Sự sa lắng có khuynh hướng tậptrung các hạt xuống đáy bình (do lực trọng trường), còn sự khuếch tán thì chống lại xuhướng đó (do chuyển động Brown) Đặc trưng định lượng cho sự sa lắng là dòng sa lắng

và đối với sự khuếch tán là dòng khuếch tán - Dòng sa lắng: is= u.C , với u: tốc độ salắng; C: nồng độ thể tích

Khi hạt sa lắng với tốc độ đều thì lực ma sát bằng trọng lực: B.u = m.g, suy ra is = u.C

= m.g C B (3.14)

- Dòng khuếch tán theo hướng x: ik= - D dC dx= - k.T Bdx dC (3.15)

với: k = R/N: hằng số Boltzmann; B: hệ số ma sát; T: nhiệt độ của hệ

- Ta lập tỉ số dòng sa lắng và dòng khuếch tán: is ik = − m.g kT.dC C dx

Vì gradien nồng độ thay đổi theo chiều cao nên ta có thể thay x bằng h khi tính

Khi is/ik>> 1 : ta chỉ có sự sa lắng và hệ có độ bền sa lắng thấp

Khi is/ik<< 1 : ta chỉ có sự khuếch tán và hệ có độ bền sa lắng cao

Khi is/ik ≈ 1 : dòng sa lắng tương đương dòng khuếch tán, trong hệ có cân bằng phân

bố Lúc đó ta phải lưu ý đến cả hai quá trình

Khi hệ đạt cân bằng phân bố thì: ik is = − m.g kT.dC C dh= 1 (3.16)

Suy ra, đối với hệ cân bằng phân bố ta có: − dC C = mg kT dh.

Nếu thay nồng độ C bằng đại lượng tỉ lệ với nó là áp suất P thì: po ph = e mgh kT

Đây là định luật phân bố các phân tử khí theo chiều cao của Laplace Như vậy các hệkeo cũng tuân theo những qui luật động học phân tử như các dung dịch thực, các khí

Do khối lượng phân tử trung bình của không khí (chủ yếu có nitơ, oxi) nhỏ hơn hạt keo

rất nhiều nên trong không khí sự sa lắng vô cùng yếu Ví dụ áp suất khí quyển chỉ giảmkhoảng 1mmHg khi lên cao 10m.

Mặt khác vì nồng độ C tỉ lệ với nồng độ hạt ν, nên ta có thể viết: ν0νh = e mgh kT Đây là phươngtrình cân bằng sa lắng áp dụng cho các hệ phân tán có kích thước hạt đáng kể, trong đó

có hệ keo

Những định luật phân bố theo chiều cao chỉ dùng cho hệ đơn phân tán Đối với hệ đaphân tán thì vấn đề phức tạp hơn nhiều, mỗi loại hạt có sự phân bố khác nhau vì tácdụng của lực khuếch tán và lực sa lắng trên mỗi loại hạt là khác nhau

Các phương pháp phân tích sa lắng

Sự sa lắng xảy ra dưới tác dụng của trọng trường:

Các hạt trong hệ tự do rơi xuống đáy bình do ảnh hưởng của trọng lực Quá trình nàythường xảy ra đối với hệ huyền phù

Theo Archimède, trọng lực chi phối hạt trong hệ huyền phù lỏng là f f = m.g = V.(γ

-γo).g

trong đó V: thể tích hạt; m : khối lượng hạt; g: gia tốc trọng trường

γ, γo: khối lượng riêng của hạt, của môi trường