HOÁ KEO các HIỆN TƯỢNG bề mặt

HOÁ KEO các HIỆN TƯỢNG bề mặtHOÁ KEO các HIỆN TƯỢNG bề mặtHOÁ KEO các HIỆN TƯỢNG bề mặtHOÁ KEO các HIỆN TƯỢNG bề mặtHOÁ KEO các HIỆN TƯỢNG bề mặtHOÁ KEO các HIỆN TƯỢNG bề mặtHOÁ KEO các HIỆN TƯỢNG bề mặtHOÁ KEO các HIỆN TƯỢNG bề mặtHOÁ KEO các HIỆN TƯỢNG bề mặtHOÁ KEO các HIỆN TƯỢNG bề mặtHOÁ KEO các HIỆN TƯỢNG bề mặtHOÁ KEO các HIỆN TƯỢNG bề mặtHOÁ KEO các HIỆN TƯỢNG bề mặtHOÁ KEO các HIỆN TƯỢNG bề mặtHOÁ KEO các HIỆN TƯỢNG bề mặtHOÁ KEO các HIỆN TƯỢNG bề mặtHOÁ KEO các HIỆN TƯỢNG bề mặtHOÁ KEO các HIỆN TƯỢNG bề mặtHOÁ KEO các HIỆN TƯỢNG bề mặtHOÁ KEO các HIỆN TƯỢNG bề mặt

• Tài liệu tham khảo:

• Trần Văn Nhân Hóa keo Nxb ĐHQG Hà Nội

• Mai Hữu Khiêm Hóa Keo Nxb ĐHQG Tp Hồ Chí Minh

• Richard M Pashley, Marilyn E Karaman Applied

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA VŨNG TÀU

KHOA HÓA HỌC VÀ CN THỰC PHẨM

HÓA KEO

•Ví dụ: các hệ keo trong thực tế

Ví dụ: các hệ keo trong thực tế

Ví dụ: các hệ keo trong thực tế

Mở đầu

• Hóa keo là gì?

• Hóa lý học các hệ phân tán vi dị thể : là khoa học về các quá trình hình thành và phán hủy các hệ phân tán

• Hệ phân tán : là hệ trong đó vật chất phân tán cao tới kích thước 10-7 – 10-5 cm

• Đã từ lâu người ta đã biết nhiều tính chất quan trọng của một dung dịch đồng nhất ( thường gọi

là dung dịch thực) như sự tăng nhiệt độ sôi, sự giảm nhiệt độ đông đặc, sự giảm áp suất hơi

• Đến nửa thế kỷ thứ XIX nhà bác học Italia F.Selmi, sau khi nghiên cứu nhiều loại dung dịch, nhận thấy có những dung dịch thể hiện một số tính chất khác thường như:

điện ly vào

• Về sau Thomas Graham (người Anh) phát hiện

ra bằng những dung dịch trên không lọt qua màng bán thấm Dung dịch này khi làm khô nước thì giống như keo dán

• Do vậy, Graham gọi chúng là dung dịch keo (collioid)

cứu tính chất của các hệ tương tự và đã đi đến những kết luận quan trọng sau đây:

• Hệ keo có tính chất tán xạ ánh sáng (chứng tỏ hệ keo là một hệ dị thể, không đồng nhất)

• Các hệ keo có tính chất khuếch tán chậm hơn các tiểu phân (phân tử, ion) trong dung dịch thực

bán thấm

Thomas Graham (21/09/1805 – 16 /09/1869), Scotland

• Ở trạng thái phân tán: các hạt hay các lỗ xốp có kích thước lớn hơn kích thước phân tử, tuy nhiên không quan sát được bằng mắt thường mà chỉ quan sát được bằng kính hiển vi quang học

lỗ xốp ( chất phân tán ) và môi

tán )

•Phân loại theo độ phân tán (kích thước hạt)

• Dựa vào kích thước pha phân tán người ta chia hệ phân tán thành:

Kích thước hạt

<10 -9 m 10 -9 m - 10 -6 m >10 -6 m

Hệ đồng thể Hệ keo Hệ dị thể

• Cụ thể như sau:

• Hệ phân tán phân tử :Trong hệ, chất phân tán ở dạng những phần tử rất nhỏ, kích thước nhỏ hơn 10-9 m, chúng là những phân tử và ion đơn giản Các hệ phân tán phân tử được gọi là dung dịch thật hay dung dịch thuộc loại hệ đồng thể

và đã được nghiên cứu nhiều

•Ví dụ: các dung dịch phân tử và điện ly

• Hệ phân tán keo: Gồm các hạt phân tán có kích thước 10-9 đến 10-6 m, gọi là các hạt keo Hệ

phân tán keo thường được gọi là hệ keo

Ví dụ: keo AgI, keo Protit trong nước

Hệ phân tán thô: Gồm các hạt có kích thước lớn hơn

trường lỏng có hạt phân tán rắn kích thước lớn hơn

hoặc nổi lên trên bề mặt lỏng (tuỳ theo khối lượng

môi trường của hệ

• Một vài hình ảnh ví dụ về các loại hệ phân tán

• Các huyền phù và nhũ tương dùng trong thực tế

là những hệ vi dị thể tương đối bền Các hệ đó có bản chất của hệ keo nên có thể coi chúng như là các hệ keo khi nghiên cứu và sử dụng

•Hệ nhũ tương quan sát bằng kính hiển vi điện tử

• Độ phân tán: đây là một một điểm quan trọng của hệ phân tán, thường được ký hiệu là D, D = 1/d, với d là kích thước hạt

• D ảnh hưởng rất lớn đến tích chất bề mặt của hệ Cụ thể khi

D tăng thì bề mặt riêng của hệ tăng đáng kể

• Ví dụ: sự thay đổi diện tích bề mặt theo D

• Người ta cũng có thể dựa vào D để phân loại

hệ phân tán

•Phân loại theo trạng thái tập hợp

•Ví dụ: các hệ keo trong thực tế

Ví dụ: các hệ keo trong thực tế

Ví dụ: các hệ keo trong thực tế

•Phân loại theo tương tác giữa các pha

• Keo ưa lỏng (lyophilic): còn gọi là keo ưa lưu :

đặc trưng bởi tương tác mạnh giữa chất phân tán

với dung môi thì nó có khả năng phân tán trở lại Chính vì thế mà ta gọi keo này là keo thuận nghịch

• Ví dụ : keo gelatin, tinh bột, gôm arabic…

• Keo kỵ lỏng (lyophobic): do tương tác yếu nên chất phân tán sau khi kết tủa không có khả năng phân tán lại Chúng là những keo bất thuận nghịch

 Nằm ở vị trí trung gian giữa keo ưu lưu và keo ghét lưu là loại keo lưỡng tính như các hidroxit kim loại

 Nếu môi trường phân tán là nước thì ta có: ưa nước ( hydrophilic) và ghét nước ( hydrophobic ).

- Hệ phân tán tự do như các loại keo loãng, huyền phù, nhũ tương loãng Trong

hệ này, do tương tác yếu nên các hạt chuyển động độc lập với nhau

- Hệ phân tán liên kết như huyền phù đặc, nhũ tương đặc, gel (thạch) đó là các

hệ mà ở vào điều kiện đặc biệt các hệ phân tán liên kết với nhau để tạo thành

Ngoài ra, Căn cứ vào tương tác giữa các hạt phân tán, người ta có thể phân hệ phân tán ra làm hai loại :

• Bên cạnh các dung dịch keo còn có các dung dịch đa keo và dung dịch bán keo như :

•Hình dạng cấu trúc của hạt trong hệ keo

•Tinh chế hệ keo

• PP thẩm tích

• Điện thẩm tích

• Siêu lọc

Các phương pháp điều chế hệ keo và

phương pháp tinh chế hệ keo

• Điều chế hệ keo: có các phương pháp sau

Chất hoạt động bề mặt

• Chất hoạt động bề mặt được ứng dụng từ trên một ngàn năm Nó được dùng để tạo thể sữa trong thực phẩm và trong giặt tẩy Cấu trúc của chất hoạt động

bề mặt như sau

COOH

Hydrophobic tail

Hydrophilic head

Water Monolayer

Air

Cơ chế tẩy rữa của CHDBM

• ở nhiệt độ thấp: các chất hoạt động đề mặt hiện diện dưới dạng monomer

• Ở nhiệt độ cao: các monomer kết tụ lại

dạng cầu

Nồng độ micelle tới hạn (CMC) Critical Micellization Concentration

Phân loại chất hoạt động bề mặt

• Anionic –e.g RCOO-, RSO3-, ROSO3

•Foaming and defoaming

Antifogging agent for windows; shampoo; detergent; fire-extinguishing agent

Liquid/ liquid

•Reducing interfacial tension (wetting)

•Emulsification

Detergent; fire extinguishing agent;

Dishwashing detergent; shampoo;

cosmetics; foods (butter, mayonnaise)

•Sức căng bề mặt của một dung dịch CHDBM

Log[conc]

 (nN/m)

Tính chất của hệ keo

•Tính chất động học phân tử

•Tính chất điện

• Tính chất động học phân tử

• Chuyển động nhiệt:

• Chất khí là một tập hợp các phân tử nằm trong trạng thái chuyển động nhiệt hỗn loạn Khi va chạm vào nhau các phân tử khí thay đổi vận tốc và hướng chuyển động, tuy nhiên, động năng trung bình chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ và bằng (3/2).kT

• Các phân tử trong chất rắn thì chỉ dao động quanh vị trí cân bằng

• Các phân tử trong chất lỏng thì ở trạng thái trung gian, khoảng cách giữa các phân tử chất lỏng xấp xỉ chất rắn, gần bằng kích thước phân tử Nhưng các phân tử chất lỏng có thể thay đổi vị trí như chất khí, nhưng không ra khỏi phạm vi ảnh hưởng của lực phân tử

• Các phân tử khí hay lỏng thường có 03 loại chuyển động:

• Năm 1828, nhà sinh vật học người Anh,

Brown khi quan sát huyền phù của phấn hoa bằng kính hiển vi, phát hiện được rằng: các phấn hoa không ngừng chuyển động hỗn loạn

và cường độ chuyển động không bị giảm theo thời gian Sự chuyển động đó gọi là chuyển động Brown

• Theo thuyết động học phân tử, chuyển động Brown được giải thích như sau:

Chuyển động Brown

Chuyển động hỗn loạn của hạt keo ngoài nguyên nhân

do chính bản thân chuyển động nhiệt của nó gây ra, thì

sự va chạm xô đẩy hỗn loạn của các phân tử môi trường (vốn là chuyển động nhiệt) đóng vai trò chủ yếu Hạt phân tán có kích thước nhỏ, nên số va chạm xảy ra theo các phần khác nhau rất không đều nhau Kết quả là hạt bị xô đẩy về phía này về phía nọ, nên chiều chuyển động của hạt

bị thay đổi rất nhanh

 Vậy, bản chất chuyển động Brown là chuyển động nhiệt, là chuyển động động học của các phân

tử Rất khó quan sát đường đi thực của hạt và không

• Sơ đồ quỹ đạo tượng trưng của một hạt khi quan sát chuyển động Brown của nó từ A đến

B theo phương x, chiều chuyển dời của hạt từ vị trí này đến vị trí khác được quy ước biểu diễn bằng một đoạn thẳng

Chuyển động Brown

• Để đặc trưng cho sự chuyển dời của hạt trong khoảng thời gian t xác định trong không gian, người ta dùng

giá trị độ dời trung bình bình phương

 Sau đó, lấy căn bậc 2 ta có được sự chuyển dời của các

hạt trong khoảng thời gian t.

• Năm 1906, A Einstein và Smolukhopski mới đưa

ra lý thuyết về chuyển động Brown thông qua hệ thức

Sự khuếch tán

Nếu trong hệ có hiện tượng không đồng đều về mật

độ hay nồng độ hạt phân tán thì có sự di chuyển các hạt từ vùng nồng độ cao tới vùng nồng độ thấp hơn

(để san bằng nồng độ), chúng ta nói là có sự khuếch

tán.

2

2 D t 2 D t

• Định luật Fick I (1855) về sự khuyếch tán phân

tử ở dạng công thức như sau:

(dC/dx): gradient nồng độ S: diện tích bề mặt thẳng

mà hạt khuếch tán chuyển qua

t: thời gian

• Đơn vị của D theo:

• + hệ đơn vị CGS: cm 2 /s ;

• + hệ đơn vị SI: m 2 /s

 Sự khuếch tán xảy ra theo chiều giảm nồng độ, (dC/dx)

< 0, nên ta phải đặt dấu trừ vào vế phải để dm > 0

 Trường hợp (dC/dx) không thay đổi theo thời gian chúng ta có:

 Nếu (dC/dx) = -1, S = 1, t = 1 thì m = D => hệ số khuếch tán D là lượng chất chuyển qua trong một đơn vị thiết diện thẳng trong một đơn vị thời gian khi gradient nồng

•Đối với hạt phân tán bán kính cầu,r, môi trường của hệ

có độ nhớt η thì theo Stock ta tính được hệ số ma sát B

B = 6.π.η.r, lúc này ta có:

B: hệ số ma sát của hạt trong môi trường phân tán.

R (J.mol -1 K -1 ), T và N 0 (mol -1 ) lần lượt là hằng số

khí lý tưởng, nhiệt độ Kenvin và số Avogadro

 Đối với hệ keo: Hệ số khuếch tán của các hạt keo

được tính theo công thức sau:

0

.

R T D

Công thức trên cho thấy:

• Ở một nhiệt độ không đổi, đối với hệ phân tán xác định,

hệ số khuếch tán đặc trưng cho khả năng chuyển động của hạt và chỉ phụ thuộc kích thước của hạt So với các phân tử đơn giản thì hạt keo có kích thước lớn hơn, độ dời trung bình bình phương rất nhỏ, nên khả năng khuếch tán của hệ keo nhỏ hơn nhiều so với các dung dịch phân tử.

•Ví dụ: sự khuếch tán của các chất vào một tế bào động vật có đường kính 10 micron

Đối tượng Bán kính (nm) D Thời gian (giây)

 Biết hệ số khuếch tán D sẽ tính được bán

hạt phân tán bằng phương pháp đo hệ số khuếch tán

xác định nồng độ, sẽ tính được D theo công thức sau:

hạt, tính được khối lượng M của 1mol hạt

 Do đó có thể dựa vào hệ số khuếch tán của dung dịch cao phân tử để tìm khối lượng phân tử chất polyme, nếu chấp nhân rằng phân tử polyme ở dạng hạt hình cầu trong dung dịch

Tính động học phân tử là nguyên nhân gây ra hiện

tượng thẩm thấu và áp suất thẩm thấu của các

• Hiện tượng thẩm thấu

• Áp suất thẩm thấu là áp suất thủy tĩnh nén lên

.R T R T . m



   ν: nồng độ mol hạt tính theo số mol hạt, 01 mol gồm N hạt

• Khi m’= m, nhưng M’ > M thì υ < C

• Áp mất thẩm thấu của hệ keo rất nhỏ so với dung dịch

thật có cùng khối lượng chất phân tán, do υ <<C hoặc

do khối lượng hạt keo lớn hơn rất nhiều so với khối

lượng của phân tử đơn giản (M’ >> M)

• Các hệ keo ghét lưu đều kém bền vững, do hạt có kích thước lớn thì có khuynh hướng sa lắng, còn các hạt nhỏ thì có khuynh hướng liên kết lại (do tác dụng của lực tương tác phân tử) thành số ít hạt lớn hơn làm cho số hạt keo (hạt đơn) giảm, nên áp suất thẩm thấu của hệ không ổn định

1,22210 -2 atm Tìm khối lượng phân tử chất cao phân

tử ấy?

Sự sa lắng

đối lớn dưới tác dụng của trọng trường

• Định luật Stocke đối với hạt hình cầu:

•Ví dụ:

1 Tính tốc độ sa lắng của hạt SiO2 hình cầu bán kính r = 10 -3

cm và khối lượng riêng của SiO2 là 2,7 g.cm -3 và của nước là 0,982 g.cm -3 và độ nhớt 0,01 poise

Phụ lục:

N = m.kg.S -2 , 1 poise = 0,1 pa.s = 0,1 m -1 .kg.S -1 ,

2 Tính thời gian cần thiết để hạt SiO2 bán kính 5.10 -4 cm lắng trong

nước cất 25 o C, độ nhớt 0,01 poise, được 50 cm? Biết khối lượng riêng của SiO2 là 2,7 g.cm-3 và của nước là 0,982 g.cm-3

• Cân bằng khuếch tán – sa lắng xảy ra khi dòng khuếch tán ik bằng dòng sa lắng iS ( số hạt đi qua tiết diện 1cm2 trong 1 giây)

Độ nhớt

• Độ nhớt của chất lỏng Newton tuân theo định luật:

•S: tiết diện của dòng chảy đang xét

•U: tốc độ dòng chảy

• Phương trình Newton sử dụng được cho chất lỏng tinh khiết và các dung dịch

• Các số liệu thực nghiệm cho thấy: khi nồng độ của hệ phân tán tăng thì độ nhớt của hệ tăng Để biểu diễn mối quan hệ này, Einstein đưa ra phương trình:

η , η0: độ nhớt của dung dịch keo và môi trường phân tán

φn = Vd/V, Vd và V là thể tích của pha phân tán và thể tích chung của hệ

k: hằng số (phụ thuộc vào hình dạng của hạt)

• là độ nhớt riêng, tỉ lệ thuận với nồng độ pha phân tán

0 0

 Theo Eistein, ông thấy rằng:

 Đối với các hạt hình cầu: k = 5/2, lúc này

phương trình

 Đối với các hạt hình elip: k = 2,5 + (1/16)(b/a) 2, trong

đó: a, b là bán kính trục nhỏ và trục lớn

 Đối với dung dịch hợp chất cao phân tử, thì

phương trình của Einstein không còn đúng Lúc

• K: là hằng số, K có giá trị xác định theo dãy đồng

đẳng của polyme trong dung môi xác định

• Ví dụ:

• Đối với các parafin trong CCl4: K=1,07.10 -4

• Đối với các Polystyron trong CCl4: K=1,8.10 -4

• Đối với polymetylen trong CHCl3: K=2,4.10 -4

• Theo nhận định trên ta thấy rằng:

Sự phụ thuộc của độ nhớt riêng đối với nồng độ của chất CPT trong dung dịch

• Biểu diễn theo toán học ta có:

Sự khác biệt này chứng tỏ giữa các phân

tử polyme có sự tương tác với nhau

 Trong thực tế, các phân tử CPT không bao giờ duỗi

thẳng hoàn toàn, thêm vào đó nó còn có sự tương tác với dung môi Vậy nên, phương trình (***) trở thành:

(***)

    K M M (****)

Giá trị K và α M của các polyme dùng theo

phương trình (****)

Giới hạn giá trị M.10 -5 sử dụng phương trình (****)

0,62 0,70

- 0,55-2,0 Rượu polyvinyl Nước 5,90 0,67 0,44-1,1

Cao su thiên nhiên Toluen 5,02 0,67 0,40-15,0

Nylon Axit focmic 11,00 0,72 0,05-0,25

Polybutadien Toluen 2,60 0,64

Đo độ nhớt bằng nhớt kế Ostwald

•Tính chất quang học của hệ phân tán

• Ánh sáng có thể bị hấp thụ, bị tán xạ, bị phân cực hay bị phản xạ bởi pha phân tán trong một hệ keo

 Khi chiếu một chùm sáng vào một dung dịch keo trong suốt để trong bóng tối thì thấy một dải sáng sáng mờ đục dạng hình nón xuất hiện ở phần dung dịch có ánh sáng đi qua Hiện tượng đó còn được gọi

• Thí nghiệm Tyndall

• Hiệu ứng Tyndall là một hiệu ứng của sự khuếch tán

gây nên

• Trên thực tế, tính chất quang học của hệ phân tán phụ thuộc vào kích thước hạt Ánh sáng nhìn thấy có bước sóng khoảng 4000Å – 7000Å

• Hệ phân tán có kích thước hạt lớn hơn bước sóng phản xạ ánh sáng làm cho hệ có màu đục

có khả năng phân tán ánh sáng

trở thành một điểm phát sáng về mọi hướng

•Φ: kích thước hạt

λ: bước sóng của tia sáng tới

Cụ thể:

•Nếu các hạt có Φ << λ thì ánh sáng phần lớn phân tán theo góc

0 o C và 180 o C so với tia tới

•Nếu các hạt lớn nhỏ một tí (Φ < λ) hay lớn hơn một tí (Φ > λ): thì

ánh sáng chủ yếu phân tán theo

hướng tia tới