Bài giảng hóa kỹ thuật môi trường chương 4 ths lê nguyễn kim cương

TÊN MÔN HỌC: HÓA KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG CHƯƠNG 4: HỆ PHÂN TÁN 1 Giảng viên: ThS Lê Nguyễn Kim Cương ThS Nguyễn Văn Phương MỤC TIÊU v Hiểu các khái niệm về hệ phân tán v Đặc điểm, tính chấ

TÊN MÔN HỌC:

HÓA KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

CHƯƠNG 4:

HỆ PHÂN TÁN

1

Giảng viên:

ThS Lê Nguyễn Kim Cương

ThS Nguyễn Văn Phương

MỤC TIÊU

v Hiểu các khái niệm về hệ phân tán

v Đặc điểm, tính chất các hệ phân tán

v Vận dụng vào trong kỹ thuật môi trường

2

3

4.1 CÁC HỆ PHÂN TÁN

4.2 DUNG DỊCH

4.3 ĐỘ HÒA TAN CỦA CÁC CHẤT

4.4 TÍNH CHẤT CỦA DUNG DỊCH

4.5 DUNG DỊCH ĐIỆN LY

4.6 SỰ ĐIỆN LY CỦA NƯỚC – CHỈ SỐ HYDRO

۞ Khái niệm

۞ Độ phân tán

۞ Phân loại

Khái niệm

Hệ phân tán là hệ bao gồm một môi trường

liên tục và các tiểu phân (các “hạt”) có kích thước

nhỏ được phân tán đồng đều trong môi trường đó

Tập hợp các tiểu phân nhỏ bé đó được gọi là

pha phân tán, còn môi trường chứa đựng pha phân

tán gọi là môi trường phân tán.

Bảng 4.1 Các hệ phân tán thường gặp

TT Pha phân tán Môi trường phân tán

Ký hiệu

hệ

Tên hệ

1 Khí Khí K/K Hệ với sự thăng giáng mật độ khí (không khí)

2 Lỏng Khí L/K Keo khí (sương mù, mây mù)(Fogs)

3 Rắn Khí R/K Keo khí (bụi, khói) (smokes)

4 Khí Lỏng K/L Nhũ tương khí (bọt) (Foams)

5 Lỏng Lỏng L/L Nhũ tương (Enulsions)

6 Rắn Lỏng R/L Keo, huyền phù (sol)

7 Khí Rắn K/R Bọt xốp, mao quản xốp, vật xốp (rắn)

8 Lỏng Rắn L/R Nhũ tương rắn, gel xốp

9 Rắn Rắn R/R Keo rắn, hợp kim

Độ phân tán

v Tính chất quan trọng của hệ phân tán trước hết là

tính bền vững của hệ: thể hiện qua độ phân tán

v Độ phân tán: D = 1/d trong đó d là kích thước

hạt

7

Phân lo i

v Theo m i quan h ph thu c ∗ trên mà h phân tán chia làm 3 lo i sau ây:

Các h phân tán thô (th l∃ l ng) Các h phân tán cao (h keo) Các h phân tán phân t% - ion (dung d ch

th c)

v H phân tán thô là nh∗ng h vi d∋ th# có

kích th c h t nhân phân tán l n h n 10 -4 mm.

T/n t−i 2 d−ng: huy3n phù và nh t&∃ng

tán trong kho ng t 1.10 -6 mm n 1.10 -4 mm

!∀c g∃i là h&keo , có th#t p h p nhau thành

nh ng h t có kích th&,c l,n h∃n và l ng xu ng

10

Hệ keo khí (sương mù, mây mù)

11

Hệ keo khí

Bụi

Khói

Hệ huyền phù

Hệ nhũ tương

4.2 DUNG DỊCH

v Dung dịch là hệ đồng thể gồm hai hay nhiều

chất mà thành phần của chúng có thể thay đổi

trong giới hạn rộng (đây là điểm khác với hợp

chất)

v Có hai loại: dung dịch lý tưởng và dung dịch

thực.

Dung dịch lý tưởng

Dung dịch thực

Dung Dung dịch dịch lý lý tưởng tưởng

v Tính chất của dd lý tưởng không phụ thuộc vào bản chất chất tan mà phụ thuộc vào nồng độ của chúng

v Dd lỏng đạt đk lý tưởng là dd mà các cấu tử của nó có cấu trúc phân tử và những thuộc tính vật lý và hoá học giống nhau hoặc rất gần nhau:

Hỗn hợp các đồng phân quang học.

Dd các cấu tử chỉ khác nhau về thành phần đồng vị

Ví dụ - H2O + D2O

Dd những chất đồng đẳng cạnh nhau

Ví dụ - Benzen + toluen ; hexan +heptan

Dug d∋ch lý t&2ng

v Do c u t o và tính ch t hóa lý g n gi ng nhau

nên quá trình hình thành dung d ch lý t ng:

§ Không thu hay phát nhi t (∆H = 0)

§ Không t<ng hay gi6m th#tích (∆V = 0)

Dung d ch th c Khi hình thành dung

d ch th c có kèm theo quá trình thu hay phát nhi t, có thay i th tích.

EOS

Dung d ch khí

* Không khí

Dung d ch r n

* Thu tinh (Na2O, CaO tan trong SiO2)

* Vàng tan trong b−c

Dung d ch l ng

* Dung d∋ch n&,c ?&≅ng(?&≅ng(r) +H2O →dung

d∋ch)

* Dung d∋ch H2SO4(SO3(k) + H2O →dung d∋ch)

* R&8u Vodka (C2H5OH (l) + H2O →dung d∋ch)

4.3 ĐỘ HÒA TAN CỦA CÁC CHẤT

v Khi quá trình hòa tan ?− t ?&8 c tr − ng thái cân b Α ng

2 nh ∗ ng ? i 3 u ki n nào ? ó (nhi t ? , áp su C t….) thì

dung d ∋ ch thu ?&8 c s D ch E a l &8 ng t ; i ? a ch Χ t tan và

?&8 c g Fi là dung d ch bão hòa.

hòa (n / ng ?Β c H a dung d ∋ ch t &∃ ng Ε ng tr − ng thái bão

hòa) ?&8 c g Φi là dung d ch ch&a bão hòa và khi dung

d ∋ ch có n / ng ?Β cao h ∃ n n / ng ?Β dung d ∋ ch bão hòa thì

?&8 c g Φi là dung d ch quá bão hòa.

nh ∗ ng ? i 3 u ki n nh Χ t ?∋ nh ?&8 c g Φ i là tan cΗ a ch Χ t

?ó.

19

Ví d - ethanol CH3CH2OH tan t ; t trong n &, c

L c t ng tác = liên kI t hydro; l &
ng c ) c-l &ϑ ng c ) c;

khu Ι ch tán

T&∃ng tác hút gi∗a ch t tan và dung môi càng m nh thì quá trình hoà tan càng thu n l i

Cyclohexane chK có l ) c khu Ι ch tán không tan trong n &, c.

Glucose có liên kΙ t hydro nên tan r Χ t t ; t trong n &, c.

vVitamin A tan trong dung môi không cực (chất béo)

vVitamin C tan trong nước

4.3.1 ΜΒ hòa tan c Η a ch Χ t khí trong ch Χ t

l Γ ng

hòa tan c a ch t khí trong ch t l ng ph

thu c r t nhi u vào các y u t :

§ B6n chΧt dung môi và khí,

§ Áp suΧt khí trên m t chΧt lΓng,

§ Nhi t?Β,

§ N/ng?Βcác t−p chΧt

§ Và?Νc bi t là chΧt?i n ly

4.3.1.1 Ảnh hưởng của áp suất đến độ tan của

khí trong lỏng - Định luật Henry

v Định luật Henry: Nếu ở áp suất thấp và độ hòa

tan tương đối nhỏ thì độ hòa tan của khí trong lỏng tại nhiệt độ nào đó tỉ lệ với áp suất riêng phần của khí trên dung dịch.

T không đổi, áp suất riêng phần của khí tăng

• Ni: N / ng ?Β mol ph O n c Η a ch Χ t khí trong l Γ ng

•K: H s ; t = l hay h Α ng s ; Henry

• Pi: Áp su Χ t riêng ph O n c Η a ch Χ t khí cân b Α ng v , i l Γ ng.

Μ; i v , i dung d ∋ ch loãng n / ng ?Β bi # u di P n theo các cách ?3 u t = l b 7 c nh Χ t v , i nhau nên có th # bi # u di P n theo các cách khác nh & :

C = K ’ P

•C : N / ng ?Β kh ; i l &8 ng c Η a ch Χ t khí trong dung d ∋ ch bão hòa (mg/l)

• K ’ : H s ; t = l hay h Α ng s ; Henry

•P: Áp su Χ t c Η a ch Χ t khí, mmHg

tan c a khí trong l ng

Khi nhi t gi m thì hòa tan cΗa chΧt

khí t ng và ng&8c l−i khi nhi t t ng thì

hòa tan cΗa chúng gi m.

Hình 4.2 Độ hòa tan của chất khí phụ thuộc vào nhiệt độ

T tăng → độ tan chất khí giảm

Bảng 4.3 Độ hòa tan của các chất khí trong nước (mg/100ml)

Các chất khí

0 0 C 20 0 C

Các chất khí

0 0 C 20 0 C

CO 2

O 2

H 2

CH 4

171 4,9 2,15 5,5

37,8 3,1 1,84 3,3

Cl 2

HCl

NH 3

N 2

461

50700

130000 2,35

236

44200

71000 1,60

4.3.2 hòa tan c a ch t l ng trong ch t

l ng

th# x6y ra theo các tr&≅ng h8p sau:

4.3.2.1 Tr ng h p hai ch t l ng

hòa tan l n hoàn toàn

nh lu t Konovalop I phát bi#u nh& sau:

v Khi cân bΑng, thành ph n h∃i khác v,i

thành ph n lΓng cΗa dung d∋ch

v Khi cân bΑng, trong thành ph n h∃i s∆

giàu (nhi3u) cΧu t% d bay h∃i h∃n trong

thành ph n lΓng

4.3.2.2 Tr ng h p hai ch t l ng hoàn toàn không tan l n

Vì áp su t h i c a h l n h n áp su t h i c a

?Βsôi cΗa h không i cho t,i khi có mΒt cΧu t% nào?ó trong h bay h∃i hΙt hoàn toàn, thì nhi t?Β sôi cΗa h t<ng?Ιn nhi t?Βsôi cΗa cΧu t%còn l−i

32

4.3.2.3 Tr ng h p hai ch t l ng

hoà tan có gi i h n

nh lu t phân b : mΒt chΧt lΓng có kh6

n<ng tan trong hai dung môi không trΒn l n

nhau, thì?&8c phân b;vào chúng sao cho t=l

các n/ng ?Β cΗa chúng trong dung môi ?ó 2

nhi t?Βkhông i là mΒt hΑng s;

1

2

C

K

C =

Trong ó:

• C1, C2 : N / ng ?Β c Η a các ch Χ t hòa tan trong dung môi th Ε nh Χ t và th Ε hai

•K: H s ; phân b ;

4.3.3 Độ hòa tan của chất rắn trong chất lỏng

34

∆Hht < 0 T↑thì S↓

∆Hht>0 T↑thì S↑

Khoảng 95%

hợp chất ion có

độ tan tăng theo nhiệt độ.

4.3.3 hòa tan c a ch t r n trong ch t

l ng

hòa tan c a ch t r n trong ch t l ng nói

chung dao ng trong m t kho ng r ng.

4.4 TÍNH CH T C A DUNG D CH

v Tính ch t c a dung d ch th hi n qua:

Áp suΧt th m thΧu cΗa dung d∋ch,π

Áp suΧt h∃i bão hòa, P

Nhi t?Βsôi và nhi t?Β ?ông?Νc: Ts, T?

v Tính ch t c a dung d ch ph thu c vào:

B6n chΧt cΗa chΧt tan

N/ng?ΒchΧt tan:π, P, Ts, T?

4.4.1 Áp su t th m th u

các ph n t% dung môi vào dung d∋ch, khi gi∗a

chúng ng<n cách b i “màng bán thΧm” (màng ch

cho phΟn t dung môi?i qua còn phΟn t%chΧt tan

b gi∗ l−i) và s th m thΧu dΡ n s)san bΑng

n ng trong h nghiên cΕu

37 Màng bán th Χ m

38

Áp

Áp suất suất thẩm thẩm thấu thấuππ

Áp su t th m th u

S th m th u?&8c ?Νc tr&ng bΑng áp su t

th m th uπ

Theo Vant – Hoff: áp suΧt th m thΧu t= l

thu7n v,i n/ng?ΒchΧt tan và nhi t?Β tuy t?;i

cΗa dung d∋ch

π= C T R

Μ∋nh lu7t Van’t hoff chΚ ?úng cho dd lΓng

lý t&2ng và các dd th)c có n/ng ?ΒchΧt tan

rΧt nhΓ(dd loãng)

Áp su t h i bão hoà c a dd là h i cân b ng v i dung

d ch l ng.

Áp su t h i bão hoà c a dd b ng t ng áp su t h i bão hoà c a t t c các c u t có trong h P dd =∑P i

Áp su t h i bão hoà c a dd l ng, loãng ch a ch t tan không,i n ly, không bay h i chính là áp su t h i bão

hoà c a dung môi trong dung d ch.

4.4.2 Áp su t h i bão hòa

Áp su t h i bão hoà c a dung d ch l ng

Nhi t?Β t<ng, s; phân t% chΧt lΓng bay h∃i

càng nhi3u (trong bình kín) Song song v,i quá

mΒt lúc, t+c ,hai quá trình ó b−ng nhau, cân

bΑng lΓng - h∃i ?&8c thiΙt l7p H∃i 2 tr−ng thái

cân bΑng?ó gΦi là h#i bão hoà.

ÁP SUẤT HƠI BÃO HOÀ của dung dịch lỏng loãng phân tử chứa chất tan không

điện ly không bay hơi

p0– áp suất của dung môi nguyên chất

Bay hơi ∆ Hbh > 0

Ngưng tụ ∆ H nt < 0

N 1 = N dm =1

N1= Ndm<1 (dung dịch)

P 0

P 1

K= P 1 / N 1

K= P 0

1 0

N1= 1 – N2

p1= p0(1 – N2) = p0– p0N2 ( )

0 0 1 0 2

p

p p

p p

Định luật

RAOULT I

Áp su t h i bão hòa

nh lu t Raoult I: ΜΒ gi6m t&∃ng ?;i áp

suΧt h∃i bão hòa cΗa dung d∋ch bΑng ph n

mol chΧt tan trong dung d∋ch

§ P0: áp suΧt h∃i bão hòa cΗa dung môi trên

b3mΝt dung môi nguyên chΧt

§ P: áp suΧt h∃i bão hòa cΗa dung d∋ch

§ N2: ph n mol chΧt tan trong dung d∋ch

0

2 0

N P

-=

4.4.3 Nhi t sôi

v Nhi t sôi c a ch t l ng là nhi t?Β 2 ?ó áp

bên ngoài (nhi t?Βsôi cΗa n&,c bΑng 1000C

Εng v,i áp suΧt bên ngoài bΑng 1at)

v Nhi t ?Βsôi cΗa dung d ch cao h n nhi t?Β sôi cΗa dung môi nguyên ch t.

4.4.4 Nhi t ông c

v Nhi t ông c là nhi t ?Β 2 ?ó áp suΧt

h∃i bão hòa cΗa pha lΓng bΑng pha r9n

v Μ;i v,i dung d∋ch thì2 00C, dung d∋ch không

?ông?Νc vì2 cùng nhi t?Β, áp suΧt h∃i cΗa

dung d∋ch < áp suΧt h∃i cΗa dung môi

nguyên chΧt, nên 2 00C, áp suΧt h∃i cΗa

dung d∋ch còn nhΓh∃n cΗa n&,c?á Định luật Raoult II

m s s s

T

dm

=

ddphtu

=

∆

Khí

Tđcủa dd

T đ của dm Ts của dm

Tscủa dd

Lỏng Rắn

∆ Ts

∆ Tđ

Dung môi nguyên chất

Nhiệt độ sôi của dung dịch lỏng phân tử cao hơn

nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất

) dm ( T ) ddlpt (

) dm ( T ) ddlpt (

Tđ < đ

Nhiệt độ đông đặc của dung dịch lỏng phân tử thấp

hơn nhiệt độ đông đặc của dung môi nguyên chất

Tinh thể dung môi nguyên chất

Tđđ(H2O) >Tđđ(dd)

4.5 DUNG D CH I N LY

v D n?i n

v So v,i dung d∋ch phân t%thìπ, P, Ts, T?

cΗa dung d∋ch?i n ly có tr∋s;l,n h∃n

v ChΧt tan trong dung d∋ch ?i n ly gΦi là chΧt

?i n ly

v B6n chΧt cΗa chΧt ?i n ly và N/ng ?Β cΗa dung d∋ch

4.5.1 c i m

Sự khác biệt của dd

điện ly so với dd

lỏng phân tử

Dung dịch điện

ly không tuân theo

định luật Raoult,

định luật Van’t Hoff

Dung dịch điện

ly dẫn điện

Áp suΧt h∃i bão hoà cΗa dung môi nguyên chΧt

l,n h∃n áp suΧt h∃i bão hoà cΗa dm trong dd là do các phân t%dm t)do trên b3mΝt chΧt lΓng nhi3u

h∃n

S;ti#u phân chΧt tan không bay h∃i càng t<ng s∆

làm gi6m s;phân t%dung môi t)do trên b3mΝt

nên áp suΧt h∃i bão hoà cΗa dung d∋ch càng gi6m

nhi3u

Nguyên ch # t N 2 =0 , N 1 =1 P 0

0 ) pt ( 1 o 0 2 p p p p p

=

∆

=

0 ) dly ( 1 0 0 2

p p p p ' p

=

∆

=

Dd lỏng phân tử, N2→số tp chất tan =N2

Dd điện ly , N 2 →i.N 2

Cm→i.cm

m s

s ik C '

∆

m đ

đ i k C '

T =

∆

CM(mol/l) → i.cM

RT C

' = M π

Trong cùng điều kiện P o > P 1(ptử) > P 1(đly)

Ts(dm ngchất) < Ts(dd ptử) < Ts(dd đly)

Tđ(dm ngchất) >Tđ(dd phtử) > Tđ(dd đly)

π (dd phtử ) < π (dd đly)

4.5.2 Quá trình i n ly

v Là quá trình phân ly ch t tan thành nh ng ion

trong dung d∋ch, có th# là quá trình thu n

v S) ?i n ly cΗa chΧt ?i n ly ?−t tr−ng thái cân

bΑng gi∗a phân t ch t tan và ion do nó phân ly,

c c tr&ng b ng i n lyα

0

N

N

= α

0 α 1

•Khi không phân ly: α= 0

•Khi phân ly không hoàn toàn: 0 < α< 1

•Khi phân ly hoàn toàn α= 1

i n ly tính bΑng ph n ?∃n v∋ hay ph n tr<m

•ChΧt ?i n ly yΙu: α < 3%

•ChΧt ?i n ly m−nh: α> 30%

•ChΧt ?i n ly trung bình: 3% < α< 30%

4.6 SỰ ĐIỆN LY CỦA NƯỚC

– CHỈ SỐ HYDRO

Xem tài liệu.

4.6.1 Sự điện ly của nước

Quá trình hoà tan NaCl trong nước

Các phân tử nước có cực sẽ hút các ion Na + và Cl - trong mạng tinh thể muối,làm yếu lực hút giữa các ion

Khi lực hút giữa các ion yếu đi, các ion sẽ tách ra vàbị bao quanh các lưỡng cực nước

Các ion bị hydrat sẽ khuếch tán từ từ

ra khỏi tinh thể và tan trong dung dịch.

14.3

Sự ion hóa và tích số ion của nước

Độ dẫn điện của H2O = 5,54.10-18Ω-1.cm-1

H2O + H2O D H3O++ OH

-14 3

pH=-lg[H+] pOH=-lg[OH-] pK=-lgK

Chỉ Chỉ số số pH pH và và môi môi trường trường dd dd

Trong nước nguyên chất và môi trường trung tính

[H + ] = [OH - ] = 10 -7 pH = 7

Trong dung dịch axit có môi trường axit

[H + ] > [OH - ] pH < 7

Trong dung dịch baz có môi trường baz

[H + ] < [OH - ] pH > 7

4.6.2 Cách xác định pH

Bảng 4.9 Các chất chỉ thị quan trọng thường gặp

Chất chỉ thị MÀU SẮC CỦA CHẤT CHỈ THỊ TRONG MÔI

TRƯỜNG KHÁC NHAU

Axit Trung tính Kiềm Metyl da cam

Metyl đỏ Phenolphtalein Qùy

Đỏ (p H < 3.1)

Đỏ (p H < 4.2) Không màu (p H < 8)

Đỏ (p H < 5)

Da cam (3.1<pH <4.4)

Da cam (4.2<pH <6.3)

Đỏ nhạt (3.1 <pH <4.4)

Tím (5 <pH <8)

Vàng (pH > 4.4) Vàng (pH > 6.3)

Đỏ thẩm (pH > 9.8) Xanh (pH > 8)

Các phương pháp đo pH cho các dd nước

(a) Giấy đo pH (định tính) (b) Máy đo pH(định lượng)

Axit mạnh và base mạnh

HCl CH3CO2H

Thymol Blue chỉ thị pH=1.2 pH = 2.8

Đo pH của giấm Đo pH của dd NH 3

4.7 HỆ VI DỊ THỂ

v Hệ vi dị thể bao gồm: huyền phù, nhũ tương, bọt

Có kích thước hạt δ> 10-4mm

64

4.7.1 H huy n phù

Huy n phù là chΧt l∃l%ng thuΒc h vi d∋th#trong

?ó:

v Pha phân tán là chΧt r9n

v Môi tr&≅ng phân tán – chΧt lΓng

v Huy3n phù không b3n – các h−t d dàng l9ng

d&,i tác d ng trΦng l)c

v H& #n phân tán.

v H& a phân tán

4.7.1.1 Với hệ đơn phân tán

Hình 4.10 Đường cong lắng trong hệ phân tán

66

0

Hiệu quả lắng,

%

Thời gian (t) 100

Hiệu quả lắng,

%

0 Thời gian (t)

Hệ đơn phân tán là hệ có các hạt có kích thước tương đối như nhau

4.7.1.2 V i h a phân tán

v,i th i gian.

?Βng cΗa các h−t huy3n phù trong h c4ng xΧp

xΚbΑng th i n ngξcΗa h−t keo?i#n hình

v Gi;ng nh& h keo, huy3n phù có th# chΙ t−o

bΑng nh∗ng ph ng pháp phân tán và ng ng t

v B nh h ng c a ch t i n ly.

H ? a phân tán là h có các h − t có nhi 3 u kích th &, c khác

nhau

4.7.2 H nh t ng

v Nh t ng là h vi d∋th#, trong?ó pha phân tán và môi tr&≅ng phân tán?3u là chΧt lΓng

Hai chΧt lΓng này không hòa trΒn l n nhau,

chΧt lΓng này phân tán vào chΧt lΓng kia

d&,i d−ng giΦt nhΓ

v Có 2 lo−i nh4t&∃ng:

§ D u trong n&,c D/N

§ N&,c trong d u N/D

4.7.3 Bọt

4.7.3.1 Tính b n t p h p c a b t

Tính b n cΗa bΦt ph thuΒc vào:

N/ng ?Β chΧt t−o bΦt;

Nhi t ?Β;

ΜΒ nh,t cΗa dung d∋ch;

ChΧt ?i n ly;

pH

4.7.3.1 Tính b n t p h p c a b t

v N ng chΧt t−o bΦt càng l n thì th i gian

t n t i cΗa bΦt càng lâu.

Khi nhi t ?Β t<ng làm bΦt ít b3n h∃n – vì làm

t<ng v7n t;c chuy#n ?Βng và do s) gi6m ?Β

nh,t cΗa môi tr&≅ng

v Khi thêm ch t i n ly – tính b n cΗa bΦt

gi m nh&ng không mΧt hoàn toàn tính b3n

4.7.3.2 Ph ng pháp ch t o và phá v b t

v ChΙt−o bΑng 2 cách:

Cho các bóng không khí ?i qua dung d∋ch

chΧt t−o bΦt;

KhuΧy c∃ hΦc dung d∋ch chΧt t−o bΦt v,i không khí

v Phá vϑbΦt hoΝc ng<n c6n s)t−o thành bΦt:

Cho vào chΧt ch;ng t−o bΦt (là nh∗ng ch t

có tính ho−t?Βng b3 mΝt cao; r&8u Amylic, Octylic, Este, );

Nâng nhi t?ΒcΗa bΦt

Thêm chΧt?i n ly