86- Giaotrinh Hoakeo

eohóa k

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI

vor

“TRUONG DAI HOC XAY DUNG HÀ NỘI

NGUYEN SINH HOA

GIAO TRINH

NHA XUAT BAN XAY DUNG

HÀ NỘI - 1998

ve

LOI NOL DAU

Giáo trình Hóa keo được biên soạn lại nhằm đáp ng yêu

cầu do quy trình đào tạo mới đặt ra theo chủ trương đổi mới

giáo dục đại học Giáo trình này phục vụ cho việc đào lạo Ỏ

giai đoạn 2 của Trường đại học xây dựng Hà Nội và là giáo

trình chính cho chuyên ngành Vật liệu xây dụng của trường Cuốn sách gồm 8 chuong và phần bài tập kèm theo lương

lung vối 2 đơn vị học trình của môn Hóa keo được giảng dạy

trong trường

Giáo trình này da được Giáo sư Tiến sĩ Nguyễn Minh

Tuyển đọc duyệt

Sinh viên các ngành Cầu đường, Môi trường và các

khác có quan tâm có thể dùng giáo trình này làm tà tham khảo trong học tập và nghiên cứu khoa học

val

Chuong I

PHAN MO DAU

1 KHAI NIEM VE HOA KEO

Hóa keo lúc đầu chỉ là một phân của Hóa lí, ngày nay

nó đã trở thành một khoa học độc lập với những phươ:g

pháp nghiên cứu hoàn toàn đặc trưng như siêu hiển vì, hiển

vi điện tử, siêu h tâm, điện chuyển Thực tế đã chỉ ra ý nghãa to lớn của Hóa keo đối với kĩ thuật hiện đại

Trong những năm 40 của thế kỉ 19, nhà bác học Ý

Franeeseo Selmi đã chú ý tới những tính chất bất thường

của maột số dung dịch mà theo những quan điểm hiện đại

sau này là những hệ keo điển hình Những dung dịch này

phân tán mạnh ánh sáng, dễ bị sa lắng, sự tan và kết tủa

trong các đung dịch này không đi kèm với hiệu ứng nhiệt

và sự tăng giảm thể tích như trong quá trình hòa tan chất tinh thể Selmi gọi những dung dịch này là những dung dịch

giả mà sau đó có tên là Sol

Nhà hoa hoe Anh Thomas Graham trong nửa sau của

thé ki 19 đã nghiên cứu tỉ mỉ những tính chất của dung địch

mà Selmi đã quan tâm Ông gọi những dung dịch này, những

chất tạo ra những dung dịch này là chất keo, ông nghĩ rằng ¬

keo, gọi theo tiếng Hy Lạp là "colla", là một điển hình

Những đặc điểm của dung địch keo đã được biết từ thập

kỉ 60 của thế ki 19 là :

1 Tất cả các dung dịch keo đều có khả năng phân tán

ánh sáng, điểu này chứng tổ dung dịch keo là hệ không

5”

| Su khuéch tan yéu : a

3 Ap sudt thém thấp quê nh, ham chí khó nhận ra

Hai tính chất này chứng td dung’ dich keo có chứa những

phần tử chất tan có kích thước khá lớn so với kích thước của phân tử

4 Các dung dịch keo “cả kưâi tững that’ hi fighia 1A co thé die lam:-sachikhdicnhtmg tap-chét.ca phan, ta sluong

tha: hờ tiệt màng bản thấm;zT'ay:nhiên:cũng cân biết rằng moe số § tạp, ‘chit lại: A chất 6 định: cho: > dime 4 dịchg "ke:

ae tnh thể), ee ‘bien « quan, điể

LBorshchov da chi ra kha nang cau, 1

ane tử tôn tại tong dung dich ke

6

clorua ‘natri “tan ‘trong nước the ‘dung’ ‘dich that, tan trong benzen lai cho dung bine keo, Cho Tiên, đúng ra la không

h ge các c hệ Keo” ran không e có › đây đủ các c tính

chất điển em của dung dich keo TAt cả các hệ keo rắn

bên vững trong những điệu kiện thường: bởi: vì độ nhớt, cao

da lấp “aah, chính vì vậy ma người tá, gọi 1a da quy

“Tử những, điều đã nói ở trên, ta có thể định nghĩa Hóa

keo: nhự một khoa học như sâu : “Hóa: keo là khoa học + về

tính ‘chai của các hệ đị thể só độ phần tán cao và những

quá trình diễn ra trong các .hệ đó" ˆ

- Thực chất, Hóa keo được Xây đựng trên ‹ cơ số hai, lĩnh

vực là Vat Ii va Hoa hoc với sự trội "hơn của lĩnh vực thứ

| j

nhất, nó được gọi là Hóa keo mà không là Hóa lí các hệ dị

thể có độ phân tán cao chỉ vì theo truyền thống chứ không phải theo bản chất

Có một loại chất vô cùng quan trọng với những phân tử

rất lớn gọi là những hợp chất cao phân tử - pôlime như

prôtft, xenlulô, cao su và một loạt các chất tổng hợp khác

dưng dịch các chất cao phân tử với các dung dịch keo Dung

dịch các chất cao phân tử là những dưng dịch thật với những

phân tử cực lớn Trong những dung dịch với các dung môi

xấu, các phân tử cuộn lại thành búi với bề mặt rõ Tàng mà

trên đó có thể xảy ra sự hấp phụ Như vậy, giữa những hệ

keo cổ điển và những dung dịch pôlime không có ranh giới

Tõ rệt

Các hệ keo rất phổ biến trong tự nhiên và có ý nghĩa vô

cùng to lớn trong kĩ thuật hiện đại, Những hiểu biết về các

hệ keo có tầm quan trọng trong những nghiên cứu về thiên văn, khí tượng, địa chất Sự hình thành châu thổ, sự lắng

đọng phù sa là những quá trình keo Trong thổ nhưỡng học,

người ta có thể áp dụng những hiểu biết về Hóa keo để làm

tăng độ tơi xốp, độ giữ ẩm, độ thấm, độ hấp thụ của đất,

Kĩ nghệ gốm có quan hệ mật thiết với Hóa keo bởi vì nguyên

liệu chính của nó là đất sét - một huyền phù đặc của silcat nhôm hyđrat hóa Những quy luật của Hóa keo rất quan trọng trong việc tạo ra những vật liệu xây dựng mới trên cơ

- 8ở những nguyên liệu khoáng Những nghiên cứu cơ bản của

8

aq

P A Rehbinder và các cộng sự của ông trong lĩnh vực các

chất kết dính đã dẫn tới sự ra đời những vật liệu công trình

có tính bên rất cao và những tính chất quý báu khác

Hóa keo còn quan hệ mật thiết với nhiều ngành công

nghiệp như khai thác và chế biến dầu mô, gia công vật liệu,

chế tạo chất màu, sản xuất được phẩm và các ngành khoa

học khác như hóa sinh, y học

2, DO PHAN TAN PHAN LOAI CAC HE PHAN TAN

2a DG phan tan

Độ phân tán biểu thị mức độ chia nhỏ của chất phân

tán trong môi trường phân tán

Độ phân tán có thể được biểu thị qua kích thước a của

hạt phân tán (m, cm, À°) hoặc bởi số hạt phân tán xếp khít

trên một đơn vị chiều đài :

a

Các hệ phân tán dị thể có bề mặt phân chia pha khá lớn nên người ta thường biểu diễn độ phân tán bằng đại lượng

bé mặt riêng được tính bằng tổng diện tích bề mặt dác hạt

phân tán ứng với một đơn vị thể tích chất phân tán

Đối với hạt hình lập phương cạnh Ì, bề mặt riêng $, được

nh với hệ mà trong đó kích thước các hạt khác nhau

(hệ đạ phân tán), độ phân tán của hệ là giá trị trung bình

Rã ràng là độ phân tán càng lớn khi kích thước hạt phân tán căng nhỏ,

2b Phân loại các hệ phân tán

Phân loại theo kích thước hạt phân tán

Hệ phân tán với các hạt phân tán có kích thước đồng

phân tán có kích thước khác nhau gọi là hệ đa phân tán

Theo cách phân loại này, khi các hạt phân tán là phân

tử hoặc ion với kích thước bậc 10 8em (1A°) thi hệ là dung

dịch thật,

-

kích thước nằm trong khoảng từ 10'”em đến 10-°em,

Cáo hệ phân tán với kích thước hạt trong khoảng từ

10°em đến 103em là các hệ phân tán mịn Còn khi các hạt

phân tân có kích thước lớn hon 10°3em thi hé la hé phan tán thô

phân loại hệ phân tán được mô tả trên hình vẽ L1,

Phân sai theo trạng thái tập hợp của ckất phân tán và

môi trường phân tân

Các hệ phân tán với môi trường là khí (sol khí) phụ thuộc

10

a

Srl ¡

Dung dịch thật

Hình L1 : Phân loại hệ theo kích thuốc hạt phân tán

hợp khí Hệ này là đồng thể, không tổn tại trạng thái keo Khi hệ là chất lỗng phân tán trong chất khí ta có sương,

mây Khi hệ là chất rắn phân tán trong chất khí ta có

khói, bụi

Hệ phân tán với môi trường là chất lỗng (sol lỏng) sẽ được nghiên cứu chỉ tiết trong giáo trình này Hệ khí {rong

lỏng chúng ta thường gặp là bọt Cũng như nhũ tương là hệ

phân tán lông trong lông, bọt cược hình thành khi có, chất hoạt động bề mặt trong hệ Hệ phân tán rần trong lỏng có thể là dung dịch keo tạo bởi một chất ít tan trong một dung

môi nào đó hoặc là huyền phù khi kích thước các hạt phân

8ol rắn với môi :“ười phân tán rắn có thể là bọt rắn,

vật xốp (khí trong rắn); nhũ tương rắn (lông trong rắn) |hoạc

ta hợp kim (rắn tro: rắn) ,

11

ole loại theo tưởng tắc giữa chất phân tân và môi trường

khỏi dung môi nếu cho tiếp xúc lại với dung môi thì nó có

khả năng phân tán lại Chính vì thế mà người ta còn gọi

keo này là keo thuận nghịch Những ví dụ điển hình là keo

giêlatin, tỉnh bột, gôm arabic

Keo ghét lưu như keo sulfua asen, iôđua bạc là những

keo bất thuận nghịch Do tương tác yếu, chất phân tán sau khi bị kết tủa không có khả năng phân tán lại

O vi trí trung gian giữa keo ưa lưu và keo ghét lưu là

keo lưỡng tính như keo hydrôxyt kim loại

THeo tương tác giữa các hạt phân tán ta có thé phân loại

các hệ phân tán thành hai loại : hệ phân tán tự do và hệ

phân tán liên kết Các keo loãng, huyền phù, nhũ tương

loãng có các hạt chuyển động độc lập do tương tác yếu là

những hệ phân tán tự do Trong những điều kiện nhất định,

các hạt phân tán có thể liên kết với nhau tạo thành mạng không gian, các hat chi dao động quanh vị trí cân bằng Đó

là những hệ phân tán liên kết như huyền phù đặc, nhũ tương

đặc, gel (thạch)

3 ĐIỀU CHẾ VÀ TINH CHẾ DUNG DỊCH KEO

3a Điều chế dung địch keo

Phương pháp thứ nhất là phương pháp phân tán Người

ta có thể nghiên, xay chất rắn cho nhỏ ra, hoặc dùng siêu

12

am phá vỡ mạng lưới tỉnh thể rồi sau đó cho chất phân tán tiếp xúc với môi trường để tạo ra dung dịch keo Để tăng

độ bến của dung dịch keo người ta có thể đưa vào hệ một

chất thứ ba (gọi là chất làm bên) Đó là muối hoặc chất

hoạt động bể mặt, có khả năng hấp phụ lên bễ mặt các hạt

phân tán, ngăn cần không cho các hạt phân tán kế” 4nh lại

Phương pháp thứ hai là phương pháp ngưng tụ từ dung

dịch thật Điều kiện là dung địch phải đạt mức đệ quá bão hòa Dung dịch keo được tạo thành có thể là hệ đơn phân

tán hoặc hệ đa phân tán Điều này phụ thuôc vào tương

quan giữa vận tốc phát sinh mầm tỉnh thể vị và vận tốc phat

triển mầm tinh thể v; Vận tốc vị phụ thuộc vào mức độ

quá bão hòa, vận tốc v„ ngoài sự phụ thuộc vào mức độ quá

bão hòa còn phụ thuộc vào sự khuếch tán của các ion và

phân tử chất kết tủa, bề mặt tinh thể được hình thành Nếu

vị >> v„ hệ được hình thành gồm các hạt nhỏ: kích thước

khá đông đều là hệ đơn phân tán Trường hợp ngược lại v,

<< v, thì hệ là đa phân tán gồm các hạt lớn kích thước

khác nhau

Xét một số phương pháp ngưng tụ cụ thể Ta có thể tạo

sự quá bão hòa bằng cách làm bay hơi bớt dung môi Cũng

có thể tạo dung dịch keo từ dung dịch thật (lưu huỳnh trong

rượu) bởi sự thay thế dung môi (thay rượu bằng nước): Dun

dịch keo có thể được tạo thành do kết quả của cád phản

ứng hóa học (phản ứng ôxy hóa- khử, phần ứng đổi) tạo ra chất ít tan, không tan Keo lưu huỳnh trong nước

được tạo thănh do phản ứng, giữa dung dịch sulfual hyđrô

và ôxy không khí :

2H85 +O; > 29 +2H,0

18

Keb iédua aac được tạo bởi dung dịch nitrat bạc và iôđua

kali khi một trong 2 chất dư

AgNO, +KI > Agi +KNO,

Nếu lượng hai chất tương đương thì dụng dịch keo có thể

Ngoài ra, còn có một hiện tượng gọi là pepti.héa cing

được áp dụng để điều chế dung dịch keo

môi trường

3b Tỉnh chế dung địch keo

Thực chất của việc tỉnh chế là tách các tạp chất ra khỏi

dung dịch keo Phương pháp được dùng ở đây là phương

pháp thẩm tích dùng màng bán thấm chỉ cho các phân tử

va ion di qua Màng bán thấm có thể là bong bóng lợn hoặc

colođion được điều chế từ nitrat xenlulô, Vì tap chat thuting

là các chất điện li nên để tăng hiệu quả của việc tnh chế

người ta dùng điện trường để tăng vân tốc chuyển uỏ"z của

14

các ion Đó là phương pháp điện thẩm tích, được mô tả trên

` Chưởng H

TÍNH CHẤT QUANG HỌC CỦA CÁC HỆ KEO

Khi chiếu sáng ánh sáng vào hệ phân tán thì có thể xây

ra các hiện tượng quang học khác nhau tùy thuộc vào kích

thước của các hạt phân tán

Ahh sang di qua hé dae trưng cho các dung dịch thật trong suốt Đối với các hệ phân tán mịn và thô ta thấy màu

đục do ánh sáng bị phần xạ và khúc xạ Đối với các hệ keo đặc trưng nhất là sự phân tán và sự hấp thụ ánh sáng

1 SU PHAN TAN ANH SANG CTA DUNG DICH KEO

la Hiéu tng Tyndall

Khi chiéu chim 4nh

sáng qua dung dịch keo ta

thấy xuất hiện một hình

nón phát sáng khi nhìn từ

phương khác với phương

tới Hiệu ứng này được

Như ta thấy 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 từ 4000A° đến 7000A° ( 4.10 ”em đến

16

7.10-5cm) Hé phan tan véi kích thước hạt lớn hơn bước song phan xạ ánh sáng làm cho hệ có màu đục Hệ keo với

các hạt có kích thước nhỏ hơn bước sóng có khả năng phân

tán ánh sáng Do có sự nhiễu xạ ánh sáng bởi các hạt,zmỗi

hạt trở thành một điểm: phát sáng về mọi hướng Đối với

những hệ keo có kích thước hạt phân tán nhỏ hơn nhiều so

với bước sóng ánh sáng thì cường độ ánh sáng theo phương

tới lớn nhất và theo phương vuông góc với phương tới là

nhỏ nhất

Một tính chất đặc biệt của ánh sáng bị phân tán bởi hệ

keo là nó bị phân cực Theo phương tới ánh sáng hầu như

không bị phân cực, trong khỉ đó, theo phương vuông góc

với phương tới, ánh sáng hầu như bị phân cực hoàn toàn

Điều này có thể thấy được rõ hơn khi xây dựng giản đồ Mie

(cường độ ánh sáng không phân cực và bị phân cực được

biểu điên bằng các véc tơ đặt lên tiếp trên một phương nào

đó kế từ tâm của hạt phân tán) - xem hình vẽ 2.2

“oe Paéng de Bạt của hệ ' ooh sẽ

ie v thể ứch của hạt" PRE PGT Gehl vero

: hạ = 0, coi như khổng CÓ: Sự phan tan: Vi

dụ : keo glyxêrin trong CCl, có xà phòng làm bên Cée keo

sulfua kim loại có chiết suất khác nhau nhiều nên sự phân

tán ánh sáng mạnh vì l1; tỉ lệ thuận với HỆ — nề '*

thi sự phân tán ánh sáng chỉ tỉ lệ thuận với thể tích hạt v

ung ich, that

_ Nghiêh'Ðdu Về ssự'phụ thuộc cường , độ -ánh sáng đị qua

một môi trường nào đó, Lambert 4& thiét lập được” định

Bigu thức (2.8) là biểu thức

của định luật Larnbert - Beer Tịe tới

Biển đổi biểu thức (2.8) tạ "1e tối

có thể thu được biểu thức sau :

đ: bề dày bản mat song song

chua dung dich keo

Định luật Lambert - Beer được áp dụng cho dung dịch

thật và dung địch keo với bề dày d và nông độ C nhỏ,

E phụ thuộc vào bản chất hệ phân tán, nhiệt độ, bước

Sóng của ánh sáng

Tuy nhién, do su hấp thụ ánh sáng xảy ra đồng thời với

sự phân tấn ánh sáng nên cường độ ánh sáng ló phụ thuộc

vào sự nấtp thu i ;ả bởi định luật Lambert - Beer với sự

hat f(r) :

20

I, = I,exp {-[K +f()]Cd} (2.5)

2b Màu sắc của dung dịch keo

Màu sắc của hệ keo phụ thuộc vào sự hấp thụ, sự phân tán ánh sáng và điểu kiện quan sát Nghĩa là nàu sắc phụ thuộc xào rất nhiều yếu tố : bản chất của chất phân tán và

môi trường phân tán ; nồng độ, hình dạng hạt ; bước sóng

ánh sáng ; góc nhìn Ánh sáng trắng là tập hợp của nhiều ánh sáng đơn sắc với bước sóng khác nhau Do sự phân tán

và hấp thụ ánh sáng của hệ keo mà ánh sáng tới mắt chúng

ta sẽ có sự trội hơn của ánh sáng với một bước sóng xác định nào đó, nghĩa là hệ keo có màu sắc Ví dụ : hông ngọc

có màu đỏ, bích ngọc có màu xanh Dung dich keo sulfua asen As)S, vdi bé day lem cho mau vang tham chí với nồng

d6 rét nhé tuong img véi 1 phén As,S, trong 8.101 phần

nước còn dung dịch keo vàng cho màu dé véi néng dé nhd

hon :.1 phan Au trong 1.108 phần nước

3 CAC PHUONG PHAP QUANG HOC NGHI En

CỨU HỆ KEO

Bằng phương pháp hiển vi thường, người ta chỉ phận biệt được một khoảng cách tối thiểu giữa hai điểm vào Khoang

một nửa bước sóng của bức xạ sử dụng là ánh sáng nhìn

thấy tức là khoảng 2000A° trở lên Do đó ta không thể.quan sát được hạt keo (kích thước từ 10A° đến 1000A9)

Nếu dùng tia Rơnghen hoặc phương pháp hiển vi điện

tử với bước sóng ngắn từ 1000 đến vài A° thì ta bó thể

nghiên cứu được cấu trúc của hạt keo ngoài việc nhìn thấy nó

Dựa vào tính chất quang học của hệ keo đặc biệt là sự

phấn tán ánh sáng người ta đã thiết lập được các phương

pháp [nghiên cứu hệ keo là phương pháp siêu hiển'vi và

phương pháp đo độ đục,

3a: Phương pháp siêu hiển vi

Phương pháp hiển vi thường là quan sát vật thể bằng

cách khu vào thị kính ánh sáng tới sau khi bị hấp thụ và phân gạ một phần bởi vật thể quan sat Trong thị trường ta thấy hiện lên vật thể tối trên nên sáng

Trong phương pháp siêu hiển vi, người ta chiếu ánh sáng vào vật thể (hạt keo) và thu vào thị kính ánh sáng phân tán

theo phương vuông góc với phương tới Như vậy ta thấy vật

những hạt kim loại với kích

thước khoảng vài chục A° và Hình 2.4: Phương pháp siêu

những hạt phi kim loại với hiển vị

kích thước từ 2000A° trở lên

Tuy nhiên phương pháp siêu hiển vì cũng đòi hỏi phải

thỏa mãn một số điều kiện :

Hệ keo phải đủ loáng để khoảng cách giữa các hạt keo

lớn hơn khả năng phân tán của kính

Hạt keo có độ lớn vừa phải để quan sát được rõ

22

Chiết suất của chất phân tán và môi trường phân tán

phải khác nhau nhiều để cường độ ánh sáng phân tán đủ lớn

Bằng phương pháp siêu hiển vì ta có thể xác định được

gián tiếp kích thước hat phân tán Vấn để là phải đếm được

số hạt trong một thể tích đã cho nào đó rồi cũng các thông

sể như nồng độ khối lượng của dung dịch và khối lượng

riêng của chất phân tán mà xác định kích thước hạt (coi hại

là hình cầu hoặc khối lập phương, hệ là hệ đơn phân tán)

Việc đếm hạt thường không dễ dàng, đòi hỏi phải kiên

trì Người ta có thể áp dụng kính siêu hiển vi dòng (có thể

đếm hạt trong dòng chảy) hoặc dùng phương pháp điện để đếm hạt tự động

3b Phương pháp đo độ đục

Phương pháp đo độ đục dựa trên sự phân tán ánh sáng

của các hệ keo Xác định cường độ ánh sáng bị phân tán bởi hệ keo rồi qua đó xác định kích thước hạt, nông độ của

hệ Bằng phương pháp này ta cũng có thể nghiên cứu được

hiện tượng keo tụ của dung dịch keo

Từ phương trình Rayleigh ta có thể viết cho một hệ phân

tán xác định :

I, = kiV2l, = kwv.vl = kOvl, (2.8

Trong đó :

C = ww: nông độ thể tích của pha phân tán

Việc xác định giá trị tuyệt đối cường độ ánh sáng tới I,

va 4nh sang phan tan I, doi héi thiết bị phức tạp và ánh sáng đơn sắc Do đó người ta thường sử dụng phương pháp

tương đối Theo phương pháp này, người ta so sánh sự phản

_tén ánh sáng của dung dịch keo nghiên cứu với sự phân tán ánh sáng của dung dịch chuẩn với kích thước hạt đã biết

23

Điều kiện phải thôa mãn là hai dung dich phai có cùng nồng

dịch hghiên cứu và dung dịch chuẩn bằng tỉ số thể tích của

hạt :'

pl

pt

Ngoài cách so sánh bằng mắt thường người tạ còn sử

dụng rộng rãi các may do dé duc bang quang dién dua

trên œđ sở cường độ ánh sáng tỉ lệ thuận với các dòng quang điện ¡

thước và hình đạng hạt keo dựa trên sự phân tán ánh sáng

chỉ được áp dụng chủ yếu cho các sol không màu (sol màu

trắng) Đối với các sol có màu, đặc biệt là sol kim loại, không thể áp dụng các phương pháp này mà không có những

24

Chuong IH

TINH CHAT DONG HOC - PHAN TU CUA HE KEO

1 CHUYEN DONG BROWN

Chuyến động nhiệt của các hạt trong hệ keo cũng như các hệ vi dị thế gọi là chuyển động Brown Chuyển động

này diễn ra không ngừng, không phụ thuộc vào các nguồn

năng lượng bên ngoài và càng mạnh khi nhiệt độ càng cao Chuyển động Brown được phát hiện ra vào năm 1827 nhưng

chưa có sự giải thích xác đáng Mãi tới năm 1888 - 1900,

Gouy va Exner mới đưa ra được lời giải đáp dựa trên giả

thuyết rằng chuyển động Brown là hậu quả của chuyển động

nhiệt Các phân tử của môi trường trong chuyển động nhiệt

va chạm với các hạt keo một cách bỗn độn làm cho các hạt keo chuyển động Nếu như kích thước của hạt đủ nhỏ thì

số va chạm không đồng đều từ các phía khác nhau và hạt luôn luôn nhận được những xung lực làm cho nó chuyển động về các hướng khác nhau theo quỹ đạo phức tạp Khi

kích thước hạt và khối lượng hạt tăng, xác suất triệt tiêu các

va chạm tăng, cùng với sự tăng quán tính làm cho các hạt

với kích thước 5m chỉ dao động quanh vị trí cân bằng và

các hạt với kích thước lớn hơn ðwm thì không còn có chuyển

động Brown nữa Các hạt keo nhận được một số lượng cực

lớn các va chạm từ phía môi trường nên nó thay đổi hướng

và vận tốc chuyển động một cách liên tục tới 1029 lần trong

1 giây Vì vậy, ta không thể xác định được đường đị thật

của hạt keo nhưng lại dễ dàng xác định được khoảng ách

m¿ hạt dịch chuyển trong một đơn vị thời gian Dưới kính

25

|

|

hiển W hoặc siêu hiển vi ta có thể đánh dấu được vị trí của

hạt sau những khoảng thời gian bằng nhau Sự chuyển động của hạt từ vị trí này sang vị trí khác có thể biểu thị bằng

các đoạn thẳng là hình chiếu của quỹ đạo ziczắc của hạt

trên mặt phẳng Trên thực tế chúng ta quan tâm đến sự

chuyển dịch của hạt theo một hướng xác định nào đó, cho nên tong các tính toán chúng ta không lấy đại lượng độ chuyến dịch A mà lấy đại lượng Ä là độ chuyển dịch trung

bình của hạt trên một phương x xác định nào đó, Tuy nhién

xác suất dịch chuyển của hạt theo các hướng khác nhau là

như nhau nên độ

khoảng thời gian nhự

A, A,, A, hinh chiéu d6 chuyển dịch theo phương x ;

n : số hình chiếu dùng cho tính toán

26

2 SU KHUECH TAN

Khuéch tan la qué trinh ty dién biến trong hệ dudi tac

dụng của chuyển động nhiệt để san bằng nồng độ của các

phân tử, ion hoặc các bạt keo Sự khuếch tán là bất thuận

nghịch, nó diễn ra cho tới khi nông độ được san bằng hoàn

toàn tức là khi mà Entrôpy của hệ đạt cực đại

Có thể cho rằng áp suất thẩm thấu là ngu ên nhân gây

ra sự khuếch tán, điều này rất tiện cho viê - thiết lập các

biểu thức định lượng về khuếch tán Ð ˆ.: này hoan toàn chấp nhận được vì sự thẩm thấu - úng là kết quả của chuyển

động nhiệt

Khi có sự chênh lệch n¿ „ø đô „heo một phương x nào

đó, ta nói tồn tại một gr: ien ông độ theo phương này

Sau đây ta xét hai trường hp : khuếch tán ổn định với gradien nông độ khôn: : và khuếch tán không ổn định

với građien nồng độ ' - „ đổi

Năm 1855, Fick ã tìm ra định luật thứ nhất về khuếch

xe, grad’ we ner: 49 theo phương x i

Hệ s6 xnuéch AnD phy thuge vao tín tất của

ếch tán và :2ê' trường

Dấu trừ đưa vào để triệt tiêu đấu âm của građien nông

độ Thực sự là khuếch tán xảy ra theo chiều giảm của

Gọi mật độ dong khuéch tan i là lượng chất khuếch tán

qua một đơn vị diện tích sau một đơn vị thời gian ta có :

Bây giờ chúng ta hãy thiết lập

biểu thức toán học của định luật

Fickl (3.3).Xét một ống với điện

tích tiết điện S, chứa dung dịch có

nông độ giảm đều từ trái qua phải

Lấy một lớp của ống với bề dày

dx được giới hạn bởi hai bản mặt

Sug sung Š, và 5, Trên hình vẽ

C, và C, là nông độ ; z, và x, 14

áp seat thẩm thấu ở x, va x, Ro

ràng là C, > C, va a, > a Su

khuếch tán gây ra bởi chuyển

động nhiệt nên các hạt chuyển

theo sac hướng khác nhau Tuy nhiên về tổng thể khuếch

tán có thể xem như là một dòng có hướng với vận tốc hiệu

dụng u không đổi nào đó Các hạt khuếch tán chuyển động

với vận tốc không đổi khi động lực f tác động lên mỗi hạt

Động lực tác động lên các hạt trong lớp mỏng dung dich

Trong đó B là hệ số ma sát mà đối với các hạt hình cầu

bán kính r chuyển động trong môi trường có độ nhớt là ?

sẽ được tính bằng công thức của Stokes :

št khác-theo định luat-Van’t Hoff về áp suất thẩm thấu

cho nên tích uC = 3 de đây chính là mật độ dòng

khuếch tán ¡ như chúng ta đã nói ở trên Vì Vậy ta có

phương x về hai phía

phải và trái có xác suất

như nhau Lượng chất

Hướng khuếch tán là Hình 3.3: Quan hệ K va D

từ trái sang phải theo chiểu giảm nổng độ, cho nên lượng chất khuếch tán qua mặt phẳng AB là :

Dưới đây là kết quả sự theo dõi thực nghiệm và tính toán

lí thuyết đối với dung dịch keo vàng có hạt đường kính

Khi gradien néng độ biến đổi thì ta có trường hợp khuếch

tán không ổn định Nồng độ dung dịch là hàm số của tọa

độ và thời gian Mạ: độ dòng

khuếch tán vì vậy cũng thay

đổi Theo hình vẽ (34) th iy

lượng chất đi vào trong thể tích

lớp dung dịch trong thời gian

và đi ra khỏi lớp đó cũng trong thời gian dt là :

1.8.dt Lượng chất biến thiên trong lớp đó là :

dm = (i, - i) Sdt = -diSdt

Mặt khác, biến thiên lượng chất trong thể tích S.dx ứng

với sự biến thiên nông độ dC là :

Điều kiện của sự khuếch tán ổn định là dC/dt = mh hay

dC/dx = const Nếu xét sự khuếch tán theo cả 3 phudng x,

3 AP SUAT THAM THAU

Như chúng ta đã biết khi nghiên cứu về dung dịch, sự

thẩm thấu là sự khuếch tán một chiều của các phân tử dung môi qua màng bán thấm theo chiều hướng làm giảm nồng

độ dung dịch Nói một cách khác rộng hơn thì sự thẩm thấu

chính là sự khuếch tán chất tan và dung môi đưa tới sự san

bằng nồng độ trong toàn thể tích của hệ Các dụng dịch

thật có áp suất thẩm thấu tuân theo định luật Van°t Hoff :

hiểu là số moi hạt keo trong 1 lít dung dịch :

Khác với dung dich that, áp suất thẩm thấu của các dung

dịch keo lỏng có giá trị nhỏ và thay đổi Điều đó được giải

thích căn cứ vào phương trình (3.19)

Dung dịch keo có nông độ hạt nhỏ hơn nhiều so với dung

dịch thật có cùng nông độ khối lượng vì các hạt keo lớn hơn

nhiều so với các phân tử Chính vì vậy mà áp suất thấm

thấu của dung dịch keo nhỏ hơn nhiều

Các hệ keo thường kém bên, kích thước của các hạt keo

luôn luôn thay đổi đặc biệt là dưới tác động của những yếu

tố bên ngoài Các hạt có thể kết hợp với nhau tạo thành

những hạt lớn hơn hoặc có thể tách ra thành những hạt nhỏ

hơn Điều đó làm cho nêng độ hạt của dung dịch keo thay

đổi và đồng thời làm cho áp suất thẩm thấu cũng thay đổi

Cho nên phương pháp đo áp suất thẩm thấu để xác định

nông độ hạt và kích thước hạt keo không thể áp dụng được

Hơn nữa, trong các dung dịch keo lỏng luôn luôn có mặt

các chất điện li, vì vậy giá trị áp suất thẩm thấu của hệ keo

không phải là giá trị thật

4 SỰ SA LẮNG

Trong khi xét về khuếch tán, chúng ta chưa để ý đến

trọng trường Các hệ keo có các hạt với khối lượng tương

đối lớn, dưới tác dụng của sức hút trái đất chúng bị sa lắng Nếu như các hạt chất phân tán đủ lớn, đủ nặng thì sau một

thời gian tất cả bị kết tủa hết (các hệ phân tán thô) Đối

với các hệ có độ phân tán cao hơn (các hạt nhỏ hơn) sẽ tồn

tại một sự phân bố cân bằng của các hạt theo độ cao

ˆ Xét một hệ phân tán trong đó các hạt phân tán có khối

lượng hiệu dụng là m Mỗi hạt chịu một lực hút của trọng

35

trường, hạt sẽ sa lắng với vận tốc u không đổi khi trọng lực

bang luc ma sat giữa hạt và môi trường, nghĩa là : ,

mg= Bu

Trong do :

& - gia tốc trọng trường ;

B - hệ sỐ ma sát giữa hạt và môi trường ;

u - vận tốc sa lắng

Nht vay :

Trong đó :

P: P, - khéi lượng riêng của hạt và của môi trường

Goi ji, là mật độ đòng sa lắng thì tương tự như khi xét

Sự sa lắng gây ra sự chênh lệch nồng độ theo độ cao

Sự khuếch tán có xu hướng san bằng nổng độ Như vậy

cân bằng sa lắng sẽ được thiết lập khi mật độ dòng sa

lắng ¡ bằng mật độ dòng khuếch tán ¡ i¿ theo phương thẳng

đúng :

kT dC

Trong đó : ag là građien nỗng độ theo độ cao h

Khi i, >> i,, su sa lắng chiếm ưu thế, các hạt phân tán

lắng xuống Sự khuếch tán chiếm ưu thế và hệ bên vững

động học khi Í << ¡,

Khi i, = i,, m6t trang thai can bằng được hình thành

goi la can bằng sa lắng, lúc đó có một sự phân bổ theo

độ cao mà biểu thức toán học của nó được thiết lập như

Trong đó : C,, Ở, là nông độ tương ứng ở độ cao bằng

0 và độ cao ¡ Nếu thay thế C bởi đại lượng tỉ lệ thuận với

nó là áp suất p đối với hệ khí, ta có :

m

Trong đó : p,, p, 1a 4p suất tương ứng ở độ cao bằng 0

và độ cao h Sự phân bố hạt theo độ cao tuân theo định

luật áp kế chỉ đúng đối với các hệ đơn phân tán Đối với

hệ đa phân tán, sự phân bố phức tạp hơn Sol bạc có các

hạt với kích thước nhỏ hơn 0,1m, được phân bố ít nhiều

đồng đều trong toàn bộ thể tích, trong khi đó các hạt với

kích thước lớn hơn 10m chủ yếu nằm trong kết tủa còn

các hạt kích thước trung gian được phân bố theo độ cao

như định luật áp kế

5 PHÂN TÍCH SA LẮNG

Đối với các hệ huyển phù kém bền động học, chúng ta

có thể dễ dàng xác định được kích thước hạt phân tán dựa

vào sự theo đối vận tốc sa lắng Ta có vận tốc sa lắng như

“—

Như vậy vận tốc sa lắng tỉ lệ thuận với bình phương

kích thước hạt, với độ chênh lệch khối lượng riêng giữa chất

phân tán và môi trường phân tán, tỉ lệ nghịch với độ nhớt

của môi trường Khi biết vận tốc sa lắng trong một lệ phân

tán cho trước, ta có thể xác định được kích thước hạt phân

tán :

_ 9u

r= \ 2@~Pps ~ (3.28)

Biểu thức (3.28) được áp dụng cho các huyển phù trong

nước với kích thước hạt trong khoảng từ 0,1 đến 100m Trong trường hợp này thời gian đạt vận tốc sa lắng không

đổi rất nhỏ, không ảnh hưởng đến phép phân tích sa lắng

Đối với các hệ với kích thước hạt lớn hơn 100m có các hạt

sa lắng với gia tốc, và các hệ bền vững động học với kích

thước hạt nhỏ hơn 0,lzm thì phép phân tích sa lắng bình

Trong hệ đơn phân tán, vận tốc sa lắng có thể được xác

định khi theo dõi sự sa lắng của một hạt nào đó trong hệ

39