Bài giảng chất hoạt động bề mặt

CÔNG CÔNG NGHỆ NGHỆ CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT 1 tiết Phân bố thời gian Ghi chú Lý thuyết Thực hành Tự học 1 Lý Lý thuyết thuyết cơ cơ bản bản về về chất chất hoạt hoạt động động bề bề mặt mặ

Trang 1

CÔNG CÔNG NGHỆ NGHỆ CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT

1

tiết

Phân bố thời gian

Ghi chú Lý

thuyết Thực hành

Tự học

1 Lý Lý thuyết thuyết cơ cơ bản bản về về chất

chất hoạt hoạt động động bề bề mặt mặt 6 6 0 12

2

 Thuộc nhóm hóa chất sử dụng nhiều nhất trên

thế giới.

Sử dụng trong nhiều lĩnh vực: tẩy rửa, mỹ

phẩm, công nghiệp liên quan vi điện tử, môi

trường, dầu khí, sinh học, ức chế ăn mòn, …

Thị trường chất hoạt động bề mặt cao (khoảng

3 tỷ USD trong 1997, dự tính 44,6 tỷ trong năm

2020)

1 NHẬN ĐỊNH VỀ THỊ TRƯỜNG CHĐBM

3

Nguồn

Nguồn: : https https://en.wikipedia.org/wiki/Surfactant ://en.wikipedia.org/wiki/Surfactant

4

Thị trường chất hoạt động bề mặt trên thế giới 1995-2005

(ngàn tấn)

/năm

Bắc Bắc Mỹ Mỹ 1800 1960 1,0 Châu

Châu Á Á Thái Thái Bình Bình Dương Dương 2690 4340 6,1 Châu

Châu Mỹ Mỹ la la tinh tinh 1575 1785 2,6 Các

Các vùng vùng còn còn lại lại 1645 2765 6,8 Tổng

Tổng cộng cộng 10220 13870 3,6



Tây Tây Âu Âu, Bắc , Bắc Mỹ Mỹ: : khoảng 80% chất khoảng 80% chất hoạt hoạt động bề động bề mặt mặt trên trên

cơ sở dầu mỏ



C Châu hâu Á Thái B Á Thái Bình ình D Dương ương: : 55 55 65% chất 65% chất hoạt hoạt động bề mặt động bề mặt trên cơ sở dầu béo thiên nhiên.

Lượng chất hoạt động bề mặt được sử dụng ở các lĩnh

vực và các vùng khác nhau trên thế giới năm 1995

Asia Asia Pacific

Western Europe

North America Household Products 58 % 56% 40%

Industrial & Institutional

Cleaners

All others industrial uses

(pulp and paper, textile,

construction,… )

2%

40%

9%

35%

10%

50%

% used in all industrial

Tổng

Tổng cộng cộng ((triệu triệu tấn tấn)) 2,8 1,9 2,5

Tổng

Tổng cộng cộng trong trong sử sử dụng dụng

công

công nghiệp nghiệp ((triệu triệu tấn tấn))

1,18 0,82 1,50

5

Là thuật ngữ:



Surfactant = Surface Surfactant = Surface active agent active agent



Tồn Tồn tại tại ở ở nồng nồng độ độ thấp thấp trong trong hệ hệ thống thống



Hấp Hấp thụ thụ lên lên bề bề mặt mặt hay hay mặt mặt phân phân chia chia pha

pha →→ thay thay đổi đổi năng năng lượng lượng tự tự do do của của bề bề mặt

mặt

2 CHĐBM

2 CHĐBM là là gì gì? ?

6

Trang 2

6/29/2018 6:01:19 PM Tran Huu Hai 7 6/29/2018 6:01:19 PM Tran Huu Hai 8

• In English the term

surfactant (short for surface-active-agent) designates a

substance which exhibits

some superficial of interfacial activity

6/29/2018 6:01:19 PM Tran Huu Hai 9

• It is worth remarking that all

activity; in effect, only the amphiphiles

with more or less equilibrated

hydrophilic

hydrophilic and and lipophilic lipophilic tendencies

are likely to migrate to the surface or

amphiphilic molecule is too

hydrophilic or too hydrophobic, in

which case it stays in one of the

phases.

6/29/2018 6:01:19 PM Tran Huu Hai 10

• In other languages such as French,

German or Spanish the word

"surfactant" does not exist, and the actual term used to describe these substances is based on their properties

properties to to lower lower the the surface surface or or interface

interface tension tension , e.g tensioactif

(French), tenside (German),

tensioactivo (Spanish)…

6/29/2018 6:01:19 PM Tran Huu Hai 11

• This would imply that

surface activity is strictly

absolutely general, although

it is true in many cases.

6/29/2018 6:01:19 PM Tran Huu Hai 12

• Amphiphiles exhibit other properties than tension lowering and this is why they are often labeled according to their main use such as:

soap, detergent, wetting agent, dispersant, emulsifier, foaming agent, bactericide, corrosion inhibitor, antistatic agent, etc…

Trang 3

6/29/2018 6:01:19 PM Tran Huu Hai 13

•• In In some some cases cases they they are are konwn konwn

from

from the the name name of of the the structure structure

they

they are are able able to to build, build, ii e e

membrane

membrane,, microemulsion microemulsion,,

liquid crystal crystal,, liposome liposome,,

vesicle

vesicle or or gel gel

14

6/29/2018 6:01:19 PM Tran Huu Hai 17

Vì sao Tôi có hình cầu?

6/29/2018 6:01:19 PM Tran Huu Hai 18

Trang 4

Bề mặt

Bên trong

Bề mặt

Bên trong

6/29/2018 6:01:19 PM Tran Huu Hai 21

•Đối với các phân tử

trong lòng pha lỏng

các lực tương tác là

cân bằng với nhau

6/29/2018 6:01:19 PM Tran Huu Hai 22

Bên trong

6/29/2018 6:01:19 PM Tran Huu Hai 23

• Đối với các phân tử ở

trên ranh giới pha, lực

tương tác về phía pha

lỏng lớn hơn về phía pha

khí, nên tạo ra lực ép lên

phần chất lỏng.

6/29/2018 6:01:19 PM Tran Huu Hai 24

Bề mặt

Trang 5

Kết Kết luận luận

• Aùp suất tạo ra ( lực lực trên trên một một đơn

đơn vị vị bề bề mặt mặt)) gọi là áp suất phân tử- chính là nội áp pi.

6/29/2018 6:01:19 PM Tran Huu Hai 27

• Nội áp này kéo các

phân tử chất lỏng từ bề

mặt phân chia pha, do

đó có xu hướng làm cho

bề mặt giảm đến mức

tối thiểu.

6/29/2018 6:01:19 PM Tran Huu Hai 28

?

6/29/2018 6:01:19 PM Tran Huu Hai 29

• Vậy các phân tử ở lớp bề

mặt có thế năng lớn hơn so

với thế năng của của các

phân tử bên trong.

• Phần năng lượng lớn hơn đó

gọi là năng lượng bề mặt của

chất lỏng.

6/29/2018 6:01:19 PM Tran Huu Hai 30

• Muốn bề mặt về như cũ, cần phải phải đưa thêm các phân tử từ trong lòng pha lỏng đến lớp bề mặt, tức là thực hiện một công chống lại lực tương tác của các phân tử.

Trang 6

• Công trong điều kiện đẳng

nhiệt thuận nghịch bằng độ tăng của năng lượng dư bề mặt

dEs.

• Khi bề mặt tăng một giá trị dS thì năng lượng bề mặt cũng tăng một giá trị dEs.

Cơng

Cơng của của sức sức căng căng bề bề mặt mặt

dEs/dS.

SỨC CĂNG BỀ MẶT LÀ NĂNG LƯỢNG TẠO RA MỘT ĐƠN VỊ BỀ MẶT (erg/cm 2 hay hay dyn dyn/cm, /cm, vì vì 1 erg = 1 1 erg = 1

dyn dyn/cm) /cm)

Trang 7

37 38



Các Các yếu yếu tố tố ảnh ảnh hưởng hưởng sức sức căng căng bề bề

mặt



Bản Bản chất pha tiếp chất pha tiếp xúc xúc



Nhiệt độ Nhiệt độ



Áp suất Áp suất



Độ Độ cong bề cong bề mặt mặt



Sự Sự xuất hiện của chất thứ hai trong xuất hiện của chất thứ hai trong

chất

chất lỏng lỏng

39

Bản chất pha tiếp xúc

••Chất Chất lỏng lỏng phân phân cực cực mạnh mạnh → → tương tương tác tác phân

phân tử tử lớn, lớn, nội nội áp áp lớn lớn → → sức sức căng căng bề bề mặt

mặt lớn lớn

••Mật Mật độ độ phân phân tử tử

••Dưới Dưới tác tác dụng dụng của của sức sức căng căng bề bề mặt, mặt, thể thể tích

tích khối khối chất chất lỏng lỏng sẽ sẽ hướng hướng tới tới dạng dạng hình

hình cầu cầu (nếu (nếu không không có có ngoại ngoại lực) lực) vì vì bề bề mặt

mặt hình hình cầu cầu là là bề bề mặt mặt bé bé nhất nhất giới giới hạn hạn một

một thể thể tích tích chất chất lỏng lỏng đã đã cho cho

40

41

Nếu hai chất lỏng chỉ hòa tan một

phần vào nhau thì sức căng bề

mặt trên giới hạn lỏng - lỏng gần

bằng hiệu số giữa sức căng bề

mặt của mỗi chất (đã bão hòa

chất kia) so với không khí.

Bề

Bề mặt mặt chất lỏng

Nhiệt

độ (( o C)

Sức căng bề mặt lỏng mặt lỏng không khí (dyn/cm)

Sức căng bề mặt lỏng mặt lỏng lỏng lỏng (dyn/cm)

Lớp Lớp hữu hữu cơ Lớp Lớp nước nước Tính Tính toán toán Thực

nghiệm

Benzene/

nước

19 28,8 63,2 34,4 34,4

Anilin Anilin//

nước

26 42,2 46,4 4,2 4,8

42

Trang 8

Ảnh Ảnh hưởng hưởng của của nhiệt nhiệt độ độ

YếuYếu tốtố bảnbản chấtchất củacủa cáccác phapha tiếptiếp xúcxúc cócó

ý

ý nghĩanghĩa quyếtquyết địnhđịnh đếnđến giágiá trịtrị sứcsức căngcăng

bề

bề mặtmặt

SứcSức căngcăng bềbề mặtmặt còncòn phụphụ thuộcthuộc vàovào

nhiều

nhiều yếuyếu tốtố kháckhác nhưnhư:: nhiệt nhiệt độ độ,, ápáp

suất,

suất, độđộ congcong củacủa bềbề mặtmặt vàvà đặcđặc biệtbiệt làlà

sự

sự cócó mặtmặt củacủa chấtchất thứthứ haihai trongtrong chấtchất

lỏng

43



SứcSức căngcăng bềbề mặtmặt củacủa đađa sốsố chấtchất lỏnglỏng giảm

giảm gầngần nhưnhư tuyếntuyến tínhtính khikhi nhiệtnhiệt độđộ tăng

tăng (trừ(trừ cáccác kimkim loạiloại nóngnóng chảy)chảy) theotheo phương

phương trìnhtrình củacủa WW RamsayRamsay vàvà JJ

Shields Shields sausau khikhi hiệuhiệu chỉnhchỉnh phươngphương trìnhtrình của

của RR EotvosEotvos::



.V V2/3= k.(T c T T – – 6) 6)

44

Ảnh hưởng của nhiệt độ

.V2/3= k.(T c - T – 6)

V: Thể tích mol của chất lỏng

T c: Nhiệt độ tới hạn, ở đó sức căng bề

mặt bằng không

k: hằng số, đa số chất lỏng có k  2,1

erg/ độ

45



Van Van der der Waals Waals và và người người theo theo trường trường phái

phái của của ông ông là là Guggenheim Guggenheim còn còn đưa

đưa ra ra phương phương trình trình có có dạng dạng sau sau::



 = =  o.(1 (1 – – T/T T/T c))n

Với Với chất chất hữu hữu cơ cơ có có n n = = 11 11//9 9 Với

Với kim kim loại loại có có n n   1 1

46



Quan

Quan hệ hệ tuyến tuyến tính tính giữa giữa sức sức căng căng bề bề mặt mặt và và

nhiệt

nhiệt độ độ có có dạng dạng sau sau::

T = =   T T (d (d //dT dT))

Với

Với (d (d //dT dT)) = = const const

47



Quan Quan hệ hệ giữa giữa khối khối lượng lượng riêng riêng và và sức

sức căng căng bề bề mặt mặt

Theo Theo phươngphương trìnhtrình Mc Mc LeodLeod: :



/(D/(D d)d)4= Const D:

D: KhốiKhối lượnglượng riêngriêng phapha lỏnglỏng d:

d: khốikhối lượnglượng riêngriêng phapha khíkhí (g/cm(g/cm3)

48

Trang 9



Các phương pháp phổ biến để xác định Các phương pháp phổ biến để xác định sức căng bề mặt là:



Xác định sự biến đổi của mực chất lỏng trong Xác định sự biến đổi của mực chất lỏng trong mao quản



Cân giọt chất lỏng Cân giọt chất lỏng



Phương pháp Phương pháp Lecomte Lecomte du du Nouy Nouy



Bản phẳng L Bản phẳng L Wilhelmy Wilhelmy



Áp suất cực đại của bọt khí Áp suất cực đại của bọt khí



Xác định hình dạng hạt và bọt khí Xác định hình dạng hạt và bọt khí 50

Xác định sự biến đổi mực chất lỏng trong mao

quản

Đây là một trong những phương pháp chính xác

nhất để xác định sức căng bề mặt

Nguyên tắc đo: đo chiều cao cột chất lỏng trong mao

quản

P = P 1 – P 2 = gh.( 1 - 2 ) = 2./r

: góc dính ướt, cos = Ro/r

Ro: bánh kính của mao quản

r: bán kính mặt khum ở nơi tiếp xúc

P1: áp suất pha khí ở trong ống mao quản

P2: áp suất pha khí ngoài ống mao quản

=>  = (1/2).(R o .gh.( 1 - 2 ) / cos

51



Phương pháp cân giọt lỏng Phương pháp cân giọt lỏng

Đây Đây là là phương phương pháp pháp khá khá chính chính xác, xác, được được sử sử dụng dụng phổ

phổ biến biến trong trong phòng phòng thí thí nghiệm nghiệm để để xác xác định định sức sức căng

căng bề bề mặt mặt trên trên giới giới hạn hạn lỏng lỏng – – khí khí và và lỏng lỏng – – lỏng lỏng

Nguyên Nguyên tắc tắc đo đo:: thu thu các các giọt giọt lỏng lỏng hình hình thành thành dưới dưới mao

mao quản, quản, cân cân để để xác xác định định chính chính xác xác khối khối lượng lượng một một giọt

giọt bằng bằng phương phương pháp pháp lấy lấy trung trung bình bình

Biểu thức toán (định luật Tate T) có dạng đơn Biểu thức toán (định luật Tate T) có dạng đơn giản giản sau

sau: : W= mg = W= mg = v v g g = 2 = 2 R R o

52

Phương pháp cân giọt lỏng

Tuy nhiên có sai số là khối lượng cân được thường

nhỏ hơn giá trị lý tưởng do tính không bền của các

đuôi giọt lỏng và luôn để lưu lại ở đầu mao quản đến

40% khối lượng.

Harkins W.D và Brown F.E đã đề nghị hiệu

chỉnh w theo phương trình sau:

w = m.g = v..g = 2.R o ..f*

Trong đó f* = (R 0 /v 1/3 ) : hệ số hiệu chỉnh

v: thể tích giọt

→  = vg / 2R o f*

53

Phương pháp kéo vòng Lecomte du Nouy

54

Water F R

Trang 10

DY-300 Automatic Tensiomete 56

Phương pháp kéo vòng

Phương pháp kéo vòng Lecomte Lecomte du du Nouy Nouy

Phương pháp này được đề xuất năm

Phương pháp này được đề xuất năm 1919 1919

Nguyên tắc đo: xác định lực kéo vòng kim loại ra khỏi bề mặt

chất lỏng

W k = = 4 4 R R o’ = f ’ = f (*)

Wk: khối lượng của vòng, f là lực kéo vòng (dyn)

Để khắc phục sai số thì đưa vào hệ số hiệu chỉnh

Để khắc phục sai số thì đưa vào hệ số hiệu chỉnh   * (bù trừ * (bù trừ

biến dạng mặt phẳng khi kéo vòng hệ số này là hàm của

(R 3 /V, Ro/ro))



* = // ’’ = f(R = f(R 3 /V, R o /r o ))



’: sức căng bề mặt được tính theo phương trình (*) ’: sức căng bề mặt được tính theo phương trình (*)

V: Thể tích bề mặt cong

rro: bán kính của tiết diện vòng

R0: bán kính của vòng

57

Phương pháp kéo vòng Lecomte du Nouy

Hệ số hiệu chỉnh * có thể tra trong sổ tay về sức căng

bề mặt hoặc dựa vào đồ thị Harkins W.D, Jordan H.F., cũng có thể tính được  * theo phương trình Znidema-Waters

(* -a) 2 = (4b/  2 ).(1/Rò ).(f/(4Ro.(1- 2))) + c

1và 2khối lượng riêng của chất lỏng ở dưới

và trên vòng

a = 0,7250 và b = 9,075 10 -4 đối với mỗi loại vòng

c = 0,04434 – 1,679 ro/Ro

CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH SỨC

CĂNG BỀ MẶT

58

Trang 11

Những chất mà khi nồng độ của nó

căng bề mặt tăng lên

Các chất này có độ hòa tan cao , sẽ

có xu hướng rời khỏi bề mặt để đi

vào bên trong thể tích dung dịch.

4 CHẤT KHÔNG HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT

61

Các chất không hoạt động bề mặt so với nước là tất cả các muối vô cơ điện

ly, các acid, base vô cơ…

Phân tử của các chất này không có

phần kỵ nướcmà sẽ điện ly trong nước thành các ion phân cực, bị hydrate hóa mạnh

62

Các chất khônghoạt động bề mặt hữu

hóa và phần không phân cực của phân

tử không có hoặc rất bé như HCOOH,

CH3COOH…

63

Trong các dung môi hữu cơ, các chất điện

ly cũng làm tăng sức căng bề mặt, mức độ gia tăng tùy thuộc vào bản chất của dung môi.

Ví dụ: khi thêm NaI vào CH3OH: sức căng

bề mặt sẽ tăng nhiều, nếu thêm NaI vào

C2H5OH thì độ tăng này giảm 2 lần.

CHẤT KHÔNG HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT

64

CHẤT KHÔNG HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT

65

 Ngoài các chất hoạt động bề mặt và không hoạt động bề mặt, có những chất phân bố đều đặn

trên cả lớp bề mặt và trong lòng dung dịch do đó không ảnh hưởng đến sức căng bề mặt của dung môi.

 Ví dụ: đường saccarose, hòa tan vào nước

không làm thay đổi sức căng bề mặt trên giới hạn lỏng khí.

CHẤT KHÔNG ẢNH HƯỞNG ĐẾN SỨC CĂNG BỀ

MẶT

66

Trang 12

(1) Chất hoạt động bề mặt

(2) Chất không hoạt động bề mặt

(3) Chất không ảnh hưởng đến sức căng bề mặt

CÁC CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT, CHẤT KHÔNG

HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT VÀ CHẤT KHÔNG ẢNH

HƯỞNG ĐẾN SỨC CĂNG BỀ MẶT

67

Nồng độ

Sức căng bề mặt

(1)

(2)

(3)

68

Chất

Chất có khả năng làm giảm sức căng bề có khả năng làm giảm sức căng bề

mặt của dung môi chứa

mặt của dung môi chứa chúng chúng

Thường

Thường là là: : các các chất chất hữu hữu cơ cơ như như các các acid acid béo béo, ,

muối

muối của của acid acid béo béo, ester, , ester, rượu rượu, alkyl , alkyl

sulfate…



Cấu Cấu tạo: tạo: 2 2 phần phần

+ Phần phân cực(ái (ái nước, ưa nước, háo nước, ưa nước, háo

nước = lyophilic

nước = lyophilic group) group)

+ Phần không phân cực (kỵ (kỵ nước, ghét nước, ghét

nước hay ái dầu, háo dầu, ưa

nước hay ái dầu, háo dầu, ưa dầu = dầu =

• Mô hình chất hoạt động bề mặt:

70

Phần ái nước Phần kỵ nước

• Cấu trúc thực tế:

Phân loại CHĐBM

71



Cấu Cấu trúc hóa học trúc hóa học



Tính chất vật lý Tính chất vật lý (độ (độ tan trong nước hoặc tan trong nước hoặc

dung môi)



Ứng dụng hóa Ứng dụng hóa học học



Phân Phân loại loại theo theo bản bản chất chất nhóm nhóm háo háo nước nước



Phân Phân loại loại theo theo bản bản chất chất nhóm nhóm kỵ kỵ nước nước



Phân Phân loại loại theo theo bản bản chất chất liên liên kết kết giữa giữa

nhóm

nhóm háo háo nước nước và và kỵ kỵ nước nước

72

-+

+

- Cationic Cationic

Non ionic (NI) ( Non ionic (NI) ( không không phân phân ly ly))

Lưỡng Lưỡng tính tính ( ( Amphoteric Amphoteric)) Anionic Anionic

Theo bản chất nhóm háo nước

Định dạng
Số trang	16
Dung lượng	1,45 MB