14 Người Người ta ta giải giải thích thích điều điều này này như như sau sau:: khi khi bị bị hấp hấp phụ, phụ, nhóm nhóm phân phân cực cực của của chất chất hoạt hoạt động động bề bề
Trang 1CƠNG CƠNG NGHỆ NGHỆ CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT
1
Chương Tên Tên chương chương tiết Số
Phân bố thời gian Ghi
chú
Lý thuyết Thực hành Tự học
2 Tính Tính chất chất hĩa hĩa lý lý của của chất
chất hoạt hoạt động động bề bề mặt
mặt trong trong dung dung dịch dịch
8 8 0 16
2
Khi Khi hịa hịa tan tan CHĐBM CHĐBM vào vào nước nước,,
chúng
chúng tồn tồn tại tại như như thế thế nào nào? ?
Tính Tính chất chất vật vật lý lý gì gì của của dung dung
dịch
dịch sẽ sẽ bị bị thay thay đổi đổi? ?
4
Các
Các yếu yếu tố tố vật vật lý lý của của dd dd thay thay đổi đổi? ?
Aùp suất thẩm thấu Độ đục
Sức căng bề mặt
Độ dẫn điện
Nồng độ CMC
• Chương 2: Tính chất hĩa lý của chất hoạt động bề mặt trong dung dịch
•• 2.1 2.1 Cấu Cấu tạo tạo lớp lớp bề bề mặt mặt trên trên giới giới hạn hạn lỏng lỏng khí khí
•• 2.2 2.2 Sự Sự hình hình thành thành micelle micelle
•• 2.3 2.3 Nồng Nồng độ độ micelle micelle tới tới hạn hạn
•• 2.4 2.4 Điểm Điểm Kraft Kraft
•• 2.5 2.5 Điểm Điểm đục đục
•• 2.6 HLB ( 2.6 HLB (hydrophile hydrophile lipophile lipophile balance) balance)
•• 2.7 2.7 Đặc Đặc tính tính bề bề mặt mặt lỏng lỏng rắn rắn và và quan quan hệ hệ bề bề mặt
mặt trong trong hệ hệ ba ba pha pha
6
Trang 27 8
Lớp Lớp bề bề mặt mặt trên trên giới giới hạn hạn lỏng lỏng khí khí
10
Để Để tìm tìm hiểu hiểu cấu cấu tạo tạo lớp lớp bề bề mặt mặt trên
trên giới giới hạn hạn lỏng lỏng khí khí người người ta ta tìm tìm hiểu
hiểu mối mối quan quan hệ hệ giữa giữa độ độ hấp hấp phụ phụ
và và nồng nồng độ độ C C của của chất chất hoạt hoạt động
động bề bề mặt mặt có có trong trong một một đơn đơn vị vị diện
diện tích tích bề bề mặt mặt
11
Kết Kết quả quả cho cho thấy thấy sự sự hấp hấp phụ phụ
tăng
tăng tỷ tỷ lệ lệ với với chiều chiều dài dài mạch mạch
carbon
carbon trong trong một một dãy dãy đồng đồng đẳng đẳng
và
và các các đường đường này này đạt đạt giá giá trị trị giới giới
hạn
hạn m khi khi nồng nồng độ độ chất chất hoạt hoạt
động
động bề bề mặt mặt đủ đủ lớn lớn
12
Γ Γ: lượng chất HĐBM/ đơn vị diện tích bề mặt ( : lượng chất HĐBM/ đơn vị diện tích bề mặt (mol mol/cm /cm 2
hay hay mol mol/m /m 2 ) Quan hệ giữa độ hấp phụ Quan hệ giữa độ hấp phụ Γ Γ C: C:
•• Nồng Nồng độ độ C C
•• Chiều Chiều dài dài mạch mạch carbon carbon
•• Giá Giá trị trị tới tới hạn hạn Γ Γ m
Trang 3
Như Như vậy vậy ở ở nồng nồng độ độ đủ đủ lớn lớn ,, một một
đơn
đơn vị vị bề bề mặt mặt sẽ sẽ chứa chứa cùng cùng một một
số
số lượng lượng phân phân tử tử chất chất hoạt hoạt động động
bề
bề mặt mặt có có chiều chiều dài dài phần phần kỵ kỵ nước nước
khác
khác nhau nhau
14
Người Người ta ta giải giải thích thích điều điều này này như như sau sau::
khi khi bị bị hấp hấp phụ, phụ, nhóm nhóm phân phân cực cực của của chất chất hoạt
hoạt động động bề bề mặt mặt bị bị nước nước kéo kéo mạnh mạnh vào lòng
lòng dung dung dịch, dịch, phần phần không không phân phân cực cực thì thì bị
bị đẩy đẩy ra ra phía phía pha pha không không phân phân cực cực tức tức pha
pha khí, khí, các các phân phân tử tử chất chất hoạt hoạt động động bề bề mặt
mặt sẽ sẽ được được phân phân bố bố thành thành một một lớp lớp phân tử
tử
15
Khi nồng nồng độ độ C C nhỏ nhỏ,, mạch mạch hydrocarbon hydrocarbon sẽ sẽ bị bị đẩy đẩy
về
về phía phía không không khí, khí, có có thể thể bị bị ngã ngã nghiêng nghiêng do do mạch mạch
hydrocarbon
hydrocarbon linh linh động động và và có có khối khối lượng lượng riêng riêng bé, bé,
phần
phần phân phân cực cực ở ở trong trong nước nước
(a)
(a)Nồng Nồng độ độ chất chất HĐBM HĐBM nhỏ nhỏ
(b)
Khi Khi nồng nồng độ độ C C lớn, lớn, số số phân phân tử tử chất chất hoạt hoạt động động bề bề mặt mặt tăng
tăng lên, lên, mạch mạch hydrocarbon hydrocarbon dựng dựng đứng đứng lên, lên, song song song song với
với nhau, nhau, vuông vuông góc góc với với mặt mặt nước, nước, tạo tạo thành thành một một màng màng sít
sít chặt chặt gọi gọi là làmàng màng ngưng ngưng tụ tụ
Các Các phân phân tử tử chất chất hoạt hoạt động động bề bề mặt mặt sẽ sẽ chiếm chiếm cùng cùng diện diện tích dù dù cho cho chúng chúng có có chiều chiều dài dài khác khác nhau nhau
Độ
Độ hoạt hoạt động động bề bề mặt mặt = = biến biến thiên thiên sức sức căng căng
bề
bề mặt mặt theo theo nồng nồng độ độ
Độ
Độ hoạt hoạt động động bề bề mặt mặt
da
d dc
; hay
17
Đại lượng Gibbs:
dc
d
*
18
Độ hoạt động bề mặt của các chất trong dãy đồng đẳng biến đổi có quy luật.
Ví dụ:
Trong dãy đồng đẳng acid có 6 nC 2 , khi nồng độ tăng lên, sức căng bề mặt của acid mà trong phân tử có mạch carbon dài hơn sẽ giảm nhanh hơn.
Hiện tượng tương tự cũng xảy ra ở các
dãy đồng đẳng khác.
Trang 4C, mol/l
s, dyn/cm
(1) (2)
(3)
35
50
65
0,16 0,36 0,54
(4) (5)
(1)HCOOH (2) CH COOH (3) CH CH COOH (4) CH (CH ) COOH (5)(CH ) CHCH COOH
3
3 2
3 2 2
3 2 2
•• Quy tắc Quy tắc Traube Traube: : ““Độ hoạt động bề mặt tăng 3 Độ hoạt động bề mặt tăng 3 3,5 lần 3,5 lần
Độ
Độ hoạt hoạt động động bề bề mặt mặt
19
Hoạt động học SV
• Micelle là gì?
• Cấu trúc của một micelle?
21
Minh Minh chứng chứng sự sự tồn tồn tại tại trạng trạng
thái thái micelle micelle
•• New New electron electron micrographs, micrographs, produced produced using the technique of Field Emission Scanning Electron Microscopy,
Microscopy, showing showing the the details details of of the
the micellar micellar surface, surface,… …
22
23
Trạng thái các chất hoạt động bề mặt trong
dung dịch được khảo sát trên muối
dung dịch được khảo sát trên muối của của
acid béo (xà phòng)
24
Thực Thực nghiệm cho thấy trong dung dịch, xà nghiệm cho thấy trong dung dịch, xà phòng có thể tồn tại
phòng có thể tồn tại dưới dưới dạng dạng phức phức hợp hợp ::
•• các phân tử không ion hóa các phân tử không ion hóa RCOONa RCOONa, ion , ion
RCOO và Na+,,
•• các sản phẩm do thủy phân RCOOH, các sản phẩm do thủy phân RCOOH,
•• dạng tập hợp các phân tử không ion hóa, dạng tập hợp các phân tử không ion hóa,
•• các ion và các acid béo: các ion và các acid béo:
xRCOONa.yRCOOH.zRCOO .z’Na+…
Trang 5•• Tính Tính chất chất của của các các chất chất hoạt hoạt động động bề bề
mặt
mặt khác khác cũng cũng tương tương tự tự
25
27
Khi Khi nồng nồng độ độ chất chất hoạt hoạt động động bề bề mặt mặt
tăng lên một một giá giá trị trị nào nào đó đó ,, từ từ các các
phân
phân tử tử hòa hòa tan tan riêng riêng biệt, biệt, một một số số lớn lớn
các
các micelle micelle bắt bắt đầu đầu hình hình thành thành trong trong
hệ
hệ
28
Các Các micelle micelle này này là là các các hình hình cầu cầu trong trong đó đó các
các phân phân tử tử chất chất hoạt hoạt động động bề bề mặt mặt liên liên kết
kết với với nhau nhau bằng bằng đầu đầu hydrocarbon hydrocarbon và hướng nhóm nhóm phân phân cực cực ra ra dung dung dịch dịch nước
nước
Số phân tử xà phòng trong một tập hợp như vậy vào khoảng
50, đường kính hình cầu khoảng gấp đôi chiều dài phân tử xà
phòng tạo nên nó.
29
4 nm
Unimers
Normal micelles spherical
cylindrical
Bilayer lamella
Reverse micelles
Inverted hexagonal phase
Trang 6•• Lực Lực hút hút Van Van de de Walls Walls giữa giữa phần phần kỵ kỵ
nước
•• Lực Lực đẩy đẩy của của nhóm nhóm điện điện tích tích cùng cùng
dấu
•• Lực Lực hút hút của của các các phân phân tử tử nước nước… …
32
Ở
Ở các các nồng nồng độ độ cao cao hơn, hơn, các các micelle micelle có có kích thước tăng lên và các gốc hydrocarbon
hydrocarbon mỗi mỗi lúc lúc mỗi mỗi thêm thêm song song song song với
với nhau nhau hình hình thành thành các các micelle micelle tấm tấm hay các
các hình hình dạng dạng khác khác
35
Lưu
Lưu ý ý::
Các
Các micelle micelle có có thể thể được được tạo tạo thành thành không không chỉ chỉ
trong
trong các các dung dung dịch dịch nước nước mà mà còn còn ở ở dung dung dịch dịch xà xà
phòng, trong trong dung dung môi môi không không phân phân cực cực
Khi
Khi đó đó các các phân phân tử tử xà xà phòng phòng trong trong micelle micelle sẽ sẽ
hướng
hướng các các nhóm nhóm phân phân cực cực vào vào phía phía trong trong micelle micelle
còn
còn phần phần kỵ kỵ nước nước sẽ sẽ quay quay ra ra ngoài ngoài
Lúc
Lúc này này xà xà phòng phòng không không điện điện ly ly,, dung dung dịch dịch xà xà
phòng
phòng là là dung dung dịch dịch phân phân tử tử chứ chứ không không là là dung dung
dịch
Trang 7••( ( crictical crictical micelle concentration: micelle concentration: CMC CMC))
Ý
Ý nghĩa nghĩa của của đồ đồ thị thị? ?
38
39
Khi nồng độ chất hoạt động bề mặt tăng lên đến
một giá trị nào đĩ, từ các phân tử riêng lẻ sẽ cĩ
sự hình thành các micelle
Nồng độ dung dịch chất hoạt động bề mặt mà ở
đĩ sự hình thành micelle trở nên đáng kể gọi là
nồng độ micelle tới hạn (Critical micelle
concentration).
Nhận xét
• Khi nồng độ dung dịch chất họat động bề mặt đạt đến giá trị CMC, sẽ có sự thay đổi rõ rệt tính chất vật lý của dung dịch như sự thay đổi độ đục, độ dẫn điện, sức căng bề mặt, áp suất thẩm thấu…
• Dựa vào sự thay đổi tính chất vật lý đột ngột như vậy người ta xác định được CMC.
Phương pháp xác định điểm
CMC
( Sinh viên làm bài tập lớn)
Xác Xác định định giá giá trị trị CMC CMC của của dung dung dịch dịch
Aùp suất thẩm thấu Độ đục
Sức căng bề mặt
Độ dẫn điện
Nồng độ CMC
Trang 8Hoạt động động học học
43
Nhĩm Chủ Chủ đề đề thảo thảo luận luận Nhĩm
phản phản biện biện
1 BảnBản chấtchất CHĐBM CHĐBM sửsử dụngdụng 5
2 ẢnhẢnh hưởnghưởng củacủa nhiệtnhiệt độđộ 6
3 ẢnhẢnh hưởnghưởng củacủa chấtchất điệnđiện lili 7
4 ẢnhẢnh hưởnghưởng củacủa chấtchất khơngkhơng điệnđiện lili 8
Các yếu tố ảnh hưởng đến CMC :
• Khi tăng chiều dài của phần
kỵ nước trong phân tử chất họat động bề mặt sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho sự hình thành micell, tức là giảm CMC.
Các yếu tố ảnh hưởng đến CMC :
• Trong môi trường nước cất,
CMC của các chất họat động
bề mặt ion giảm đi ½ lần khi
mạch carbon tăng thêm 1nhóm
–CH2-
Các yếu tố ảnh hưởng đến CMC :
• Đối với chất họat động bề mặt không ion, sự khác biệt này còn rõ ràng hơn Điều này đúng đến C16 Khi mạch C 18 thì CMC hầu như không đổi.
Ảnh hưởng của T
• Khi hạ nhiệt độ dung dịch, sẽ
xúc tiến cho sự hình thành của
các micell vì khi đó cường độ
chuyển động nhiệt của các
phân tử giảm, làm tăng khả
năng kết hợp của các phân tử
tức làm giảm CMC.
Ảnh hưởng của chất điện li
• Khi thêm chất điện ly vào dung dịch chất họat động bề mặt , chúng liên kết với nước
do sự hydrat hóa, điều này tương tự như việc tăng nồng độ chất họat động bề mặt lên.
Trang 9• Mặc khác, khi có mặt chất
điện ly, sự ion hóa của chất
họat động bề mặt giảm
(giảm độ tan), xúc tiến cho
sự liên kết các phân tử lại
với nhau, do đó CMC giảm.
• Việc thêm các chất hữu cơ vào dung dịch chất họat động bề mặt ảnh hưởng đến CMC theo những hướng khác nhau tùy thuộc vào bản chất của chất thêm vào.
• Một số rượu mạch trung bình có thể
làm giảm CMC, thêm urea hay
formalmid lại làm tăng CMC Dung
dịch chứa nhiều chất hoạt động bề
mặt có CMC nhỏ hơn CMC của các
dung dịch chứa từng chất hoạt động
bề mặt riêng biệt.
Trang 10Các chất hoạt động bề mặt
anion có một đặc điểm là khả năng hòa
tan của chúng tăng theo nhiệt độ.
Điểm Krafft là nhiệt độ tại đó
chất hoạt động bề mặt có độ hòa
tan bằng CMC
56
Khi Khi đạt đạt đến đến nhiệt nhiệt độ độ này này một một lượng lượng lớn lớn chất
chất hoạt hoạt động động bề bề mặt mặt sẽ sẽ được được phân phân tán
tán trong trong dung dung dịch dịch dưới dưới dạng dạng micelle micelle
Như Như vậy vậy ở ở nhiệt nhiệt độ độ thấp thấp hơn hơn điểm điểm Kraft, độ độ tan tan của của chất chất hoạt hoạt động động bề bề mặt mặt anion
anion không không đủ đủ lớn lớn để để hình hình thành thành micelle
micelle
Khi Khi nhiệt nhiệt độ độ tăng, tăng, độ độ tan tan tăng, tăng, khi khi đạt đạt đến
đến nhiệt nhiệt độ độ Kraft, Kraft, micelle micelle hình hình thành thành
Điểm Krafft
Số nguyên tử C 10 12 14 16 18 Điểm Kraft (oC) 8 16 30 45 56
58
Đối với chất hoạt động bề mặt anion, khi chiều dài mạch C tăng, điểm Kraft cũng tăng
Mạch C có nhóm oxide ethylene -> Kraft giảm
Phụ thuộc nồng độ và các thành phần khác trong dd
Điểm Kraft của dung dịch alkyl sulphate trong nước
Hoạt
Hoạt động động học học theo theo vấn vấn đề đề
1 Điểm Điểm đục đục xuất xuất hiện hiện khi khi nào nào? ?
2 Ý Ý nghĩa nghĩa của của điểm điểm đục đục? ?
3 Tại Tại sao sao điểm điểm đục đục có có ý ý nghĩa nghĩa với với CHĐBM? CHĐBM?
Loại
Loại nào nào bị bị tác tác động động nhiều nhiều nhất nhất? ?
59
SV
SV chuẩn chuẩn bị bị trong trong 5 5 phút phút sau sau khi khi xem xem thí thí
nghiệm
nghiệm về về điểm điểm đục đục: cloud point : cloud point
60
Trang 11ASTM D2500 CLOUD POINT TESTING
Đối Đối với với các các chất chất hoạt hoạt động động bề bề mặt mặt không không ion ,, độ độ tan tan của của chúng chúng là là do do liên liên kết kết hydro hydro giữa
giữa nước nước và và phần phần phân phân cực cực (VD (VD như như chuỗi
chuỗi poly poly ethylene ethylene oxide) oxide)
Khi Khi nhiệt nhiệt độ độ tăng tăng đến đến một một mức mức nào nào đó, đó, liên
liên kết kết hydro hydro bị bị phá phá vỡ, vỡ, xảy xảy ra ra sự sự mất mất nước,
nước, làm làm độ độ tan tan của của chất chất hoạt hoạt động động bề bề mặt
mặt không không ion ion giảm giảm
65
Điểm Điểm đục đục là là nhiệt nhiệt độ độ tại tại đó đó chất chất hoạt hoạt
động
động bề bề mặt mặt không không ion ion không không thể thể hòa hòa tan, tan,
tách
tách ra ra khỏi khỏi dung dung dịch dịch làm làm dung dung dịch dịch trở trở
nên
nên đục đục
Đối Đối với với chất chất hoạt hoạt động động bề bề mặt mặt không không ion ion
trên
trên cơ cơ sở sở ethylene ethylene oxide, oxide, điểm điểm đục đục sẽ sẽ
giảm khi khi độ độ dài dài gốc gốc alkyl alkyl tăng tăng hoặc hoặc khi khi
lượng
lượng ethylene ethylene oxide oxide trong trong phân phân tử tử giảm giảm
xuống
xuống
66
Trang 12Hoạt động động học học theo theo vấn vấn đề đề
1 Điểm Điểm đục đục xuất xuất hiện hiện khi khi nào nào? ?
2 Ý Ý nghĩa nghĩa của của điểm điểm đục đục? ?
3 Tại Tại sao sao điểm điểm đục đục có có ý ý nghĩa nghĩa với với CHĐBM? CHĐBM?
Loại
Loại nào nào bị bị tác tác động động nhiều nhiều nhất nhất? ?
67
SV
SV chuẩn chuẩn bị bị trong trong 5 5 phút phút sau sau khi khi xem xem thí thí nghiệm nghiệm
HLB:
68
The The hydrophilic hydrophilic lipophilic lipophilic balance balance of of
a surfactant is is a a measure measure of of the the degree degree to
to which which it it is is hydrophilic or lipophilic ,, determined
determined by by calculating calculating values values for for the
the different different regions regions of of the the molecule, molecule, as
as described described by by Griffin Griffin in in 1949 1949 and and 1954
1954
Other Other methods methods have have been been suggested, suggested, notably
notably in in 1957 1957 by by Davies Davies
Griffin's method for non
Griffin's method for non ionic surfactants ionic surfactants
as described in 1954 works as follows
69
Where
Where MMhisis thethemolecularmolecular massmassofof thethe hydrophilichydrophilic
portion
portion ofof thethe molecule,molecule, andand MM isis thethe molecularmolecular
mass
mass ofof thethe wholewhole molecule,molecule, givinggiving aa resultresult onon aa
scale
scale ofof 00 toto 2020
An
An HLBHLB valuevalue ofof 00 correspondscorresponds toto aa completelycompletely
lipophilic
lipophilic/hydrophobic/hydrophobic molecule,molecule, andand aa valuevalue ofof 2020
corresponds
corresponds toto aa completelycompletely hydrophilic/hydrophilic/lipophobiclipophobic
molecule
molecule
The HLB value can be used to predict the surfactant properties of a molecule:
70
72
Các Các tính tính chất chất của của các các chất chất hoạt hoạt động động bề bề mặt mặt liên liên quan quan đến mối mối tương tương quan quan giữa giữa phần phần ái ái nước nước và và phần phần kỵ kỵ nước
nước
Nếu Nếu phần phần ái ái nước nước tác tác dụng dụng mạnh mạnh hơn hơn phần phần kỵ kỵ nước nước thì thì chất
chất hoạt hoạt động động bề bề mặt mặt dễ dễ hòa hòa tan tan trong trong nước nước hơn, hơn, ngược
ngược lại lại nếu nếu phần phần kỵ kỵ nước nước tác tác dụng dụng mạnh mạnh hơn hơn phần phần ái ái nước
nước thì thì chất chất hoạt hoạt động động bề bề mặt mặt dễ dễ tan tan trong trong pha pha hữu hữu cơ cơ hơn
hơn
Từ Từ đó đó dựa dựa vào vào mối mối tương tương quan quan giữa giữa phần phần kỵ kỵ nước nước và và ái ái nước
nước mà mà chất chất hoạt hoạt động động bề bề mặt mặt được được sử sử dụng dụng vào vào các các mục
mục đích đích khác khác nhau nhau