CÁC HIỆN TƯỢNG BỀ MẶT
6.1. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN
Sức căng bề mặt (SCBM) của chất lỏng là năng lượng tự do trên một diện tích bề mặt, là công cần thiết để làm tăng bề mặt lên diện tích nhất định.
Xét bề mặt phân cách hai pha lỏng – khí. Các phân tử A ở trong lòng chất lỏng chịu những lực tương tác của các phía lỏng – lỏng bằng nhau. Còn các phân tử B ở lớp bề mặt thì lực tương tác các phân tử lỏng – khí nhỏ hơn lỏng – lỏng. Vì thế các lực tác dụng vào phân tử B kéo B hướng vào lòng chất lỏng gây nên sức căng bề mặt trên chất lỏng B.
Hình 6.1. Lực tương tác giữa các phân tử bề mặt và các phân tử trong lòng chất lỏng.
Thí nghiệm: từ thanh M’N’ nếu kéo căng đến MN ta tạo được một màng chất lỏng trên khung MNM’N’. Ta đã tạo được một năng lượng dư trên bề mặt trên khung MNM’N’ do đó màng có xu hướng giảm diện tích bề mặt bằng cách keo thanh MN di động về phía M’N’.
ζ.dS
Hình 6.2. Dụng cụ làm tăng bề mặt màng chất lỏng.
Nếu tác dụng một lực F vào thanh MN, để làm giảm sự kéo căng bề mặt màng chất lỏng đến vị trí M’N’ thì lực F có công bằng với năng lượng dư bề mặt.
Như thế, ta đã phải tiêu tốn một công để chống lại sự co kéo của bề mặt, công đó bằng độ tăng của năng lượng dư bề mặt dGs.
Ngoài ra, công này dùng để thắng lực tương tác giữa các phân tử bề mặt nên công cũng tỷ lệ với độ tăng diện tích tiếp xúc.
Ta có:
W dGs (6.1) Trong đó ζ là hệ số tỉ lệ được gọi là sức căng bề mặt (SCBM)
Khi dS 1 dG s ζ
Nên có thể nói SCBM là năng lượng tạo ra trên một đơn vị bề mặt.
Như vậy SCBM là năng lượng tự do nằm trên một diện tích bề mặt 1cm2, là công cần thiết để làm tăng diện tích bề mặt lên diện tích nhất định 1cm2.
Thứ nguyên của SCBM là erc/cm2 (1erc = dyn.1cm) vậy:
SCBM = erc.cm-2 SCBM = dyn.cm-1
Bảng 6.1. Sức căng bề mặt một số hợp chất hóa học
p2 1 1 k
Trên bề mặt lỏng – khí, nước có sức căng bề mặt là 72,75 erc/cm2, ở 18 -20 C.
Thủy ngân co SCBM là 485 erc/cm2, còn huyết thanh người là từ 46 – 47 erc/cm2. Khi tăng nhiệt độ thì SCBM giảm.
Ở nhiệt độ tới hạn, bề mặt phân chia lỏng – hơi biến mất thì SCBM = 0.
5.1.2. Áp suất hơi bão hòa trên bề mặt chất lỏng
Có hai giọt chất lỏng bán kính r1 và r2, áp suất hơi bão hòa trên hai gioit5 chất lỏng này là p1 và p2, để đơn giản, ta coi hơi là khí lý tưởng thì áp suất hơi bão hòa và bán kính hai giọt chất lỏng liên quan theo phương trình sau:
ln (6.2)
p1 r2 r1
Nếu r1 > r2 thì p2 > p1. Khi thay giọt chất lỏng một bằng bề mặt phẳng tức r1 thì p1 = pphẳng và p2 vẫn là plồi. Khi đó liên quan giữa áp suất hơi trên bề mặt phẳng có tương quan sau:
(6.3)
Như vậy, áp suất hơi bão hòa trên bề mặt phẳng luôn nhỏ hơn áp suất hơi bão hòa ở trên bề mặt lồi (r > 0).
Áp suất hơi bão hòa trên bề mặt lõm (r < 0) luôn nhỏ hơn áp suất hơi bão hòa trên bề mặt phẳng.
TT Chất lỏng Nhiệt độ ( C) SCBM ζ (erc/cm )2
1 Ethanol 20 21,6
2 Benzene 20 28,9
3 Glycerin 20 66,0
4 Nước 20 72,75
5 Thủy ngân 20 485
6 Hydro -252 2
7 Oxy -198 17
8 Thiếc 900 510
9 Vàng 1200 1120
6.1.2.1. Hiện tượng mao dẫn
Trường hợp nhúng những mao quản thủy tinh trong nước thì có hiện tượng nước dâng lên bên trong mao quản một khoảng có chiều cao là h. Ngấn mép nước trong mao quản luôn có dạng lõm, do áp suất hơi bão hòa ở bề mặt lõm luôn nhỏ hơn áp suất hơi bão hòa ở bề mặt phẳng.
Hình 6.3. Mao quản thủy tinh nhúng trong nước p1 < p2.
6.1.2.2. Hiện tượng ngưng tụ mao quản
Vì áp suất hơi bão hòa ở mao quản hẹp luôn nhỏ hơn áp ở mặt phẳng, cho nên nhiều khi hơi vẫn chưa đạt bão hòa hoặc quá bão hòa ở bề mặt phẳng, nhưng có thể bão hòa hoặc quá bão hòa đối với pha lỏng nằm trong mao quản hẹp nghĩa là nước có thể sẽ đọng lại trong mao quản, quá trình này gọi là hiện tượng ngưng tụ mao quản. Từ đó suy ra: sự ngưng tụ hơi ở mao quản hẹp xảy ra sớm hơn ở mao quản lớn.
Hiện tượng ngưng tụ mao quản là cơ sở của hiện tượng hấp phụ hơi nước ở những mao quản hẹp và các lỗ xốp của các chất hấp phụ xốp như silicsgel và các chất hút ẩm.
6.1.3. Hiện tượng thấm ướt bề mặt
Khi một chất lỏng tiếp xúc với bề mặt rắn ta có hiện tượng sau:
- Nếu chất lỏng bao phủ toàn bề mặt rắn gọi là sự thấm ướt hoàn toàn.
Ví dụ: nhỏ vài giọt nước trên bề mặt rắn bóng sạch, nước sẽ bao phủ bề mặt rắn.
Ta có sự thấm ướt hoàn toàn.
- Ngược lại, khi chất lỏng tụ lại thành những giọt dày trên bề mặt rắn, ta gọi đó là sự thấm ướt không hoàn toàn.
- Nếu chất lỏng tạo thành những hạt hình cầu trên bề mặt rắn thì đó là sự không thấm ướt, giống nhưgiọt thủy ngân trên bề mặt rắn.
ζk ζl
cosθ (6.4)
Quan sát lực tương tác giữa các phân tử rắn – lỏng, khí – rắn và lỏng – khí mà ta thấy hiện tượng thấm ướt với các mức độ khác nhau.
Khi chất lỏng tiếp xúc với bề mặt rắn tạo những góc khác nhau được gọi là góc thấm ướt .
θ < 90 θ = 90 θ > 90
Hình 6.4. Những trường hợp thấm ướt không hoàn toàn
1: Pha lỏng 2: Pha khí 3: Pha rắn
Tại điểm A là điểm tiếp xúc của pha lỏng (1), khí (2), rắn (3). Có 3 lực tương tác:
- - -
ζl k:lực căngbềmặtlỏng–khí.
ζr k:lựccăngbềmặtrắn–khí.
ζr l:lựccăngbềmặtrắn–lỏng.
Ba lực này nằm ở 3 vector tương ứng với tiếp tuyến của chất lỏng và các bề mặt phân chia.
Khi gócthấmướt ổn định,hailực ζk-rvà ζl-rtácdụnglênbề mặtvật rắncó phươngđốinhau.Lực ζl ktạovới bềmặtvậtrắnmột góc .Vìvậytacó:
ζk r ζl r ζl k.cosθ
Suy ra: r r
ζl k
Cos đặc trưng cho khả năng thấm ướt bề mặt.
Vì góc biến đổi từ 0 - 180 nên cos biến thiên từ 1 đến -1.
Chất lỏng thấm ướt hoàn toàn khi hay cos = 1 và hoàn toàn không thấm ướt khi = 180 hay cos = -1. Do đó, cos càng lớn thì chất lỏng càng dễ thấm ướtbề mặt,muốncos lớnthì ζk r phải lớnvà ζl r phải nhỏ.
Những bề mặt thấm ướt tốt (cos > 0) gọi là bề mặt ưa lỏng, trái lại bề mặt có cos < 0 gọi là bề mặt kỵ lỏng.
Thấm ướt là quá trình làm giảm năng lượng tự do ở hệ có 3 pha tiếp xúc, sự thấm ướt tốt khi chất lỏng chảy lan bao bề mặt rắn.
Nhưthế, thấm ướt là quá trìnhthay bề mặt có SCBM lớn (ζr-k) bằng bề mặt có SCBM nhỏ hơn (ζl r), quá trìnhthấm ướt làm giảmnăng lượng tự do bề mặt nên quá trình đó là tỏa nhiệt.
Những bề mặt thấm ướt gọi là bề mặt ưalỏng, bề mặt không thấm ướt gọi là bề mặt kỵ lỏng. Ta có thể chuyển một bề mặt từ kỵ lỏng sang ưalỏng và ngược lại bằng cách đưa vào hệ những tác nhân thấm ướt (thường là chất HĐBM).
Tác nhân thấm ướt là chất có khả năng làm giảm lực căng bề mặt của dung dịch xuống dưới lực căng bề mặt của chất rắn.
Hiện tượng thấm ướt được ứng dụng nhiều trong thực tế để điều chế, bảo vệ hệ keo, nhũ tương thuốc, tuyển nổi quặng và kỹ nghệ nhuộm màu.
6.1.4. Sức căng bề mặt của dung dịch chất tan
6.1.4.1. Chất tan trong dung dịch là chất không hoạt động bề mặt
Trong dung dịch, sự phân bố chất tan trong dung môi và nồng độ chất tan đó ảnh hưởng rất lớn tới sức căng bề mặt của hệ.
Nếu chất tan phân ly trong dung dịch, các ion chất điện ly tương tác với các phân tử dung môi tạo nên hiện tượng solvat hóa. Trong nước các ion này bị hydrat hóa mạnh, nghĩa là chúng bị các phân tử dung môi kéo sâu vào trong lòng dung dịch. Kết quả, lượng chất tan ở bề mặt nhỏ hơn trong lòng dung dịch như thế sức căng bề mặt
củadungdịchlớn hơn sức căng bềmặtcủadung môi nguyên chất(ζdd ζdm).
Nếu chất tan không điện ly và không bị solvate hóa mạnh thì chất tan sẽ phân bố ở lớpbềmặt và trong lòng dungdịch nhưnhau,khi đó ζdd ζdm.
Ví dụ: khi hòa tan đường Saccaroza vào trong nước thì SCBM dung dịch và dung môi hầu như không thay đổi.
Trong hai trường hợp trên: chất tan làm tăng chút ít SCBM của dung dịch hoặc không làm thay đổi SCBM của dung dịch, người ta gọi chúng là chất không hoạt động bề mặt.
6.1.4.2. Chất tan trong dung dịch là chất hoạt động bề mặt
Một số chất hữu cơ có cấu tạo gồm hai phần: Gốc hydrocacbua và các nhóm chức: -NO2, -COOH, -OH, -SO3H.
Do các gốc hydrocacbon kỵ nước tức là không tương tác hoặc tương tác yếu với nước . Nên sự có mặt của chúng ở trong nước đã làm yếu tương tác giữa các phân tử trong dung môi này. Lúc này, chất tan thường tập trung và tích tụ ở lớp bề mặt nhiều hơn trong lòng dung dịch. Vì thế, SCBM của dung dịch nhỏ hơn SCBM của dungmoitinhkhiết(ζdd ζdm).
Người ta gọi những chất này là chất HĐBM. Ký hiệu chất hoạt động bề mặt
a: Những phân tử có phần thân dầu chiếm ưu thế b: Những phân tử có cân bằng dầu – nước như nhau c: Những phân tử có phần thân nước chiếm ưu thế Hình 6.5. Tương quan thân dầu – nước của chất HĐBM
Ký hiệu chất HĐBM gồm vòng tròn tương ứng cho nhóm phân cực thân nước, còn nét đậm gạch dài là gốc R thân dầu.
Tùy theo độ dài của mạch hydrocacbon và bản chất các nhóm chức có tính thân nước khác nhau mà các chất này phân bố trong dung dịch ở những vị trí nhất định nào đó.
Trong môi trường có 2 pha dầu – nước, phần gốc R của chất HĐBM nằm ở pha dầu và phần thân nước (nhóm chức) nằm ở pha nước.
Các chất HĐBM đều có khả năng tập trung ở bề mặt ngăn cách pha và làm giảm SCBM của dung dịch.
Khả năng làm giảm SCBM của dung dịch nhiều hay ít phụ thuộc nồng độ chất HĐBM và chiều dài mạch cacbon của gốc R.
Biểu diễn sự phụ thuộc của SCBM dung dịch vào nồng độ chất tan trong dung dịch, được nêu ở hình 6.7 sự thay đổi SCBM nồng độ chất tan
Hình 6.6. Sự phân bố của chất HĐBM trong dung dịch.
Khả năng làm giảm SCBM của chất HĐBM trong dung dịch phụ thuộc vào chiều dài và số lượng mạch hydrocacbon và được gọi là hoạt tính bề mặt.
1. Chất điện ly 2. Dung môi tinh khiết 3. Chất HĐBM Hình 6.7. Sự thay đổi SCBM theo nồng độ chất tan trong dung dịch.
Năm 1884, traube đã tìm ra qui tắc thực nghiệm như sau:
Ở nồng độ thấp, khi khảo sát dung dịch của các acid béo có cùng một dãy đồng đẳng, nếu thêm một nhóm –CH2 vào mạch hydrocacbon thì hoạt tính bề mặt sẽ tăng khoảng 2 đến 3 lần.
Sau này, người ta thấy qui tắc Traube về hoạt tính bề mặt cũng đúng cho cả các chất HĐBM có nhóm chức là amin và rượu.