TÍNH CHẤT CỦA HỆ KEO
3.1 TÍNH CHẤT ĐỘNG HỌC CỦA HỆ KEO
Khi quan sát hệ keo dưới kính hiển vi tụ quang nền đen, người ta thấy những chấm sáng lấp lánh và chuyển động hỗn loạn theo mọi hướng trong thị trường quan sát, đó là chuyển động Brown của hạt keo.
Chuyển động Brown không phải do sự xuất hiện của dòng đối lưu hoặc do sự có mặt của trường lực bên ngoài mà do chuyển động nhiệt gây ra. Trong hệ keo, do chuyển động nhiệt những phân tử của dung môi luôn chuyển động hỗn loạn va đập vào các hạt keo theo những hướng khác nhau. Hợp lực của các lực do những va chạm đó, đã làm cho hạt keo chuyển động theo những hướng bất kỳ. Tùy theo kích thước, hình dạng hạt keo mà mức độ chuyển động Brown sẽ khác nhau.
Hình 3.1. Chuyển động Brown của tiểu phân keo
Gọi là khoảng cách mà hạt keo đã di chuyển trong thời gian t. độ lớn đặc trưng cho khả năng chuyển động Brown của hệ keo.
Einstein đã nghiên cứu chuyển động Brown liên quan tới sự khuếch tán theho phương trình sau:
(3.1)
Trong đó D: là hệ số khuếch tán; t: thời gian di chuyển của hạt keo
D
Trong thực nghiệm người ta xác định của một hệ keo cụ thể nhờ kính siêu hiển vi và có thể tính ra hệ số khuếch tán D của hệ.
3.1.2. Sự khuếch tán của hệ keo
Khuếch tán là sự di chuyển của vật chất từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp do chuyển động nhiệt. Sự khuếch tán là quá trình tự diễn biến xảy ra với entropy tăng và không thuận nghịch.
3.1.2.1. Công thức khuếch tán của Fick
Năm 1855, Fick đưa ra định luật thứ I: biểu thị lượng chất khuếch tán (dm) di chuyển qua diện tích S đặt vuông góc với chiều khuếch tán trong thời gian dt theo công thức sau:
Lượng chất khuếch tán: dm DdC
dx.Sdt (3.2)
Ta thấy, lượng chất khuếch tán (dm) tỉ lệ thuận với thời gian dt, diện tích S và gradient nồng độ theo khoảng cách dC/dx.
- dm: lượng vật chất chuyển qua một tiết diện ngang S trong thời gian dt.
- dC
dx : gradient nồng độ dC dx 0 - D: hệ số khuếch tán
Tốc độ khuếch tán:
Là lượng chất khuếch tán trong một đơn vị thời gian
v dm
dt D.S.dC dx
Dòng khuếch tán:
Là tốc độ khuếch tán qua một đơn vị diện tích. Khi đó dòng khuếch tán I được viết như sau:
dm dC
i (3.3)
Sdt dx 3.1.2.2. Phương trình khuếch tán của Einstein
Trong quá trình nghiên cứu, năm 1908 Einstein đã đưa ra phương trình cho thấy mối liên quan giữa hệ số khuếch tán D, nhiệt độ môi trường, độ nhớt của môi trường và kích thước hạt được thiết lập theo công thức sau:
D kT (3.4)
6 r r: bán kính hạt cầu
η : độ nhớt của môi trường
VN mRT
ν.RT
k: hằng số phụ thuộc hay hằng số Boltzmann, k R N
N: hằng số Avogadro
Ta thấy hệ số khuếch tán D tỷ kệ thuận với nhiệt độ T, tỷ lệ nghịch với độ nhớt và kích thước hạt. vì kích thước hạt keo lớn hơn kích thước phân tử rất nhiều. do đó hệ keo có hệ số khuếch tán nhỏ. Điều này đã khiến cho Graham trước đây kết luận nhằm trong hệ keo không có sự khuếch tán.
Phương trình Einstein có thể dùng để xác định kích thước hạt cũng như trọng lượng phân tử, nếu biết được T, η , k và D.
r kT
6πηD (3.5)
Như vậy về ý nghĩa thì dòng khuếch tán là lượng vật chất khuếch tán ngang qua một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian.
Hệ số khuếch tán tỷ lệ nghịch với bán kính hạt và độ nhớt của môi trường. hạt có kích thước càng lớn thì hệ sự khuếch tán càng chậm. Hệ keo và dung dịch cao phân tử có khả năng khuếch tán chậm.
Sự khuếch tán dừng lại, khi nồng độ vật chất ở các nơi trong hệ là nhưnhau.
Có nghĩa không có sự chênh lệch nồng độ thì không còn khuếch tán.
Trong thực tế, khi nồng độ đã được san bằng giữa các điểm khác nhau thì chuyển động Brown vẫn luôn xảy ra. Vì thế, trong một thể tích nhỏ vẫn có hiện tượng sai lệch nồng độ khỏi giá trị cân bằng. Người ta gọi đó là sự dao động nồng độ. Sự dao động nồng độ là hiện tượng ngược với sự khuếch tán, mặc dù cả hai đều do chuyển động nhiệt quyết định.
Nhưng sự dao động nồng độ là sự chênh lệch nồng độ của vật chất khỏi giá trị trung bình trong một thể tích nhỏ. Còn sự khuếch tán là sự di chuyển san bằng nồng độ ở một thể tích lớn.
3.1.3. Áp suất thẩm thấu
Áp suất thẩm thấu π của một dung dịch keo loãng có thể tính theo phương trình sau:
W
π (3.6)
W: khối lượng chất tan
m: khối lượng của một hạt keo
V M.RT
CRT W m : số lượng hạt keo
N: hằng số Avogadro
W
m.N: số mol hạt keo
V: thể tích dung dịch keo
ν : nồng độ mol hạt keo
Phương trình này tương tự phương trình Van’t Hoff để tính áp suất thẩm thấu của dung dịch thực:
W
π (3.7)
W: khối lượng chất tan
M: trọng lượng phân tử của chất tan W M : số mol chất tan
V: thể tích dung dịch C: nồng độ mol chất tan
Như vậy phương trình động học phân tử tính áp suất thẩm thấu của dung dịch thực giống phương trình tính áp dụng cho hệ keo, khi đó số mol chất tan thay cho số mol hạt keo.
3.1.3.1. Đặc điểm thứ nhất của áp suất thẩm thấu
Khi khảo sát hệ keo người ta nhận thấy, áp suất thẩm thấu của hệ keo rất bé và không hằng định so với dung dịch thực.
Nguyên nhân hệ keo có áp suất thẩm thấu bé là vì:
Giảsửhaihệkeocóápsuất thẩmthấu π1 và π2 ởcùngnhiệtđộ, tacó:
π1 ν1RT và π2 ν2RT chiahaivếtacó π1 π2
ν1
ν2
Với cùng nồng độ khối lượng, nếu hệ keo có kích thước hạt nhỏ thì tạo ra nhiều hạt keo. Khi đó nồng độ mol hạt keo sẽ lớn nên áp suất thẩm thấu của hệ lớn.
Như thế áp suất thẩm thấu không phụ thuộc vào bản chất của chất tan, chỉ phụ thuộc vào kích thước hạt hay độ phân tán.
Đối với dung dịch thực, pha phân tán chứa các hạt có kích thước rất nhỏ so với kích thước hạt keo. Do đó với cùng nồng độ khối lượng, dung dịch thực có áp suất lớn hơn hệ keo rất nhiều.
3.1.3.2. Đặc điểm thứ hai của áp suất thẩm thấu
Áp suất thẩm thấu của hệ keo không hằng định vì hệ keo không bền về mặt nhiệt động học, khi để lâu nồng độ hạt bị giảm do hiện tượng keo tụ (là hiện tượng các hạt nhỏ nhập lại với nhau thành các hạt lớn lắng xuống).
Vậy áp suất thẩm thấu của hệ keo thường giảm dần theo thời gian.
Theo phương pháp xác định áp suất thẩm thấu cho thấy hệ keo có áp suất thẩm thấu rất nhỏ so với dung dịch thực.
Điều rất quan trọng là khi xác định áp suất thẩm thấu của hệ keo ta cần tinh chế keo cho thật sạch, tức là loại bỏ ion các chất điện ly ảnh hưởng đến áp suất thẩm thấu của hệ keo.
3.1.4. Sự sa lắng
Sự sa lắng là hiện tượng các hạt của hệ phân tán như hệ thô, hỗn dịch,… lắng dần xuống đáy do sức hút của trọng trường.
Những hệ phân tán có kích thước tiểu phân đủ lớn thì sẽ sa lắng nhanh, khi đó dựa vào phân tích sa lắng, ta dễ dàng xác định kích thước hạt phân tán.
Trong môi trường phân tán, hạt keo bị tác động bởi hai lực:
Trong lực tác động vào hạt keo và lực ma sát, khi hai lực cân bằng nhau hạt keo lơ lửng, hệ bền. Hạt keo sa lắng là do tác động của trọng lực đã thắng lực cản là lực ma sát.
- Trọng lực tác động vào hạt keo là: P = mg
Trong môi trường phân tán : P = mg = v(d-d0)g v: thể tích hạt keo.
d: khối lượng riêng hạt keo.
d0: khối lượng riêng của môi trường phân tán.
g: gia tốc trọng trường
- Lực ma sát chống lại sự sa lắng của hạt keo là Fms = B.V B: hệ số ma sát giữa hạt và môi trường (ta có B 6. . .r ) V: tốc độ sa lắng của hạt keo
r: bán kính hạt keo
η : độ nhớt của môi trường
Lúc đầu hạt sa lắng với một vận tốc nào đó do trọng lực thắng lực ma sát. Theo mức độ tăng của tốc độ chuyển động, lực ma sát cũng tăng theo, tới một thời điểm hai lực này bằng nhau, hạt chuyển động sa lắng đều.
Lúc đó P = Fms
v(d – do)g = B. V V v(d do)g B
2(d do)g 2
. .
Khi đó :
V 9 .r (3.8)
Tốc độ sa lắng của hạt tỷ lệ thuận với bình phương bán kính.
Nếu r càng lớn, sa lắng xảy ra càng nhanh.
Ngược lại khi r bé, sự sa lắng xảy ra càng chậm. Nếu r giảm nhiều có thể xảy ra hiện tượng không sa lắng, được gọi là độ bền động học.
Chuyển động Brown, sự khuếch tán, độ nhớt của môi trường là yếu tố làm cho sa lắng giảm, độ bền động học của hệ tăng.
Muốn sa lắng nhanh, phải phá vỡ độ bền động học. Người ta đưahệ keo vào máy ly tâm. Nhờ lực ly tâm với gia tốc lớn gấp hàng chục vạn lần gia tốc trọng trường, khi đó tốc độ sa lắng của hạt sẽ tăng nhanh.
Gia tốc ly tâm được tính theo công thức: g ω2.x (3.9)
ω : là tốc độ góc ω = 1,18.10-5 n2
Với n là số vòng quay trong một phút (rpm)
x: là khoảng cách từ trục quay tới hạt ly tâm (cm), g càng lớn thì sự sa lắng càng nhanh
Ở những máy siêu ly tâm số vòng quay rất lớn tới hàng chục vạn vòng trên phút. Khi đó người ta có thể tách những hạt phân tán có kích thước nhỏ ra khỏi nhau dễ dàng bằng lực ly tâm.
Ví dụ: dùng máy siêu ly tâm tách microsom, mitochondria từ dịch đồng thể của tế bào trong các xét nghiệm sinh học.
Người ta có thể dựa vào sự sa lắng để xác định bán kính hạt keo hoặc các hạt thô. Phương pháp dựa vào kết quả đo thông số trong quá trình sa lắng để xác định kích thước hạt keo. Gọi là phép phân tích sa lắng.
r ( 9
2(d do)g V )1/2 k V1/2 (3.10)
k: hệ số phụ thuộc vào bản chất và nhiệt độ của hệ. Với một hệ xác định
T0 = const thì k là hằng số
Để đo r chỉ cần xác định tốc độ sa lắng V.
Đối với hệ đơn phân tán, có thể xác định trực tiếp V bằng cách đo đoạn đường H mà hạt rơi được trong thời gian t :
V H
t
Đối với hệ đa phân tán, việc xác định tốc độ sa lắng phức tạp hơn, vì các hạt sa lắng với những tốc độ khác nhau tùy theo kích thước của hạt keo. Khi đó người ta phải
xây dựng đường cong sa lắng cho mỗi loại hệ keo. Trên cơ sở đó xác định kích thước mỗi loại hạt riêng rẽ.