Các hiện tượng bề mặt hấp phụ

HỆ PHÂN TÁN 3 CÁC HIỆN TƯỢNG BỀ MẶT 3 1 Các khái niệm cơ bản 3 1 1 Sức căng bề mặt của chất lỏng 3 1 2 Mao dẫn – Ngưng tụ mao quản 4 1 3 Hiện tượng thấm ước bề mặt 5 1 4 Sức căng bề mặt của dung dịch.

HỆ PHÂN TÁN CÁC HIỆN TƯỢNG BỀ MẶT Các khái niệm 1.1 Sức căng bề mặt chất lỏng 1.2 Mao dẫn – Ngưng tụ mao quản 1.3 Hiện tượng thấm ước bề mặt 1.4 Sức căng bề mặt dung dịch chất tan Phân loại chất hoạt động bề mặt 2.1 Chất hoạt động bề mặt loại anion 2.2 Chất hoạt động bề mặt cation 2.3 Các chất hoạt động bề mặt không phân ly thành ion Ứng dụng chất hoạt động bề mặt 3.1 Khả tạo mixen .8 3.2 Tác nhân nhũ hóa thấm ướt chất hoạt động bề mặt .10 SỰ HẤP PHỤ 12 Một số khái niệm định nghĩa .12 1.1 Hấp phụ 12 1.2 Độ hấp phụ 13 1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hấp phụ .13 1.4 Phân loại .14 1.5 Tốc độ hấp phụ .15 Sự hấp phụ chất khí bề mặt rắn: dựa vào thuyết hấp phụ .15 2.1 Thuyết hấp phụ Langmuir (hấp phụ đơn lớp bề mặt đồng nhất) 15 2.2 Thuyết hấp phụ Freundlich, Temkin (hấp phụ đơn lớp bề mặt không đồng nhất) .16 2.3 Thuyết hấp phụ Brunauer, Emmet, Teller (BET) (hấp phụ nhiều lớp bề mặt đồng nhất) .16 2.4 Ứng dụng hấp phụ chất khí bề mặt rắn 16 Hấp phụ chất tan (khơng ion hóa) bề mặt rắn .17 Hấp phụ chất tan bề mặt rắn 17 4.1 Hấp phụ phân tử 17 4.2 Phương pháp xác định số phương trình hấp phụ Freundlich 17 4.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hấp phụ .18 4.4 Ứng dụng hấp phụ phân tử 18 Sự hấp phụ chất điện ly .19 5.1 Bán kính ion 19 5.2 Điện tích ion 19 5.3 Hấp phụ chọn lọc 19 Sự hấp phụ trao đổi ion .20 6.1 Định nghĩa 20 6.2 Đặc điểm hấp phụ trao đổi ion .20 6.3 Dung lượng trao đổi ion 20 6.4 Ứng dụng nhựa trao đổi ion 21 HỆ PHÂN TÁN Hệ phân tán hệ có nhiều cấu tử tồn dạng hạt nhỏ bé (gọi chất phân tán) phân bố vào chất khác gọi môi trường phân tán Trong hệ, pha trạng thái chia nhỏ gọi pha phấn tán phân bố pha có tính liên tục gọi trường phân tán Những hệ phân tán có kích thước hạt vài micron gọi hệ vi dị thể Hệ phân tán hệ khơng nhìn thấy mắt nhìn rõ kính hiển vi, chúng có nhiều tính chất giống tính chất hệ keo Những hệ có kích thước hạt nhỏ hệ keo gọi hệ siêu vi thể, hạt phân tán khơng nhìn thấy kính hiển vi thường Khi pha phân tán phân bố môi trường tạo thành hệ đồng nhất, ko có bề mặt phân cách gọi hệ phân tán đồng thể Kích thước < 1nm Hệ phân tán dị thể hệ có cấu tạo từ pha trở lên, pha không đồng với Giữa pha phân tán môi trường phân tán có bề mặt phân chia pha Kích thước > 1nm Có tượng bề mặt CÁC HIỆN TƯỢNG BỀ MẶT Các khái niệm 1.1 Sức căng bề mặt chất lỏng Là lượng tự diện tích bề mặt, cơng cần thiết để làm tăng bề mặt lên diện tích định Sức căng bề mặt lượng tự nằm diện tích bề mặt cm2, công cần thiết để làm tăng bề mặt lên diện tích định cm2 W = dGs = .dS Trong đó: ,  T: sức căng bề mặt dG: lượng dư bề mặt dS: độ tăng diện tích bề mặt * Các yếu tố ảnh hưởng đến sức căng bề mặt - Sức căng bề mặt phụ thuộc vào lực tương tác phân tử, phụ thuộc vào bề mặt tiếp xúc - Sức căng bề mặt phụ thuộc vào nhiệt độ + Đối với chất lỏng, nhiệt độ tăng sức căng bề mặt giảm + Ở nhiệt độ tới hạn k bề mặt phân chia, sức căng bề mặt = - Sức căng bề mặt phụ thuộc vào chất tan + Chất không hoạt động bề mặt:  Nếu chất phân ly thành ion: lực tương tác tăng  sức căng bề mặt tăng  Nếu chất k phân ly thành ion: lực tương tác không thay đổi  sức căng bề mặt k thay đổi + Chất hoạt động bề mặt: chất (cấu tạo phần thân nước phần thân dầu) tập trung bề mặt phân chia pha  lực tương tác giảm  sức căng bề mặt giảm Kim loại > H2O > dung mơi hữu > khí 1.2 Mao dẫn – Ngưng tụ mao quản 1.2.1 Hiện tượng mao dẫn Hiên tượng mức chất lỏng bên ống có đường kính nhỏ ln ln dâng cao hạ thấp so với bề mặt chất lỏng bên ống Thấm ướt tượng gia tăng diện tích tiếp xúc bề mặt pha Không thấm ướt tượng giảm diện tích tiếp xúc bề mặt pha 1.2.2 Hiện tượng ngưng tụ mao quản Ngưng tụ mao quản trình chuyển từ thể sang thể lỏng mao quản điều kiện đẳng nhiệt * Đặc điểm tượng ngưng tụ mao quản: - Chỉ xảy với chất lỏng thấm ước thành mao quản - Gắn liền với khái niệm tượng mao dẫn - Bản chất hấp phụ - Mao quản hẹp xảy sớm mao quản rộng 1.3 Hiện tượng thấm ước bề mặt Là phân bố bề mặt pha rắn-lỏng-khí cho lượng toàn phân bề mặt nhỏ  = 180o: khơng thấm ước hồn tồn 90o   < 180o: không thấm ướt  < 90o: thấm ướt  = 0o: thấm ướt hoàn toàn Khi chất lỏng tiếp xúc với bề mặt rắn tạo góc khác gọi góc thấm ướt  * Bản chất thấm ướt: - Hiện tượng chất lỏng thấm ướt chất rắn: lực tương tác phân tử lỏngrắn lớn lực liên kết phân tử chất lỏng - Hiện tượng chất lỏng không thấm ướt chất rắn: lực tương tác phân tử lỏng-rắn nhỏ lực liên kết phân tử chất lỏng Thấm ướt trình làm giảm lượng tự bề mặt, giảm sức căng bề mặt (xảy hệ có pha tiếp xúc rắn-lỏng-khí) Muốn chuyển từ bề mặt kỵ lỏng (ko thấm ướt) trở thành bề mặt ưa lỏng (thấm ướt) phải đưa vào hệ tác nhân thấm ướt (chất hoạt động bề mặt) Chất hoạt động bề mặt (tác nhân nhũ hóa thấm ướt) chất có khả tập trung bề mặt phân chia pha làm giảm sức căng bề mặt chất lỏng xuống sức căng bề mặt lỏng-rắn (hoặc làm giảm sức căng bề mặt chất lỏng xuống sức căng bề mặt lỏng-lỏng) 1.4 Sức căng bề mặt dung dịch chất tan 1.4.1 Chất tan dung dịch chất không hoạt động bề mặt Trong dung dịch, phân bố chất tan trogn dung môi nồng độ chất tan ảnh hưỡng lớn tới sức căng bề mặt hệ - Chất tan chất phân ly ion: sức căng bề mặt dung dịch lớn sức căng bề mặt dung môi nguyên chất - Chất tan chất không phân phân ly: chất tan phân bố lớp bề mặt lịng dung dịch nhau, sức căng bề mặt dung dịch sức căng bề mặt dung môi  Chất không hoạt động bề mặt chất không làm thay đổi đáng kể làm tăng sức căng bề mặt dung môi 1.4.2 Chất tan dung dịch chất hoạt động bề mặt Q trình hóa tan chất tan chất hoạt động bề mặt Chất hoạt động bề mặt cấu tạo phần: đầu thân nước đuôi thân dầu Sức căng bề mặt dung dịch nhỏ sức căng bề mặt dung môi tinh khiết Các chất hoạt động bề mặt có khả tập trung bề mặt ngăn cách pha làm giảm sức căng bề mặt dung dịch Khả làm giảm sức căng bề mặt chất hoạt động bề mặt dung dịch phụ thuộc vào chiều dài số lượng mạch hydrocarbon, gọi hoạt tính bề mặt (độ hoạt động bề mặt) Độ hoạt động bề mặt biến thiên sức căng bề mặt theo nồng độ, ký hiệu: G G= Quy tắc Traube (1884): Chất hoạt động bề mặt acid béo dãy đồng đẳng tăng nhóm CH2 vào mạch hydrocarbon hoạt tính bề mặt tăng khoảng – lần Quy tắc chứng minh với nhóm chức amin rượu Phân loại chất hoạt động bề mặt Theo nguồn gốc chất hoạt động bề mặt chia làm loại: - Các chất hoạt động bề mặt có nguồn gốc tự nhiên đất sét, cao lanh, gôm, nhựa cây, lịng đỏ trứng, cholesterol  an tồn, độc tính - Các chất hoạt động bề mặt có nguồn gốc nhân tạo (tổng hợp), loại quan trọng có nhiều ứng dụng thực tế  có độc tính cao, loại chất hoạt động bề mặt phân làm dạng sau: 2.1 Chất hoạt động bề mặt loại anion Đây loại chất hoạt động bề mặt phân ly thành anion mơi trường hoạt động, loại kết hợp chất sau: 2.1.1 Xà phịng kim loại hóa trị I Là muối acid béo ion kim loại hóa trị I Trong môi trường hoạt động, muối phân ly thành anion có tác động Xà phịng Na thường gây kích ứng da chất nhũ hóa nhũ tương dầu nước 2.1.2 Xà phòng kim loại hóa trị II Là muối acid béo ion kim loại hóa trị II Trong mơi trường hoạt động, muối phân ly thành anion có tác động Xà phịng Ca thường gây kích ứng da chất nhũ hóa nhũ tương nước dầu 2.1.3 Muối sulfat alcol béo ion kim loại Điển hình loại natri lauryl sulfat: C12H25OSO3Na Hợp chất dễ tan nước, dễ tạo bọt (dùng kem đánh răng), dùng làm chất trợ tan, bền môi trường nước cứng 2.2 Chất hoạt động bề mặt cation Đây loại chất hoạt động bề mặt phân ly thành cation dương mơi trường hoạt động, ví dụ hợp chất sau: 2.2.1 Muỗi amoni bậc Phân tử chất có nhiều nhóm hydrocarbur gắn vào amin bậc 4, hịa tna nước hợp chất phân ly thành ion dương đóng vai trị hoạt động Chất hoạt động bề mặt loại dễ gây thấm, giúp bề mặt vi khuẩn dễ thấm chất sát khuẩn dễ bị tiêu diệt 2.2.2 Muối amin Là muối acid amin hữu cơ, hòa tan nước chất phân ly thành ion dương đóng vai trị chất hoạt động 2.2.3 Chất hoạt động bề mặt lưỡng tình 2.3 Các chất hoạt động bề mặt khơng phân ly thành ion Là hợp chất độc tính thấp, độ bền thích hợp, thường dùng nghành dược 2.3.1 Ester rượu đa chức acid béo Rượu đa chức bị ester hóa với acid béo hữu tạo thành mono ester ester nhiều lần diester, triester chất hoạt động bề mặt không phân ly thành ion Đây loại chất hoạt động bề mặt mà môi trường hoạt động khơng phân ly thành ion, ko kích ứng da thường dùng mỹ phẩm 2.3.2 Span Tween - Span: sản phẩm ester hóa sorbitan acid béo, trogn mt hoạt động khơng phân ly thành ion, có tác dụng nhũ hóa nhũ dịch nước dầu - Tween: sản phẩm ete hóa span lopioxietilen, mt hoạt động khơng phân ly thành ion, có tác dụng nhũ hóa nhũ dịch dầu nước Ứng dụng chất hoạt động bề mặt 3.1 Khả tạo mixen Có chế làm việc chất hoạt động bề mặt: - Làm việc theo chế xếp đơn lớp bề mặt phân chia pha (xảy C < CMC) - Hình thành micell (xảy C  CMC) Có loại micell: micell thuận (dầu nước) micell đảo (nước dầu) Khi nồng độ chất hoạt động bề mặt đặt giá trị tới hạn, chất hoạt động bề mặt tập trung lại thành cấu trúc micell Nồng độ tối thiểu dung dịch chất hoạt động bề mặt mà có hình thành micell gọi nồng độ micell tới hạn (CMC – Critical micelle concentration) Hình dạng kích thước cách xếp phân tử chất hoạt động bề mặt cấu trúc micell dựa nguyên tắc làm cho lương tự hệ nhỏ Kích thước micell thường vài chục đến vài trăm nanomet Các micell thường có cấu trúc hình cầu hay hình trụ Sự hình thành cấu trúc micell ước lượng thông số micell (CPP – Critical packing parameter) định: CPP = V/l.a  CPP  1/3  micell hình cầu  CPP =  micell kép  CPP >  micell đảo Độ cân ưa kỵ nước (HLB – Hydrophilic Lipophilic Balance) - Tính ưa kỵ nước chất hoạt động bề mặt (không phân ly thành ion) đặc trưng thông số độ cân ưa kỵ nước, giá trị từ – 20 (tính theo phương pháp Griffin) từ – 40 (tính theo Davies) - Cơng thức tính HLB theo Griffin: HLB = 20 Trong đó: Mh khối lượng phân tử phần thân nước M khối lượng phân tử chất hoạt động bề mặt - Bảng giá trị HLB tính chất chất hoạt động bề mặt: HLB Tính chất chất hoạt động bề mặt 0–6 Thân dầu 2–3 Tác nhân chống bọt 3–6 Tác nhân nhũ hóa (N/D) – 10 Tác nhân thấm ướt phân tán 7–9 Tác nhân thấm ướt, phân tán 10 – 20 Thân nước – 16 Tác nhân nhũ hóa (D/N) 13 – 15 Chất tẩy rửa 15 – 18 Tác nhân hòa tan (thân nước) - Giải thích chế chất hoạt động bề mặt theo HLB: + HLB 2-3: tác nhân chống bọt Khi chưng cất dịch chiết có dung môi phân cực, thường gặp tượng bọt Sử dụng chất HĐBM có HLB 4-8 chất thân dầu, không tan nước, tạo màng mỏng bề mặt, phá vỡ bọt + HLB 3-6: tác nhận nhũ hóa N/D Là chất hoạt động bề mặt thân dầu Làm giảm sức căng bề mặt pha Nước Dầu, giúp phân tán tiểu phân nước môi trường phân tán dầu + HLB 8-16: tác nhân nhũ hóa D/N Là chất hoạt động bề mặt thân nước Làm giảm sức căng bề mặt pha Dầu Nước, giúp phân tán tiểu phân dầu môi trường phân tán nước + HLB 13-15: chất tẩy rửa Là chất có khả nhũ hóa phân tán chất bần hữu thân dầu vào nước để thực vai trò tẩy rửa + HLB 7-9: tác nhân thấm ướt (gây thấm) Là chất HĐBM, có khả làm giảm sức căng bề mặt Rắn-lỏng để hòa tan chất rắn khó tan (thân dầu, sơ nước, hay kỵ nước) vào môi trường nước 3.2 Tác nhân nhũ hóa thấm ướt chất hoạt động bề mặt Nhũ hóa q trình phân tán pha dầu nước vào thành hệ phân tán có tiểu phân nhỏ, hệ đục trắng sữa Đặc điểm q trình nhũ hóa/ thấm ướt chất hoạt động bề mặt: - Tập trung bề mặt phân chia pha - Giảm sức căng bề mặt - Phân tán, hình thành nhũ tương/hỗn dịch Thành phần nhũ tương/hỗn dịch gồm chất lỏng không đồng tan - Một chất đóng vai trị pha nước chất đóng vai trị pha dầu Một chất đóng vai trò pha nội (tập hợp tiểu phân) chất đóng vai trị pha ngoại (mơi trường để phân tán) Lưu ý: Pha nội hay nhỏ pha ngoại - Chất hoạt động bề mặt: + Trong hệ nhũ tương  Chất nhũ hóa + Trong hỗn dịch  Tác nhân thấm ướt hay chất gây thấm 10 Điều kiện để hình thành nhũ tương/hỗn dịch: pha dầu pha nước với tỷ lệ thích hợp lực phân tán * Chất hoạt động bề mặt hoạt động hô hấp: Do tế bào biểu mô phế nang type tiết Bài tiết vào khoảng tháng thứ – bào thai Thành phần: - Hợp chất phospholipid, protein ion canxi - Quan dipalmitol phosphatidyl cholin: làm giảm sức căng bề mặt dịch lót phế nang (có thành phần nước mà nước có sức căng bề mặt lớn  tăng áp lực lên thành phế nang  ảnh hưởng đến tính đàn hồi phế nang) - Surfactant apoprotein ion canxi: giúp phospholipid trải rộng bề mặt lớp dịch lót phế nang  giúp đảm bảo tính đàn hồi trơn phế nang Nhiệm vụ: - Ảnh hưởng lên tính đàn hồi phổi - Ảnh hưởng lên ổn định phế nang - Ảnh hưởng lên việc ngăn tích tụ dịch phù phế nang - Ảnh hưởng lên trao đổi khí * Liposome Niosome – Xu hướng điều chế hệ phân tán hướng đích cơng nghệ nano: Liposome tinh thể lỏng có cấu trúc xếp lớp, tạo thành từ phospholipid thiên nhiên (chất hoạt động bề mặt) cholesterol, xếp thành dạng hình cầu lớp nhiều lớp lipd kép, chứa nhân nước bên Có vị trí liposome mang thuốc: phần lõi, phần lipid kép phần vỏ Ứng dụng liposome: - Phân phối thuốc - Liệu pháp thay enzym - Liệu pháp tạo phức chelat để điều trị nhiễm độc kim loại nặng - Thuốc kháng virus, kháng khuẩn - Trong đa đề kháng 11 - Điều trị ung thư - Miễn dịch - Thẩm mỹ Liposome hoạt động với vai trò chất dẫn hoạt chất điều trị ung thư đến tế bào đích thơng qua chế: - Cơ chế không đặc hiệu (tự nhiên): tạo liposome có cấu trúc kích thước phù hợp để vượt qua khoảng trống tế bào - Cơ chế đặc hiệu (kháng khuyên – kháng thể): gắn kháng nguyên đặc hiệu nhân diện kháng thể mơ đích Niosome tạo thành từ phối hợp cholesterol chất hoạt động khơng ion hóa mạch alkyl đơn với glyceryl Niosome giống với liposome chỗ có vai trò hệ mang thuốc (thân dầu, thân nước) Vị trí mang thuốc gồm phần lõi (mang thuốc thân nước) phần lipid (mang thuốc thân dầu) So sánh niosome liposome: - Về độc tính: niosome chất hoạt động bề mặt ko phân cực, độc tính chất hoạt động bề mặt phân cực - Về cấu trúc: niosome ko phân cực  bền mặt hóa học - Về kinh tế: giá thành thấp liposome - Khơng địi hỏi điều kiện bảo quản, xử lý đặc biệt SỰ HẤP PHỤ Một số khái niệm định nghĩa 1.1 Hấp phụ Là gia tăng nồng độ chất lên bề mặt khác Chất khí, chất tan gia tăng lên bề mặt chất rắn gọi chất bị hấp phụ, chất lỏng rắn hấp phụ chất tan khí gọi chất hấp phụ Cơ chế hấp phụ: - Chất bị hấp phụ phân bố đến bề mặt hấp phụ - Chất bị hấp phụ khuếch tán vào mao quản 12 - Chất bị hấp phụ hình thành đơn lớp bề mặt chất hấp phụ, hấp phụ đạt trạng thái cân Phản hấp phụ trình chất bị hấp phụ tách khỏi bề mặt chất hấp phụ Khi tốc độ hấp phụ tốc độ phản hấp phụ: hấp phụ đạt trạng thái cân 1.2 Độ hấp phụ Độ hấp phụ lượng chất bị hấp phụ chất hấp phụ thu hút đơn vị diện tích bề mặt phân chi pha a= = X: lượng chất bị hấp phụ (mol gam) S: diện tích bề mặt chất hấp phụ (cm2) a: độ hấp phụ Nếu k thể xác định xác diện tích bề mặt chất hấp phụ, thay S khối lượng chất hấp phụ (tính gam) Thứ nguyên a: mol/cm2 gam/cm2 a giá trị trình hấp phụ đạt trạng thái cân 1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hấp phụ - Bản chất chất hấp phụ - Bản chất chất bị hấp phụ - Nồng độ chất bị hấp phụ (chất tan/dd  dùng nồng độ); áp suất (chất khí  áp suất) - Nhiệt độ * Đường đẳng nhiệt hấp phụ: Đường đẳng nhiệt hấp phụ đường biểu diễn phụ thuộc độ hấp thụ vào áp suất nồng độ chất bị hấp phụ Đường đẳng nhiệt hấp phụ chia thành miền 13 - Miền tuyến tính: mối quan hệ nồng độ độ hấp phụ đường thẳng (áp suất hay nồng độ thấp) - Miền khơng tuyến tính: mối quan hệ nồng độ độ hấp phụ đường cong (áp suất hay nồng độ trung bình), tiến dần cực đại - Miền bão hòa: mối quan hệ nồng độ độ hấp phụ đường thẳng (áp suất hay nồng độ cao), thay đổi 1.4 Phân loại Hấp phụ vật lý Hấp phụ hóa học Xảy nhiệt độ thấp Xảy nhiệt độ cao Xảy đa lớp Chỉ xảy đơn lớp bề mặt Lực liên kết Van Der Waals Lực liên kết hóa học (ion, cộng hóa trị) Năng lượng trạng thái chất bị hấp Năng lượng trạng thái chất bị hấp phụ không thay đổi phụ thay đổi Năng lượng từ vài kJ đến vài chục Năng lượng cao lên đến vài trăm kJ/mol kJ/mol Phản hấp phụ êm dịu, chất hấp phụ Phản hấp phụ khó khăn, chất hấp phụ không bị ảnh hưởng bị hủy hoại Lực Van Der Waals hấp phụ vật lý gồm: - Lực phân tán: lực tương tác phân tử chất bị hấp phụ ko phân cực phân tử bề mặt hấp phụ không phân cực  yếu - Lực cảm ứng: lực tương tác phân tử chất bị hấp phụ phân tử chất hấp phụ (khi có phân tử phân cực phân tử k phân cực) - Lực định hướng: lực tương tác phân tử chất hấp phụ phân cực phân tử bề mặt phân cực Lực liên kết hóa học hấp phụ hóa học: - Tạo hợp chất bề mặt - Hợp chất bề mặt không xem chất hay pha - Liên kết ko đủ mạnh để cắt đứt liên kết nguyên tử bề mặt chất hấp phụ với nguyên tử lòng pha - Sự cắt đứt lực liên kết nguyên tử bề mặt với nguyên tử pha xảy tăng nhiệt độ, phản ứng tạo liên kết bề mặt chuyển thành phản ứng dị thể, có hình thành pha 14  Hấp phụ hóa học khơng phải phản ứng hóa học Phản hấp phụ hóa học xảy có cắt đứt liên kết hợp chất bề mặt với nguyên tử cấu trúc chất hấp phụ, giải phóng hợp chất tự (mới)  phản ứng dị thể 1.5 Tốc độ hấp phụ Tùy theo tính chất bề mặt chất hấp phụ mà trình hấp phụ xảy với tốc độ khác Hấp phụ bề mặt không xốp: - Tốc độ hấp phụ nhanh - Cân thiết lập nhanh - Năng lực hấp phụ Hấp phụ bề mặt xốp - Khuếch tán chậm vào mao quản vật xốp - Cân thiết lập chậm - Năng lực hấp phụ cao Khi có thay đổi bề mặt hấp phụ từ bề mặt k xốp sang bề mặt xốp có gia tăng diện tích bề mặt Sự hấp phụ chất khí bề mặt rắn: dựa vào thuyết hấp phụ Thuyết hấp phụ điều kiện để cặp hấp phụ xảy cho phép áp dụng phương trình để tính tốn 2.1 Thuyết hấp phụ Langmuir (hấp phụ đơn lớp bề mặt đồng nhất) Thiết lập phương trình hấp phụ Langmuir: a = amax Phương pháp xác định số trog phương trình hấp phụ Langmuir: - Tiến hành thí nghiệm dựa thay đổi nồng độ chất bị hấp phụ (P1, P2, P3…) - Tính độ hấp phụ (a1, a2, a3…) 15 - Từ phương trình hấp phụ Langmuir, xây dựng phương trình hồi quy tuyến tính: p/a = f(P) - Bằng phương pháp đồ thị, tính K amax 2.2 Thuyết hấp phụ Freundlich, Temkin (hấp phụ đơn lớp bề mặt không đồng nhất) Trong điều kiện áp suất trung bình, nhiệt độ khơng đổi, Freundlich thu phương trình đẳng nhiệt hấp phụ chất khí bề mặt rắn sau: a = k.p1/n Hay x: số mol chất bị hấp phụ m: số gam chất bị hấp phụ k: số hấp phụ 1/n: hệ số thực nghiệm (vùng áp suất cao = < < = vùng áp suất thấp) * Tổng kết: Trong điều kiện áp suất thấp Langmuir a = amax.kp Freundlich a = kp Trong điều kiện áp suất cao a = amax a=k a = amax a = k.p1/n Trong điều kiện áp suất trung bình 2.3 Thuyết hấp phụ Brunauer, Emmet, Teller (BET) (hấp phụ nhiều lớp bề mặt đồng nhất) 2.4 Ứng dụng hấp phụ chất khí bề mặt rắn - Mặt nạ phịng độc - Tinh chế khí cho 16 - Hấp phụ khí H bề mặt niken, bạch kim ứng dụng làm xúc tác cơng nghệ hóa học phân tích chất - Chất hấp phụ (trong chế phẩm điều trị bệnh đường tiêu hóa) sử dụng làm thuốc giải độc (ngộ độc thuốc quinin, barbituric…) Hấp phụ chất tan (khơng ion hóa) bề mặt rắn - Sự hấp phụ âm (ko có hấp phụ): tăng nồng độ chất tan dung dịch mà nồng độ lớp bề mặt nhỏ nồng độ dung dịch, sức căng bề mặt tăng theo tăng nồng độ chất tan - Sự hấp phụ dương (có hấp phụ): tăng nồng độ chất tan dung dịch mà nồng độ lớp bề mặt lớn nồng độ chất tan dung dịch, sức căng bề mặt giảm theo tăng nồng độ chất tan Khi chất tan chất hoạt động bề mặt - Khi tăng nồng độ chất hoạt động bề mặt, sức căng bề mặt giảm nhanh nồng độ thấp Khi chất hoạt động bề mặt xếp chặt khít bề mặt việc tăng nồng độ chất hoạt động bề mặt k làm thay đổi sức căng bề mặt Nồng độ chất tan nồng độ tới hạn tạo micell Hấp phụ chất tan bề mặt rắn 4.1 Hấp phụ phân tử Đây hấp phụ chất khơng điện ly (hoặc điện ly) lên bề mặt rắn thể tích chất điện ly Sự hấp phụ phân tử bề mặt rắn tuân theo quy luật thuyết hấp phụ Freundlich Phương trình hấp phụ: a = k.C1/n 4.2 Phương pháp xác định số phương trình hấp phụ Freundlich -Tiến hành thí nghiệm dựa thay đổi nồng độ chất bị hấp phụ (C1, C2, C3, …) - Tính độ hấp phụ (a1, a2, a3…) - Từ phương trình hấp phụ Freundlich, xây dựng phương trình hồi quy tuyến tính: 17 lga = 1/n lgC + lgK - Bằng phương pháp đồ thị, tính K 1/n 4.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hấp phụ 4.3.1 Dung mơi hịa tan hợp chất, phân tử, ion - Có cạnh tranh hấp phụ dung môi chất tan  Sự hấp phụ chất tan nước thường tốt dung mơi khơng phân cực chất có sức căng bề mặt nhỏ - Khả hòa tan  phải hịa tan tốt dung mơi 4.3.2 Chất hấp phụ - Phụ thuộc vào chất, độ xốp chất hấp phụ mà trình hấp phụ xảy theo đặc trưng khác - Nếu chất hấp phụ khơng phân cực hấp phụ tốt chất tan không phân cực Chất hấp phụ phân cực hấp phụ ưu tiên chất tan phân cực - Nếu chất hấp phụ rắn độ xốp yếu tố quan trọng, ảnh hưởng đến diện tích bề mặt Mức độ xốp nhiều, mịn diện tích bề mặt tăng cao 4.3.3 Chất bị hấp phụ - Sự hấp phụ chủ yếu phụ thuộc vào chất hấp phụ môi trường phân cực hay không phân cực - Bản chất: phân tử lượng ảnh hưởng đến lực hấp phụ Phân tử lượng lớn lực hấp phụ mạnh - Cấu trúc hóa học hay không gian 4.3.4 Thời gian, nhiệt độ pH - Sự hấp phụ chất tan dung dịch lên bề mặt rắn thường chậm hấp phụ khí bề mặt rắn khí - Nhiệt độ tăng, thường hấp phụ lên bề mặt rắn giảm Tuy nhiên giảm hấp phụ dung dịch so với hấp phụ bề mặt rắn - pH không ảnh hưởng trực tiếp đến hấp phụ, mà gián tiếp thơng qua hịa tan 18 4.4 Ứng dụng hấp phụ phân tử - Sự hấp phụ chất tan dung dịch có ý nghĩa quan trọng q trình hóa lý xảy thể - Than hoạt tính, với lực hấp phụ cao nhiều chất màu, mùi, chất bẩn… Có ý nghĩa đời sống nghành dược - Là sở cho phương pháp phân tích kỹ thuật sắc ký: sắc ký cột, sắc ký giấy + Sắc ký cột silicagel, Al2O3, MgO + Sắc ký giấy sử dụng giá mang cellulose + Dùng tách tinh chế hợp chất từ dược liệu Sự hấp phụ chất điện ly Trong nước, chất điện ly phân lý thành ion bị hydrat hóa thành ion có kich thước khác Các yếu tố ảnh hưởng chất điện ly 5.1 Bán kính ion Đối với ion có điện tích: ion có bán kính lớn  bán kính hydrat hóa nhỏ  lực hấp phụ mạnh Do xét theo chiều lực hấp phụ, lực hấp phụ tăng dần theo gia tăng bán kính ion Khả hấp phụ ion xếp theo thứ tự: - Cation hóa trị I: Li+ < Na+ < K+ < Rb+ < Cs+ - Cation hóa trị II: Mg2+ < Ca2+ < Sr2+ < Ba2+ - Anion hóa trị I: Cl- < Br- < NO3- < I- < CNS5.2 Điện tích ion Ion hóa trị lớn, dễ hấp phụ lên bề mặt điện tích trái dấu Khả hấp phụ ion xếp: K+ < Ca++ < Al+++ < Th++++ 5.3 Hấp phụ chọn lọc - Tính chất điện học hệ keo 19 - Khi hấp phụ ion để hồnh thành mạng tinh thể, qúa trình hấp phụ ưu tiên (hấp phụ chọn lọc) ion dung dịch có thành phần cấu tạo bề mặt nhân, ion đồng hình với ion có bề mặt rắn  Sự hấp phụ chọn lọc định hình thành cấu tạo hạt keo Sự hấp phụ trao đổi ion 6.1 Định nghĩa Hấp phụ trao đổi ion trường hợp hấp phụ đặc biệt bao gồm hai trình hấp phụ trao đổi ion Trong trường hợp bề mặt pha hấp phụ chữa ion có khả trao đổi thuận nghịch với ion có điện tích dấu dung dịch 6.2 Đặc điểm hấp phụ trao đổi ion - Có trao đổi ion dấu chất bị hấp phụ bề mặt hấp phụ - Các hợp chất hấp phụ có khả trao đổi ion thường hợp chất cao phân tử tổng hợp gọi chung ionit - Bề mặt ionit có nhóm chức mang ion linh động trao đổi với ion dấu * Sự phân ly nhóm hoạt động ionit: - Cationit (H+, R-H, RSO3H, RNa+, RK+) có khả trao đổi với cation - Anionit (amin thằng, amin thơm, muối amin bậc 1, bậc 2, bậc 3, muối amoni bậc 4) có khả trao đổi với anion Ví dụ: RSO3—H+  RSO3- + H+ RNH3+-OH  RNH3+ + OH- - Do có phân ly mà ionit có khả trao đổi thuận nghịch với ion có dung dịch - Các cationit dạng acid trao đổi với cation kim loại thường giải phóng H+ tự  acid hóa mơi trường - Các cationit dạng base trao đổi với anion thường giải phóng OH- tự  kiềm hịa mơi trường - Các yếu tố: pH môi trường, chất ionit, nồng độ dung dịch cần trao đổi dung lượng trao đổi ionit yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ trao đổi 20 6.3 Dung lượng trao đổi ion - Là đơn vị biểu thị số mili đương lượng gam ion trao đổi bề mặt gam (ml) ionit khơ tồn ion linh động ionit thay ion có dung dịch - Dung lượng trao đổi số ionit thường dùng từ – 10 mE/1ml - Sau trao đổi bão hịa tức tồn ion linh động bề mặt trao đổi ion dung dịch người ta phụ hồi nhựa trở lại trạng thái ban đầu, cách dùng acid loãng kiềm loãng để xử lý nhựa 6.4 Ứng dụng nhựa trao đổi ion Loại bỏ tạp chất (các ion kim loại) sản xuất thực phẩm Ví dụ: - Trong công ngệ sản xuất đường, trước kết tinh người ta sử dụng nhựa ionit để loại kim loại, ion Fe2+, Cu2+ tinh thể đường trắng đẹp - Khi loại tạp kim loại khỏi dịch ép nho, rượu bảo quản lâu - Loại ion kim loại Mg2+, Ca2+… nước cứng, dùng nhựa cationit để loại cation anion gây bất lợi cho sinh hoạt sản xuất Nước sau xử lý gọi nước mềm hay nước vơ khống có thành phần gần nước cất Để tách ion khỏi hỗn hợp người ta dựa vào tốc độ trao đổi Trong nghành Dược, hấp phụ trao đổi ion sử dụng nhiều trình tách chiết, tinh chế men, amino acid, kháng sinh, vitamin 21 ... Phản hấp phụ trình chất bị hấp phụ tách khỏi bề mặt chất hấp phụ Khi tốc độ hấp phụ tốc độ phản hấp phụ: hấp phụ đạt trạng thái cân 1.2 Độ hấp phụ Độ hấp phụ lượng chất bị hấp phụ chất hấp phụ. .. gọi chất hấp phụ Cơ chế hấp phụ: - Chất bị hấp phụ phân bố đến bề mặt hấp phụ - Chất bị hấp phụ khuếch tán vào mao quản 12 - Chất bị hấp phụ hình thành đơn lớp bề mặt chất hấp phụ, hấp phụ đạt... > 1nm Có tượng bề mặt CÁC HIỆN TƯỢNG BỀ MẶT Các khái niệm 1.1 Sức căng bề mặt chất lỏng Là lượng tự diện tích bề mặt, cơng cần thiết để làm tăng bề mặt lên diện tích định Sức căng bề mặt lượng