Giáo trình hóa keo đại cương
Giáo trình hóa keo đại cương Biên tập bởi: Huong Ton Nu Lien Giáo trình hóa keo đại cương Biên tập bởi: Huong Ton Nu Lien Các tác giả: unknown Huong Ton Nu Lien Phiên trực tuyến: http://voer.edu.vn/c/4d06b941 MỤC LỤC Chương 1: Khái niệm - đối tượng hố keo Chương 2: Tính chất bề mặt hệ keo 2.1 Tóm tắt 2.2 Sức căng bề mặt 2.3 Sự hấp phụ (Adsorption) 2.4 Sự hấp phụ ranh giới lỏng - khí 2.5 Sự hấp phụ ranh giới lỏng - rắn 2.6 Hiện tượng thấm ướt Chương 3: Tính chất hoạt động hệ keo Chương 4: Tính chất điện hệ keo Chương 5: Tính chất quang hệ keo Chương 6: Tính bền tập hợp hệ keo Chương 7: Các tính chất học cấu thể hệ keo Bài tập câu hỏi Tham gia đóng góp 1/78 Chương 1: Khái niệm - đối tượng hoá keo Một số khái niệm Hệ phân tán * Hệ phân tán: hệ có cấu tạo từ pha trở lên Trong hệ, pha trạng thái chia nhỏ gọi pha phân tán phân bố pha có tính liên tục gọi mơi trường phân tán Khi pha phân tán phân bố môi trường tạo thành hệ đồng nhất, khơng có bề mặt phân cách gọi hệ phân tán đồng thể (ví dụ: dung dịch nước muối) * 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 cách * Hệ keo hệ có độ phân tán cao dị thể pha phân tán (hay hạt keo) lớn phân tử khơng thể nhìn thấy kính hiển vi quang học Độ phân tán Để làm số đo cho độ phân tán dùng kích thước hạt Kích thước hạt phân tán số đo mức độ chia nhỏ hệ phân tán, ký hiệu a (đối với hạt có hình cầu, kích thước hạt đường kính d; với hạt hình lập phương thước cạnh l) Độ phân tán số phân tán đơn vị độ dài, ký hiệu D D nghịch đảo a D = a (1.1) Nếu hệ chứa hạt có kích thước ta gọi hệ đơn phân tán, chứa hạt có kích thước khác nhau, ta gọi hệ đa phân tán Bề mặt riêng Bề mặt riêng, ký hiệu Sr diện tích bề mặt phân cách pha phân tán đơn vị thể tích, tính diện tích bề mặt hạt chia cho thể tích hạt Sr = S1,2 V1 (1.2) S1,2: diện tích bề mặt phân cách hai pha 1,2 V1: thể tích pha phân tán 2/78 Đối với hạt hình lập phương: Sr = Đối với hạt hình cầu: Sr = Tổng quát: Sr = S1,2 V1 S1,2 V1 = S1,2 V1 4.π.r2 π.r = = r 6.l2 l = = d l = (1.3) d (1.4) = k a = kD (1.5) Vậy bề mặt riêng tỉ lệ thuận với độ phân tán D tỉ lệ nghịch với kích thước hạt a Kích thước hạt nhỏ độ phân tán hạt cao, bề mặt riêng cao, ngược lại Đường biểu diễn hàm S r = f(a), cho thấy phụ thuộc bề mặt riêng vào kích thước hạt hệ phân tán Theo quan điểm nhiệt động có mặt bề mặt phân cách lớn gắn liền với có mặt lượng bề mặt lớn Do có bề mặt phát triển nên hệ thống keo khơng bền vững tập hợp, có nghĩa hạt keo dễ liên kết lại thành tập hợp hạt lớn Các tập hợp lớn lên đến mức độ sa lắng thành kết tủa Trạng thái keo vật chất Trạng thái keo vật chất trạng thái phân tán cao, pha phân tán (chất tan) gồm tập hợp nhiều phân tử kích thước xấp xỉ từ 10 − − 105cm (1- 100 mμ) phân bố môi trường phân tán, hệ không đồng Bất chất đưa đến trạng thái keo sau thiết lập điều kiện cần thiết Ví dụ: nhựa thơng (colophan) hịa tan vào rượu tạo dung dịch thực hịa tan vào nước tạo nên dung dịch keo Ngược lại, NaCl nước tạo dung dịch thực, cịn benzen tạo dung dịch keo Bảng sau cho thấy giới hạn qui ước thừa nhận kích thước phân tử hệ có độ phân tán khác 3/78 Tính chất hệ keo * Các hệ keo lỏng, keo khí có tính chất điển hình tương tự : Có khả phân tán ánh sáng Ví dụ chiếu chùm ánh sáng mạnh vào dung dịch keo, phần dung dịch bị chiếu sáng có hình nón mờ đục, (gọi hình nón Tyndahl), tượng xem đặc trưng để phân biệt dung dịch keo với dung dịch thực Hiện tượng phân tán ánh sáng biểu có mặt hệ bề mặt phân cách hạt pha phân tán với môi trường phân tán, có nghĩa hệ khơng đồng Khả khuếch tán chậm Không bền vững tập hợp (nghĩa tác động nhỏ điều kiện bên nhiệt độ, thời gian, chất điện ly, khuấy lắc , hạt keo dễ dàng tập hợp thành hạt lớn - gọi keo tụ) Có thể thẩm tách, hạt keo lọt qua màng bán thẩm phân tử chất tan dung dịch thực Như hạt keo có kích thước lớn phân tử thường .Thường có tượng điện di Điện di khác với điện phân là: điện phân sản phẩm tạo điện cực với lượng đương lượng tuân theo định luật Faraday; điện di di chuyển vật chất hướng đến điện cực điện trường với lượng đáng kể không theo định luật Faraday * Các hệ keo rắn khơng có tất tính chất điển hình keo lỏng, keo khí vừa nêu Chẳng hạn hệ keo rắn có tính bền vững tập hợp điều kiện thường, hệ có độ nhớt lớn nên hạt dễ dàng chuyển dịch, chúng liên kết với thành tập hợp lớn; làm nóng chảy hệ keo rắn xuất tính khơng bền 4/78 vững tập hợp Ngồi hệ keo rắn có khác biệt tính phân tán ánh sáng, có hệ suốt, có hệ mờ đục, có hệ hồn tồn khơng cho ánh sáng qua * Các tính chất hệ keo thể hệ chất vô lẫn chất hữu cơ, chất có tự nhiên hay chất chế tạo từ phịng thí nghiệm; khơng phụ thuộc vào trạng thái tập hợp, nguồn gốc thành phần hóa học hệ * Phân biệt hệ keo - hệ dung dịch thực - hệ hợp chất cao phân tử - Dung dịch keo hệ dị thể, đa pha, có tính chất keo, cịn dung dịch thực hệ đồng thể, đơn pha - Những dung dịch chất cao phân tử (ví dụ: protein, cellulose, cao su ) có nhiều tính chất đặc trưng dung dịch keo, ví dụ có khả thẩm tách, có tính khuếch tán chậm Trong hệ, kích thước pha phân tán số trường hợp vượt kích thước hạt keo; mặt khác, dung dịch với dung môi xấu, phân tử cuộn lại thành búi với bề mặt rõ ràng mà xảy hấp phụ Tuy nhiên đồng dung dịch chất cao phân tử với dung dịch keo, dung dịch chất cao phân tử xem dung dịch thực có chứa phân tử khổng lồ Dù dung dịch chất cao phân tử dung dịch keo với ý nghĩa xác danh từ này, việc mơ tả tính chất khảo sát đặc điểm loại hệ viết giáo trình hóa học chất keo Đối tượng hóa keo Hóa keo khoa học trình hình thành phá hủy hệ phân tán, trọng hệ phân tán cao dị thể (hệ keo); nghiên cứu tính chất đặc trưng hệ trình xảy hệ đó, q trình lý học, hóa học xảy bề mặt keo : - Các tượng bề mặt, hấp phụ, dính ướt - Tính khơng bền nhiệt động học xu hướng dính kết (khuếch tán, keo tụ, sa lắng) - Tính chất quang, tính chất điện, tính chất động học phân tử - Sự hình thành đặc điểm cấu thể hệ phân tán - Đặc điểm cách điều chế, ứng dụng số hệ keo điển hình Cơ sở kiến thức để nghiên cứu: hóa lý Phương pháp nghiên cứu đặc trưng: sử dụng phương tiện kính siêu vi, kính hiển vi điện tử, siêu li tâm, điện di 5/78 Phân loại hệ phân tán Do mn hình mn vẻ tính chất hệ vi dị thể, nên có nhiều cách phân loại khác để tiện cho việc hình dung cách tịan diện loại hệ, sau vài cách phổ biến Phân loại theo độ phân tán Siedentopf Zigmondy đề nghị; dựa theo kích thước hạt có hệ phân tán - Hạt nhìn thấy kính hiển vi thường, kích thước lớn phần năm micro met ( a > 0,2μm = 0,2.10 − 4cm) gọi micron: hệ phân tán thơ - Hạt khơng thấy kính hiển vi thường – gọi siêu micron (ultramicron): hệ keo Các hạt siêu micron lại chia thành: submicron amicron Submicron hạt có kích thước từ 5mμ đến 0,2mμ(5 milimicromet đến 0,2 micromet = 5nm đến 200nm), nhìn thấy kính siêu vi Amicron có kích thước nhỏ mμ mà kính siêu vi khơng phát Dựa vào kích thước phần tử pha phân tán người ta chia hệ phân tán sau: Hệ phân tán thơ (có kích thước hạt khoảng 10 − cm); Hệ phân tán trung bình (có kích thước hạt khoảng 10 − − 10 − 4cm); Hệ phân tán cao (có kích thước hạt khoảng 10 − − 10 − 5cm, gọi hệ keo); Dung dịch (còn gọi dung dịch thực, có kích thước hạt nhỏ 10 − cm, kích thước phân tử hay ion) Hệ phân tán thô (như huyền phù, nhũ tương) khác với hệ phân tán keo chỗ: pha phân tán sa lắng hay tách lớp nhanh ảnh hưởng trọng trường, khơng lọt qua giấy lọc, quan sát kính hiển vi thường Cách phiến diện dựa theo độ phân tán yếu tố xác định tính chất hệ keo; kích thước hạt chứa hệ keo thay đổi tượng tập hợp thường xảy hệ phân tán Mặt khác hệ thường gặp hệ đơn phân tán, mà hệ đa phân tán, cách phân loại không áp dụng Phân loại theo trạng thái tập hợp pha phân tán môi trường phân tán Cách Ostwald đề nghị sử dụng phổ biến Ta thấy trạng thái tập hợp vật chất rắn (R), lỏng (L), khí (K) tạo thành loại hệ khác Trong trừ hệ khí- khí hệ phân tán phân tử, cịn lại có hệ phân tán dị thể Pha phân tán Môi trường phân tán Ký hiệu hệ Tên hệ 6/78 Khí Khí K/K Hệ đồng thể (khơng thể tạo nên hệ keo) Lỏng Khí L/K Rắn Khí R/K Keo khí (Sương mù , mây ) Khí Lỏng K/L Keo khí, khói, bụi Lỏng Lỏng L/L Nhũ tương khí, bọt Rắn Lỏng R/L Dung dịch keo, nhũ tương Khí Rắn K/R Dung dịch keo, huyền phù Lỏng Rắn L/R Bọt rắn , vật xốp Rắn Rắn R/R Nhũ tương rắn , Gel xốp, Keo rắn , Hợp kim - Qui ước hệ ứng với độ phân tán keo có tên sol, từ air để mơi trường khí, từ lyo để môi trường lỏng (tiếng Hy lạp lyos lỏng) Vì hệ R/K, L/K gọi airosol; hệ K/L, L/L, R/L có tên lyosol, tùy theo chất môi trường từ lyo thay tên mơi trường phân tán tương ứng (ví dụ hydrosol, alcosol, etersol, benzosol ) Danh từ organosol để chung sol có mơi trường phân tán lỏng dung môi hữu - Các hệ phân tán dị thể thô: pha phân tán rắn môi trường phân tán lỏng (hệ R/ L) có tên huyền phù; hệ L/L có tên nhũ tương Cách phân loại thích hợp để khảo sát tính đa dụng hệ keo, ngày thích hợp nhất, song có nhược điểm Theo giảm kích thước hạt khác trạng thái tập hợp pha phân tán hệ dần Thực nghiệm cho thấy hệ phân tán cao có pha phân tán lỏng rắn tính chất chúng giống Phân loại theo cường độ tương tác pha phân tán môi trường phân tán Zigmondy đề nghị, dựa theo khả chất kết tủa khơ (có cách làm bay cẩn thận môi trường phân tán) hịa tan trở lại vào mơi trường phân tán nguyên chất hay không Cách phân loại dùng với hệ có mơi trường phân tán lỏng - Những hệ mà chất kết tủa khơ khơng có khả tự ý phân tán vào môi trường phân tán gọi hệ keo bất thuận nghịch, gọi hệ keo kỵ lỏng 7/78 - Những hệ mà chất kết tủa khô cho tiếp xúc với môi trường phân tán lúc đầu trương lên, sau tự ý hòa tan để tạo trở lại hệ giống chưa bay dung môi gọi hệ keo thuận nghịch, cịn gọi hệ keo ưa lỏng Ví dụ: Hệ keo bất thuận nghịch: hydrosol AgI, hydrosol As2S3 Hệ keo thuận nghịch: dung dịch gelatin nước, cao su benzen Phân loại theo tương tác hạt Các hệ phân tán chia hệ phân tán tự hệ phân tán liên kết - Hệ phân tán tự hệ cấu thể, hạt pha phân tán khơng liên kết nhau, độc lập di chuyển môi trường phân tán ảnh hưởng chuyển động nhiệt hay lực trọng trường Do hệ khơng gây trở ngại đến lực chuyển dịch, có tính chảy có tính chất đặc trưng chất lỏng bình thường Thuộc loại hệ lyosol, airosol, nhũ tương huyền phù loãng - Hệ phân tán liên kết hệ hạt liên kết với nhờ lực phân tử tạo nên môi trường phân tán lưới khung không gian đặc biệt gọi cấu thể Các hạt tạo nên cấu thể khơng di chuyển tự do, dao động Thuộc loại hệ huyền phù đậm đặc (bột ngào), nhũ tương đậm đặc, gel * Gel hệ tạo thành từ sol tính bền vững.Q trình chuyển solthành gel gọi tạo gel Sự tạo gel làm tăng nồng độ pha phân tán hệ Các hệ phân tán liên kết phần có mang tính chất chất rắn, khơng nên lẫn với hệ có mơi trường phân tán rắn (trong hệ có mơi trường phân tán rắn hạt khơng chuyển dịch mơi trường phân tán có độ nhớt lớn, hệ phân tán liên kết hạt không chuyển dịch hạt liên kết thành cấu tử) Cách phân loại áp dụng tốt cho dung dịch chất cao phân tử Ý nghĩa hệ keo trình keo tự nhiên kỹ thuật Các hệ keo phổ biến tự nhiên Chúng có ý nghĩa to lớn kỹ thuật đại; có liên quan đến hoạt động thực tế người Sao chổi đám mây khí-bụi, hệ keo khổng lồ Ánh sáng đặc trưng chổi phân tán ánh sáng mặt trời.Vấn đề cấu tạo thái dương hệ vấn đề tạo thành hành tinh thiên hà có quan hệ trực tiếp đến tượng 8/78 ... phân tán B? ?? mặt riêng B? ?? mặt riêng, ký hiệu Sr di? ??n tích b? ?? mặt phân cách pha phân tán đơn vị thể tích, tính di? ??n tích b? ?? mặt hạt chia cho thể tích hạt Sr = S1,2 V1 (1.2) S1,2: di? ??n tích b? ?? mặt... keo Ag dung dịch chất b? ??o vệ (ví dụ dung dịch gelatin) 9/78 Đa số trình kỹ thuật ngành thực phẩm trình keo. Trong chế biến thực phẩm, làm b? ?nh mì, b? ?nh xốp, b? ?nh bao, làm b? ??t ngào, tượng trương... lượng biểu di? ??n lượng hấp phụ: a Độ hấp phụ x lượng chất b? ?? hấp phụ (tính theo mol, mmol) đơn vị di? ??n tích b? ?? mặt vật hấp phụ (tính theo cm2) , hàm lượng b? ?? mặt chất b? ?? hấp phụ x = nCBHP sCHP