Báo cáo điều chế và khảo sát tính chất của một số hệ keo và nhũ dịch

BÀI BÁO CÁO

ĐIỀU CHẾ VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT CỦA MỘT SỐ HỆ KEO

− Ban đầu khi khuấy tan agar, dung dịch có màu hơi đục (ngả về màu trắng sữa), khi bỏ NaOH và phenolphtalein (chưa khuấy đều) thì sẽ có lớp dung dịch màu hồng đậm nổi trên mặt dung dịch.

Thạch sau khi đông cứng (dốc ngược ống thạch không chảy)

− Hỗn hợp sau khi khuấy đều một lúc thì có màu hồng đậm (toàn bộ thể tích đồng màu) Rót vào ống nghiệm và để yên dung dịch sau một thời gian cả 3 ống nghiệm đều đóng rắn, tạo lớp bề mặt cong lõm xuống

− Ta thu được một hệ phân tán mịn đều, không có bọt khí, bề mặt tiếp xúc với không khí nhẵn sạch, lõm xuống – Phần chất lỏng ở bề mặt có xu hướng co lại vào bên trong lòng chất lỏng đó hay còn gọi là hiện tượng bề mặt.

 Giải thích:

− Màu sắc : màu hồng đậm là do NaOH (với thể tích lớn) kết hợp với phenolphthalein (nhiều giọt) tạo thành.

− Bề mặt tiếp xúc giữa thạch và không khí lõm xuống :

+ Xét các phân tử trong lòng chất lỏng, ở đây mỗi phân tử sẽ chịu cùng lúc nhiều lực tương tác cùng lúc (lực hút giữa cá phân tử / nguyên tử / ion và lực trọng trường), những lực tương tác này phân bố ở tất cả các hướng và cân bằng nhau

+ Trong khi đó, tại bề mặt ngăn cách 2 pha lỏng (trước khi đông thành thạch) – khí (không khí), các phân tử ở bề mặt sẽ chịu tác động từ những lực tương tác không cân bằng nhau : lực tương tác của các phân tử khí với các phân tử chất lỏng nhỏ (vì tại bề mặt phân pha 1 nửa phân tử dung dịch tiếp xúc với không khí và nửa còn lại là dung dịch), ngược lại thì lực tương tác giữa cá phân tử trong lòng chất lỏng lại lớn hơn Vì thế hợp lực của các lực tương tác phân tử ở bề mặt là một lực kéo các phân tử bề mặt hướng vào lòng chất lỏng vuông góc với bề mặt chất lỏng Lực này gọi là căng bề mặt (gây ra sức căng bề mặt).

+ Vì trong hệ luôn có chuyển động nhiệt nên một số phân tử phía trong lại di chuyển ra phía ngoài và ngược lại những phân tử ở ngoài bị hút vào trong Nhưng số phân tử bị hút vào phía trong sau mỗi đơn vị thời gian lớn hơn nhiều so với số lượng phân tử chuyển ra mặt ngoài nên số phân tử mặt ngoài luôn bị giảm, và mặt ngoài luôn bị co nhỏ lại cho tới khi cân bằng động được thiết lập.

 + Ngoài ra ở rìa sát với thành còn có hiện tượng thấm ướt và mao dẫn nên tại đây mỗi phân tử dung dịch còn chịu thêm lực kéo lên của lực mao dẫn cho nên hợp lực lại làm cho sức căng bề mặt yếu hơn trung tâm.

⟹ Từ đó tạo thành hình dạng mặt lõm của dung dịch.

2 Thí nghiệm 2 :

* Hỗn hợp tủa xanh phổ tạo thành: 5ml Kali fericyanid 5% và 5 ml FeCl3

− Ống 1 (Ống thạch rót dung dịch xanh phổ) : sau một thời gian thì có 1 phần nhỏ thạch màu hồng nơi tiếp xúc với dung dịch xanh phổ bị mất đi, thay vào đó là phần thạch có màu trắng Phần màu xanh phổ sẽ trở về màu của màu xanh ban đầu mà lúc chưa cho acid oxalic vào

− Ống 2 (Ống thạch rót dung dịch xanh metylen) : không có hiện tượng gì

− Ống 3 (Ống thạch rót dung dịch acid HCl) : sau một thời gian thì 1 phần nhỏ thạch màu hồng được thay bằng phần thạch màu trắng, phần màu trắng ở ống này nhiều hơn ở ống 1.

Cho các dung dịch lần lượt vào ống nghiệm chứa thạch (từ trái qua làxanh phổ – xanh metylen - HCl 0.1M)

Ống nghiệm để sau khoảng thời 50 phút (từ trái qua là xanh phổ – xanh metylen - HCl 0.1M)

Lật úp ống nghiệm để chứng minh các hiện tượng đã xảy ra (từ trái qua là HCl 0.1M – xanh metylen- xanh phổ)

 Giải thích:

− Công thức xanh metylen: là một muối clorua hữu cơ có công thức C16H18ClN3S

− Phương trình tạo tủa xanh phổ KFe[Fe(CN)6] : FeCl3 + K4Fe(CN)6 → KFe[Fe(CN)6] + 3KCl

− Cơ chế hình thành keo xanh phổ :

+ Trong nước, acid oxalic phân ly tạo H+ và C2O4

H2C2O4 2H+ + C2O4

+ Ion C2O42- hấp phụ lên bề mặt keo làm cho các hạt keo trở nên tích điện âm (-) nên đẩy nhau → các hạt keo tách nhau ra khỏi tủa và di chuyển qua giấy lọc → ta thu được keo xanh phổ

− Hiện tượng trong 3 ống :

+ Ống 1: Các ion phân tử trong keo màu xanh phổ khuếch tán vào gel thạch Trong hệ keo lúc này có ion H+ (do H2C2O4 phân li tạo thành) nên xảy ra phản ứng trung hòa giữa H+ và OH- trong thạch (phân ly từ NaOH pha để tạo màu) làm mất màu 1 đoạn thạch.

H2C2O4 2H+ + C2O4

2-H+ + OH- → H2O

+ Sau khi dung dịch H2C2O4 khuếch tán hết vào thạch, dung dịch keo trở lại màu xanh gốc ban đầu Sau khi dốc ngược cốc thì tạo 1 lớp mỏng có màu xanh nhạt và các tiểu hạt keo khuếch tán một phần nhỏ Các phân tử keo lớn có độ nhớt cao và khả năng chuyển động Brown giảm → nên khuếch tán giảm chi quan sát được 1 lớp mỏng màu xanh phổ.

+ Ống 2 : Do xanh metylen ít hoặc không đi qua được màng bán thấm (cụ thể ở đây là bề mặt hệ keo đóng vai trò là màng bán thấm), không tạo phản ứng với NaOH (xanh metylen mang tính kiềm) nên nó bị khuếch tán chậm và không làm cột mất màu (hoặc không có hiện tượng).

+ Ống 3 : Acid HCl là acid mạnh, phân ly tốt nên có khả năng khuếch tán nhanh khi phản ứng với NaOH trong thạch làm mất màu hồng nhiều hơn Đây là ống nghiệm có quá trình khuếch tán nhanh nhất.

NaOH + HCl → NaCl + H2O

− So sánh với acid oxalic ở ống 1 (với cùng lượng cho vào ống), ta thấy ống 3 có hiện tượng mất màu nhanh và nhiều (dài) hơn vì acid oxalic là một acid yếu và quá trình thực hiện ở cùng một thời gian như nhau nên acid oxalic sẽ thẩm thấu chậm hơn so với ống 3 có HCl (một acid mạnh) Đồng thời với đó, trong ống 1 cũng xảy ra phản ứng giữa keo KFe[Fe(CN)6] và NaOH (keo này ít tan trong NaOH) Kích thước của các tiểu phân keo lớn nên tạo ra sự cản trở làm sự khuếch tán chậm hơn.

KFe[Fe(CN)6] + NaOH → NaFe[Fe(CN)6] + KOH

− Nguyên nhân gây ra sự chênh lệch chiều cao của dung dịch trong các ống

+ Theo phương trình khuếch tán Stock :

+ Với r là bán kính của chất cần quan tâm Khi r càng bé thì ta có hệ số khuếch tán càng lớn quá trình khuếch tán diễn ra càng dễ dàng nhanh chóng và ngược lại + Đối với ống 1 : Keo xanh phổ có kích thước khá lớn (1-100 nm) nên tốc độ khuếch tán sẽ chậm hơn của dung dịch thật do đó khoảng thạch mất màu do H+ cũng ngắn hơn so với ống 3, ngoài ra H+ còn bị ion Cr2O42- cản trở.

+ Đối với ống 2 : Do tính chất đặc trưng, xanh metylen không khuếch tán qua màng bán thấm.

+ Đối với ống 3 : HCl là dung dịch thật, kích thước nhỏ hơn 1nm nên tốc độ khuếch tán là nhanh nhất và đồng thời cũng là chất điện ly mạnh nên có độ dài của khoảng

Dung dịch FeCl3 trước khi đun

− Trước khi đun nóng, FeCl3 có màu vàng nhạt, dung dịch không có kết tủa

− Tiến hành đun sôi nước và nhỏ dần FeCl3 vào, ta quan sát được hiện tượng chuyển màu của dung dịch : chuyển dần sang màu đỏ cam đậm (độ đậm của màu tỷ lệ thuận với lượng chất cho vào) và không có các hạt kết tủa lơ lửng Khi đó trong hệ xảy ra hiện tượng hình thành hệ keo có màu đỏ cam sẫm.

Dung dịch sau đun

− Sau một thời gian ngắn để nguội và cho từng giọt dung dịch NaOH và HCl vào 2 ống nghiệm ta được :

+ Ống 1 (Nhỏ dung dịch HCl): không có hiện tượng.

+ Ống 2: (Nhỏ dung dịch NaOH): Trong hệ bắt đầu xuất hiện các hạt, khi mình càng phân tán hệ đều (Nhỏ từ từ từng giọt dung dịch NaOH vào) thì các hạt xuất hiện càng nhiều Tạo được hệ keo – hệ phân tán.

Lúc mới nhỏ NaOH và HCl vào (bên trái là HCl bên phải là NaOH)

− Sau một thời gian khá lâu : + Ống 1 : Không có hiện tượng

+ Ống 2 : Các hạt kết dính lại với nhau, hệ keo lắng xuống dưới và tách thành 2 lớp

− Hình thành các hạt keo có cấu tạo {[mFe(OH)3].nFeO+ (n-x)Cl-} x+ xCl- → Đây là keo dương với lớp ion quyết định thế là FeO+

Cấu tạo keo

− Sau khi cho NaOH vào ống nghiệm thì xuất hiện hệ keo Fe(OH)3 (hệ phân tán) rồi sau một thời gian do tác dụng của lực trọng trường nên các hạt keo lắng xuống đáy tạo ra 2 lớp (sa lắng) :

+ Khi nhỏ những giọt NaOH đầu tiên vào, ion OH- sẽ bị hấp phụ và thâm nhập vào trong lớp ion quyết định tạo ra Fe(OH)3 bổ sung vào nhân rắn đến một lượng nhất định thì

+ Khi cho tiếp NaOH dư, khi này nó trở thành chất điện ly trơ đối với hệ, các tiểu phân keo hấp phụ các ion đối dấu của NaOH (cụ thể là FeO+ hút OH- ) làm cho hệ keo dần dần mất đi điện tích và trung hòa về điện Khi đó hệ keo mất đi lực đẩy tĩnh điện dẫn tới sự va chạm giữa các tiểu phân tăng lên làm tăng khả năng kết dính và lắng xuống.

Sơ đồ của hạt keo

− Theo phương trình Gibbs : ∆G = .S → Vi phân 2 vế dG = .dS + S.d

− Khi không cho hệ dung môi mới vào (= const), khi dG < 0 dẫn tới dS < 0 và Ssau < Sđầu

→ đây là xu hướng kết dính để làm giảm tổng diện tích bề mặt → giảm năng lượng tự do bề mặt Gibbs ⟹ đúng với những gì xảy ra trong hệ.

− Sau khi kết dính thì các hạt này trở nên to và nặng hơn sẽ bị sa lắng dưới tác dụng của lực trọng trường kéo xuống dưới từ đó tác thành 2 lớp khác nhau.

− Khi cho HCl vào dung dịch không quan sát rõ được hiện tượng (không có hiện tượng), màu nhạt đi thành vàng nâu có thể do HCl tham gia vào phản ứng:

3HCl + Fe(OH)3 → FeCl3 (vàng nâu) + 3H2O

Kết luận : Thí nghiệm này đã soi sáng phần điều chế keo bằng phương pháp ngưng kết.

4 Thí nghiệm 4

 Hiện tượng: các hạt than chuyển động hỗn loạn liên tục theo cá đường khác nhau và phân tán đồng đều trong toàn hệ

Các tiểu phân than chuyển động dưới kính hiển vi  Giải thích:

 Sự chuyển động hỗn loạn không tuân theo một quy luật nào đó chính là chuyển động Brown Chuyển động Brown có bản chất là chuyển động nhiệt, nó tồn tại không phải do sự xuất hiện của dòng đối lưu hoặc do sự có mặt của trường lực ngoài Những phân tử dung môi – môi trường phân tán luôn chuyển động nhiệt hỗn loạn, va đập vào những hạt keo theo những hướng khác nhau Hợp lực của các lực va chạm ở một thời điểm nhất định đã làm cho hạt keo chuyển động theo một hướng nào đó.

 Áp dụng lên thí nghiệm này : trong môi trường phân tán là nước luôn có sự chuyển động nhiệt, khi đó các phân tử nước liên tục va chạm vào các tiểu phân than làm cho than chuyển động theo và sự va chạm này là hỗn loạn nên dẫn tới quỹ đạo chuyển động của than cũng hỗn loạn Tuy nhiên, kích thước của than hoạt tính khá lớn nên mức độ chuyển động của nó khá yếu.

Kết luận : Thí nghiệm này đã soi sáng phần chuyển động Brown của các tiểu phân

keo (tính chất động học phân tử)

5 Thí nghiệm 5

 Hiện tượng : Có hiện tượng phân lớp với lớp phía trên màu trắng sữa và phía dưới trong suốt do nước đã thay thế rượu làm dung môi để son colophan hình thành (dung môi hòa tan colophan)

Hình 14:Hiện tượng khi cho clophon vào nước

 Giải thích:

 Công thức hóa học của colophan là C19H29COOH, đây là một chất không tan trong nước nhưng lại có thể tan trong các dung môi khác như cồn, benzen, xăng, …

Hình 15 : Công thức cấu tạo của colophan

 Cồn là một trong số dung môi hữu cơ có thể hòa tan được colophon (pha phân tán), nó có thể trộn lẫn với môi trường là nước Trong thí nghiệm này, nó đã tạo được một dung dịch thật của pha phân tán (colophan trong cồn).

 Khi ta nhỏ từng giọt 1ml dung dịch Colophan trong cồn này vào ống nghiệm có nước thì nước sẽ là một trường phân tán mới, độ phân cực của môi trường tăng lên dẫn tới colophan không tan được, tạo thành hạt colophan kết dính, lớn lên và cho ra hệ keo colophan có màu trắng sữa.

Kết luận : Thí nghiệm này soi sáng phần điều chế keo bằng phương pháp thay thế

dung môi (ngưng kết)

6 Thí nghiệm 6:

 Hiện tượng khi cho dầu lạc có nhuộm sudan III vào nước: Ban đầu, xuất hiện hệ nhũ tương trong thời gian ngắn , sau đó dầu và nước tách lớp nhau ra, mất đi trạng thái nhũ dịch, dầu ở trên, nước ở dưới Khi ta lắc lên, hệ lại trở thành nhũ tương rồi nhanh chóng phân lớp trở lại.

Hệ nhũ tương thuận dưới kính hiển vi

 Sau khi thêm 1ml dung dịch xà phòng Na, lắc mạnh và quan sát dưới kính hiển vi Lúc này ta thấy dầu và nước hòa lẫn vào nhau ổn định hơn tạo thành hệ nhũ tương dầu / nước (nhũ tương thuận)

 Khi thêm nước vào hỗn hợp ta thấy hiện tượng một phần Sudan III/ dầu lạc không nổi lên mà lơ lửng trong ống nghiệm Đồng thời phần màu trắng ở dưới nhiều hơn, sự phân bố càng rõ ràng hơn, hệ nhũ tương D/N dễ quan sát hơn.

 Khi thêm 2-3ml CaCl2 0,1%, ta thấy hiện tượng có sự tách lớp ổn định, phân tán rõ rang tuy nhiên có sự thay đổi kiểu nhũ tương : nước phân tán trong dầu (nhũ tương nghịch – N/D)

Ống nghiệm bên trái ta cho CaCl2, ống nghiêm bên phải ta cho thêm nước

Hệ nhũ tương nghịch dưới kính hiển vi

 Giải thích:

 Công thức của Sudan III là C22H16N4O, đây là một chất mà trong phân tử có liên kết – N=N– (nhóm azo), vòng naphthol và các gốc methyl di động Nó được sử dụng để tạo màu cho các chất không phân cực ̣như dầu, mỡ, sáp, các hydrocacbon khác nhau và nhũ tương acrylic.

 Công thức của dầu lạc là C30H45N9O5

 Công thức của xà phòng Na là C17H33COONa

 Lúc đầu khi lắc mạnh ống nghiệm thì các phân tử Sudan III/ dầu lạc trong nước sẽ hình thành nên hệ nhũ tương Trong trường hợp này là hệ nhũ tương thuận với pha phân tán là dầu và môi trường phân tán là nước Để một phút sau thì hệ tiếp tục tách lớp chứng tỏ đây là hệ nhũ tương không bền do không có sử dụng các chất hoạt động bề mặt, các chất nhũ hóa hay dung môi thích hợp để làm giảm sức căng bề mặt Do đó các hạt chất lỏng của pha phân tán rất dễ sát nhập với nhau tạo thành một khối để giảm bề mặt phân chia pha Tốc độ kết hợp lại với nhau của các giọt dầu (hoặc nước) tuân theo phương

d1 là mật độ của hình cầu (const)

d2 là khối lượng riêng chất lỏng (const) g là hằng số hấp dẫn (const) r là bán kính tiểu phân đang xét

ƞ là đột nhớt của chất lỏng (const)

 Dựa trên công thức trên ta thấy tốc độ lắng của các tiểu phân càng lớn khi bán kính của chúng càng lớn Việc này phù hợp với việc giảm bề mặt phân pha dẫn tới giảm sức căng bề mặt và xu hướng của hệ.

 Sau khi cho xà phòng Na vào, lắc và soi dưới kính hiển vi thì thấy xuất hiện của hạt, điều này chứng tỏ chất thêm vào là chất nhũ hóa, vì nó hòa tan được cả Sudan III/ dầu lạc và nước Chất nhũ hóa xà phòng Na có tác dụng là chất hoạt động bề mặt (chất nhũ hóa than dịch), làm giảm sức căng bề mặt vì thế mà nó dễ tạo hạt khi khuấy trong quá trình pha chế Ngoài ra, Na còn có khả năng hấp phụ lên trên bề mặt hạt chất lỏng làm

cho hạt chất lỏng tích điện và tạo lớp solvat hóa quanh hạt.

 Chất hoạt động bề mặt mà ở đây là xà phòng Na có khả năng tạo ra các ion hấp phụ ở bề mặt ngăn cách dầu nước Khi hấp phụ ở bề mặt thì  ở bề mặt giảm, tức là năng lượng tự do bề mặt giảm nên nhũ tương ổn định hơn.

 Sau khi đưa CaCl2, xảy ra sự đảo pha Ban đầu hệ nhũ tương thuận dầu/nước, sau khi đưa CaCl2 thì hệ nhũ tương dầu/nước khi khuấy mạnh sẽ thu được hệ nhũ tương nước/dầu nghĩa là hiện giờ pha phân tán là nước và môi trường phân tán là dầu Sự đảo pha này là quá trình chuyển biến tương hỗ của 2 loại nhũ tương.

 Sau khi thêm CaCl2 vào nhũ tương sudan III/ dầu lạc được làm bền bởi natri oleat thì muối CaCl2 đã tác dụng với natri oleat tạo thành canxi oleat là chất làm bền cho nhũ tương loại nước/dầu.

2C17H33COONa + CaCl2 → (C17H33COO)2Ca + 2NaCl

 Nhìn thấy sự chuyển động của hat khi quan sát kính hiển vi vì nhũ tương hấp thụ bề mặt, giảm sức căng bề mặt → lực đẩy giữa các hạt xà phòng Na chứa Cation phân cực vàmạch hidrocacbon dài không phân cực Các phân tử này hấp thụ trên bề mặt hạt quay ra nhóm phân ̣cực trong nước, còn mach hidrocacbon thì quay vào môi trường dầu, các hạt nhũ tương bền vững do chuyển động Brown, nên ta thấy được sự chuyển dộng của nó trên kính hiển vi.

 Kết luận : Thí nghiệm này soi sáng phần tính nhũ tương của dung dịch keo, các kiểu nhũ tương dầu/nước (thuận) và nước/dầu (nghịch) độ bền của nhũ tương, sử dụng các chất nhũ hóa để tạo các hệ nhũ tương khác nhau và phân biệt các kiểu nhũ tương này