khoa công nghệ vật liệu báo cáo thí nghiệm hóa lý

Các chất hấp phụ thường có tổng diện tích bề mặt 10 – 1000 m2/g điển hình như; than hoạt tính, silicagel SiO2, alumin Al2O3, zeolite,… Trong sự hấp thụ của các chất trên bề mặt chấp hấp

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ⎯⎯⎯⎯

KHOA CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM HÓA LÝ

Giảng viên hướng dẫn: Thầy Huỳnh Công Khanh

2.1.5 Sự hấp phụ phân tử chịu ảnh hưởng của các yếu tố sau 8

2.1.5.1 Ảnh hưởng của dung môi 8

2.2.4.3 Nhận xét 18

CHƯƠNG 3: NHIỆT PHẢN ỨNG 20

3.1 Lý thuyết 20

3.1.1 Nhiệt hòa tan 20

3.1.2 Xác định các hiệu ứng nhiệt bằng nhiệt lượng kế (NLK) 20

BÀI 1: ĐỘ NHỚT DUNG DỊCH POLYME VÀ HỆ KEO

1.1 Lý thuyết

Độ nhớt được định nghĩa là sự tương tác giữa các phần tử với nhau trong môi trường chất lỏng Mỗi chất lỏng có cấu tạo bởi số lượng phân tử khác nhau nên chỉ số nhớt của từng loại chất lỏng sẽ khác nhau

Độ nhớt động học kí hiệu là υ là số đo lực cản chảy của một chất lỏng dưới tác dụng của trọng lực Trong hệ CGS, độ nhớt động học biểu thị bằng Stôc (St) 1St = 1cm2/s

Trong thực tế người ta dùng đơn vị centi Stoc (cSt): 1cSt = 1mm2/s

Cách xác định độ nhớt theo đơn vị Centistokes:

- Độ nhớt được tính theo cách đổ đầy mẫu cần đo vào cốc đo, mẫu sẽ chảy qua lỗ nhỏ dưới đáy, mỗi lần đo lấy 100ml, đường kính lỗ chảy là 2.53mm (cốc độ nhớt Ford) - Sử dụng đồng hồ để tính thời gian từ lúc mẫu đầy đến khi chảy hết

- Tương ứng với mỗi cốc đo độ nhớt, đường kính lỗ và thời gian, ghi nhận lại kết quả,

sau đó tra bảng độ nhớt để tìm ra độ nhớt của mẫu đo

- Mỗi lần đo phải tráng nhớt kế bằng dung dịch đó 3 lần trước khi đo

Dung cụ cần đo độ nhớt

1 Dầu nhớt tôi thép với độ nhớt 32, 64 cst đo ở nhiệt độ phòng thí nghiệm (28oC) 2 Dung dịch PVA pha loãng trong nước theo các nồng độ 2g-4g-6g/125ml và đun lên 80oC và khuấy từ từ trong khoảng thời gian 1 tiếng đến 2 tiếng trước khi tiến hành đo độ nhớt

3 Sau khi đo độ nhớt, tiến hành tính toán khối lượng riêng của dầu nhớt và các mẫu PVA ở những nồng độ khác nhau (sinh viên cần cân khối lượng của 125ml mẫu đo trước khi tiến hành đo độ nhớt) và tra bảng ghi nhận kết quả độ nhớt vào phần báo cáo

4 Lưu ý: đo ít nhất 3 lần cho mỗi mẫu, lấy giá trị trung bình

1.3 Kết quả thí nghiệm 1.3.1 Kết quả thô

Kết quả đo thu được ở phòng thí nghiệm

 (mm) Thời gian chảy t (s)

Độ nhớt động học υ (cst)

Độ nhớt động học được tính bằng công thức:  =k t C(−) 1, 44(=t−18)

Trong đó: k, C là các hằng số tra bảng , t là thời gian chảy (s)

1.3.2 Kết quả tính

Thí nghiệm mẫu dầu nhớt:

Mẫu dầu nhớt Thời gian chảy trung bình ttb (s)

Độ nhớt động học trung υtb bình (cst)

 𝑡̅ = ∑ 𝑡𝑛1

BÀI 2: HẤP PHỤ TRÊN RANH GIỚI LỎNG RẮN

Hấp phụ là hiện tượng có một chất (dạng phân tử, nguyên tử hay ion) tập trung, chất chứa trên bề mặt phân chia pha nào đó (Khí/rắn, lỏng/rắn,…)

Trong trường hợp chất hấp phụ rắn, thường là chất có bề mặt riêng (tổng diện tích trên 1g chất rắn) rất lớn Các chất hấp phụ thường có tổng diện tích bề mặt 10 – 1000 m2/g điển hình như; than hoạt tính, silicagel (SiO2), alumin (Al2O3), zeolite,…

Trong sự hấp thụ của các chất trên bề mặt chấp hấp phụ rắn, nguyên nhân chủ yếu của sự hấp phụ là do năng lượng dư bề mặt ranh giới phân chia pha rắn - khí hay rắn - lỏng Các lực tương tác trong hấp phụ này có thể là các lực Van der Waals (hấp phụ vật lý) hay các lực gây nên do tương tác hóa học (hấp phụ hóa học) hay do cả hai loại tương tác trên cùng tác dụng

2.1.2 Cơ sở lý thuyết

Sự hấp phụ chất không điện ly hoặc chất điện ly yếu trên ranh giới phân chia pha rắn lỏng thuộc vào loại đặc tính hấp phụ phân tử và tuân theo phương trình Gibbs Nếu chất tan bị hấp phụ một lượng lớn hơn dung môi thì sự hấp phụ đó gọi là hấp phụ dương, còn ngược lại là hấp phụ âm Sự hấp phụ của các chất hữu cơ cùng một dãy đồng đẳng tuân theo quy tắc Traube: Sự hấp phụ giảm với sự tăng chiều dài mạch bởi vì với sự tăng kích thước phân tử tiết diện sử dụng của chất hấp phụ để hấp phụ bị giảm, các phân tử lớn không bị rơi vào lỗ hẹp của chất hấp phụ

Sự hấp phụ trên ranh giới rắn lỏng tuân theo quy tắc thăng bằng độ phân cực của Rebindis: Các chất bị hấp phụ trên ranh giới phân chia pha chỉ xảy ra trong trường hợp nếu do sự có mặt của nó ở lớp bề mặt làm cho hiệu số độ phân cực của pha bị giảm

Để đo sự hấp phụ, người ta cho một lượng cân chính xác chất hấp phụ vào các thể

tích như nhau của dung dịch chất bị hấp phụ Lượng chất bị hấp phụ được tính như là hiệu số nồng độ đầu và nồng độ cân bằng trong các thể tích như nhau của dung dịch Trong các dung dịch loãng, thông thường người ta không tính sự hấp phụ của dung môi Theo các dữ kiện thực nghiệm xây dựng đồ thị sự phụ thuộc khối lượng chất bị hấp phụ vào nồng độ cân bằng của nó trong dung dịch

C là nồng độ cân bằng (mol/l hay mmol/l)

k là hằng số tương ứng cho khối lượng của chất bị hấp phụ ở nồng độ cân bằng n là hằng số (n = 0,1 ÷ 0,5)

Để tìm hằng số k và n thì chuyển phương trình trên thành dạng khác:

Khi đó đồ thị phụ thuộc lg( 𝑋 ) vào lg(C) là đường thẳng 𝑚

Thực hiện thí nghiệm ở nhiệt độ không đổi, ta có thể đo được số mol chất bị hấp phụ trên 1g chất hấp phụ rắn ( độ hấp phụ ɼ ) ở các nồng độ chất bị hấp phụ khác nhau (C) Đường biểu diễn

ɼ - C gọi là đường đẳng nhiệt hấp phụ

Một số hương trình thực nghiệm và lý thuyết đã được sử dụng để biểu thị các đường

đẳng nhiệt hấp phụ : Freundlich, Langmuir, BET, …

2.1.5 Sự hấp phụ phân tử chịu ảnh hưởng của các yếu tố sau 2.1.5.1 Ảnh hưởng của dung môi

Cấu tử nào có sức căng bề mặt nhỏ sẽ được ưu tiên hấp phụ vì thế khi cho một dung dịch tiếp xúc với chất hấp phụ rắn, giữa dung môi và chất phân tán thường có sự cạnh tranh trong quá trình hấp phụ lên bề mặt vật rắn Dung môi càng khó bị hấp phụ trên chất hấp phụ thì sự hấp phụ chất tan càng dễ Ví dụ: sự hấp phụ trên chất rắn thường diễn ra tốt từ dung dịch nước, và kém hơn từ các dung dịch ít phân cực như dung môi hữu cơ

Dung môi càng hòa tan tốt chất bị hấp phụ thì sự hấp phụ chất tan ấy càng kém Ví dụ: khi hấp phụ chất béo diễn ra trên chất hấp phụ ưa nước (như silicagen) từ môi trường dung môi kém phân cực (như benzen), đối với chất béo A có phân tử lượng cao hơn sẽ tan tốt trong môi trường này hơn là chất béo B có phân tử lượng thấp, lẽ ra sự hấp phụ A là nhiều hơn B nhưng thực tế lại ít hơn

2.1.5.2 Ảnh hưởng của tính chất chất hấp phụ

Bề mặt phân cực sẽ hấp phụ tốt chất bị hấp phụ phân cực và ngược lại Trạng thái vật lý và độ xốp của chất hấp phụ cũng ảnh hưởng rất lớn đến khả năng hấp phụ Ví dụ: các chất hấp phụ ở trạng thái vô định hình hấp phụ các chất khí và chất lỏng tốt hơn các chất kết tinh

Điều kiện có sự hấp phụ C là: εA > εC > εB hay εA < εC < εB

Khác biệt về sự phân cực giữa chất tan và dung môi càng lớn thì sự hấp phụ chất

tan ở bề mặt phân cách diễn ra càng mạnh

Xu hướng làm giảm sức căng bề mặt bắt buộc các chất HĐBM có trong dung dịch phân bố có định hướng trên bề mặt: nhóm phân cực hướng vào pha phân cực và ngược lại

Sự tăng khối lượng phân tử chất bị hấp phụ làm cho khả năng bị hấp phụ tăng lên rõ rệt Chính vì thế các chất alkaloid và chất màu bị hấp phụ rất mạnh, các hợp chất thơm bị hấp phụ mạnh hơn các chất mạch thẳng Tuy nhiên đối với chất hấp phụ có lỗ xốp nhỏ, do hiệu ứng cản trở không gian, sẽ hấp phụ chậm chất có mạch carbon dài

Ngoài ra, còn phải xét đến tương quan về tính hòa tan tốt hay kém với dung môi vì những chất tan tốt trong môi trường phân tán của nó có thể là chất kém bị hấp phụ

2.1.5.4 Ảnh hưởng của thời gian, nhiệt độ và nồng độ

Sự hấp phụ trong dung dịch xảy ra chậm hơn trong không khí vì chất tan trong dung dịch khuếch tán chậm hơn Việc giảm nồng độ trong lớp phân cách chỉ được bù lại bằng khuếch tán, khuếch tán trong môi trường lỏng chậm hơn trong môi trường khí Để tăng nhanh việc thiết lập cân bằng hấp phụ thường phải khuấy

Khi nhiệt độ tăng thì theo nhiệt động học sự hấp phụ trong dung dịch sẽ giảm, tuy nhiên mức độ giảm ít hơn so với sự hấp phụ khí

Tuy nhiên đối với chất hòa tan kém trong dung môi, nếu khi tăng nhiệt độ làm tăng độ hòa tan của chất đó, thì sự hấp phụ sẽ tăng nhờ vào sự tăng nồng độ dung dịch Hiện tượng này có thể thấy được khi quan sát sự hấp phụ naptalin hòa tan trong dung môi n-butan trên bề mặt hydroexin của silic

Hiện tượng hấp phụ phân tử có ý nghĩa rất lớn vì nó là một trong những hiện tượng quan trọng diễn ra trong cơ thể động vật cũng như trong nhiều quá trình kỹ thuật khác Các hiện tượng biến đổi hóa học khi đồng hóa thức ăn thường bắt đầu bằng sự hấp phụ những

đối chất này trên bề mặt xúc tác tự nhiên- enzym Trong thẩm thấu, sự chuyển các chất qua màng bán thẩm cũng bắt đầu từ hiện tượng hấp phụ xảy ra trên bề mặt phân cách rắn - lỏng Sự hấp phụ trong dung dịch được ứng dụng rộng rãi trong việc tách các hệ nhiều cấu tử, gọi chung là phương pháp sắc ký, trong việc làm sạch chất lỏng, thu hồi hóa chất quí, đánh giá bề mặt riêng…

2.1.6 Tính chất

Sự hấp phụ chất điện ly:

Đối với dung dịch nước, các chất điện ly là những chất không hoạt động bề mặt, sự có mặt của chúng trong dung dịch làm tăng sức căng bề mặt của dung dịch, trên mặt thoáng của dung dịch chúng bị hấp phụ âm

Khi có mặt trong dung dịch một vật hấp phụ rắn thì trên bề mặt phân cách vật dung dịch thường có sự hấp phụ dương những chất điện ly Sự hấp phụ chất điện ly thường có tính chọn lọc, phụ thuộc vào hóa trị của ion, bán kính ion, mức độ solvat hóa ion

rắn-Các ion trong dung dịch chất điện ly là những phần tử tích điện, cho nên sự hấp phụ các ion là quá trình diễn ra sự phân bố lại điện tích Động lực của quá trình là điện trường trong khu vực lớp bề mặt Ví dụ như sự chuyển các cation từ thể tích pha lỏng đến ranh giới của pha rắn làm cho nó được tích điện dương hơn Do tương tác tĩnh điện các ion trái dấu được hút đến gần lớp bề mặt phân chia hai pha và hình thành lớp điện kép Sự hấp phụ ion có tính trao đổi, đó là sự trao đổi giữa ion của lớp điện kép với ion của môi trường

Dung dịch các chất điện ly trong nước là dung dịch thường gặp nhất trong thực tế, ở phần này chủ yếu ta khảo sát sự hấp phụ các chất điện ly trong nước

Tính chọn lọc của sự hấp phụ chất điện ly:

Các ion chất điện ly được hấp phụ ưu tiên theo những tính chất sau: Phần bề mặt chất hấp phụ có điện tích xác định, nên chỉ hấp phụ các ion tích điện trái dấu với nó

Khả năng hấp phụ thì phụ thuộc vào bản chất các ion Đối với ion có cùng hóa trị, ion nào có bán kính lớn thì khả năng bị hấp phụ cao Nguyên

nhân là do các ion có bán kính lớn sẽ có độ phân cực lớn và có lớp vỏ solvat hóa mỏng hơn nên dễ tiến gần bề mặt vật rắn hơn, được hấp phụ mạnh hơn

- Khả năng hấp phụ của các ion cùng hóa trị được xếp như sau (dãy Lyotrop): Li+ < Na+ < K+ < Rb+ < Cs+

Mg2+ < Ca2+ < Sr2+ < Ba2+ Cl- < Br- < NO3- < I- < CNS-

- Trong sự hấp phụ các ion có hóa trị khác nhau thì ion có hóa trị càng cao (điện tích lớn) càng dễ bị hấp phụ

K+ < Ca2+ < Al3+ < Th4+

Trong hóa keo, vấn đề quan trọng nhất là sự hấp phụ lên bề mặt tinh thể mà trong thành phần tinh thể có ion cùng bản chất với ion của dung dịch Sự hấp phụ như thế có tính chất là sự kết tinh (hình thành mạng lưới tinh thể mới bằng sự hấp phụ, lực liên kết có bản chất là một lực hóa học)

Ví dụ: Các tinh thể AgI khi cho vào dung dịch KI thì bề mặt tinh thể hấp phụ ion I-, còn nếu cho vào dung dịch AgNO3 thì lại hấp phụ ion Ag+

Mạng tinh thể hình thành bằng lực hóa học như thế cũng xảy ra đối với các ion đồng hình (ion có cùng dấu) với ion đang xét Ví dụ: ngoài ion I-, các anion Cl-, Br -, CN-, CSN- cũng có thể bị hấp phụ lên bề mặt tinh thể AgI

Liên kết chặt chẽ còn có thể xảy ra đối với những nhóm nguyên tử tương tự nhóm nguyên tử bề mặt Ví dụ: than giữ một cách vững chắc các chất bị hấp phụ mà trong thành phần có carbon

Tính chất hấp phụ trao đổi ion:

Trong sự hấp phụ chất điện ly khi trên bề mặt chất hấp phụ đã hấp phụ sẵn một chất điện ly khác, chất hấp phụ sẽ hấp phụ một lượng ion xác định nào đó từ trong dung dịch và đồng thời đẩy một lượng tương đương các ion khác có cùng dấu điện tích với nó trở vào dung dịch Tham gia sự trao đổi không những chỉ có các ion bám trên bề mặt chất hấp phụ, mà có

thể có cả các ion nằm sâu trong chất hấp phụ (với điều kiện các ion đó tiếp xúc được với dung dịch)

Sự hấp phụ trao đổi có một số đặc điểm:

- Có tính chọn lọc cao, nghĩa là sự hấp phụ trao đổi chỉ xảy ra với những loại ion xác định như:

Chất hấp phụ acid (acidoid, như SiO2, SnO2) có khả năng trao đổi với cation Chất hấp phụ acid (acidoid, như Fe2O3, Al2O3) có khả năng trao đổi anion

Ngoài ra còn có chất hấp phụ lưỡng tính, nghĩa là trong điều kiện xác định nào đó, loại chất hấp phụ này có khả năng trao đổi cả cation lẫn anion

- Quá trình hấp phụ không phải luôn luôn thuận nghịch

- Sự hấp phụ trao đổi có tốc độ nhỏ, nhất là đối với các quá trình phải trao đổi các ion nằm sâu trong chất hấp phụ

- Nếu sự trao đổi diễn ra với sự tham gia của ion H+ hay OH- thì pH của môi trường sẽ thay đổi

Sự hấp phụ trao đổi có ý nghĩa rất lớn trong việc nghiên cứu đất, trong sinh vật học cũng như trong kỹ thuật Đất có khả năng hấp phụ và giữ những ion xác định Ví dụ: các ion K+, NH4+ là thức ăn của cây, thường được bón vào cho đất Khi hạt keo đất hấp phụ các ion này sẽ có các cation Ca2+, Mg2+ bị đẩy ra một lượng tương đương, do đó sẽ gây nên những thay đổi lý, hóa tính cho đất sau một thời gian

Một trong những ứng dụng quan trọng nhất của sự trao đổi ion là xử lý nước Nước trong thiên nhiên đều có độ cứng nhất định (do sự có mặt của các ion Ca2+, Mg2+), có thể làm mềm nước bằng phương pháp trao đổi ion Với mục đích này, nhựa trao đổi ion cationid được dùng ở dạng hạt có chứa Na+ trong thành phần (pecmutic)

Quá trình trao đổi ion diễn ra theo cơ chế sau:

2 cationid Na+ + Ca2+ → (cationid)2 Ca2+ + 2Na+

Để tách các chất điện ly ra khỏi nước biển, người ta cho nước này chảy liên tục qua cột trao đổi ion loại cationid H+ có tính acid mạnh và sau đó qua cột trao đổi ion loại anionid OH- có tính acid mạnh Các nhựa trao đổi ion sau khi sử dụng có thể tái sinh trở lại bằng cách xử lý với acid và acid

2.2 Thực nghiệm

2.2.1 Dụng cụ - hóa chất Dụng cụ:

Bình 1 2 3 4 5 6

Thành phần các bình

- Lắc đều các bình vừa pha

- Dùng cân phân tích cân 6 mẫu than hoạt tính, mỗi mẫu 1g

- Cho vào mỗi bình chứa dung dịch CH3COOH một mẫu than, đậy nút lắc mạnh trong vàiphút Để yên 10 phút rồi lắc mạnh vài phút Để yên 30 phút xong đem lọc

- Ghi nhiệt độ thí nghiệm Nước qua lọc định phân bằng dung dịch NaOH 0,05 M với chỉ thị phenolphtalein

- Với bình 1, 2, 3 định phân 3 lần, mỗi lần 5 ml nước qua lọc (nhỏ vài giọt phenolphthalein 0,05% vào beaker chứa 5 ml nước qua lọc, khi chuẩn độ nhỏ từ từ dung dịch NaOH và ghi nhận thể tích dung dịch NaOH khi dung dịch trong beaker này có màu hồng ổn định khi lắc không bị trở về không màu)

- Với bình 4, 5 định phân 2 lần, mỗi lần 10 ml nước qua lọc - Với bình 6 định phân 2 lần, mỗi lần 20 ml nước qua lọc

2.2.3 Kết quả 2.2.3.1 Kết quả thô

Bình Số lần V CH3COOH chuẩn độ(ml) V NaOH(ml) Vtb NaOH(ml)

Kết quả thô thu được ở phòng thí nghiệm

2.2.3.2 Hình ảnh minh họa thí nghiệm

2.2.3.3 Kết quả tính

Bình C0 (mol/l)

C (mol/l) lnC Γ(mol/g) ln(Γ) C/ Γ

**Phụ lục hướng dẫn pha các dung dịch

1) Dung dịch acid acetic CH3COOH 0,2M Dùng beaker để cân 12,06 g CH3COOH, rót vào bình định mức 1L và đổ nước cất lên đến vạch chuẩn sau đó lắc đều

2) Dung dịch NaOH 0,05 M Cân 1,04 g bột NaOH rồi cho vào bình định mức 500 ml và đổ nước cất lên đến vạch chuẩn sau đó lắc đều

3) Dung dịch chỉ thị phenolphtalein 0.05%