Bài giảng hóa keo chương 2 các hiện tượng bề mặt

Một số khái niệmHấp phụ là sự tích luỹ chất trên bề mặt phân cách pha khí/rắn, lỏng/rắn, khí/lỏng, lỏng/lỏng Chất bị hấp phụ xuyên qua lớp bề mặt đi sâu vào thể tích chất hấp phụ giống

CÁC HIỆN TƯỢNG BỀ MẶT

CHƯƠNG 2

Chương 2: Các hiện tượng bề mặt

SỨC CĂNG BỀ MẶT

 =

Do G =  A là công tiêu tốn,

Sức căng bề mặt là công tiêu tốn để tạo ra một đơn vị

diện tích bề mặt (dấu  chỉ công phải tiêu tốn chống lại

] J [

2

] m [

[m]

] N [

2 [ m ]

] N [

cm 100 dyn

105

Định nghĩa sức căng bề mặt là lực tác dụng trên một đơn vị độ dài.

Lực tác dụng trên một đơn vị độ dài

chính là sức căng bề mặt

”Sức căng bề mặt là lực tác dụng

trên một đơn vị độ dài của bề mặt, tiếp

tuyến với bề mặt và hướng theo chiều

chảy

σ,Nm-1

n-hexan 18,4.10-3 Hg (20oC) 472.10-3

C 2 H 5 OH 22,0.10-3 Ag (970oC) 800.10-3Xyclohexan 26,5.10-3 NaCl (1000oC) 98.10-3Benzen 28,9.10-3 Chất rắn

Chương 2: Các hiện tượng bề mặt

Giả thiết có 1m 3 chất được phân chia thành phân tử tự do

Năng lượng tiêu tốn: nhiệt hoá hơi H

Giả thiết các phân tử hình lập phương có cạnh l có l -3

So sánh sức căng bề mặt  tính toán và thực nghiệm

Chương 2: Các hiện tượng bề mặt

HIỆN TƯỢNG MAO QUẢN

Áp suất hơi trên mặt cong lõm

Hiện tượng mao dẫn

Phương pháp xác định sức căng bề mặt

Áp suất hơi trên mặt cong lõm

Chương 2: Các hiện tượng bề mặt

Hiện tượng mao dẫn

Do = cos , từ phương trình Laplace ta có:

hdg r

r r

2 2

gh d

x x

h d h d

Chương 2: Các hiện tượng bề mặt

Một số khái niệm

Hấp phụ là sự tích luỹ chất trên bề mặt phân cách pha (khí/rắn,

lỏng/rắn, khí/lỏng, lỏng/lỏng) Chất bị hấp phụ xuyên qua lớp bề mặt đi sâu vào thể tích chất hấp

phụ giống như sự hoà tan thì hiện tượng đó gọi sự hấp thụ

Hấp phụ và hấp thụ gọi chung là hấp thu

Quá trình ngược với hấp phụ khi chất đi ra khỏi bề mặt gọi là sự

giải hấp

Lượng chất hấp phụ trên một đơn vị diện tích bề mặt hoặc trên

một đơn vị khối lượng chất hấp phụ gọi là đại

lượng hấp phụ kí hiệu a

Sự hấp phụ vật lý thực hiện bằng lực phân tử là lực yếu,

nhiệt hấp phụ vật lý khoảng 2  6 kcal/mol

Sự hấp phụ hóa học thực hiện bằng lực liên kết hóa học là lực

mạnh, nhiệt hấp phụ hóa học lớn hơn cỡ một vài chục kcal/mol

Chương 2: Các hiện tượng bề mặt

Mô hình quá trình hấp phụ xảy ra trên bề mặt phân cách pha khí – rắn



Chương 2: Các hiện tượng bề mặt

Hình đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir

Đối với nitơ lỏng ( 195 o C), A m = 16,2 Å 2

Đối với benzen A m = 10 Å 2

VmV

Sự hấp phụ trên bề mặt dung dịch  khí

Phương trình Gibbs

G = .s + 1.n1 + 2.n2

 sức căng bề mặt,  i hoá thế, n i số mol cấu tử i

Lấy vi phân toàn phần ta có:

G

1

n , s , T

Chương 2: Các hiện tượng bề mặt

Nếu lưu ý đến các hệ thức nhiệt động sau:

n P,S, T, i

Chia dung dịch thành lớp bề mặt và lớp thể tích

Gọi và là số mol cấu tử 1 và 2 trong lớp thể tích

n 1 và n 2 tương ứng là số mol trong lớp bề mặt

Đối với lớp bề mặt

d 1 + d 2 = 0 d 1 =  d 2

sd + d 2 = 0

 =

n 2  số mol chất tan 2 (trong n 1 mol dung môi) ở trong lớp bề mặt

 số mol chất tan 2 trong lớp thể tích qui về n1 mol dung môi

0

1

n n02

0 1

n n02

0 1

0 2

n

nnn

2

d

 d

s

0 1

0 2n

nn-

Chương 2: Các hiện tượng bề mặt

0

2

μ

C ln d RT

 d

dC RT

 d C

 d

Chương 2: Các hiện tượng bề mặt

Ứng dụng của các chất HĐBM

Các chất HĐBM có ứng dụng trong hầu hết các lĩnh vực của các ngàn

h công nghiệp hóa học như: tẩy rửa, sơn, dệt may, mỹ phẩm, dược phẩm…

Các chất HĐBM đóng vai trò quan trọng trong nghiệp dầu mỏ

Các chất HĐBM được sử dụng để bảo vệ môi trường ví dụ như trong

xử lý dầu tràn

Việc hiểu rõ các tính chất cơ bản bao gồm những ứng dụng rộng rãi h

ơn của các chất hoạt động bề mặt ví dụ như quá trình điều chế nh

ũ tương, huyền phù, quá trình làm bền nhũ tương… là rất quan tr ọng trong việc hiểu đúng thành phần và kiểm soát hiệu quả các hệ liên quan Đây là trường hợp đặc biệt với nhiều quá trình hình thà

nh trong ngành công nghiệp hóa học.

Chương 2: Các hiện tượng bề mặt

Các chất HĐBM anion

Trong số các loại chất hoạt động bề mặt, chất hoạt động bề mặt anion được sản xuất và sử dụng nhiều nhất trong công nghiệp

do giá thành rẻ và rễ sản xuất

Chương 2: Các hiện tượng bề mặt

Ưu điểm: giá thành rẻ, dễ phân hủy sinh học, độc tính thấp

Nhược điểm: dễ bị kết tủa trong nước cứng khi có mặt các ion kim loạ

i như Ca 2+ hay Mg 2+

Hạn chế nhược điểm: cacboxylat được biến đổi bằng việc thêm các đu

ôi ưa nước, ví dụ các ethoxy cacboxylat với công thức chung RO(C

H 2 -CH 2 -O) n -CH 2 -COO - , este cacboxylat chứa các nhóm hydroxyl hay nhiều nhóm –COOH, sarcosinat chứa 1 nhóm amin với công t hức chung RCON(R’)COO -

• Được tổng hợp nhiều nhất và quan trọng nhất: tổng hợp từ phản ứng giữa a ncol và axit sunphuric (thực tế: axit clo-sunphonic hoặc hỗn hợp SO 2 /không khí cho quá trình sunphat hóa các ancol)

• Tính chất: Muối của kim loại kiềm tan tốt trong nước, chúng có khuynh hướ

ng bị thủy phân Ví dụ: natri dodecyl sunphat (ký hiệu SDS hay còn được gọ

i là natri lauryl sunphat), chúng phổ biến cả quá trình nghiên cứu cơ bản và lượng tiêu thụ trong CN Tại nhiệt độ phòng, chất HĐBM khá tan và dung d ịch 30% nước là khá chảy (độ nhớt thấp) Ở dưới 25 o C, chất HĐBM dễ dàng được tách ra dưới dạng lớp hồ mềm khi nhiệt độ thấp dưới điểm Krafft (điể

m Krafft là điểm mà trên nhiệt độ này độ tan của chất hoạt động bề mặt tăn

g rất nhanh so với quá trình tăng nhiệt độ) Điểm Krafft còn phụ thuộc vào c hiều dài mạch cacbon của gốc ankyl Như vậy, bằng cách kiểm soát sự phân

bố này mà người ta có thể thu được điểm Krafft ở xấp xỉ 10 o C Do nồng độ c hất hoạt động bề mặt có thể tăng tới 30 – 40% (dựa vào sự phân bố của chiề

u dài mạch cacbon trong gốc ankyl), độ nhớt của dung dịch có thể tăng rất n hanh và có thể sinh ra hiện tượng tạo gel Nồng độ tới hạn tạo mixen của SD

S là 8.10 -3 mol/lít (0,24%).

Chương 2: Các hiện tượng bề mặt

Muối photphat chứa chất hoạt động bề mặt gốc anion

Ankyl photphat và ankyl ether photphat đều được điều chế bằng cách

xử lý các ancol béo hoặc các ancol ethoxylat bởi các tác nhân phot phat hóa, thông thường là P 4 O 10 Phản ứng sinh ra mono hay di est

e của axit photphoric

Tỷ lệ của 2 este này được xác định bằng tỷ lệ của các chất phản ứng, h

àm lượng nước có mặt trong thành phần phản ứng

Các tính chất lý hóa của các chất hoạt động bề mặt ankyl photphat ph

ụ thuộc vào tỷ lệ của các este Các chất HĐBM gốc photphat được

sử dụng trong ngành công nghiệp luyện kim do tính chất chống ăn mòn của chúng.

Chất hoạt động bề mặt gốc cation

• Chất HĐBM gốc cation: có công thức phân tử chung R 1 R 2 R 3 R 4 N + X - Ví dụ ankyl tri-metyl ammonium clorua, R chứa từ 8 đến 18 nguyên tử C, ví dụ d odecyl tri-metyl ammonium clorua C 12 H 25 (CH 3 ) 3 NCl Một loại chất hoạt độ

ng bề mặt cation khác được sử dụng rộng rãi là loại chất hoạt động bề mặt

có chứa 2 nhóm ankyl mạch dài, ví dụ dimetyl dimetyl ammonium clorua v

ới mạch ankyl có từ 8 – 18 nguyên tử C

• Các chất HĐBM di-ankyl có độ tan kém hơn với chất HĐBM mono-ankyl nhưng chúng thường được sử dụng để làm chất tẩy rửa có tác dụng làm mề

m vải sợi.

• Các chất HĐBM cation tan tốt trong nước nếu chúng có 1 đuôi ankyl mạch dài Chúng thích hợp với hầu hết các ion vô cơ và nước cứng, không tương thích với các metasilicat và các photphat ở nồng độ cao Chúng cũng không tương thích với các vật liệu giống protein

Chương 2: Các hiện tượng bề mặt

• Chất HĐBM cation bền vững với sự thay đổi pH, cả môi trường a xit lẫn môi trường kiềm

• Chất HĐBM cation không tương thích với hầu hết các chất hoạt đ ộng bề mặt anion nhưng lại tương thích với các chất hoạt động bề mặt không ion

• Các chất HĐBM cation không tan trong dung môi hydrocacbon N gược lại, các cation với 2 hay nhiều hơn 2 mạch ankyl dài tan tốt tr ong dung môi hydrocacbon nhưng chúng cũng có khả năng phân t

án trong nước

• Bền vững về mặt hóa học với các chất điện ly Nồng độ tới hạn tạo mixen của các chất hoạt động bề mặt cation rất giống với nồng độ tới hạn tạo mixen của các chất hoạt động bề mặt anion có cùng mạ

ch cacbon

Ứng dụng của các chất HĐBM cation

• Ứng dụng chính của các chất HĐBM cation dựa trên khuynh hướ

ng hấp phụ trên bề mặt tích điện âm của chúng

Chương 2: Các hiện tượng bề mặt

Ví dụ của chất hoạt động bề mặt betaine là lauryl amido p ropyl di-metyl betaine C12H25CON(CH3)2CH2COOH N hững ankyl betaine này còn được gọi là ankyl di-metyl glycinat.

Đặc điểm của chất HĐBM lưỡng tính

• Đặc điểm chính: sự phụ thuộc của chúng vào pH của dung dịch mà chú

ng hòa tan Trong môi trường axit, phân tử có điện tích dương và có tín

h chất của chất hoạt động bề mặt cation, ngược lại trong môi trường kiề

m, phân tử có điện tích âm và có tính chất của chất hoạt động bề mặt an ion

• Đối với các phân tử chất HĐBM lưỡng tính, có một giải pH đặc biệt đượ

c xác định mà tại đó phân tử thể hiện sự cân bằng tính chất của cả 2 nhó

m cation và anion (điểm đẳng điện của phân tử).

• Các phân tử chất hoạt động bề mặt lưỡng tính đều tan tốt trong nước,

độ tan của chúng đạt cực tiểu tai khoảng pH của điểm đẳng điện Các c hất hoạt động bề mặt lưỡng tính này thể hiện sự tương thích rất tốt với các loại chất hoạt động bề mặt khác, hình thành hỗn hợp các chất hoạt động bề mặt chúng bền vững cả trong môi trường axit và bazơ Hoạt tí

nh bề mặt của các chất hoạt động bề mặt lưỡng tính thay đổi rất lớn và phụ thuộc vào khoảng cách giữa các nhóm điện tích và cho thấy hoạt tín

h tối đa tại điểm đẳng điện.

Chương 2: Các hiện tượng bề mặt

Chất hoạt động bề mặt không ion

Chất HĐBM không ion: dựa trên cơ sở etylen oxit, giống như chất hoạt động bề mặt ethoxylat

Có nhiều chất HĐBM không ion đặc biệt, ví dụ ancol ethoxyl

at, axit béo ethoxylat, mono-alkaolamit ethoxylat, sorbitan este ethoxylat, amin béo ethoxylat và etylen oxit – propyle

ne oxit co-polyme (những chất kiểu này thỉnh thoảng được cho là các chất hoạt động bề mặt polyme).

Một loại chất hoạt động bề mặt không ion quan trọng khác là các sản phẩm multi-hydroxy như glycol este, glycerol (và poly glycerol) este, glucoside (và poly-glucoside) and sucr ose este.

Chương 2: Các hiện tượng bề mặt

RT

C

dC

d

RTZ

Qui tắc Traube

ND: Trong một dãy đồng đẳng (ví dụ dãy các axit béo)

độ HĐBM tăng trung bình 3,2 lần khi thêm một nhóm

CH2

Axit butyric C3H7COOH tan trong nước (hạn chế)

Axit valeric C4H7COOH ít tan (khoảng 4 %)

Axit caproic C5H11COOH không tan

Chương 2: Các hiện tượng bề mặt

Áp suất bề mặt

Màng khí và màng ngưng tụ

0 sức căng bề mặt của dung môi

 sức căng bề mặt của dung dịch

Phương trình trạng thái khí 2 chiều

Chương 2: Các hiện tượng bề mặt

Sự kết dính và kết dính nội

Năng lượng kết dính nội là Năng lượng phải tiêu tốn để cắt một pha thà

nh 2 phần (tính cho 1cm 2 mặt cắt)

W C = 2AH (đối với pha A)

W C = 2BH (đối với pha B)

Năng lượng kết dính, kí hiệu W a

A

Sự thấm ướt, góc tiếp xúc (góc thấm ướt)

Tổng hợp lực tại T phải bằng không:

RL +  LH cos =  RH (phương trình Young)

H

LH





Chương 2: Các hiện tượng bề mặt

Bề mặt rắn , độ Bề mặt rắn , độ

Thuỷ tinh 0 Graphit 86

Xelofan 18 Polietylen (PE) 94

Màng poliamit 75 Parafin 110

Thép 60 ¸ 90

Góc tiếp xúc của nước trên một số bề mặt rắn

Chất thấm ướt

Đối với dung môi tinh khiết: RL + LH cos = RH

Khi thêm chất hoạt động bề mặt: + = RH

Như vậy: RL +  LH cos = +

<  RL và <  LH nên cos’ > cos hoặc ’ < 

Vậy sự có mặt của chất HĐBM làm giảm góc tiếp xúc, có nghĩa là tăng tí

nh thấm ướt của chất lỏng (các chất HĐBM gọi là chất thấm ướt)

/ RL

LH

/ RL

 LH/ cos  '

/

RL

Chương 2: Các hiện tượng bề mặt

Sự chảy loang

Chảy loang là trường hợp thấm ướt hoàn toàn của một giọt chất lỏng B lên bề mặt của một chất lỏng A thường là nước có sức căng bề mặt lớn hơn kết quả là chất lỏng B biến thành một màng mỏng trên bề mặt.

Điều kiện chảy loang là: AH > BH + AB

S = AH  BH  AB > 0

S gọi là hệ số chảy loang

Ví dụ: Các chất chảy loang tốt trên bề mặt nước: rượu ROH, axit hữu cơ R-COO

Chất tuyển nổi

Chất tuyển nổi là chất HĐBM khi hấp phụ lên bề mặt các hạt quặng làm thay đổi tính thẩm ướt của các hạt này trong nước nhờ đó người ta có thể tách c húng ra khỏi đất bùn (phương pháp tuyển nổi).

Chất tuyển nổi có thể là gốc cation hoặc gốc anion

RSO

Chương 2: Các hiện tượng bề mặt

CHẤT TẨY RỬA - SỰ TẠO MIXEN

Tác dụng tẩy rửa của xà phòng bao gồm:

1 Làm cho nước thấm ướt bề mặt

2 Kéo hạt mỡ ra khỏi bề mặt bằng cách tạo thành mixen ưa nước

3 Tạo bọt để lôi cuốn mixen

M

L

L M

M'

L + ChÊt

H§BM

Nồng độ tới hạn tạo mixen (NTM)

Vai trò của xà phòng là giảm sức căng bề mặt  của dung dịch

III I

II



Chương 2: Các hiện tượng bề mặt

(c)(b)

(a)

1-3,5 nm nước ooo

oo oo

o oo ooo

o o

o oo

ooo

oo

ooo

o oo ooo

o

o oo

o o

o

o ooo

o oo o

o o o o

oo

o

o o o

oo

o

o o

o o o

o o o

o o o

o

o o o

o o

o o o o

o o

o o

o

o o

o o

o

o o

o o

o o

ooo

o o

o

oo ooo

o o

ooo

o o

o

oo ooo

o o

ooo

o o

o

oo ooo

o o

o

o

o oo

o o

ooo

o o

o

o

o oo

o o

ooo

o o

o

o

o oo

o o

ooo

o oo

oo o o

o o

ooo

o o

o

ooooo

oo

o o

o

oo

oooo

o o

o

o

o oo

o o

ooooo

o

o

oo

oo

oo

o

oo oo

o

o o

o o

ooo

o

oo

oo

oo

o

oo

oo

ooo

ooo

ooo

oo

oooo

ooo

ooo

oo o

oooo

o oo

oo

o

o o o o

o

ooo

o

o oooo

Sự biến đổi các tính chất của dung dịch natri dodecylsunfat theo nồng độ

Sự hoà tan keo

Benzen

OO

O O O

O O

O

O O O O O

Nước

Dung môi hữu cơ

Nước OO O

O O

O O O O O O O O

O O O O

Chương 2: Các hiện tượng bề mặt

Các loại xà phòng

Muối của axit palmitic: C 15 H 31 COO Na +

Muối của axit stearic: C 17 H 35 COO Na +

Muối của axit oleic: C 17 H 33 COO Na +

THANKS FOR YOUR ATTENTION!