tính chất động học phân tử hệ phân tán

TÍNH CHẤT ĐỘNG HỌC PHÂN TỬ CỦA HỆ KEO I CHUYỂN ĐỘNG NHIỆT VÀ CHUYỂN ĐỘNG BROWN II SỰ KHUYẾCH TÁN III ÁP SUẤT THẨM THẤU IV SỰ SA LẮNG VÀ CÂN BẰNG SA LẮNG CHƯƠNG I Chuyển động nhiệt chuyển động Brown • Theo thuyết động học phân tử: • - Khí tập hợp phân tử nằm trạng thái chuyển động nhiệt hỗn loạn có động trung bình E = 3/2kT với k số Boltzman T nhiệt độ tuyệt đối • - Chất rắn tinh thể phân tử hay ion xếp theo trật tự đònh dao động quanh vò trí cân • - Các phân tử chất lỏng giữ gần so với khí không chặt nên trượt lên (chảy) • Nói chung, phân tử khí lỏng có loại chuyển động: tònh tiến, quay dao động Làm lạnh nén Làm lạnh Đun nóng Đun nóng giảm áp suất Khí Mất trật tự; Có nhiều khoảng không; Phân tử chuyển động hoàn toàn tự do; Các hạt cách xa Lỏng Mất trật tự; Các hạt nhóm hạt chuyển động tương đối tự do; Các hạt gần Tinh thể rắn Sắp xếp trật tự; Các hạt vò trí cố đònh Các hạt gần Năm 1828, Brown (nhà sinh vật học người Anh) quan sát huyền phù phấn hoa kính hiển vi, phát hiện: hạt phấn hoa không ngừng chuyển động hỗn loạn cường độ chuyển động không bò giảm theo thời gian Sự chuyển động gọi chuyển động Brown Không thể quan sát quãng đường dòch chuyển thực hạt, nên Einstein sử dụng khái niệm quãng đường chuyển dòch trung bình hạt khoảng thời gian t, hình chiếu đoạn đường từ điểm đầu (t=0) đến điểm cuối theo hướng xác đònh Để tính toán, người ta dùng đại lượng chuyển dòch bình phương trung bình hạt ∆ + ∆ + ∆ + + ∆ ∆= n − 2 2 n ∆ ∆1,, ∆2, ∆3, …∆x: hình chiếu chuyển dòch hạt trục x khoảng thời gian n: số lần lấy hình chiếu II Sự khuyếch tán II.1/ Các đònh luật Fick Khuyếch tán trình tự san nồng độ hệ Đây trình tự xảy ảnh hưởng chuyển động nhiệt hệ có nồng độ không đồng Qui luật khuyếch tán mô tả hoàn chỉnh đònh luật Fick  Đònh luật Fick 1: Lượng chất m chuyển qua tiết diện S (đặt vuông góc với chiều khuyếch tán) tỉ lệ thuận với S, khoảng thời gia khuyếch tán t gradient nồng độ theo khoảng cách dC/dx dC dm = − D Sdt dx -Với D hệ số khuyếch tán, phụ thuộc vào tính chất hạt môi trường -Đònh luật Fick trình bày theo dòng khuyếch tán i: lượng chất chuyển qua đơn vò bề mặt 1đơn vò thời gian: dm dC i= = −D Sdt dx -Nếu gradient nồng độ không đổi theo thời gian i không đổi theo thời gian hệ thiết lập trạng thái dừng, ta có: dC m = −D dx St Đònh luật Fick Giả sử khuyếch tán xảy ống hình trụ có tiết diện S chiều dài dx dx S x x + dx -Trong 1giây có môt lượng S.i(x) vào thể tích S.dx điểm x có lượng S.i(x + dx) khỏi thể tích điểm x+dx Ta có: dC S i( x + dx ) − i( x )  = − Sdx dt 10 Thẩm thấu • Dung dòch có áp suất thẩm thấu gọi đẳng trương (isotonic) • Dung dòch có áp suất thẩm thấu cao gọi ưu trương (hypotonic) • Hồng cầu bao bọc màng bán thẩm • Sự co lại tế bào: – Nếu hồng cầu tiếp xúc với dung dòch có áp suất thẩm thấu cao so với dòch hồng cầu nước thẩm thấu từ làm hồng cầu co, héo lại • Sự trương tế bào: – Nếu hồng cầu tiếp xúc với dung dòch có áp suất thẩm thấu thấp so với dòch hồng cầu nước thẩm thấu từ vào làm hồng cầu trương lên 18 • Dd ưu trương : > 0,92% • Hồng cầu bò co héo • Dd đẳng trương : 0,92% • Dd thiểu trương : < 0,92% • Hồng cầu trương nở bò vỡ 19 Thẩm thấu • Sự co héo trương nở tế bào: Nồng độ cao Nồng độ thấp Nồng độ loãng Nồng độ cao 20 Với dung dòch keo, nồng độ pha phân tán sử dụng nồng độ hạt ν (số hạt đơn vò thể tích) nồng độ khối lượng hạt Cd ν Cd = N Do đó, phương trình Vant’Hoff có dạng: ν π = RT = Cd RT N π = υ kT 21 • Áp suất thẫm thấu dung dòch keo có đặc điểm:  Áp suất thẫm thấu hệ keo thường bò giảm theo thời gian (do tượng keo tụ)  Hệ keo có áp suất thẫm thấu nhỏ nhiều so với dung dòch thật điều kiện nhiệt động nồng độ hạt giống π1 ν1 = π2 ν2 Hạt có kích thước nhỏ áp suất thẫm thấu lớn 22 Hai dung dịch Keo nhiệt độ, khối lượng phase phân tán thì: π υ1 r23 = = π υ r1 Ảnh hưởng kích thước tác động lớn tới áp suất thẩm thấu Do áp suất thẩm thấu nhỏ, có nhiều ảnh hưởng nên việc sử dụng áp suất thẩm thấu dung dịch keo khơng có nhiều ý nghĩa 23 IV Sự sa lắng cân sa lắng  Khả hệ giữ cho hạt keo phân bố toàn thể tích gọi độ bền sa lắng hay độï bền động học  Sự sa lắng xảy hạt huyền phù tự rơi xuống đáy bình tác động lực trọng trường  Độ bền vững sa lắng phụ thuộc vào kích thước hạt tướng phân tán Có trường hợp sa lắng:  Mỗi hạt sa lắng độc lập, sa lắng xảy chậm Đây hệ bền vững liên kết  Các hạt keo tụ lại, liên kết với tác dụng lực phân tử, sa lắng xảy nhanh cụm Đây hệ không bền vững liên kết 24 IV.1/ Sự sa lắng Chúng ta khảo sát rơi hạt hệ Hạt sa lắng tác dụng trọng trường Theo Archimede trọng lực chất lỏng bằng: f = mg = V(γ – γo )g với V : thể tích hạt; γ : khối lượng riêng (tỉ trọng) hạt; γo : khối lượng riêng môi trường; g : gia tốc trọng trường 25 • Khi hạt rơi, chòu lực ma sát (f’ ) môi trường lỏng làm cản trở sa lắng Lực ma sát tỷ lệ với tốc độ rơi: f ' = B.u • • • u : tốc độ chuyển động hạt • B : hệ số ma sát • Hạt rơi theo chuyển động nhanh dần, lúc đầu tốc độ nhỏ nên lực ma sát nhỏ so với trọng lực Khi tốc độ tăng dần, lực ma sát tăng dần Cho đến lực ma sát giá trò trọng lực, f = f' , hạt sa lắng với tốc độ không đổi • V (γ - γo)g = B.u 26 • Với hạt hình cầu ta có: π r (γ − γ o ) g • • Từ tìm tốc độ sa lắng hạt: = 6πη ru dx 2r u= = (γ − γ o ) g dt 9η • Nếu biết u, η, γo γ ta tính r r= 9η u 2(γ − γ o ) g – Các phương trình áp dụng cho hệ có kích thước hạt phân tán nằm khoảng - 100µ • 27 • Dòng sa lắng is xác đònh theo công thức: is=u.C • • u: tốc độ sa lắng; C nồng độ hạt • Dòng khuếch tán chống lại sa lắng đặc trưng đònh luật Fick • ik=-D.(dc/dx) 28 IV.2/ Phân tích sa lắng Trong hệ đơn phân tán, tốc độ sa lắng hạt nhau, ta có: h u = t Với: h: quãng đường hạt Trong hệ đa phân tán, có nhiều loại hạt, loại hạt khoảng thời gian khác để hết đoạn đường h Ta phải xác đònh tốc độ tích lũy hạt, tức thiết lập phụ thuộc lượng chất sa lắng vào thời gian Q = f (t) Đồ thò hàm gọi đường cong sa lắng 29 Đường cong sa lắng hệ đa phân tán 30 • Trên thực tế, phép phân tích sa lắng tiến hành dựa sở xác đònh tốc độ chất chứa đóa cân cách sử dụng cân phân tích sa lắng Giới hạn sử dụng phương pháp sa lắng: + Các hạt hình cầu + Các hạt không bò solvat hóa + Các hạt sa lắng độc lập Dụng cụ để phân tích sa lắng 31 32