CÁC HIỆN TƯỢNG bề mặt sự hấp PHỤ hóa học

CÁC HIỆN TƯỢNG BỀ MẶT - SỰ HẤP PHỤ A HIỆN TƯỢNG BỀ MẶT I Sức căng bề mặt II Hiện tượng thấm ướt B SỰ HẤP PHỤ I Khái niệm định nghĩa II Sự hấp phụ khí chất HẤP PHỤ RẮN III Sự hấp phụ ranh giới LỎNG KHÍ IV Sự hấp phụ ranh giới LỎNG RẮN CHƯƠNG A CÁC HIỆN TƯỢNG BỀ MẶT I Sức căng bề mặt (surface tention): -Phân tử A nằm lòng khối chất lỏng: lực tương tác tổng hợp phân tử chất lỏng lên phân tử A - Phân tử B nằm gần mặt thoáng: chịu hợp lực hướng vào lòng chất lỏng Lực ép phân tử B vào bên gọi nội áp - Công chống lại nội áp điều kiện đẳng nhi ệt, thuận nghịch độ tăng lượng dư bề mặt dGs Ta có: W = dGs = σ.ds Trong đó: σ: hệ số tỷ lệ, gọi sức căng bề mặt ds: độ tăng diện tích tiếp xúc Khi ds = ⇒ dGs = σ σ: lượng tạo đơn vò bề mặt (đvò ergs/cm 2)  Có thể tính sức căng bề mặt qua thí nghiệm sau: Nhúng khung hình vào dd xà phòng rút ra, khung có màng xà phòng mặt tạo thành hình vẽ: Để màng xà phòng không co lại, cần tác động lên cạnh có chiều dài l lực f sức căng bề mặt Khi dòch chuyển cạnh l đoạn ∆x, diện tích bề mặt tăng lên giá trò là: ds = 2l ∆x Công thực hiện: W = f ∆x công làm tăng lượng bề mặt dGs W = dGs = σ.ds = σl ∆x Do đó: σ = f/2l ⇒Thứ nguyên σ N.m-1hoặc dyn.cm-1 Sức căng bề mặt phụ thuộc: *Bản chất chất *Bản chất chất tiếp xúc Các phương pháp đo sức căng bề mặt Phương pháp mao quản: ∆p Mσ = p RTρr rh∆ρg σ= cos θ ∆h∆ρr1 r2 g σ= 2(r1 − r2 ) Phương pháp Wilhelmy Wdet − W = 2( x + y )σ Phương pháp vòng tròn: βF σ= 4πR Phương pháp nhỏ giọt: φmg φVρg σ= = 2πR 2πR 10 • – Trong lớp, tương tác phân tử bò hấp phụ; • – Tất phân tử bò hấp phụ từ lớp thứ hai trở có đặc trưng giống lòng chất lỏng (khí): thí dụ lượng ; phân tử hấp phụ lớp thứ có lượng khác có tương tác trực tiếp bề mặt rắn 28 • Phương trình BET có dạng: p C −1 p = + V ( po − p ) VmC VmC po • Po: áp suất bão hòa • V: thể tích khí hấp phụ áp suất p • Vm: thể tích khí bò hấp phụ lớp thứ (lớp đơn phân tử) • C: thừa số lượng (C = e∆q/RT, với ∆q hiệu số nhiệt hấp phụ khí lớp đơn phân tử nhiệt hóa lỏng) • *Phương trình BET sử dụng để xác đònh bề mặt chất hấp phụ • N: số Avogadro Wm:bề mặt chiếm 1ptử lớp đơn ptử • Vo: thể tích mol khí đkc • Vm N Wm So = Vo 29 III Sự hấp phụ ranh giới dung dòch lỏng -khí 30 • III.1/ Phương trình hấp phụ Gibbs: • Γ dσ =− C RT dC • Với • Γ: biến thiên nồng độ chất lớp bề mặt, hay độ hấp phụ, mol/cm2; • C: nồng độ cân dung dòch lỏng, mol/l; ∀ σ: sức căng bề mặt, N/cm2 31 III.2/ Các chất hoạt động bề mặt Từ phương trình Gibbs ta có trường hợp sau: dσ  Trường hợp dC >0 , Γ < (nồng độ chất tan lớp bề mặt, thấp thể tích), sức căng bề mặt tăng nồng độ chất tan tăng Đây hấp phụ âm Chất tan làm tăng σ gọi chất không hoạt động bề mặt Đây trường hợp dung dòch chất điện ly dσ  Trường hợp dC =0 , Γ = : Chất không hoạt động bề mặt dσ  Trường hợp dC (nồng độ chất tan lớp bề mặt cao thể tích), sức căng bề mặt giảm nồng độ chất tan tăng Đây hấp phụ dương Chất tan làm giảm σ gọi chất hoạt động bề mặt (HĐBM) 32 • Cấu trúc phân tử chất HĐBM gồm phần: • - Gốc không phân cực: dây hidrocarbon R • - Nhóm đònh chức phân cực: -OH, -COOH, -NO2, -NH2,… • Chất HĐBM acid hay baz hữu cơ, dẫn xuất halogen,…Gốc kỵ nước hidrocarbon đẩy vào môi trường không phân cực, nhóm ưa nước nằm môi trường nước 33 34 • III.3/ Qui tắc Traube • Năm 1884, Traube đưa qui tắc thực nghiệm: • TÍNH HĐBM CỦA CÁC ACID HỮU CƠ NO TRONG NƯỚC TRONG DÃY ĐỒNG ĐẲNG TĂNG LÊN THEO SỐ CACBON, TRUNG BÌNH CHO MỖI CACBON TĂNG TỪ ĐẾN 3,5 LẦN • Qui tắc Traube cho trường hợp dung môi nước (môi trường phân cực) Với dung môi không phân cực tính hòa tan chất HĐBM tăng làm giảm tính HĐBM 35 IV Sự hấp phụ ranh giới lỏng - rắn • IV.1/ Sự hấp phụ phân tử • Lượng chất bò hấp phụ x (mmol/g) tính từ công thức: (Co − C1 )V x= 100 m • C0,C1: nồng độ ban đầu cân chất bò hấp phụ (mol/l) • V: thể tích xảy hấp phụ (l) • m: lượng chất hấp phụ (g) • Sự hấp phụ ranh giới lỏng-rắn biểu diễn đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir hay Freundlich 36 Sự hấp phụ phân tử chòu ảnh hưởng yếu tố sau:  Ảnh hưởng dung môi: dung môi chất tan thường có cạnh tranh hấp phụ lên bề mặt rắn Cấu tử có SCBM nhỏ ưu tiên hấp phụ  Ảnh hưởng tính chất chất hấp phụ: bề mặt phân cực hấp phụ tốt chất bò hấp phụ phân cực ngược lại  nh hưởng tính chất chất bò hấp phụ – Quy tắc Rebinder: chất hấp phụ lên ranh giới pha diện lớp bề mặt làm cân độ phân cực hai pha Hiện tượng hấp phụ phân tử có ý nghóa lớn diễn thể động vật nhiều trình kỹ thuật khác như: sắc ký, làm chất lỏng,… 37 IV.2/ Sự hấp phụ chất điện ly Các ion dung dòch phần tử tích điện, hấp phụ ion trình diễn phân bố lại điện tích Do tương tác tónh điện ion trái dấu hút đến gần lớp bề mặt phân chia tướng hình thành lớp điện kép A- Hấp phụ chọn lọc Các ion chất điện ly hấp phụ ưu tiên theo tính chất sau: - Bề mặt chất hấp phụ có điện tích xác đònh nên hấp phụ ion tích điện trái dấu với - Khả hấp phụ phụ thuộc chất ion: 38  Đối với ion hóa trò, ion có bán kính lớn có khả hấp phụ cao nhất: VD:Khả hấp phụ ion hóa trò Li+ < Na+ < K+ < Rb+ < Cs+ Mg2+ < Ca2+ < Sr2+ < Ba2+ Cl- < Br- < NO3- < I- < CNS Đối với ion có hóa trò khác nhau, ion có hóa trò cao (điện tích lớn) dễ bò hấp phụ K+ < Ca2+ < Al3+ < Th4+ Trong hóa keo, vấn đề quan trọng hấp phụ ion dung dòch lên bề mặt tinh thể lực hóa học để hình thành hệ keo 39 B- Hấp phụ trao đổi • Trong hấp phụ trao đổi, chất hấp phụ hấp phụ lượng ion xác đònh từ dung dòch đồng thời đẩy lượng tương đương ion khác có điện tích vào dung dòch Dung dòch Bề mặt rắn A+ B+ 40 • Sự hấp phụ trao đổi có số đặc điểm sau:  Có tính chọn lọc cao: trao đổi xảy với loại ion xác đònh tùy thuộc chất chất hấp phụ ion bò hấp phụ - Chất hấp phụ acid (SiO2, SnO2, ) có khả trao đổi với cation - Chất hấp phụ baz (Fe2O3, Al2O3,…) có khả trao đổi với anion  Quá trình luôn thuận nghòch  Sự trao đổi có tốc độ nhỏ, ion nằm sâu chất hấp phụ  Nếu trao đổi diễn với tham gia ion H + hay OH- pH môi trường thay đổi 41 • Sự hấp phụ trao đổi có ý nghóa lớn việc nghiên cứu đất, sinh vật học kỹ thuật  Trao đổi ion K+, NH4+ với ion Ca2+, Mg2+ hạt keo đất  Xử lý nước cứng (có ion Ca 2+, Mg2+ ) phương pháp trao đổi ion, sử dụng nhựa trao đổi ion cationit cationit Na+ + Ca2+ → (cationit)2Ca2+ + 2Na+  Tách chất điện ly khỏi nước biển cationit H+ + anionit OH- + Na+ + Cl- → cationit Na+ + anionit Cl- + H2O Nhựa trao đổi ion tái sinh cách xử lý với acid baz 42 [...]... thiết sau (lý thuyết hấp phụ đơn lớp):  Các phần tử bò hấp phụ (adsorbate) liên kết với những vò trí nhất đònh trên bề mặt chất hấp phụ (adsorbent);  Mỗi “tâm liên kết” chỉ có thể nhận một phần tử bò hấp phụ (hấp phụ đơn lớp)  Năng lượng của các phần tử bò hấp phụ trên tất cả các tâm của bề mặt đều bằng nhau, không phụ thuộc vào sự hiện diện hay không của các phần tử bò hấp phụ khác trên những tâm... Phân loại hấp phụ Người ta phân làm 2 loại hấp phụ: hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học TÍNH CHẤT HẤP PHỤ VẬT LÝ HẤP PHỤ HÓA HỌC LOẠI LIÊN KẾT Lực tương tác vật lý (liên kết Van der Waals) Liên kết hóa học, có sự trao đổi điện tử NHIỆT HẤP PHỤ Vài Kcal/mol Vài chục Kcal/mol NL HOẠT HÓA Không quan trọng Quan trọng NHIỆT ĐỘ Ưu đãi ở nhiệt độ thấp Ưu đãi ở nhiệt độ cao SỐ LỚP HẤP PHỤ Nhiều lớp Ít phụ thuộc... độ của chất ở trên ranh giới pha so với trong lòng của pha Sự hấp phụ phụ thuộc vào bản chất chất hấp phụ (adsorbent) và chất bò hấp phụ (adsorbate), phụ thuộc vào nhiệt độ và nồng độ dung dòch (nếu sự hấp phụ xảy ra trong pha lỏng) hoặc áp suất (nếu sự hấp phụ xảy ra trong pha khí) Có nhiều dạng lực tương tác giữa phân tử bò hấp phụ với bề mặt rắn: từ những lực yếu không phân cực như lực Van der Waals... của bề mặt, phụ thuộc nhiệt độ, áp suất TÍNH THUẬN Có tính thuận nghòch NGHỊCH Đơn lớp Có tính đặc thù, chọn lọc cao Thường bất thuận nghòch 18 II Sự hấp phụ khí và hơi trên chất hấp phụ rắn • II.1 Độ hấp phụ x: 1/ Lượng chất bò hấp phụ tính cho một đơn vò khối lượng chất hấp phụ, thứ nguyên của đại lượng này là mol/gam hoặc mmol/gam • 2/ Lượng chất bò hấp phụ tính cho một đơn vò diện tích bề mặt chất... chất hấp phụ, thứ nguyên của đại lượng này là mol/cm2 hoặc mmol/cm2 • Đường cong biểu diễn sự thay đổi của độ hấp phụ theo nồng độ hoặc áp suất cân bằng của chất hấp phụ ở nhiệt độ không đổi được gọi là đường đẳng nhiệt hấp phụ hoặc ở áp suất không đổi được gọi là đường đẳng áp hấp phụ • Đường đẳng nhiệt hấp phụ được sử dụng phổ biến hơn 19 Đường đẳng nhiệt hấp phụ của nitơ trên chất rắn có bề mặt riêng... thấm ướt bề mặt rắn càng tốt, có nghóa là làm tăng σRK và làm giảm σRL và σLK * Hiện tượng thấm ướt có nhiều ứng dụng thực tế như: trong tuyển nổi quặng, trong việc bảo vệ keo và nhũ tương, trong kỹ nghệ nhuộm, giặt tẩy, 14 Các hiện tượng bề mặt trong q trình lắng đọng vật lý pha hơi và VLS 15 16 B SỰ HẤP PHỤ I Một số khái niệm và đònh nghóa I.1/ Đònh nghóa: Sự hấp phụ (adsorption) là hiện tượng thay... động học, Langmuir đã đưa ra phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Tốc độ hấp phụ: V↓ = k1.p.(1-θ) P: áp suất khí θ: phần bề mặt bò phân tử khí chiếm 1-θ: phần bề mặt còn trống Tốc độ phản ứng giải hấp phụ: V↑ = k2 θ Khi cân bằng hấp phụ được hình thành: V↓ = V↑ 24 Ta có: Nếu đặt: k1 p θ= k2 + k1 p k2 A= k1 x θ= xm Với x: độ hấp phụ tại thời điểm nào đó Xm: độ hấp phụ cực đại Thì: x = xm p A+p 25 Như vậy:... Avogadro Wm :bề mặt chiếm bởi 1ptử ở lớp đơn ptử • Vo: thể tích mol khí ở đkc • Vm N Wm So = Vo 29 III Sự hấp phụ trên ranh giới dung dòch lỏng -khí 30 • III.1/ Phương trình hấp phụ Gibbs: • Γ 1 dσ =− C RT dC • Với • Γ: biến thiên nồng độ chất trong lớp bề mặt, hay độ hấp phụ, mol/cm2; • C: nồng độ cân bằng trong dung dòch lỏng, mol/l; ∀ σ: sức căng bề mặt, N/cm2 31 III.2/ Các chất hoạt động bề mặt Từ phương... có các trường hợp sau: dσ  Trường hợp dC >0 , Γ < 0 (nồng độ chất tan ở lớp bề mặt, thấp hơn trong thể tích), sức căng bề mặt tăng khi nồng độ chất tan tăng Đây là sự hấp phụ âm Chất tan làm tăng σ gọi là chất không hoạt động bề mặt Đây là trường hợp của dung dòch các chất điện ly dσ  Trường hợp dC =0 , Γ = 0 : Chất không hoạt động bề mặt dσ  Trường hợp dC 0 (nồng độ chất tan ở lớp bề mặt. .. (điểm sôi của nitơ lỏng) Các đường đẳng nhiệt hấp phụ của clor trên silicagel ở 1: 38oC; 2: 66,5oC; 3: 51oC; 4: 39,9oC (p–áp suất; V–thể tích Cl2 bò hấp phụ tại P) 20 II.2/ Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Freunlich • Đường đẳng nhiệt hấp phụ gần với dạng parabol, do đó Freundlich đã đưa ra phương trình kinh nghiệm biểu diễn sự phụ thuộc của độ hấp phụ vào áp suất của chất bò hấp phụ như sau: x = bp1/n