GIÁO TRÌNH THỰC HÀNH HÓA HỌC HÓA KEO

www.DaiHocThuDauMot.edu.vn BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG NGHIỆP I TS PHAN XUÂN VẬN (Chủ biên) TS NGUYỄN TIẾN QUÝ GIÁO TRÌNH HOÁ KEO (Dùng cho ngành Nông – Lâm – Ngư nghiệp) HÀ NỘI – 2006 LỜI NÓI ĐẦU www.DaiHocThuDauMot.edu.vn Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá keo …………………………………………………………………1 Hoá keo môn học trông trình đào tạo giai đoạn cho ngành sinh học trường Đại học Nông nghiệp I – Hà Nội Nhà trường thực quy trình từ năm 1996 chưa xuất riêng giáo trình môn học HOÁ KEO Dựa vào mục tiêu đào tạo, nội dung môn học kinh nghiệm giảng dậy, viết giáo trình HOÁ KEO Cuốn sách gồm chương kèm theo câu hỏi tập cuối chương, tương ứng với 30 tiết Hoá keo giảng trường Cuốn giáo trình phục vụ sinh viên học tập làm tài liệu tham khảo cho bạn đọc thuộc ngành khoa học liên quan Chúng chân thành cảm ơn hoan nghênh ý kiến đóng góp bạn sử dụng, làm cho giáo trình không ngừng hoàn thiện Hà Nội, tháng 02 năm 2006 T.M CÁC TÁC GIẢ Nguyễn Tiến Quý http://www.ebook.edu.vn www.DaiHocThuDauMot.edu.vn Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá keo …………………………………………………………………2 CHƯƠNG I KHÁI NIỆM VỀ CÁC HỆ KEO Hệ keo hệ phân tán, chất phân tán phân bố dạng hạt nhỏ có kích thước lớn phân tử ion đơn giản, gọi hạt keo Tuy nhiên, hạt keo không bị giấy lọc giữ lại, chúng bị giữ lại màng tế bào sinh vật Do chất phân tán dạng hạt keo nên hệ keo có đặc điểm khác với hệ phân tán khác I Cách phân loại hệ phân tán Theo kích thước hạt phân tán Dựa vào kích thước đường kính hạt phân tán, hệ phân tán chia làm loại sau: Hệ phân tán phân tử: Trong hệ, chất phân tán dạng phần tử nhỏ, kích thước nhỏ 10-7cm, chúng phân tử ion đơn giản Các hệ phân tán phân tử gọi dung dịch thật hay dung dịch thuộc loại hệ đồng thể nghiên cứu nhiều Ví dụ: dung dịch phân tử điện ly Hệ phân tán keo Gồm hạt phân tán có kích thước 10-7 đến 10-4cm, gọi hạt keo1 Hệ phân tán keo thường gọi hệ keo son (sol) Ví dụ: keo AgI, keo Protit nước Trong dung dịch loãng, phân tử protit phân tử polyme khác xử hạt có kích thước hạt keo Mỗi hạt keo khác nói chung gồm hàng nghìn đến hàng trăm phân tử, ion đơn giản tạo thành So với phân tử, ion đơn giản hạt keo có kích thước lớn hơn, không nhìn thấy mắt thường Để quan sát hạt keo đặc biệt hạt có kích thước khoảng 10-7cm người ta dùng kính siêu hiển vi điện tử Vậy hệ keo hệ phân tán siêu vi dị thể, hạt phân tán có kích thước khoảng từ 10-7 đến 10-4cm Các hệ keo đối tượng nghiên cứu hoá keo Hệ phân tán thô Gồm hạt có kích thước lớn 10-4cm, thường gọi hệ thô Nói chung hệ thô hệ vi dị thể không bền vững Chẳng hạn, môi trường lỏng có hạt phân tán rắn kích thước lớn 10-4cm, hạt nhanh chóng lắng xuống nên bề mặt lỏng (tuỳ theo khối lượng riêng hạt môi trường) nghĩa tách khỏi môi trường hệ Trong hệ thô có loại quan hệ quan trọng huyền phù nhũ tương Huyền phù hệ thô gồm hạt rắn phân bố môi trường lỏng như: nước phù sa… Nhũ tương hệ thô gồm hạt giọt lỏng phân bố môi trường lỏng như: hạt dầu mỡ nước… Trong nhiều trường hợp phải thêm chất làm bền vào huyền phù nhũ tương để hệ phân tán bền vững Các huyền phù nhũ tương dùng thực tế hệ vi dị thể tương đối bền Các hệ có chất hệ keo nên coi hệ keo nghiên cứu sử dụng Hoá keo nghiên cứu hệ vi dị thể có tính bền Trong giáo trình coi hệ thô có tính bền hệ keo thuộc loại hệ vi dị thể Một số người sử dụng khoảng 10-7 đến 10-5cm, quy định chặt chẽ http://www.ebook.edu.vn www.DaiHocThuDauMot.edu.vn Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá keo …………………………………………………………………3 Theo trạng thái tập hợp pha hệ Phương pháp đơn giản cho cách phân loại dựa vào pha môi trường hệ để phân loại hệ vi dị thể Môi trường phân tán khí Gọi chung son khí (aeorosol) gồm hệ: Hệ L/K (các giọt lỏng phân bố pha khí) như: mây, sương mù… Hệ R/L (các hạt rắn phân bố pha khí) như: khói, bụi… (Hệ K/K hệ phân tán phân tử) Môi trường phân tán lỏng Gồm hệ: Hệ K/L (Các bọt khí phân bố pha lỏng) như: bọt xà phòng nước… Hệ L/L (các giọt lỏng phân bố pha lỏng) như: huyền phù, keo vô cơ… nước Trường hợp hệ gồm hạt phân tán rắn, lỏng khí, có kích thước hạt keo, môi trường lỏng gọi chung son lỏng (lyosol), môi trường nước, rượu … tương ứng có hệ hydro sol, alcol sol… Đối tượng nghiên cứu chủ yếu hệ keo gồm hạt phân tán rắn môi trường nước Môi trường phân tán rắn Gồm hệ: Hệ K/R (các hạt khí phân bố pha rắn) như: bọt khí thuỷ tinh, vật liệu xốp… Hệ L/R (các giọt lỏng phân bố môi trường rắn) giọt lỏng mô động, thực vật… Hệ R/R (các hạt phân tán rắn pha rắn) như: thuỷ tinh mầu, hợp kim… Khi hạt phân tán rắn, lỏng khí, có kích thước hạt keo, pha rắn gọi hệ son rắn (xerosol) Theo cường độ tương tác giữ hạt phân tán môi trường hệ Các hệ vi dị thể môi trường lỏng chia làm loại hệ keo ghét lưu hệ keo ưa lưu Hệ keo ghét lưu Hệ gồm hạt phân tán không liên kết với môi trường gọi hệ keo ghét lưu hệ keo ghét dung môi(lyophobe), môi trường nước gọi hệ keo ghét nước (hydrophobe) Hệ keo ghét lưu thường gặp hệ keo vô nước Ví dụ: keo AgI, As2S3, keo kim loại, keo oxít kim loại… nước Các hệ keo điển hình hầu hết hệ ghét lưu, hệ có bề mặt phân cách pha rõ ràng hạt phân tán môi trường hệ Hệ keo ghét lưu thuộc loại hệ dị thể, nhiều tính chất bề mặt tính hấp phụ, tính chất điện … biểu rõ rệt Hệ keo ưa lưu Hệ gồm hạt phân tán liên kết chặt chẽ với môi trường hệ gọi hệ keo ưa lưu hay hệ keo ưa dung môi (lyophile), môi trường nước gọi hệ keo ưa nước (hydrophile) Mỗi hạt keo ưa lưu bao bọc lớp sonvat hoá gồm phân tử môi trường, nên hệ keo ưa lưu thuộc loại hệ đồng thể thường gọi dung dịch Hệ keo ưa lưu thường gặp dung dịch cao phân tử Ví dụ: dung dịch nước protit, gluxit… Hệ keo ưa lưu có tính chất dung dịch thật như: thẩm thấu … hệ đồng thể, có tính chất hệ keo ghét lưu hạt keo có kích thước lớn so với phân tử đơn giản Tuy nhiên, ranh giới tuyệt đối loại hệ keo nêu Ví dụ: hệ keo gồm hạt keo tạo thành từ phân tử chất bán keo (như xà phòng C17H35COONa….) gọi http://www.ebook.edu.vn www.DaiHocThuDauMot.edu.vn Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá keo …………………………………………………………………4 hệ bán keo, có tính chất bề mặt trung gian hệ keo ưa lưu hệ keo ghét lưu hệ bán keo gần với hệ keo ghét lưu II Những đặc điểm hệ phân tán keo Bề mặt dị thể Bề mặt phân chia pha hệ dị thể gọi bề mặt dị thể hệ Đối với hệ phân tán dị thể, bề mặt dị thể hệ tính tổng diện tích bề mặt hạt phân tán Kích thước hạt nhỏ bề mặt dị thể S hệ lớn Ví dụ: Phân chia 1cm3 chất rắn thành hạt hình lập phương cạnh l Nếu l = 1cm, hạt, diện tích bề mặt 6cm2 Nếu l = 10-4cm, 1012 hạt, tổng diện tích bề mặt hạt S=6.104cm2 Nếu l = 10-7cm, 1021 hạt, tổng diện tích bề mặt hạt S=6.107cm2 Rõ ràng với lượng chất phân tán dạng hạt kích thước hạt nhỏ, số hạt nhiều, tổng diện tích bề mặt hạt lớn Khi kích thước hạt 10-7cm bề mặt dị thể hệ lớn – xem bảng I.1 Bảng I.1: Sự biến thiên diện tích bề mặt hệ ứng với 1cm3 lập phương, chất phân tán, chia thành hạt hình lập phương có kích thước giảm dần Kích thước hạt hình lập phương cạnh l(cm) 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 Số hạt n 103 106 109 1012 1015 1018 1021 Thể tích hạt (cm3) 10-3 10-6 10-9 10-12 10-15 10-18 10-21 Diện tích bề mặt hạt s (cm2) 6 10-2 10-4 10-6 10-8 10-10 10-12 10-14 Tổng diện tích bề mặt hạt S= ns (cm2) 6 10 102 103 104 105 106 107 Nếu phân chia chất phân tán thành phần tử nhỏ, kích thước khoảng 10-8cm S=0 Những phần tử phân tử ion đơn giản, chúng bề mặt ngăn cách với môi trường hệ Bề mặt riêng độ phân tán Bề mặt riêng hệ phân tán tổng diện tích bề mặt hạt, ứng với đơn vị thể tích chất phân tán nghiền nhỏ: S (1.1) V S: tổng diện tích bề mặt hạt V: thể tích chất phân tán nghiền nhỏ Sr: bề mặt riêng Để đơn giản cho tính toán người ta cho hạt có hai dạng hình lập phương hình cầu, chẳng hạn: Hệ gồm n hạt hình lập phương cạnh l Sr = http://www.ebook.edu.vn www.DaiHocThuDauMot.edu.vn Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá keo …………………………………………………………………5 S 6nl = = (1.1a) V l nl hạt hình cầu bán kính r S n4πr Sr = = = (1.1b) r V n πr Đối với chất phân tán nghiền việc xác định khối lượng đơn giản so với việc xác định thể tích, nên bề mặt riêng tính tổng diện tích bề mặt hạt, ứng với đơn vị khối lượng chất phân tán nghiền nhỏ: S S 'r = (1.2) m m: khối lượng chất phân tán nghiền S’r: bề mặt riêng tính theo khối lượng (thứ nguyên cm2g-1, m2g-1) Thay m= ρ.V, với ρ khối lương riêng hạt vào công thức I.2 tính toán tương tự công thức tính S’r hạt dạng hình lập phương S 'r = (1.2a) ρl hạt dạng hình cầu S 'r = (1.2b) ρr Hình cầu dạng phổ biến hạt keo, nên công thức 1.2b thường ứng dụng Ví dụ: Nghiền SiO2 thành hạt hình cầu bán kính r = 10-5cm Tính bề mặt riêng SiO2? Biết khối lượng riêng SiO2 ρ = 2,7g.cm-3 Giải: Áp dung công thức 1.2b: Sr = = 1,11.10 cm g −1 = 11,1m g −1 −5 2,7.10 Từ công thức I.1a I.1b suy k Sr = (1.3) d tương tự, qua công thức 1.2a 1.2b có: k S 'r = (1.4) ρd k: số phụ thuộc hình dạng hạt d: kích thước hạt, d = l hạt hình lập phương cạnh l d = r hạt hình cầu bán kính r Vậy bề mặt riêng tỷ lệ nghịch với kích thước hạt phân tán Hệ keo gồm phân tán kích thước nhỏ (10-7 ÷ 10-4cm) hệ có bề mặt riêng cực đại có bề mặt riêng phát triển Đây đặc điểm hệ keo Để so sánh bề mặt dị thể hệ người ta dựa vào bề mặt riêng Nếu lượng chất phân tán hệ keo hệ có bề mặt riêng phát triển, có bề mặt dị thể lớn Theo quan điểm nhiệt động học có mặt bề mặt phân cách lớn gắn liền với có mặt lượng bề mặt đáng kể điều ảnh hưởng nhiều đến tính chất hóa keo hệ tính hấp phụ, tính chất điện, tính bền, tính đông tụ… Sr = http://www.ebook.edu.vn www.DaiHocThuDauMot.edu.vn Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá keo …………………………………………………………………6 Các vật liệu xốp có hệ mao quản Hệ thống mao quản có bề mặt riêng thường gọi bề mặt (tương tự bề mặt riêng hệ phân tán keo) ứng dụng phổ biến thực tế Đại lượng tính nghịch đảo kích thước hạt phân tán gọi độ phân tán hệ Kích thước hạt nhỏ độ phân tán hệ cao Ví dụ: hệ keo có độ phân tán cao khoảng từ 104cm-1 đến 107cm-1 Bề mặt riêng độ phân tán đại lượng đặc trưng cho mức độ phân tán hạt Bề mặt dị thể phát triển độ phân tán cao đặc điểm hệ keo III Khái niệm hệ đa phân tán Trong nhiều trường hợp hạt phân tán không khác kích thước mà hình dạng Một hệ phân tán, gồm hạt dạng gọi hệ đơn dạng, hạt khác hình dạng gọi hệ phân tán đa dạng, gồm hạt có kích thước gọi hệ đơn phân tán, hạt có kích thước khác gọi hệ đa phân tán Hệ đa phân tán gồm nhiều cấp hạt Cấp hạt Cấp hạt tập hợp nhiều hạt có bán kính khoảng từ ri đến rk Chẳng hạn: Hệ gồm hạt bán kính từ 10-2 đến 5μ(1) phân chia thành số cấp hạt sau: cấp gồm hạt có bán kính r từ 10-2 đến 5.10-2μ, cấp gồm hạt có từ 5.10-2μ đến 0,1μ, cấp gồm hạt có r từ 0,1μ đến 0,5μ… Mỗi cấp hạt có bán kính trung bình hạt Do nói: cấp hạt tập hợp nhiều hạt có bán kính trung bình r Đối với hệ đa phân tán gồm n cấp hạt, hạt có dạng hình cầu tính bề mặt riêng theo công thức: a% (I.5) s'r = ∑ i ρ ri ai%: thành phần phần trăm khối lượng cấp hạt i so với tổng khối lượng cấp hạt ri : bán kính trung bình hạt cấp i Ví dụ: Một hệ keo gồm cấp hạt hình cầu: cấp có ri = 10 −5 cm chiếm 45%, cấp hạt có ri = 2,5.10 −6 cm chiếm 35% cấp hạt có ri = 2.10 −7 cm chiếm 20% khối lượng riêng SiO2 chiếm Tính bề mặt riêng hệ ? Biết khối lượng riêng SiO2 ρ=2,65g.cm-3 Giải: áp dụng công thức I.5: S 'r = ⎡ a % b% c % ⎤ ⎡ 0,45 0,35 0,20 ⎤ + + + + = 134,14m g −1 ⎢ ⎥≈ −5 −6 −7 ⎥ ⎢ r2 r3 ⎦ 2,65 ⎣10 2,5.10 2.10 ⎦ ρ ⎣ r1 Việc phân tách cấp hạt tiến hành nhiều phương pháp Đối với hạt thô, thường dùng phương pháp rây Người ta dùng rây có kích thước biết để tách hệ thành nhiều cấp theo kích thước mắt rây, sàng Đối với hệ có độ phân tán tương đối cao phương pháp phân tích sa lắng dùng phổ biến http://www.ebook.edu.vn www.DaiHocThuDauMot.edu.vn Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá keo …………………………………………………………………7 Nguyên tắc phương pháp phân tích sa lắng Hiện tượng rơi tự hạt môi trường hệ tác dụng trọng lực, gọi sa lắng Vì khối lượng hạt tỷ lệ với lập phương kích thước hạt, nên hạt có kích thước tương đối lớn sa lắng Lực cản trở sa lắng lực ma sát hạt với môi trường Khi lực ma sát (f) trọng lực hạt (P) hạt sa lắng với tốc độ không đổi (v) Vì f = B.v P=m.g nên: Bv = mg B: hệ số ma sát m: khối lượng hiệu dụng hạt g: gia tốc trọng trường Đối với hạt hình cầu bán kính r chuyển động môi trường có độ nhớt η B=6πηr, khối lượng riêng hạt ρ môi trường ρ0 m = πr ( ρ − ρ ) Từ suy ra: 6πηrv = πr ( ρ − ρ ) g phương trình tính tốc độ sa lắng sau: v= (ρ − ρ0 ) r g η (1.6) Ví dụ: Tính tốc độ sa lắng hạt SiO2 hình cầu bán kính r=10-3cm khối lượng riêng ρ=2,7g.cm-3 nước? Giả sử ρ H O = 1g.cm −3 η H O = 0,0115 poa 2 Giải: Áp dụng công thức I.6: v= 2(2,7 − 1,0) −3 (10 ) 980 = 3,219.10 − cm.s −1 × 0,0115 A h B Hình I.1: Sơ đồ sa lắng hạt phân tán Nếu ρ < ρo hạt lên (hiện tượng sa nổi), ρ > ρo hạt rơi xuống (hiện tượng sa lắng) Nguyên tắc phương pháp phân tích sa lắng là: dựa vào phương tình tính tốc độ sa lắng để xác định kích thước hạt phân tán http://www.ebook.edu.vn www.DaiHocThuDauMot.edu.vn Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá keo …………………………………………………………………8 Giả sử hạt sa lắng từ A đến B – xem hình I.1, thời gian t(s), độ cao AB = h(cm), tốc độ sa lắng hạt v= h t (I.7) Kết hợp công thức I.7 với phương trình I.6 suy kích thước hạt: r= η h (ρ − ρ0 ) t (I.8) r=k h t (I.9) với 9η 2( ρ − ρ ) g Đối với hệ phân tán cụ thể nhiệt độ xác định, k số nên việc xác định kích thước hạt lại việc đo độ cao h mà hạt sa lắng thời gian t Trong hệ đơn phân tán, tốc độ sa lắng hạt nhau, phân lớp xẩy sau thời gian xác định Cuối hệ có lớp môi trường suốt phía lớp hạt sa lắng phía Trong hệ đa phân tán, tốc độ sa lắng hạt có kích thước khác nhau, không nhau, nên biên giới phân cách lớp không rõ rệt Sau thời gian định, độ cao khác rút cấp hạt khác khỏi hệ Cần lưu ý rằng, phương trình I.8 cho phép xác định kích thước hạt sa lắng hình cầu dạng hình cầu, không bị sonvat hoá hạt sa lắng hạt đơn hay hạt “độc thân” Phương pháp phân tích sa lắng để xác định kích thước hạt phân tán chí áp dụng với hệ huyền phù Đối với hệ có độ phân tán cao hệ keo, tốc độ sa lắng hạt nhỏ nên phải sử dụng máy ly tâm hay siêu ly tâm để sa lắng hạt Cách phân chia cấp hạt, tuỳ thuộc vào yêu cầu nghiên cứu khả cho phép phương pháp phân cấp Cần nhờ rằng, cấp hạt hệ đa phân tán hẹp Một hệ đa phân tán hẹp coi hệ đơn phân tán, bán kính hạt r Ví dụ: Hệ phân tán gồm loại hạt: loại có r = 10-6cm chiếm 10%, loại có r = 2.10-6cm chiếm 25%, loại có r = 3.10-6cm chiếm 35% loại có r = 4.10-6cm chiếm 30% khối lượng tất cấp hạt, coi hệ đơn phân tán bán kính hạt r = 2,26.10 −6 cm k= Mức độ đa phân tán Đã có số phương pháp biểu thị mực độ đa phân tán hệ keo, sau phương pháp biểu thị độ đa phân tán hệ Các hạt keo coi phân tử lớn tương tự phân tử chất cao phân tử Do phân biệt khối lượng trung bình số M n khối lượng trung bình khối M w hạt Khối lượng trung bình số khối lượng trung bình theo số lượng hạt thường gọi tắt khối lượng trung bình hạt, tính theo công thức: http://www.ebook.edu.vn www.DaiHocThuDauMot.edu.vn Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá keo …………………………………………………………………9 Mn = ∑n M ∑n i i (I.10) i ni : số hạt i hệ Mi: khối lượng hạt i Trị số M n tính từ phương pháp cho phép xác định nồng độ chất phân tán Khối lượng trung bình khối khối lượng trung bình tính theo khối lượng hạt tính theo công thức ni M i2 ∑ (I.11) Mw = ∑ wi wi: khối lượng tất hạt i Trị số M w suy từ phương pháp cho phép xác định kích thước hạt Luôn thấy M w > M n , phân tử đơn giản M n = M w Độ đa phân tán hệ tính tỷ số khối lượng trung bình khối khối lượng trung bình số hạt M β= w (I.12) Mn β: độ đa phân tán Nếu β = M n = M w hệ đơn phân tán, thường thấy hệ gồm phân tử đơn giản Nếu β>1 M w > M n hệ đa phân tán Khi β>>1 mức độ đa phân tán hệ rộng, hệ gồm hạt khác kích thước khối lượng Ví dụ: Có hệ đa phân tán A B gồm hạt có khối lượng sau (quy ước đơn vị khối lượng đầy 103đvC cho phù hợp với hạt, khối lượng hạt 100đơn vị): Hệ A gồm 100 hạt, khối lượng hạt đơn vị hạt khối lượng 100 đơn vị Hệ B gồm 100 hạt, khối lượng hạt đơn vị 100 hạt khối lượng hạt 100 đơn vị Hãy tính độ đa phân tán hệ? Giải: Áp dụng công thức I.11; I.10 I.12 hệ A: Mw = (100 × 12 ) + (1 × 100 ) = 50,5 đơn vị (100 × 1) + (1 × 100) Mn = (100 × 1) + (1 × 100) = 1,99 đơn vị 100 + 50,5 ≈ 25,37 1,99 hệ B: β= Mw = (100 × 12 ) + (100 × 100 ) = 99 đơn vị (1 × 100) + (100 × 100) Mn = (100 × 1) + (100 × 100) = 50,5 đơn vị 100 + 100 http://www.ebook.edu.vn www.DaiHocThuDauMot.edu.vn Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá keo …………………………………………………………………82 Công nghệ tạo bọt sử dụng nhiều kỹ thuật: tạo màng xốp, tuyển nổi, chế tạo bia nước giải khát, tạo chế phẩm cứu hoả… Tuy nhiên tạo bọt gây nên nhiều trở ngại cho hệ như: ngăn cản bay nồi chưng, tạo hệ dị thể… Trường hợp cần thêm vào chất chống tạo bọt Ví dụ: rượu (như rượu amylic, octylic dùng nhiều) ete thông thường http://www.ebook.edu.vn 82 www.DaiHocThuDauMot.edu.vn Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá keo …………………………………………………………………83 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG Thuyết mixen thuyết phân tử tạo thành dung dịch polyme? Nhiệt động học hòa tan polyme dung môi thích hợp? Sự trương polyme? Phân biệt trương hạn chế với trương không hạn chế? Keo ưa lưu? Ví dụ Sự khác hệ keo ưa lưu hệ keo ghét lưu Đặc tính hóa keo dung dịch protit? Trạng thái đẳng điện điểm đẳng điện? Tính chất dung dịch protit điểm đẳng điện? Hiệu ứng muối kết biện pháp keo tụ protit? Tính bền hệ keo ưa lưu biện pháp keo tụ? Đặc điểm dung dịch bán keo? Nồng độ tới hạn mixen? Mô hình mixen xà phòng môi trường nước? Tác dụng tẩy rửa, tác dụng nhũ hóa dung dịch bán keo? Chất bán keo không ion hóa số HLB? 10 Phân loại nhũ tương? Chất nhũ hóa chế làm bền nhũ tương nó? Hiện tượng đảo nhũ? 11 Cấu tạo bọt? Tính bền động học tính bền tập hợp hệ bọt? 12 Thêm 1g casein (M=108.000) vào lít dung dịch A tạo 800ml dung dịch NaCH3COO 0,12M 200ml dung dịch CH3COOH 0,08M hệ A a/ Tính khối lượng trung bình (theo gam) hạt casein hệ A? b/ Cho biết dấu điện tích ưu hình dạng hạt casein (dạng hình cầu, dạng hình sợi mở) hệ A? Biết pK CH 3CO ¤OOH = 4,75 điểm đẳng điện casein pH = 6,7 Trả lời: 1,428.10-9g 13 Hòa tan 2,5g gelatin (M=86000) vào 500ml dung dịch NaHSO4 0.004M a/ Tính khối lượng trung bình (theo gam) hạt gelatin dung dịch thu được? b/ Cho biết dấu điện tích ưu hình dạng gelatin dung dịch trên? Biết điểm đẳng điện gelatin pH = 4,7 Trả lời: 1,79.10-19g http://www.ebook.edu.vn 83 www.DaiHocThuDauMot.edu.vn Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá keo …………………………………………………………………84 CHƯƠNG VII SỰ TẠO CẤU THỂ HỆ PHÂN TÁN MÔI TRƯỜNG KHÍ Cấu thể trạng thái hệ keo phổ biến tự nhiên trạng thái rắn gần rắn hệ phân tán, cần thiết cho tạo hình đất, việc chế biến thực phẩm… Trong chương đề cập đến hệ phân tán môi trường khí (aerosol bột) loại hệ phân tán vi dị thể đa dạng đa phân tán thường gặp thực tế I Sự tạo cấu thể Phân biệt keo tụ với cấu thể Sự keo tụ trạng thái có tính bền hệ, tính phân tán không còn, hệ keo bị phân chia thành pha: pha keo tụ gồm hạt keo xếp xít pha môi trường hệ, hệ cụ thể rắn – lỏng, rắn – khí…Sự keo tụ kết thúc kết tủa dung dịch, thể tích pha keo tụ thường chiếm tỷ lệ nhỏ so với thể tích hệ keo ban đầu Ở pha hạt bên nhau, tính cấu trúc lực dính hạt nhỏ Tuy nhiên số hệ keo, làm giảm đẩy hút chiếm ưu thế, tổng hợp tăng, hạt keo dính vào tạo khung cấu trúc xốp có tính bền học môi trường nạp đầy khung Đó tạo cấu thể, hệ keo trạng thái phân tán lỏng chuyển sang trạng thái rắn gần rắn, chiếm phần lớn toàn thể tích hệ V0 a V2 V1 b c Hình III.1: Trạng thái keo tụ cấu thể: a: keo tụ, thể tích pha keo tụ V0 b c: cấu thể, thể tích cấu thể V1 V2 Hình VII.1 cho thấy: Thể tích pha keo tụ V0 nhỏ so với thể tích hệ, cấu thể keo ghét lưu từ hạt hình cầu tích V1 lớn thể tích pha keo tụ, nhỏ thể tích cấu thể V2 keo ghét lưu từ hạt dạng hình Hệ keo ghét lưu tạo cấu thể gọi gel, ví dụ: gel axít silicic (silicagel) Hệ keo ưa lưu hệ bán keo tạo cấu thể thường gọi thạch, ví dụ: thạch aga, thạch geletin… Gel có độ bền học cao rắn (ví dụ: hoá rắn xi măng xây dựng tạo gel), thạch có độ bền học thấp, dẻo đàn hồi đặc điểm cần thiết cho tạo hình trình chế biến thực phẩm Sau bị xấy khô gel thạch lại khung cấu thể Gel khô xốp giòn, bề mặt riêng lớn dùng nhiều làm chất hút ẩm, chất xúc tác, vật liệu xây dựng… Thạch khô xốp đàn hồi cao ứng dụng nghiên cứu sinh học http://www.ebook.edu.vn 84 www.DaiHocThuDauMot.edu.vn Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá keo …………………………………………………………………85 Lý thuyết tổng quát tạo cấu thể Khi hút trội, đẩy nhỏ tổng hợp hạt keo lớn thông thường dẫn hệ tới keo tụ Nhưng yếu tố kết dính hạt đạt tới giá trị xác định hạt dính vào nhau, va chạm để tạo thành cấu thể hạt có xác suất cao Lực dính ϕ có giá trị sau: (VII.1) ϕ = ψT(1 + α) α: hệ số dính hạt, có giá trị dương Giá trị α =0 ứng với hạt hình cầu, tính đồng lượng điểm cực đại, lực dính tổng hợp ψT Hệ keo trạng thái cân phân tán keo tụ Chỉ α>1 nghĩa lực dính lớn hẳn so với tổng hợp hạt dình vào nhau, tạo cấu thể Giá trị α phụ thuộc vào hình dạng hạt Hệ số dính α đồng biến với tính không đồng điểm bề mặt hạt Ở ψT xác định, α lớn lực dính ϕ lớn Lực dính hạt hình tấm, hình kim, hình đa dạng lớn so với dạng hình cầu nhiều Ví dụ: sol Fe2O3 dạng hạt nồng độ hệ keo tạo gel 1%, keo V2O5 hạt dạng hình tấm, hình kim nồng độ tạo gel tương ứng 0,1% 0,05% Bề mặt hạt keo không đồng lực dính điểm khác khác Tại đỉnh nhọn, góc sắc… lượng cao mức độ hydrat hoá nhỏ (lớp dung môi mỏng) lực dính lớn Trong môi trường nước (phân cực) điểm kỵ nước lực dính lớn ngược lại Thế điện động điểm nhỏ lực dính lớn Khi hạt va chạm điểm có lực dính lớn hạt dính vào nhau, liên kết với mạnh, tạo nên khung cấu thể Mỗi nguyên tố khung cấu thể tế bào cấu thể, lực liên kết khung lớn, lòng khung chứa đầy phân tử dung môi không tính chảy môi trường phân tán keo Phần chất lỏng bề mặt khung bị hấp phụ lực hấp phụ, phần lại lấp đầy tế bào bị giữ học lực phân tử Cấu thể có đặc tính chất rắn gần với chất rắn Lực dính hạt lớn, nồng độ keo tối thiểu để tạo khung cấu thể nhỏ cấu thể xốp, nghĩa tế bào khung rỗng Độ nạp không gian số phối trí khung cấu thể Độ nạp không gian (δ) khung cấu thể phần không gian khung cấu thể (ở dạng khô) chiếm tổng thể tích cấu thể tạo thành V0 (VII.2) V V0 (cm3): thể tích khung V (cm3 ): thể tích gel thạch Như vậy: δ CH COO − > Cl − Trong nhiều trường hợp tạo cấu thể gel thạch trước có keo tụ Ví dụ: pH gần điểm đẳng điện protit dễ hoá thạch lúc mức độ ưa nước plyme thấp, điều thuận lợi cho tạo liên kết hydro nhóm phân cực, cho lực tương tác phân tử đoạn mạch kỵ nước, cho lực hút tĩnh điện nhóm tích điện ngược dấu nhau… nghĩa tăng lực dính hạt keo thúc đẩy tạo thạch http://www.ebook.edu.vn 86 www.DaiHocThuDauMot.edu.vn Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá keo …………………………………………………………………87 Một số tính chất cấu thể Hiện tượng sol – gel thuận nghịch Một tính chất đặc biệt trạng thái cấu thể tính sol – gel thuận nghịch Đó khả hệ cấu thể bị phá vỡ lực học đó, lại tự ý phục hồi cấu thể thời gian, nghĩa có trạng thái cân bằng: sol (keo)⇔ gel lực tác động, điều kiện xác định (nhiệt độ, pH…) Tính chất sol – gel thuận nghịch khái niệm chung biến đổi thuận nghịch keo – gel keo – thạch Đó liên kết hạt tạo cấu thể thuộc loại liên kết yếu (ví dụ: lực tương tác phân tử, lực liên kết hydro) Hiện tượng sol – gel thuận nghịch thường gặp tự nhiên, công nghệ, thể sống Một số loại đất sét có tính sol – gel thuận nghịch, điều có lợi trước tác động tượng động đất, khoan rung, hạ cọc rung… Trong kỹ thuật khoan giếng, muốn hút bỏ đất đá người ta biến gen thành son, muốn định hình thành giếng phải hoá rắn thành giếng cách chuyển son vào; phải nhanh tạo thành gen Khi pha sơn lúc tạo son sơn lên bề mặt phải tạo gen để sơn không bị chảy trôi Sự đông vón xà phòng dung dịch NaCl nồng độ cao làm cho xà phòng gelatin hoá tức tạo thạch để đổ khuôn đóng bánh Hiện tượng teo trương Hiện tượng teo khả tự ý giảm kích thước gel (nhưng giữ nguyên dạng ban đầu nó) làm thoát môi trường phân tán khỏi nguyên tố cấu thể Nguyên nhân lúc đầu tạo cấu thể, nguyên tố cấu thể số điểm tiếp xúc Dần dần xếp lại hạt (nhờ chuyển động nhiệt) số điểm tiếp xúc tăng lên, cấu thể bị nén lại, đẩy phần môi trường Ngược với tượng teo tượng trương: Cấu thể teo lại hút môi trường phân tán Các cấu thể tính teo tính trương II Hệ phân tán môi trường khí Đặc điểm Hệ phân tán keo thô môi trường khí gọi sol khí aerosol Aerosol hệ loãng, độ phân tán thấp, độ đa phân tán cao, môi trường có độ nhớt nhỏ Tương tác hạt phân tán môi trường không đáng kể nên lớp điện kép bề mặt hạt không hình thành Trong hệ chuyển động Brao mạnh, sa lắng nhanh so với hệ phân tán môi trường lỏng Aerosol gồm sương mù, khói, bụi loại hỗn hợp chúng với Sương mù hệ gồm giọt lỏng phân tán môi trường khí Khói hệ hạt rắn phân tán môi trường khí Bụi thuộc loại khói hạt rắn lớn so với hạt rắn khói Nếu khói khí thải công nghiệp hệ phân tán phức tạp gồm hạt rắn, hạt lỏng, bụi khí thải Trong aerosol người ta chấp nhận kích thước hạt sau: khói gồm hạt kích thước khoảng 10-7 đến 10-3cm Bụi gồm hạt khoảng 10-3 Sương mù gồm hạt có kích thước khoảng 10-5đến 10-3 cm http://www.ebook.edu.vn 87 www.DaiHocThuDauMot.edu.vn Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá keo …………………………………………………………………88 Sau kích thước loại hạt thường gặp tự nhiên sản xuất: Sương mù Mây tầng Mây mưa H2SO4 (mù) ZnO Khói thuốc Khói lò P2O5 (khói) Kích thước hạt (cm): 5.10-5 10-4÷10-3 10-3÷10-2 10-4÷10-3 5.10-6 10-5÷10-4 10-5÷10-2 5.10-4÷10-4 Kích thước hạt khác phụ thuộc vào nguồn gốc điều kiện tạo chúng Các hạt lỏng dạng hình cầu, hạt rắn đa dạng chúng kết dính vào tạo hạt có kích thước lớn Trong aerosol hạt lớp điện kép tích điện (không lớn) hạt hấp thụ lượng xạ hấp phụ ion không khí Trong chế tạo điện tích aerosol điều kiện sản xuất tạo cho Các aerosol kim loại oxit kim loại thường tích điện âm, phi kim oxit chúng tích điện dương Ví dụ: Aerosol Fe2O3 MgO Zn ZnO Bột mỳ Dấu điện tích - Aerosol SiO2 P2O5 NaCl Than Tinh bột Dấu điện tích + + + + + Một số tính chất hoá keo hệ Hệ aerosol có tính quang học tương tự hệ keo môi trường lỏng Ở aerosol khuếch tán ánh sáng rõ rệt chiết suất chất phân tán môi trường chênh lệch Hệ aerosol có số tượng khác với hệ lyosol Đó tương nhiệt di, nhiệt sa lắng, quang di Nhiệt di tượng hạt aerosol xa rời vật nóng Nhiệt sa lắng sức sa lắng hạt lên phần lạnh bề mặt vật đốt nóng không (ví dụ: bụi thường tập trung vách, trần lò, mặt sau máy phát ánh sáng, bóng đèn…) Nhiệt di nhiệt sa lắng có quan hệ với kích thước (r) hạt bước sóng (λ) xạ Nếu λ >> r phân tử khí bay với tốc độ lớn phía hạt nóng hơn, điều có tác dụng cho hạt xung quanh theo chiều giảm nhiệt độ Còn λ