1 Sức căng bề mặt của chất lỏng Sức căng bề mặt (SCBM) của chất lỏng là năng lượng tự do trên một diện tích bề mặt, là công cần thiết để làm tăng bề mặt lên diện tích nhất định. a, Hiện tượng mao dẫn b, Hiện tượng ngưng tụ mao quản :
NHÓM – ĐH DƯỢC 11 BÀI : CÁC HIỆN TƯỢNG BỀ MẶT I - NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN - Sức căng bề mặt chất lỏng : Sức căng bề mặt (SCBM) chất lỏng lượng tự diện tích bề mặt, công cần thiết để làm tăng bề mặt lên diện tích định KHÍ ꙟ ꙟ ꙟ Các phân tử bề mặt chất lỏng Các phân tử bên chất lỏng Lực tương tác phân tử bề mặt lòng chất lỏng Xét bề mặt phân cách pha lỏng - khí Các phân tử A lòng chất lỏng chịu lực tương tác phía lỏng - lỏng Còn phân tử B lớp bề mặt, lực tương tác phân tử lỏng - khí nhỏ lỏng - lỏng Vì hợp lực lực tương tác vào phân tử B lực, kéo B hướng vào lòng chất lỏng khiến bề mặt phân chia lỏng khí có xu hướng giảm gây nên SCBM chất lỏng B Sức căng bề mặt số hợp chất hóa học TT Chất lỏng Nhiệt độ (˚C) SCBM σ (erc/cm ) Etanol 20 21,6 Benzen 20 28,9 Glycerin 20 66,0 Nước 20 72,75 Thủy ngân 20 485 Hydro -252 Oxy -198 17 Thiếc 900 510 Vàng 1200 1120 Khi nhiệt độ tăng SCBM giảm Ở nhiệt độ tới hạn, bề mặt phân chia lỏng biến SCBM = – Áp suất bão hòa : Có hai giọt chất lỏng bán kính r1 r2, áp suất bão hoà hai giọt chất lỏng p p2, để đơn giản, ta coi khí lý tưởng áp suất bão hồ bán kính hai giọt chất lỏng liên quan đến theo phương trình sau: 1 p2 1 ln = k − ÷ p1 r r Nếu r1 > r2 p2 > p1 Khi thay giọt bề mặt phẳng tức r1 = p1 = pphẳng p2 plồi Khi liên quan áp suất bề mặt phẳng có tương quan sau: ln ploi 1 = K p phang r Như vậy, áp suất bão hồ bề mặt phẳng ln nhỏ áp suất bão hoà mặt lồi (r > 0) Áp suất bão hoà bề mặt lõm (r < 0) nhỏ áp suất bão hoà bề mặt phẳng a, Hiện tượng mao dẫn : Trường hợp nhúng mao quản thuỷ tinh nước có tượng nước dâng lên bên mao quản khoảng có chiều cao h Ngấn mép nước mao quản ln có dạng lõm, áp suất bão hòa bề mặt lõm ln nhỏ áp suất bão hồ bề mặt phẳng Mao quản thuỷ tinh nhúng nước p1 < p2 b, Hiện tượng ngưng tụ mao quản : Vì áp suất bão hồ mao quản hẹp nhỏ áp mặt phẳng, nhiều chưa đạt bão hoà bão hồ bề mặt phẳng, bão hòa bão hòa pha lỏng nằm mao quản hẹp, nghĩa nước đọng lại mao quản hẹp Quá trình gọi tượng ngưng tụ mao quản Từ suy ra: ngưng tụ mao quản hẹp xảy sớm mao quản lớn – Hiện tượng thấm ướt : Khi chất lỏng tiếp xúc với bề mặt rắn, bao phủ toàn bề mặt rắn tạo lớp đơn phân tử gọi thấm ướt hồn tồn Ví dụ giọt nước bề mặt thuỷ tinh bao phủ bề mặt thủy tinh Ngược lại, có chất lỏng tụ lại thành giọt bề mặt rắn, ta gọi thấm ướt khơng hồn tồn Nếu chất lỏng tạo hạt dạng hình cầu bể mặt rắn gọi không thấm ướt, giống gọt thuỷ ngân bề mặt rắn Dựa vào tương quan lực tương tác phân tử rắn - lỏng lỏng - lỏng mà ta quan sát thấy tượng thấm ướt với mức độ khác Các mép tiếp xúc chất lỏng tạo với bề mặt rắn góc nghiêng khác gọi góc thấm ướt θ Những trường hợp thấm ướt khơng hồn tồn Ký hiệu chất HĐBM gồm vòng tròn tương ứng cho nhóm phân cực thân nước, nét đậm gạch dài gốc R thân dầu a: Những phân tử có phần không phân cực thân dầu chiếm ưu b: Những phân tử có cân dầu - nước c: Những phân tử có phần phân cực thân nước chiếm ưu Tương quan thân dầu - nước chất HĐBM Tuỳ theo độ dài mạch cacbon chất nhóm chức có tính thân nước khác mà chất phân bố dung dịch vị trí định Trong mơi trường dầu-nước phần gốc R nằm pha dầu, phần thân nước (nhóm chức) nằm pha nước phân bố chất HĐBM dung dịch Các chất HĐBM có khả tập trung bề mặt ngăn cách pha, làm giảm SCBM dung dịch Khả làm giảm SCBM dung dịch nhiều hay phụ thuộc nồng độ chất HĐBM chiều dài mạch cacbon gốc R Khả làm giảm SCBM dung dịch chất HĐBM phụ thuộc vào chiều dài gốc hydrocacbon gọi hoạt tính bề mặt Chất điện ly Dung môi tinh khiết Chất HĐBM Sự thay đổi SCBM theo nồng độ chất tan dung dịch II - PHÂN LOẠI CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT Theo nguồn gốc, chất HĐBM chia làm hai loại: - Các chất HĐBM có nguồn gốc tự nhiên đất sét, cao lanh (vơ cơ), gơm, nhựa cây, lòng đỏ trứng (lecithin), cholesterol (hữu cơ) - Các chất HĐBM có nguồn gốc nhân tạo (tổng hợp), lọai quan trọng có nhiều ứng dụng thực tế, loại chất HĐBM phân làm dạng sau: - Chất hoạt động bề mặt (HĐBM) loại anion - Chất HĐBM loại Canion - Chất HĐBM không phân li thành ion - Chất hoạt động bề mặt (HĐBM) loại anion : Đây loại chất HĐBM phân ly thành anion môi trường hoạt động, loại kể hợp chất sau: a, Xà phòng kim lọai hóa trị I : Là muối acid béo kim lọai hóa trị I Ví dụ: Natri stearat: C17H35COONa; Kali oleat: C17H33COOK Trong môi trường hoạt động muối phân ly thành anion có tác động C17H33COONa → C17H33COO + Xà phòng Na thường gây kích ứng da chất nhũ hóa nhũ tương D/N Na + b, Xà phòng kim lọai hóa trị II : Là muối acid béo kim lọai hóa trị II Ví dụ: Canxi stearat: (C17H35COO)2Ca; Magnesium oleat: (C17H33COO)2Mg Trong môi trường hoạt động muối phân ly thành anion có tác động (C17H33COO)2Ca → 2C17H33COO + Xà phòng Ca thường gây kích ứng da chất nhũ hóa nhũ tương N/D Ca 2+ c, Muối sunfat alcol béo kim loại : Điển hình loại Natri lauryl sunfat: C12H25OSO3Na Hợp chất dễ tan nước, dễ tạo bọt (dùng kem đánh răng), dùng làm chất trợ tan, bền môi trường nước cứng - Chất HĐBM loại Canion : Đây loại chất HĐBM phân ly thành canion dương môi trường hoạt động, loại kể hợp chất sau: a, Muối amoni bậc : Phân tử chất có nhiều nhóm chức, hòa tan nước chất phân ly thành ion âm dương ion dương đóng vai trò chất họat động bề mặt Ví dụ: + C16H33(CH3)3NCl → C16H33(CH3)3N + Cl - Chất HĐBM loại dễ gây thấm, gíúp bề mặt vi khuẩn dễ thấm chất sát khuẩn dễ bị tiêu diệt b, Muối amin : Khi hòa tan nước chất phân ly thành ion âm dương ion dương đóng vai trò chất họat động bề mặt + C18H37NH3Cl → C18H37NH3 + Cl - - Chất HĐBM không phân li thành ion : a, Ester rượu đa chức acid béo : Rượu đa chức bị ester hóa với acid béo hữu tạo thành mono ester ester nhiều lần diester, triester chất HĐBM không phân ly thành ion Ví dụ: HO-CH2-CH2-OH + C17H35COOH → HO-CH2-CH2-O-CO-C17H35 + H2O Đây loại chất HĐBM mà môi trường hoạt động khơng phân ly thành ion, khơng kích ứng da thường dùng mỹ phẩm b, Span Tween : * Span: Là sản phẩm ester hóa sorbitan acid béo, môi trường hoạt động khơng phân ly thành ion, có tác dụng nhũ hóa nhũ dịch N/D (CHOH)3CH2OCH2OH + C17H35COOH → (CHOH)3(CH2O)2COC17H35 + H2O * Tween: sản phẩm eter hóa span polioxietilen, môi trường hoạt động không phân ly thành ion, có tác dụng nhũ hóa nhũ dịch D/N IIi - ỨNG DỤNG CỦA CHẤT HĐBM Trong ngành Dược chất HĐBM chủ yếu dùng làm tác nhân thấm ướt, hòa tan, nhũ hố, tạo bọt, khả tẩy rửa khả tạo mixen - Sự thấm ướt Nhiều chất rắn không thấm ướt chất lỏng, SCBM tới hạn thấp so với SCBM chất lỏng Ví dụ: σH2O =72 dyl/cm, σpolyetylen = 31 dyl/cm Người ta dùng chất HĐBM khác dung dịch nước, để làm giảm SCBM dung dịch nước xuống gần 31 dyl/cm, chúng dễ thấm ướt - Tác nhân hoà tan Trong dung dịch diện số chất HĐBM hòa tan nhiều hoạt chất Ví dụ: hòa tan hocmon estron dung mơi tăng thêm chất hoạt động bề mặt như: natri caprilat, natri laurat, Tween 20, Tween 60… ưu điểm tác nhân tăng độ hoà tan thuốc, tăng tác dụng sinh học độ bền thuốc - Tác nhân nhũ hoá Khi sử dụng chất HĐBM làm tác nhân nhũ hoá, định loại nhũ tương dầu nước (D/N) nước dầu (N/D), điều giúp cho nhũ tương có độ bền thích hợp - Tác nhân tạo bọt Bọt hệ không bền vững, tạo bọt kèm theo gia tăng bề mặt phân cách khí - lỏng lớn Vì tạo bọt xảy sức căng bề mặt hệ nhỏ Điều thực cách thêm xà phòng natri vào nước Nước tinh khiết khơng tạo bọt mà có nước chứa xà phòng chất HĐBM khác tạo bọt Một chất HĐBM trình họat động làm giảm sức căng hệ tốt có khả tạo bọt tốt - Khả tẩy rửa Khả tẩy rửa tổng hợp tính chất đặc trưng xà phòng như: khả thấm ướt, khả nhũ hố, khả hòa tan khả tạo bọt giúp chất bẩn bị tách khỏi bề mặt vải sợi hòa tan vào nước dễ dàng - Khả tạo mixen Trong dung dịch xà phòng tồn dạng ion phân tử mixen Mixen tập hợp phân tử xà phòng phân ly không phân ly Khi nồng độ xà phòng dung dịch đạt tới mức định gọi nồng độ tới hạn mixen (NĐTHM) hệ hình thành mixen hình cầu Trong mixen hình cầu, mạch hydrocacbon quay đầu vào nhóm phân cực thân nước quay tạo thành khối cầu Khi nồng độ xà phòng dung dịch cao mixen có cấu tạo dạng Trong mixen hình tấm, mạch hydrocacbon quay đầu vào nhóm phân cực thân nước quay ngồi tạo thành lớp song song Kết mixen hình tạo thành gồm hai lớp phân tử xà phòng có mạch hydrocacbon hướng vào nhóm thân nước quay tạo thành hai mặt song song ... bề mặt (HĐBM) : Một số chất hữu có cấu tạo gồm hai phần: gốc hydrocacbon nhóm chức -NO2, -COOH, -NH2, -OH, -SO3H Do gốc hydrocacbon kỵ nước tức không tương tác tương tác yếu với nước, nên có... nhiều hay phụ thuộc nồng độ chất HĐBM chiều dài mạch cacbon gốc R Khả làm giảm SCBM dung dịch chất HĐBM phụ thuộc vào chiều dài gốc hydrocacbon gọi hoạt tính bề mặt Chất điện ly Dung môi tinh... hình cầu, mạch hydrocacbon quay đầu vào nhóm phân cực thân nước quay tạo thành khối cầu Khi nồng độ xà phòng dung dịch cao mixen có cấu tạo dạng Trong mixen hình tấm, mạch hydrocacbon quay đầu vào