Hóa keo hóa lý các hệ vi dị thể và hiện tượng bề mặt

' • - V ■ ÌL \ • V '^ I T \ í \> * *V' 'Vr•s l > 5* HĨA KEO í \ TTTT-TV * DI1QGHN 541 MA-K 2009 X ^ N H À XUẤT BẢN = ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP Hồ CHÍ MINH ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP H CHÍ MINH TRỮỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Mai Hữu Khiêm HÓA KEO (HÓA LÝ CÁC HỆ VI DỊ THỂ VÀ HIỆN TƯỢNG BỂ MẶT) (Tái lần thứ ba) NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC Qưốc GIA TP HỒ CHÍ MINH - 2009 GT.04.HÍV) — v ' ĐHQG.HCM-09 211-2009/CXB/161 -12 M Ụ C LỤ C LỜ I N Ó I ĐẨU Chương TRẠNG THÁI KEO CỬA VẬT CHẤT 1.1 Đặc điểm hệ p hân tá n cao 1.2 Các nguyên tắc phân loại hệ phân tán 1.3 Đặc trưng cấu trúc CÁC H IỆ N TƯỢNG B Ể MẶT VÀ s ự H Ấ P 7 1 13 ph ụ Chương CÁC HIỆN TƯỢNG BỂ MẬT 2.1 Năng lượng bề mặt 2.2 Hiện tượng dính ướt 2.3 Hiện tượng mao dẫn 2.4 Các phương pháp xác định sức căng bề m ặt 16 16 19 ;%ị 26 Chương S ự HẤP PHỤ TRÊN RANH GIỚI DUNG DỊCH LỎNG - KHÍ 3.1 Các chất hoạt động bề m ặt 3.2 Phương trìn h hấp phụ Gibbs Độ hoạt động bề m ặ t 3.3 Phương trìn h hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir 31 31 33 37 Ch ương S ự HẤP PHỤ KHÍ VÀ H TRÊN CHẤT HẤP P H Ụ RẮN 4.1 Hấp phụ vật lý hóa học 4.2 Các phương pháp thực nghiệm nghiên cứu h ấ p phụ khí 4.3 Các phương trìn h hấp phụ đẳng nhiệt 4.4 Các loại chất hấp phụ đặc tính chúng 40 41 44 46 56 Ch ương S ự HẤP PHỤ TRẼN BỀ MẶT PHÀN CHIA PH A DUNG DỊCH LỎNG - RẮN 5.1 Sự hấp phụ chất không điện ly 5.2 Sự hấp phụ chất điện ly CÁC H Ệ P H Â N TÁN 59 59 64 Ch ương TÍNH CHẤT DỘNG HỌC CỦA CÁC HỆ PHÂN TÁN 6.1 Chuyển động Brovvn khuếch tán 6.2 Sự sa lắng cán sa lắng hệ p h â n tá n 6.3 Ap suất thấm thấu Chương TÍNH CHẤT QUANG HỌC CỦA CÁC HỆ PH Ả N TÁN 7.1 Sự phân tán ánh sáng hệ phân tán 7.2 Sự hấp thụ ánh sáng hệ phân tán 7.3 Các dụng cụ quang học dừng nghiên cứu hệ keo 7.4 Tính chât quang học hệ keo với h t k h ô n g h ìn h cầu 8 73 80 82 82 85 8 Chương TÍN H CHẤT ĐIỆN HỌC CỦA CÁCHỆ PHÂN TÁN 8.1 Cấu tạo lớp điện tích kép 8.2 Các tượng điện động học 8.3 Xác định điện t h ế điện động 8.4 Các yếu tô' ản h hưởng đến điện t h ế điện động 8.5 Ý nghĩa thực t ế h iệ n tượng điện động học Cấu tạo mixen keo 89 89 97 100 103 106 107 Chương ĐIỂU CHẾ VÀ LÀM SẠCH DUNG DỊCH KEO 9.1 Các phương pháp phân t n điều chế hệ keo 9.2 Các phương pháp ngưng tụ điều chế hệ keo 9.3 Làm hệ keo 109 109 112 117 Chương 10 S ự BỀN VỮNG CỦA CÁC HỆ PHÂN TÁN 10.1 Sự bền vững, keo tụ gel hóa 10.2 Tác dụng keo tụ chất điện ly 10.3 Động học keo tụ 10.4 Lý thuyết bền keo ky nước Thuyết ĐLVO 10.5 Sự solvat hóa h t keo 119 119 121 123 126 131 Chương 11 CÁC TÍNH CHẤT c HỌC CẤU THỂ CỬA CÁC H Ệ PHÂN TÁN 11.1 Các hệ kết cấu 11.2 Độ nhớt hệ p h â n tá n mơi trường lỏng 11.3 Các tín h chất dẻo đàn hồi 133 133 135 138 Chương 12 DUNG DỊCH HỢP CHẤT CAO PHÂN TỬ 12.1 Cấu tạo tín h chất hợp chất CPT 12.2 Tương tác CPT dung môi 12.3 Dung dịch hợp chất CPT 12.4 Dung dịch chất CPT đ iện ly 12.5 Sự bảo vệ keo ky lỏng b ằng CPT 141 141 145 147 151 155 Chương 13 CÁC HỆ PHÂN TÁN KHÁC TRONG MÔI TRƯỜNG LỎNG VÀ RẮN 13.1 Các hệ mixen diện ly 13.2 Các hệ p hân tá n thơ 13.3 Các hệ có mơi trường p h â n tá n rắ n 157 157 162 166 Chương 14 CÁC HỆ TRONG MÔI TRƯỜNG PHÂN TÁN KHÍ 14.1 Đặc trưng chung 14.2 Tính chết điện học keo khí 168 168 170 LỜI NĨI ĐẦU HOA KEO trình bày qui luật hóa lý hệ vi dị th ể (hay gọi hệ phân tán cao) vả tượng bể mặt Dựa quan điểm hỏa keo dại, tài liệu giới thiệu nét bần nhát lượng bề m ặ t Ịlấp phụ, tính chất quang học, động học p h â n tử, diện học vấn để vững cúa cúc hệ phàn tá n , tính chất hỏa lý dung dịch hợp cììùt cao phân tử, keo điện ly Tài liệu PGS.TS Mai Hữu Khiêm biên soạn dựa theo yèu cầu tham khảo sin/ì viên hóa kỹ th u ậ t thực phấm Sau sử d ụ n g nhiều n ă m , tài liệu dược sửa chừa, lý lại n h ằ m đáp ứng nhu cầu tham khảo cho sinh viên, cán kỷ th u ậ t học viên lĩnh vực hóa học, silicat, thực phẩm , hóa dược, vật liệu, mơi trường ngành cỏ h è n quan m uốn lăm q uen với môn khoa học uế trạ n g thái VI dị t h ề cứa vật chất - trạng thái keo Bộ môn Công nghệ Hỏa lý Trường Đại học Bách khoa T h n h phơ Hồ Chí Minh xin giới thiệu m ong nhận nhiều ý kiến dóng góp cùa dồng nghiệp, dộc giả học viên đ ế cn sách hồn liơn BỘ MỊN CỊNG NGHỆ HĨA LÝ Chương TRẠNG THÁI KEO CỦA VẬT CHẤT ■ ■ 1.1 ĐẶC ĐIỂM CỦA CÁC HỆ PHÂN TÁN CAO H óa lý cúa hệ tkống p h â n tán tượng bề m ặ t (thường đượơ gọi cách ngắn gọn - Hóa keo) m ột n hữ ng k h niệm lý hóa quan trọ n g độc lập K hoảng t h ế kỷ 19, k h n iệm loại dung dịch “đặc b iệ t” đưa vào khoa học, chất câu th n h chúng bao gồm: ch ất có tín h c h ấ t k ế t dính (như: gelatin, gơm arabic, tin h bột v.v ) N hững ch ất thuộc loại khơng có khả n ăn g k ế t tin h từ dung dịch, không qua m àn g b án thấm G raham đả gọi loại c h ấ t sol hay colloidí+) (có n g h ĩa “c h ấ t keo”) để phâfi biệt với chất có th ể k ế t tinh tr n g th i rắn , m ta n tro n g dung dịch có thê qua m àn g bán thâm N hứng Borsov chứng m inh rằng, điều kiện n h ấ t định ch ất mà G h a m gọi “ch ất keo” có th ể k ế t tin h từ dung dịch Ngoài ra, nhiều c h ấ t có k h ả n ăn g k ế t tin h khác tồn tạ i trạng thái keo Vậy, từ b ấ t kỳ chất có t h ể tạo tr n g th i keo Do k h n g nên nói “ch ất keo” m có th ể nói trạng thái keo phải xem chúng m ột tr n g th i đặc b iệ t chung cửa v ậ t c h ấ t - trạng thái p h â n tán (hay trạng thái p h â n tán cao) Trong Hóa keo k h niệm tr n g th i p h â n tá n nghĩa với khái n iệ m “tr n g th i chia n h ỏ ” Các h t h a y lỗ xốp nhỏ tr n g th i p h â n tá n cao không quan s t tro n g loại kính hiển vi quang học thường, b ả n th â n chúng lớn h n kích thước p hân tử Vậy th u ậ t ngữ “chất keo” n ên dùng để ch ấ t k ế t dính, vấn đề mà mn đề cập tro n g giáo tr ìn h hệ keo hay hệ p h â n tán cao Các hệ keo hay hệ p h ân tá n bao gồm h t (hay lỗ xốp) mơi trư n g tồn Giừa h t (hay lỗ xốp) dù dù nhiều có r ,Sole — xuất phát từ chữ Latinh “S o lutio” từ chừ Hy Lạp “kolla” hồ dán, keo quan hệ m ậ t th iế t với môi trường Vậy, hệ keo bao gồm: p h a p h â n tá n , h t hay bọt khí môi trường p h â n tán, - môi trường mà p h ầ n tử pha phân tá n tồn Có nghĩa, chúng hệ dị thề chứa c h ấ t tr n g th i phân tá n cao K hái niệm độ p h ân tá n gắn liền với kích thước p h ần tử p h a p h â n tá n Dựa vào kích thước có th ể p h ân hệ dị t h ể th n h loại: Tên hệ Kích thưđc hạt (hay lỗ xốp), cm Các hệ phân tán thô (huyền phù, nhũ tương ) - n1 o 1 Các hệ phân tán cao (keo điển hình) ĩo Các hệ phản tán trung bình (khói, thể xốp) > "4 Đốì tượng Hóa keo đại không giới h n tro n g hệ keo điển h ìn h m hệ p h â n tá n khác: thồ tru n g bình, - gọi chưng hệ p h â n tán Việc tách hóa keo th àn h lĩnh vực độc lập dựa trê n sở dấu hiệu kích thước (nêu trên) dường có tính học th u ần túy Tuy vậy, cách làm có sở cần thiết, kích thước xác định ln đơi với nội dung tương ứng xác định Chính đây, biến đổi lượng dẫn đến biên đổi “chất” Các hệ keo có bền vững màu sắc độ rắ n so với hệ có kích thước lớn (mặc dù chất) Nhiều chất thực t ế không tan (trong dung dịch thường) có khả n ăng rõ rệt h ìn h th n h trạn g th keo Trong giáo trìn h khảo sát kỹ đặc trưng tín h chất khác đặc trưng cho trạ n g thái keo v ậ t chất Các “tín h c h ấ t” xuất đây, - tro n g lĩn h vực hóa keo có th ế nói t ấ t th ỏ n g sồ' độc lập mới, chúng m ột h m độ p h ân tán C h ín h tă n g lên th ông số làm phức tạ p th ê m vấn đề Như, nhiều định lu ật (ví dụ, định lu ậ t th n h p h ầ n k hông đổi, định lư ật F araday, qui tắc pha Gibbs) tro n g hóa keo thực t ế có ý n g h ĩa khác Bởi qui luật hóa lý, m n g h iê n cứu xuất p h t trê n giới h n hệ lý tưởng (như: khí lý tưởng, dung dịch lý tưởng v.v ) cho n ên phức tạ p r ấ t nhiều, sử dụng chúng tro n g điều k iệ n thực N hư biết, t h ế giới bao quanh câu th n h từ hệ th ô n g p h ân tá n , n ên việc sử dụng định lu ậ t hóa học đơi với thê giới thực, t h ế giới hệ p h â n tá n , t ấ t n h iê n , m an g nhiều dấu hiệu đặc th ù hóa keo N ghiên cứu dâu hiệu đặc th ù chuyến từ hệ th ô n g giới h n (lý hóa lý tưởng) đến v ậ t c h ấ t v ậ t th ế thực xem đối tượng Hóa keo Hóa keo, nói theo quan điểm nêu tr ê n , có t h ể gọi hóa học vật th ể tliự c, m ch ín h qua có th ể tìm th ấ y ý ng hĩa có tín h ngun tắc, tính độc lập lỏi cưôn dặc biệt môn học Vậy yếu tố có vai trò đ ịn h đơi với tín h c h ấ t đặc thù v ậ t c h ấ t tr n g th i keo? Để tr ả lời cho câu hòi h ãy quan s t biến đổi bề m ặ t v ậ t c h ấ t bị s chia nhỏ đây, bề m ặ t riêng S = — - bề m ặ t p h â n chia pha qui m ột đơn vị th ể tích pha p h â n tán , đượcxem thước đo độ p h â n tá n (trong đó: s V tổ n g bề m ặ t thê tích p h a p h ân tán) Đế đơn giản, chọn loại h t có d ạng khơi lập phương, có cạnh s 6/“ l m ôt c h ấ t đề tính, thì: Sn = — = —— = — CỊ1 đơi với khơi h ìn h V z3 / S) 7C^ s= —= — với khơi cóhình d ang khác th ì Sn V 4/3ĩcr r d tín h th eo d, tro n g d đường kính tương đương K ết tín h to án cho th â y , bề m ặt riêng S tỉ lệ nghịch với kích t hước h ạt, m tro n g H óa keo cầu, thì: có th ế th ấ y giá trị (S0) r ấ t lớn Ví dụ, từ khơi lập phương với c n h cm (tức khơi có thề tích kích thước / = 1 cm3 ) chia th n h h t đến Gcm, tổng bề m ặ t p h a p h â n tá n 6 cm hay 600 m S tă n g lên theo với tỉ số p h â n tử n ằ m tr ê n bề m ặ t p h â n chia pha Dựa theo p h ân bơ trường lực k hơng đơì xứng (trên n h giới p h â n chia pha) có th ế p h ân chia p h ầ n tử có tr n g th i n ă n g lượng “đặc b iệ t” khỏi p h ầ n tử n ằ m th ể tích pha Các p h ần tử “đặc b iệ t” tr ê n bề m ặ t có n ă n g lượng dư biểu h iệ n d ạn g cồng cắt liên k ế t tro n g tr ìn h chia nhỏ p h ầ n tử khỏi Sự khác biệt n ăn g lượng có ả n h hưởng khơng đến tín h c h ấ t vật chất T rong hệ p h â n tá n giá trị S lớn, n ên giá tr ị n ăn g lượng dư p h ải xem đ n g kể N ếu xét riêrig giá trị S th ì hệ keo chiếm m ột vị trí h ồn tồn đặc biệt tro n g sô" hệ p h ân tá n nói chung*** riê n g hệ p h ân tá n p h ân tử (ví dụ: dung dịch thực) h ệ đồng th ể , bề m ặ t riêng hệ p h ân tá n thô h ệ p h ân t n cao (kích thước p h ầ n tử p h a p h â n - cm) có bề m ặ t riêng p h t triể n m ạnh T r ê n h ìn h Sự thực bề m ặ t k hơng có, r ấ t nhỏ, có tá n vào khoảng biếu diễn phụ thuộc bề m ặ t riêng S sô p h ần tử “đặc biệt” f ( f = — , tro n g n - sô' p h ầ n tử num trê n m ột cạn h h ạt) n (* ) Trong giáo trình sử dụng thuật ngừ: “hệ phân tán” đế chí hệ vi dị thể bao gồm hệ keo, phân tán thô phân tán trung bình “Hệ phân tán cao” đề riêng cho hệ keo vào kích thước h t, đường có dang dơc đứng kích thước h t l giảm đến i c r cm Giá trị f gần đ t cực đại l ~ " cm nhò n h ấ t khác khơng Ví dự, xác định f = 0,01 l = 10“5 cm, giới h n trước khu vực hệ keo, f = 10~ / = 1CT4 cm, tro n g f = 0,5 l = 10 ~ cm, xem d = 2.10 cm Vậy có th ể nói, việc chọn r a n h giới khư vực hệ keo k h ô n g phải ngẫu nhiên, m dựa tr ê n tỉ số s ố p h ầ n tử “đặc biệt” so với số p h ầ n tử k h c p h a p h ân tán, tỉ sỗ” phải đ t m ột giá trị cần thiết Đại lượng f (cùng với S xác định tín h đặc thù rõ r ệ t tín h c h ấ t k h ác hệ phân tá n cao, p h ân b iệ t với dung dịch phân tử hệ phân t n thô Độ phân tá n tă n g lên (khi l giảm), giá tr ị f, S0 đ t đến giá trị cực Hình 1.1 S ự biến đổi sô p h ầ n p h ầ n tử “đặc đại Vậy tă n g lên độ p h ân tá n gắn biệt” (f), bề m ặt riêng (SLl) liền với sô" p h ầ n tử “dặc biệt”, theo kích thước hạt (l) h iệ n tượng xảy trê n bề m ặt Do bề m ặ t p h ân chia p h a p h t triể n n h vậy, n ê n tro n g hệ keo hệ vi dị th ể nói chung có n ăng lượng tự bề m ặ t ( AGS > ) lớn Do vậy, chúng k h n g bền, có xu hướng dính k ế t h t pha p h â n tá n lại với (gọi keo tụ) để bề m ặ t p h â n chia pha giảm, hay nói cách k h c chúng không bền n h iệ t động T rong tr ìn h biến đổi n h th n h p h ầ n hóa học hệ khơng đổi, m biến đôi đặc trư n g n ă n g lượng Đây điểm th ể h iệ n tín h đặc thù Hóa keo M ặt khác, đứng tr ê n quan điểm động học m nói, th ì dộ bền tậ p họp hệ vi dị th ê xác đ ịn h lực h ú t p h ần tử làm cho p h ầ n tử có xu hướng tiế n gần lại nhau, dính chặp với n hau th n h tậ p họp lớn hơn, lực đẩ y n găn cản dính chặp p h ầ n tử Vậy tín h bền vững hệ vi dị th ể định chủ yếu độ lớn h n g rào n ă n g lượng ngăn cản tiế n lại gần hạt Có th ể nói, tín h bền vừng tập hợp m ột n hữ ng đặc trưng quan trọ n g m H óa keo phải nghiên cứu, có tầ m quan trọ n g tro n g thực tế N hiều n g n h s ả n xuất có liên quan với hệ vi dị th ể , n h iệ m vụ nghiên cứu giữ cho hệ tr n g th i bền tậ p hợp ngược lại (tạo điều kiện cho keo tụ) có ý nghĩa lớn Nếu khơng nói q rằng, tín h c h ấ t hệ keo hệ vi dị th ể nói chung giải thích độ p h â n tá n nó, th ì độ p h â n tá n cao hệ có ý nghĩa r ấ t đ ịn h đôi với nhiều đặc tín h quan trọ n g hệ như: tín h ch ất động học, p h â n tá n án h sáng, v.v 10 /nCgh = A' —B 'nc - KgZnCi (-3.3) Xét trường hợp: - Khơng có chất điện ly trơ: Cị = Cgh th a y giá trị vào phương tr ìn h (13.3) chuyển lại dạng lo g arit số 10: /gCgh = A - B nc (13.4) tro n g đó: n c - số nguyên tử cacbon; A', B’, A B - h ằ n g số Phương tr ìn h (13.4) h oàn to n th ô n g n h ấ t với k ế t luận có t í n h chất định tín h lúc đầu mối tương quan tă n g n c th ì Cgh giảm - Khi có m ặ t chất điện ly trơ (cho n c = const): IgCgh = A” - Kg/gCi (13.5) tro n g đó: A" - h ằ n g sơ" Phương tr ìn h cho thây, Cgh giảm k h i nồng độ ch ất điện ly trơ tă n g lên, điều kiện I (Pj I cơng điện cần thiết để tạo mixen giảm xuống Các số A, B, A', B', A" có th ể tín h phương pháp thống kê Người ta tín h khơi lượng m ixen M m loại có chiều dài m ạch cacbon n c theo phương trìn h : Ig Mm = D + E n c (13.6) tro n g đó: D E -là h ằ n g số có th ể th u thực nghiệm Khi nồng độ chất HĐBM tă n g lên làm h ìn h th n h hệ cấu trúc gel xít ch ặt có đặc điểm cấu trúc riên g gọi pha mezomor Ví dụ giản đồ p h a dodexylsuníat N a tri (C H SO N a ) - H 2O mô tả tr ê n (H.13.4) t, °c HĐBM, % H ình 13.3 Mô h ìn h m ixen hình cầu chất H Đ B M H ìn h 13.4 Giản đồ p h a hệ đodexylsunfat natri - nước Khi nồng độ chất HĐBM tăn g , s ố m ixen tro n g dung dịch đ ẳ n g hướng p h â n tử - mixen tă n g lên k ế t inixen h ìn h cầu liên k ế t lại th n h mixen h ìn h que (H.13.5) độ n h t dung dịch theo t ă n g lên N hững mixen h ú t tiếp tục tạo câu trúc lục giác - chiều 160 xếp xít chặt, - pha trung gian, pha mezom or (T) N ồng độ tă n g lên, hệ chuyển sa n g pha hình phiến hay gọi p h a p h iế n mỏng m ezom or (P) Loại có cấu trúc r ấ t xít chặt, tạo th n h lớp lưỡng p h â n tử song song (H.13.6) có chứa c h ấ t lỏng (nước) bên Lớp nước m ỏng k h i nồng độ chất HĐBM lớn Các p h a m ezom or (đã nói ) loại hệ có độ n h t cao k hông đ ẳng hướng quang học thường gọi tin h th ể lỏng N ghiên cứu tín h c h t loại h ệ n y có ý nghĩa việc sử dụng c h ấ t tẩ y rửa, bôi trơ n v.v , n h có ý nghĩa đơi với việc nghiên cứu cấu trúc sinh vật Hình 13.5 Mơ h ìn h m ixen h ìn h que chất H Đ B M Hình 13.6 Mơ h ìn h m ixen h ìn h chất H Đ B M - Ví dụ tác d ụ n g tẩ y rủ a xà p h ò n g Các c h ấ t tẩ y rử a sử dựng r ấ t rộng rãi tro n g thực tế, đặc b iệ t tro n g kỹ th u ậ t h iệ n đại Tác dụng tẩy rử a m ột q tr ìn h hóa keo phức tạp, bao gồm trìn h làm giảm n ăn g lượng bề m ặt, p h ân tá n bảo vệ keo v.v , chất tẩy rửa chất HĐBM loại đặc biệt Đồng thời có h o t tín h bề m ặ t lớn, k h ả n ăng dính ướt tót, c h ấ t tẩy rửa phải có k h ả n ă n g làm bền cao đốì với h t keo ky lỏng bên tro n g chứa ch ất bẩn Xà p h ò n g axit kéo (thiên nhiên tổng hợp) với chiều dài m ạch cacbon k h o ản g từ - 18 nguyên tử cacbon có k h ả n ă n g tạo m ixen đáp ứng tín h c h ấ t n h Tác dụng tẩ y rử a th ể qua giai đoạn th â m ướt bề m ặ t để chuyển h t b ẩn vào th ể tích dung dịch, làm bền h t tro n g dung dịch, n g ă n cản tr ìn h k ế t tủa h t trở lại tr ê n bề m ặ t v ậ t th ể cần làm Tác dụng học có tác dụng hỗ trợ cho tr ìn h Giai đoạn đầu, b ấ t kỳ chất h o t động bề m ặ t có t h ể thực 161 h iệ n được, N hưng giai đoạn hai có xà phòng làm trò n ‘sứ m ệ n h ” Tác dụng làm bền gắn liền với tín h nhớt, đ àn hồi, tín h b ề n lớp gel mức độ đ kể, có liên quan r ấ t m ậ t th iế t với tạ o gel bề m ặ t n â n g cao nồng độ dính k ế t lớp võ, làm tă n g độ bền h t Việc tạo mixen làm cho xà phòng có k h ả n ă n g “h ấ p th ụ ” h t k h ô n g p h ân cực Xà phòng tổng hợp có tác dụng bảo vệ (ở giai đoạn 2) loại từ nguồn gốc dầu, mỡ nên thường sử dụng hỗn hợp với c h ấ t bảo vệ keo (như cacboxylmetylxenlulo) chất điện ly hoạt hóa (như polyphotphat, suníat, silicat N atri) gắn với hai hay nhiều ion khác Tóm lại, k h ả n ă n g tồ n tạ i hai tr n g th i (phân tử mixen) chất HĐBM sở cộa tín h c h ấ t mn h ìn h mn vẽ xác định vai trò quan trọ n g tro n g nhiều h iện tượng hóa keo k h c 13.2 CÁC HỆ PHÂN TÁN THÔ Các p h ầ n tử pha p h â n tá n tro n g hệ p h ân tá n thô lớn h t keo Các h ệ n ày r ấ t bền vững Để tr ì bền hệ thường p h ả i dùng c h ấ t làm bền (như ch ất CPT, ch ất HĐBM v.v ) H ệ p h â n tá n th ô bao gồm huyền phù, nhũ tương, bọt H u y ền p h ù Là hệ h t p h a r ắ n (kích thước lớn 10_5 c m ) p h â n tá n tro ng môi trường p h â n tá n lỏng H uyền phù điều ch ế phương pháp ngưng tụ p h â n tá n (như nói đến chương 9), h t thu lớn Kích thước h t ả n h hưởng r ấ t lớn đến tín h chất hệ, n ê n để xác định kích thước h t người t a sử dụng nhiều phương p h p khác n h a u (được gọi p h â n tích p h â n tán) Một tro n g n hữ ng phương p h p râ y h t p h a p h â n tá n qua rây p h â n tích có kích thước lỗ khác H uyền phù bột (các h t p h a p h â n t n d ạn g khô) sử dụng r ấ t rộng r ã i tro n g thực tế Các d ạng bột thường dùng n h xi măng, bột, bột màu, muội th a n , n h iê n liệu bột, p h â n hóa học, thuốc cho trồng Các huyền phù thường dùng gồm dung dịch đ ấ t sét, nước vôi, nước sơn, kem m ài v.v H uyền phù tin h th ể halogenua bạc tro n g H ìn h 13.7 H t huyền p h ù g elatin th n h p h ầ n cảm quang giấy ưa nước (1) p h â n tử ả n h phim xà p h ò n g (2) bảo vệ T ính c h ấ t huyền phù có tín h 162 c h ấ t gần giơng với keo ky lỏng T ín h bền tập họp xác định b ằng lớp điện tích khuếch tá n (củả lớp điện tích kép): tă n g nồng độ c h ấ t điện ly có th ê dẫn đ ế n keo tụ T ính ch ất bề m ậ t tín h ch ất điện học gần giồng với hệ keo; ví dụ h t pha p hân tá n điện di đ iện trường Do kích thước lớn nên hệ huyền phù p h â n tá n n h sán g yếu, có clộ đục lớn Có th ể quan s t h t huyền phù k ín h h iển vi thường Cùng kích thước h t huyền phù lớn (so với h t keo), n ên th ể h iện rõ khác biệt tín h ch ất động học, trê n thực t ế khơng có chuyển động Brown, khơng có áp suất th ẩ m thấu, khuếch tá n hệ n ày khơng có T rong đó, h t huyền phù sa lắng với tốc độ đ án g kể, nên huyền phù hệ k h ô n g bền động học Đề cho huyền phù bền, phương p háp cho huyền phù tích đ iện , người ta cho hấp phụ ch ất h o t động bề m ặ t c h ấ t CPT Ví dụ, cho h t pha p h â n tá n ưa nước (ZuO, MgO, C a C , BaCOg, v.v vào tro n g mơi trường nước tự h ìn h th n h vỏ h y d t hóa hệ tương đơi bền; tro n g mơi trường khơng cực (như benzen) có m ặ t ch ất HĐBM (xà phòng), sê h ìn h th n h lớp vỏ bảo vệ n h (H.13.7) Huyền phù với nồng độ đậm đặc có d ạng nhão (paste) H uyền phù n h ã o (paste) h ệ có kết câu bên xảy co gel, trương vắ nhiều h iện tượng khác N h ũ tư n g Là hệ p h án tá n tạo từ hai chất lỏng không ta n lẫn vào Kích thước p h ầ n tử pha phân tá n (ở giọt ch ất lỏng) b iến đổi tro n g phạm vi r ấ t rộng Trong thực t ế thường tạo nhũ tương phương p h áp p h â n tá n , n h sử dụng m áy khuây, trộ n , cốì xay keo, sóng siêu âm tt- P hăn loại n h ủ tương - Hai ch ất lỏng tạ o th n h hệ nhũ tương k hông ta n lẫ n vào n h au (hay có m ộ t sô» trường hợp c h ấ t lỏng tan lẫn có giới hạn), n ên p h a lỏng p h â n cực, nói chung, gọi “nước” ký hiệu - n pha lỏng không p h â n cực gọi chung “dầu” ký hiệu - d (không phụ thuộc vào c h ấ t hóa học) Vậy có th ể p h ân th n h hai loại: loại n/d giọt nước p h ân tá n tro n g dầu loại d/n giọt dầu môi trường nước Loại n hũ tương tạo phụ thuộc vào nhiều yếu tô": mức độ khuây trộn, n h iệ t độ, tỷ lệ th ể tích h a i loại c h ấ t lỏng, b ìn h chứa v.v Trong đó, yếu tồ" quan trọ n g p h ả i k ể trước tiên ch ất làm bền loại nhũ tương xác định Có th ể n h ậ n biết loại nhũ tương cách: - T hêm m ột nước th ì trộ n lẫn tro n g nhũ tương loại d/n m 163 không trộ n lẫ n loại n/d - T hêm m ột chất màu có k h ả n ăn g ta n vào m ột loại chất lỏng n h ấ t định, nhuộm màu giọt ch ất lỏng hay môi trường p h ân tá n , m qua k ín h hiển vi thường có th ế dễ dàng p h ân biệt - Độ dẫn' điện n hũ tương d/n lớn loại n/d T ính ch ất nhũ tương phụ thuộc r ấ t nhiều vào nồng độ giọt cưa pha p h â n tá n tro n g môi trường p hân tán Khi th ể tích pha p h â n tá n < ,1 % th ể tích chung, - n h ủ tương loãng Theo qui luật chung loại n y p h â n tá n k h cao tín h ch ất r ấ t gần với tín h ch ất keo kỵ lỏng Có th ể th â y chúng bền sa lắng, có chuyển động Brown, khuếch tá n , p h ân t n n h sán g v.v Sự bền tậ p họp loại nhũ tương có t h ể nhờ tồ n tạ i lớp điện tích kép, keo tụ chất điện ly tu ân theo qui tắc Schưlze H ardy, có th ể sử dụng lý th u y ết bền keo ky lỏng đơi với Nhũ tương có chứa khơng q 75% th ể tích giọt p h a p h â n tá n gọi n h ủ tương đậm đặc Các giọt pha p h â n tá n lớn (thấy tro n g kính h iể n vi thường) dễ sa lắn g (hay lên) Vì nồng độ lớn n ê n gịọt pha p h ân tá n dễ tiếp xúc n hau dính k ế t lại Độ bền loại n ày có chủ yếu nhờ ch ất nhũ hóa Khi nồng độ giọt lớn 75% nhữ tương đ ậ m đặc cao (kem) N hũ tương loại có tín h c h ấ t giông h ệ keo k ế t câu ge Khi nồng độ giọt gần 0 %, môi trường p h â n tá n th n h m àng m ỏng gọi m n g n h ủ tương Các giọt tro n g hệ nhu tương đậm đặc cao khơng* cód n g h ìn h cầu, p h â n bơ" k hơng có qui lu ật n h giới p h â n chia p h a phức tạp b- C hất nhủ hóa Các c h ấ t nhũ hóa ch ất h o t động bề m ặt, chúng h ấ p phụ tr ê n bề m ặ t p h â n chia p h a giọt môi trường p h â n tán Các c h ấ t nhũ hóa khơng có tác dụng làm bền m định loại nhũ t ương (n/d hay d/n) H iện tượng chuyển từ loại nhũ tương sang loại khác gọi Hà đảo n hủ tương Sự đảo nhũ tương có th ể thực b ằn g cách làm m ấ t hiệu lực ch ất nhũ hóa đầu tă n g c h ấ t nhũ hóa cho loại nh ũ tư ng th ứ Ví dụ nhũ tương d/n bền nhờ oleat n a tri, th ê m oleat Canxi h a y muôi khác canxi chuyển nhũ tương sang d n g n/d H iện tư ợ n g đảo nh ũ tương có th ể xảy làm đặc hệ, ví dụ sữa (- n hũ tương lo ã n g d/n) tác dụng học bị tách t h n h kem (- n hủ tương đậm đặc n./d) Để có th ể hấp phụ tr ê n bề m ặ t p h â n chia pha hai c h ấ t lỏng, p h â n tử ch ất nhũ hóa phải chứa nhóm k hơng p h ân cực (như hydrocacbon k h ác nhau) nhóm p h â n cực (cacboxyl, hydroxyl, sunfat \r.v ) Chất n h ủ hóa “tố t” chất có cân hai p h ầ n p h â n cực kh ô n g p h â n 164 cực plicĩn tử Ví dụ xét mi kim loại kiềm dãy axit béo, no (- xà phòng) Các đồng đ ẳng mi n a tr i axit có mạch cacbon ngắn axit formic, axetic, propyonic axit khác chât nhủ hóa “khơng tơ t”, p h â n tử có nhóm khơng phân cực, lại th â n nước (H.13.8a) Loại có m ạch cacbon tru n g bình (từ đến 18 nguyên tử cacbon) hai phản p h â n tứ cân nên hâp thụ dược tốt bề m ặ t p h ân chia pha, c h ấ t nhũ hóa tố t (H.13.8b) Loại mi có chứa nhóm hydrocacbon dài th â n dầu n ê n lại chất nhũ hóa khơng “tố t” (H.13.8c) / y - ~ \ a) Nước ỵ Chất nhũ hóa — i i i ! - £ b) o 300 v/cm Đảy nguyên n h â n tượng chớp, sâm b Sự ả n h hưởng điện tích đơi với q tr ìn h ngưng tụ tạo pha T rong mỏi trường có h t tích điện (nhờ nguồn gây ion hóa) h t m ầm p h a p h t sinh m ộ t cách dễ d àn g điều kiện thường r ấ t khó xảy ra, mà nguyên n h â n áp su ấ t bảo h ò a trê n giọt nhỏ r ấ t lớn Kết q tính tốn giọt tích điện q thu sức căng bề mặt Ge : e = " 7T 16nr3 dó: ơp - sức căng bề m ậ t giọt lỏng có tích điện q q = (14.4) r - bán kính giọt c h â t lỏng Phương tr ìn h (14.4) cho thấy tr ê n n h giới giọt lỏng với khơng khí giảm n h a n h q tăng Xét áp suât p : giọt lỏng khơng tích điện, p xác định theo phương trình Thompson - Kelvin (2.17): R T /n— = p0 r Khi có tích điện, phương trìn h cló e phải theo phương t rình (14.4) Vậy phương trìn h có dạng: P = P0 exp 2ơ r q2 Srcr'1 ì V RT (14.5) Môi quan hệ p - r tro n g phương tr ìn h (14.5) mơ tả tr ê n H.14.1 Đôi với giọt lớn r - » co ? p - » P0 (giỏng giọt k hơng tích điện) Với giọt nhỏ r —> p —> (trong giọt không m ang điện p —>oo Vậy n h ữ n g giọt r ấ t nhỏ có tích điện k h ô n g bị tiêu biến m ngược lại lớn lê n nhờ ngưng tụ diền (áp su ất bão hòa 171 thấp mơi trường bao quanh) H ì n h 14.1 S ự p h ụ thuộc áp suất bão hòa giọt chất lỏng tích điện (q) khơng tích điện (q = 0) vào kích thước giọt lỏng Nếu áp su ấ t bão hòa áp su ất ứng với điểm cực đại Pnuix, giọt ch ất lỏng tự lớn lên vùng từ r = đến r = 0 trìn h ngưng tụ, bời giá trị r có p r < p mơi trường xung quanh Vậy, ion hóa khơng khí (có tác dụng tạo m ầm tă n g th è m m ầm c h ấ t lỏng) xem tiền đề xu hướng gây mưa n hân tạo P h keo khí m ột n h iệm vụ quan trọ n g (lể chơng khói, bụi bẩn hình th n h q tr ìn h sản xuất cơng nghiệp T rong sô biện pháp chông bụi khói sử dụng rộng rãi phải kê đ ên phương pháp điện, phương pháp Kottrel Trong lọc điện K ottrel, người ta sử dụng điện t h ế 70 - 100 KV Các h t keo khí hấp phụ ion khơng khí bị ion hóa (thường tích điện âm) nên m ang điện Dưới tác dụng điện trường m ạnh ion mang điện điện di bám vào diện cực chúng dược thu lại biện pháp khác Vậy, việc nghiên cứu tr ìn h p h t sinh, chuyển động p h keo khí có ý nghĩa thực t ế sản xuất đời sồng 172 TAI LIẸU T H A M KHAO w A nderson Physical C hem istry of suríaces Wiley - Interscience New York, 1990 A tkins p w Physical C hem istry Oxford ưniversity Press 1997 Voyutsky s Colloid C hem istry Mir Publ M 1978 Mai Hữu Khiêm Giáo tr ìn h Hóa Keo ĐH chức TPHCM 1985 Đinh Vãn Hoan Giáo tr ìn h hấp phụ hóa keo ĐHBK Hà Nội 173 HOA KEO Mai Hữu Khiêm NHÁ XUẨT BÁN ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP H CHÍ MINH K P 6, p L in h T rung, Q T hủ Đức, T PH C M S ố C ô n g trư n g Quốc tế , Q 3, T P H C M ĐT: 38239172, 38239170 Fax: ; E m ail: vnuhp@ vnuhcm edu.vn i ĩ 'k 'k Chịu trách nhiệm xuất T S H U Ỳ N H BÁ LÂ N Tố chức thảo chịu trách nhiệm ưề tác quyền T R Ư Ờ N G Đ Ạ I H Ọ C BÁCH KHOA - Đ H Q G T PH C M Biên tập P H Ạ M VĂN T H ỊN H P H Ạ M TH Ị A N H TÚ Sửa in T R Ầ N VĂN T H Ắ N G Trình bày bìa T R Ư Ơ N G NGỌC T U Ấ N In tá i 1.000 cuô’n, khổ 16 X 24cm Số dăng ký KHXB: 211-2009/CXB/161-12/ĐHQG-TPHCM Quyết định x u ấ t b ả n số: 442/QĐ-ĐHQG-TPHCM/TB ngày 22/9/2009 N h Xuất ĐHQG TPHCM In tạ i Xưởng in Đ ại học Bách khoa - ĐHQG TP.HCM Nộp lưu chiểu th n g năm 2009 ... điều chế hệ keo 9.2 Các phương pháp ngưng tụ điều chế hệ keo 9.3 Làm hệ keo 109 109 112 117 Chương 10 S ự BỀN VỮNG CỦA CÁC HỆ PHÂN TÁN 10.1 Sự bền vững, keo tụ gel hóa 10.2 Tác dụng keo tụ chất... h dung m ột cách sơ môn học m n ghiên cứu có th ể nói m ột cách n g ắn gọn rằng: Hóa keo khải niệm lý hóa quan trọng n ghiên cứu hệ vi dị th ể (các hệ p h â n tá n ) sở tượng bề mặt, củng n h...ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP H CHÍ MINH TRỮỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Mai Hữu Khiêm HÓA KEO (HÓA LÝ CÁC HỆ VI DỊ THỂ VÀ HIỆN TƯỢNG BỂ MẶT) (Tái lần thứ ba) NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC Qưốc GIA TP HỒ CHÍ MINH - 2009