Tài liệu đưa ra lý thuyết cơ bản về hiện tượng thấm ướt và hiện tượng ngưng tụ mao quản và các lý thuyết cơ bản về hai hiện tượng này phù hợp tìm hiểu và nghiên cứu các hiện tượng trong khoa học vật lý, hóa học, sinh học.
Hiện tượng thấm ướt Hiện tượng thấm ướt Bởi: unknown Hiện tượng thấm ướt Hiện tượng thấm ướt gần với tượng hấp phụ tượng tương tác phân tử loại chất khác Nếu phân tử chất lỏng có tương tác mạnh với phân tử bề mặt rắn phân tử chất lỏng với nhau, chất lỏng chảy lan bề mặt rắn, thấm ướt, ví dụ nước thấm ướt thủy tinh Nếu phân tử chất lỏng có tương tác hút với mạnh so với tương tác hút chất lỏng với phân tử bề mặt chất rắn mà chúng tiếp xúc, thấm ướt khơng xảy ra, chất lỏng có xu hướng tụ lại thành giọt, ví dụ thủy ngân bề mặt thủy tinh kim rắn Nếu tương tác hai loại phân tử lỏng rắn không trội nhiều, ta có thấm ướt khơng hồn hảo ta xác định góc thấm ướt - Chu vi giọt chất lỏng giới hạn tương tác môi trường: R, L, K, chúng tạo thành cặp phân cách: rắn - lỏng, rắn - khí, lỏng - khí Độ thấm ướt đo góc thấm ướt, góc hình thành tiếp tuyến giọt chất lỏng điểm tiếp xúc pha rắn, lỏng, khí với bề mặt pha rắn Chất lỏng thấm ướt hoàn toàn θ = 0o ; hồn tồn khơng thấm ướt θ = 180o - Quá trình thấm ướt xảy lượng tự hệ giảm xuống Năng lượng tự giảm nhiều trình thấm ướt tốt - Khi thấm ướt, phân tử giọt chất lỏng chuyển động lan bề mặt pha rắn theo khuynh hướng thay bề mặt tiếp xúc rắn – khí có sức căng bề mặt (SCBM) lớn (σ RK) bề mặt tiếp xúc R/L có SCBM nhỏ (σRL), hệ giảm SCBM 1/4 Hiện tượng thấm ướt Khi cân thiết lập, trình dừng lại, biên giới tiếp xúc pha có cân lực Do : σRK = σRL + σ LK cosθ (2.16) Phương trình gọi phương trình Young, thể điều kiện cân thấm ướt giúp tính tốn khả thay đổi tính thấm ướt dựa vào thay đổi góc thấm ướt Ta có: cosθ = σRK − σRL σLK (2.17) Vì θ [0, 180] nên cos θ [-1, +1] Chất lỏng thấm ướt hoàn toàn θ = 0o, hay cos θ = 1; hồn tồn khơng thấm ướt θ = 180o hay cos θ = -1 Do cos θ lớn chất lỏng thấm ướt bề mặt rắn tốt Xét hệ thức (2.13) trên, ta thấy muốn có cos θ lớn σ RK phải lớn σRL σLK phải nhỏ, cho thỏa biểu thức -1 cosθ = σRK − σRL σLK +1 Những bề mặt thấm ướt tốt (cos θ > 0) gọi bề mặt ưa lỏng, trái lại (những bề mặt có cos θ < 0) gọi bề mặt kỵ lỏng Ta chuyển bề mặt từ kỵ lỏng sang ưa lỏng, hay ngược lại.Ví dụ tạo lớp hấp phụ bề mặt rắn để thay đổi σRL - sức căng bề mặt rắn lỏng Nếu sức căng bề mặt nhỏ hệ trở thành thấm ướt tốt hơn, bề mặt trở thành ưa lỏng hơn; ngược lại - Hiện tượng thấm ướt có nhiều ứng dụng thực tế Ta thường gặp vấn đề tuyển quặng, việc bảo vệ keo nhũ tương, kỹ nghệ nhuộm, việc sử dụng chất diệt sâu bọ, diệt ký sinh vật (vì bề mặt cây, lông động vật bề mặt kỵ nước) Hiện tượng ngưng tụ mao quản Sự hấp phụ đa phân tử đặc trưng đường hấp phụ đẳng nhiệt hình chữ S nhiên chất bị hấp phụ xốp, đường hấp phụ đẳng nhiệt có dạng chữ S Hiện tượng có ngưng tụ chất bị hấp phụ mao quản chất hấp phụ xốp diễn tiếp sau hấp phụ (gọi ngưng tụ mao quản) Do kết hấp phụ thông thường, màng mỏng chất bị hấp phụ hình thành thành mao quản hẹp Nếu chất bị hấp phụ thấm ướt thành mao quản tạo thành 2/4 Hiện tượng thấm ướt mặt cong lõm mao quản hẹp Hơi chất bị hấp phụ bắt đầu ngưng tụ mặt cong áp suất bão hòa (p) nhỏ áp suất bão hòa bề mặt phẳng (po) Nếu gọi p áp suất bão hịa thì: pmặt khum xuống < pmặt phẳng < pmặt khum lên Điều 2Mσ xác định phương trình Thompson- Kelvin: Δp p = RTρ.r M khối lượng phân tử, σ sức căng bề mặt chất lỏng, ρ tỷ khối chất lỏng, r bán kính mao quản hay hạt chất lỏng Ví dụ như, với hạt nước bán kính 10-6 cm có bề mặt khum lên, tính áp suất bão hòa lớn so với mặt phẳng nước 10% Các loại chất hấp phụ rắn đặc tính chúng Một đặc điểm quan trọng chất hấp phụ rắn độ xốp Độ xốp thể tích tỷ lệ tổng thể tích lỗ trống với tổng thể tích khối chất hấp phụ Khái niệm độ xốp sử dụng rộng rãi để phân loại đánh giá đặc tính chất hấp phụ Các chất khơng xốp : loại có kết cấu chặt (tuy nhiên hình thành cấu trúc có lỗ trống khe hạt nguyên tố xếp sát lại tạo ra), loại có bề mặt riêng khơng lớn Các chất hấp phụ xốp: cấu trúc bao gồm hạt với nhiều lỗ xốp bên trong, hay cấu trúc mạng không gian chứa lỗ trống nhỏ Các chất hấp phụ không xốp tạo cách cho kết tủa chất kết tinh khó tan oxid, muối (như BaSO4, TiO2 .) hay đem nghiền chất kết tinh khơng kết tinh nén lại Chúng có bề mặt riêng không lớn, khoảng vài m2/g Một số loại hạt không xốp quan trọng tiêu biểu cho hệ phân tán cao là: muội graphit (than hoạt tính) muội trắng (SiO2 có độ phân tán cao) Muội trắng điều chế cách thủy phân SiCl4 hay SiF4 môi trường nước Sự thủy phân điều kiện đặc biệt tạo khói chứa hạt hình cầu kích thước khoảng 100 Ao ngưng tụ lại bột nhuyễn SiO2 hình thành Các loại muội trắng sử dụng rộng rãi làm chất hấp phụ, xúc tác chất độn cho vật liệu polymer 3/4 Hiện tượng thấm ướt Các chất hấp phụ xốp với bề mặt riêng So lớn điều chế nhiều cách, có phương pháp quan trọng Phương pháp thứ tạo thành kết cấu rắn từ hạt nhỏ có kích thước keo với bề mặt phát triển lớn Ví dụ tiêu biểu silica gel, alumo gel, alumo silicat, oxid mangan hoạt động Silica gel có thành phần hóa học SiO2 điều chế điều kiện khác với muội trắng, người ta cho Na2SiO3 hay K2SiO3 (thủy tinh lỏng) tác dụng với acid dung dịch nước, gel poly acid silic tạo thành Sau tách nước gel thu hạt silica gel có nhiều lỗ xốp Bằng cách tương tự điều chế alumo gel Al2O3 Trong phương pháp thứ hai người ta thu chất hấp phụ xốp cách cho chất khí hay lỏng tác dụng lên vật rắn khơng có lỗ xốp hay xốp Cấu trúc xốp thuộc loại tạo từ hạt mà từ mạng lưới vững pha rắn Than hoạt tính ví dụ thuộc loại này, nghiên cứu từ lâu sử dụng rộng rãi thực tế Thủy tinh xốp có chứa nhiều mao quản loại có cấu trúc xốp tạo cách không lâu nhiều ứng dụng Người ta tạo loại thủy tinh xốp cách cách loại trừ cấu tử kiềm kiềm thổ khỏi thủy tinh có thành phần đặc biệt dung dịch nước Chất hấp phụ tinh thể có lỗ xốp tiêu biểu loại Zeolit tự nhiên tổng hợp Zeolit dạng alumo silicat tinh thể có cơng thức R22+O Al2O3 nSiO2 mH2O hay R2+O Al2O3 nSiO2 mH2O cation R22+, R2+là cation hóa trị K+, Na+, Ag+, Ca2+, Ba2+, Sn2+ Các tinh tể Zeolit có mạng khơng gian xốp (Zeolit loại A có mạng khối lập phương đơn giản NaCl, Zeolit loại X có cấu trúc theo kiểu kim cương), có khoang trống lớn thơng cho phân tử có kích thước - 7,5 Ao qua Do đặc điểm mà Zeolit dùng làm rây phân tử để tách loại cấu tử xác định khỏi hỗn hợp khí Ví dụ phân tử benzen qua cửa sổ Zeolit 5A qua cửa sổ Zeolit X cách tự do; Zeolit 5A hấp phụ n-hexan mà không hấp phụ benzen, đóng vai trị rây phân tử, cịn Zeolit X chất hấp phụ tốt chất 4/4 ... đổi tính thấm ướt dựa vào thay đổi góc thấm ướt Ta có: cosθ = σRK − σRL σLK (2.17) Vì θ [0, 180] nên cos θ [-1, +1] Chất lỏng thấm ướt hoàn toàn θ = 0o, hay cos θ = 1; hồn tồn khơng thấm ướt θ =.. .Hiện tượng thấm ướt Khi cân thiết lập, trình dừng lại, biên giới tiếp xúc pha có cân lực Do : σRK = σRL + σ LK cosθ (2.16) Phương trình gọi phương trình Young, thể điều kiện cân thấm ướt. .. căng bề mặt rắn lỏng Nếu sức căng bề mặt nhỏ hệ trở thành thấm ướt tốt hơn, bề mặt trở thành ưa lỏng hơn; ngược lại - Hiện tượng thấm ướt có nhiều ứng dụng thực tế Ta thường gặp vấn đề tuyển quặng,