ảnh hưởng của kích thước và cấu tạo phân tử đến tính hoạt động bề mặt của một số chất

Phạm Văn Trờng Luận văn tốt nghiệp eLời cảm ơn Luận văn này đợc hoàn thành tại phòng thí nghiệm khoa Hoá trờng Đại Học Vinh. Em xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với T.S Nguyễn Xuân đã cho đề tài và tận tình hớng dẫn em trong suốt thời gian làm luận văn . Trong quá trình thực hiện đề tài, tôi luôn nhận đợc sự quan tâm tạo mọi điều kiện thuận lợi và sự giúp đỡ nhiệt tình của tất cả cán bộ công nhân viên khoa Hoá cùng sự quan tâm động viên của bạn bè và ngời thân. Tôi xin đợc bày tỏ lòng biết ơn chân thành đối với tất cả sự giúp đỡ quý báu đó. Tuy đã có nhiều cố gắng nhng chắc chắn bản luận văn sẽ không tránh khỏi thiếu sót. Tôi vô cùng biết ơn đuợc các thầy cô,bạn bè cho ý kiến để bản luận văn này đợc hoàn chỉnh hơn. Vinh, tháng 05 năm 2003. Sinh viên 1 Phạm Văn Trờng Luận văn tốt nghiệp Phạm Văn Trờng Mục lục trang Lời cảm ơn 1 Mục lục 2 Phần mở đầu` 4 Phần 1: Tổng quan 5 1. Sức căng bề mặt, sự dính ớt và hiện tợng mao dẫn 6 1.1. Sức căng bề mặt 6 1.2. Sự dính ớt và hiện tợng mao dẫn 10 2. Chất hoạt động bề mặt và chất không hoạt động bề mặt 11 2.1 Chất hoạt động bề mặt và chất không hoạt động bề mặt 11 2.2 Quy tắc Traube 15 3.Sự phụ thuộc sức căng bề mặt vào nồng độ 16 4.Sự phụ thuộc sức căng bề mặt vào một số yếu tố khác 20 4.1 Sự phụ thuộc sức căng bề mặtvào nhiệt độ 20 4.2.Sự phụ thuộc sức căng bề mặt vào khối lợng riêng của chất lỏng và hơi 20 4.3. Sự phụ thuộc sức căng bề mặt vào ẩn nhiệt hoá hơi 20 5. Các phơng pháp đo sức căng bề mặt 21 5.1. Phơng trình Yung Laplace 21 5.2. Phơng pháp ống mao quản 22 5.3. Phơng pháp áp suất bọt cực đại 24 5.4. Phơng pháp cân giọt 25 5.5. Phơng pháp bản mỏng 26 2 Phạm Văn Trờng Luận văn tốt nghiệp 5.6. Phơng pháp khung dây 27 5.7. Phơng pháp vòng Nouy 28 Phần 2: Thực nghiệm 30 1.Lựa chọn phơng pháp 30 2. Dụng cụ hoá chất 30 2.1. Dụng cụ 30 2.2. Hoá chất 30 3. Thực nghiệm 30 3.1. Xác định bán kính trong của mao quản 31 3.2.Xác định sức căng bề mặt của một số chất lỏng để kiểm tra phơng pháp 31 4. Kết quả thực nghiệm và thảo luận 32 4.1. Xác định sức căng bề mặt của nớc ở các nhiệt độ khác nhau 32 4.2. Khảo sát sức căng bề mặt của một số rợu và axit no, đơn chức 33 4.3. Sức căng bề mặt của nớc khi có mặt một số chất không hoạt động bề mặt 35 4.4. Sức căng bề mặt của nớc khi có mặt một số chất hoạt động bề mặt 37 4.5. ảnh hởng của bản chất chất tan đến sức căng bề mặt của nớc 40 Phần 3: Kết kuận 44 Tài liệu tham khảo 45 3 Phạm Văn Trờng Luận văn tốt nghiệp phần mở đầu Sức căng bề mặt là một thông số quan trọng khi nghiên cứu về hoá lý bề mặt, sức căng bề mặt và các hệ quả của nó (hiện tợng dính ớt và không dính ớt, hiện tợng mao dẫn, .), có vai trò rất lớn trong tự nhiên, trong cuộc sống, cũng nh trong công nghiệp. Hiện tợng dính ớt và không dính ớt đợc ứng dụng trong kỹ thuật tuyển khoáng để làm giàu quặng đó là phơng phát tuyển nổi, một phơng pháp rất quan trọng trong công nghiệp luyện kim. Trong công nghiệp ngời ta còn sử dụng một số chất hoạt động bề mặt để sản xuất chất tẩy rửa tổng hợp. Trong tự nhiên nhờ có hiện tợng mao dẫn, (là hệ quả của sức căng bề mặt) nhựa cây mới vận chuyển đến các bộ phận của cây. Vì vậy nếu biết đợc các quy luật ảnh hởng đến sức căng bề mặt và khả năng hoạt động bề mặt của các chất lỏng, ngời ta có thể sử dụng các chất hoạt động bề mặt một cách có ý thức trong cuộc sống, trong công nghiệp nh: công nghiệp luyện kim, công nghiệp dầu khí, công nghiệp chất dẻo, . Với các lý do trên chúng tôi đã chọn đề tài: "ảnh hởng của kích thớc và cấu tạo phân tử đến tính hoạt động bề mặt của một số chất". Mục đích của đề tài: - Tập hợp một số phơng pháp đo sức căng của bề mặt chất lỏng, tập hợp các vấn đề lý thuyết liên quan đến sức căng bề mặt. - Sử dụng phơng pháp ống mao quản để đo sức căng bề mặt của một số chất lỏng. 4 Phạm Văn Trờng Luận văn tốt nghiệp - Xét ảnh hởng của các yếu tố: Kích thớc và cấu tạo phân tử đến tính hoạt động bề mặt và ảnh hởng của nhiệt độ và nồng độ các chất nghiên cứu đến sức căng bề mặt của dung dịch nớc. Phần I: Tổng Quan 1/. Sức căng bề mặt, sự dính ớt và hiện tợng mao dẫn [2,3,5,6,7,11] 1.1/.Sức căng bề mặt Sức căng bề mặt là một tính chất đặc biệt của chất lỏng, gây nên bởi sự hút lẫn nhau giữa các hạt (phân tử và xuất hiện trên bề mặt phân chia giữa 2 pha (lỏng - lỏng, lỏng - khí, lỏng - rắn) . Hình 1. Sơ đồ xuất hiện sức căng bề mặt. Dựa vào hình 1 chúng ta thấy những phần tử nằm bên trong chất lỏng chịu những lực tơng tác của những phần tử xung quanh, những lực này đều bằng nhau và bù trừ lẫn nhau. Nghĩa là hợp lực bằng không, còn những phần tử ở bề mặt phân chia thì những lực tác dụng lên phần tử đó không bù trừ nhau và mỗi phần tử chịu một lực tổng hợp khác không, hớng vào lòng chất lỏng. Lực này ép lên phần chất lỏng phía trong gây nên một áp suất, đó chính là áp suất phân tử hay áp suất nội. Những phân tử ở trên bề mặt phân chia chịu tác dụng của một lực hớng vào trong chất lỏng nên các phân tử đó xu hớng bị kéo vào bên trong của chất lỏng và liên tục ở vào trạng thái một sức căng đó là sức căng bề mặt và đợc kí hiệu bằng chữ . 5 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - P=0 P0 Phạm Văn Trờng Luận văn tốt nghiệp Ranh giới mặt tự do của chất lỏng chịu tác dụng của lực căng mặt ngoài. Lực này hớng vuông góc với ranh giới mặt t do của chất lỏng: F lực căng mặt ngoài = .l Trong đó: F là lực căng mặt ngoài. là sức căng mặt ngoài. l là độ dài đờng viền ranh giới. Khi l =1 có giá trị bằng F Mặt khác: Công làm tăng mặt phân chia của chất lỏng lên một diện tích s là: A = .s = E (năng lợng tự do của bề mặt ) Khi s = 1 thì A = . Nh vậy chúng ta có thể rút ra định nghĩa tổng quát về sức căng bề mặt: Sức căng bề mặt là lực hút của các phân tử ở bề mặt phân chia các pha (lỏng-lỏng; lỏng - khí; lỏng -rắn) vào trong chất lỏng và có hớng vuông góc với bề mặt phân chia. Sức căng mặt ngoài bằng công đẳng nhiệt và thuận nghịch cần thiết để tạo ra một đơn vị diện tích. cũng chính là năng lợng tự do của một đơn vị diện tích bề mặt chất lỏng. Thứ nguyên của A là m 2 .kg (trong hệ SI) hay erg (trong hệ CGS ) nên có thứ nguyên là erg.cm -2 . Để ý rằng erg.cm -1 = dyn ta nhận đợc thứ nguyên của là dyn.cm -1 . Khi diện tích bề mặt càng lớn, nghĩa là các phân tử nằm trên bề mặt phân chia giữa hai pha càng nhiều thì năng lợng tự do của bề mặt càng lớn. Các chất lỏng có xu hớng làm giảm năng lợng tự do bề mặt bằng cách giảm diện tích bề mặt. Với cùng một thể tích nh nhau. Khối cầu có diện tích bề mặt nhỏ nhất cho nên chất lỏng có xu hớng tạo ra những giọt hình cầu và những giọt nhỏ lại dễ dàng kết hợp với nhau thành những giọt lớn. 6 Phạm Văn Trờng Luận văn tốt nghiệp Dới đây là bảng giá trị sức căng mặt ngoài của một số chất lỏng trên giới hạn là không khí hoặc là hơi của chất lỏng đó [11] ơ Bảng 1. Sức căng mặt ngoài của một số chất lỏng. TT Chất lỏng Nhiệt độ ( o C ) (dyn.cm -1 ) 1 Anilin 20 43,30 2 Amylaxetat 20 24,70 3 Axeton 20 23,32 4 Axit axetic 20 27,63 5 Benzen 20 42,90 6 Cacbontetraclorua 20 26,70 7 Clobenzen 20 33,28 8 Clorofom 20 27,20 9 Etylenglycol 20 46,70 10 Dầu hoả 20 26,00 11 Dầu olivơ 20 33,00 12 Dầu thông 20 27,00 13 Et xăng 20 28,90 14 Glyxerin 20 64,00 15 Hexan 20 18,42 16 H 2 SO 4 98% 20 55,00 17 HNO 3 60% 20 41,00 18 Hidro lỏng -252 2,00 19 Heli lỏng -270 0,24 20 Nitrobenzen 20 43,90 21 Nớc 20 72,75 22 Rợu etylic 20 22,32 23 Rợu metylic 20 22,60 24 Thiếc lỏng 960 510,00 25 Thuỷ ngân 40 471,60 26 Oxi lỏng -198 17,00 27 Toluen 20 28,53 7 Phạm Văn Trờng Luận văn tốt nghiệp 28 Vàng lỏng 1200 1120 Sức căng bề mặt tỉ lệ thuận với áp suất nội, do đó tơng tác giữa các phân tử càng mạnh thì áp suất nội càng lớn và sức căng bề mặt càng lớn. Khi tạo bề mặt với những chất lỏng tinh khiết thì sức căng bề mặt đợc thiết lập rất nhanh (khoảng 0,001giây), khi tăng nhiệt độ sức căng bề mặt của chất lỏng giảm theo quy luật gần tuyến tính hay nói cách khác hệ số nhiệt độ của sức căng bề mặt - d/dt có giá trị hầu nh âm cho tới gần nhiệt độ tới hạn, tại nhiệt độ tới hạn, các pha hoà tan hoàn toàn vào nhau do vậy mặt phân chia bị biến mất và có giá trị bằng không. Để xác định trên giới hạn lỏng - khí hoặc lỏng - hơi ngời ta dùng các ph- ơng pháp cân giọt, phơng pháp ống mao quản, phơng pháp áp suất bọt cực đại . Do mật độ phân tử ở pha khí ( hơi ) rất bé so với mật độ phân tử trong chất lỏng, vì vậy khi khảo sát sức căng bề mặt của giới hạn giữa 2 pha lỏng - khí hoặc lỏng - hơi chúng ta có thể bỏ qua sự tơng tác giữa các phân tử chất lỏng và các phân tử chất khí (hơi). Tuy nhiên, sự bỏ qua này không thể thực hiện đợc khi khảo sát sức căng bề mặt của mặt giới hạn giữa 2 pha lỏng không trộn lẫn vào nhau. Các phân tử ở mặt giới hạn bị cả 2 pha hút vào trong lòng nó (hình 2). Hình 2: Sự hình thành sức căng bề mặt giữa hai pha lỏng không hoà tan hoàn toàn vào nhau. 8 Phạm Văn Trờng Luận văn tốt nghiệp Và chính điều này sẽ làm giảm sức căng bề mặt giữa các pha. Nếu hiệu áp suất nội của 2 chất lỏng càng lớn thì giữa 2 pha càng lớn và ngợc lại. Từ đó, chúng ta có thể rút ra rằng: tỉ lệ thuận với hiệu độ phân cực của 2 chất lỏng, nếu 2 chất lỏng hoà tan hoàn toàn vào nhau thì mặt phân cách biến mất và sức căng bề mặt bằng không. Antônop (1907) đã đa ra quy tắc nh sau [1,8]: Có 2 chất lỏng I và II hoà tan hạn chế vào nhau - Giả sử 1 là sức căng bề mặt của mặt giới hạn giữa dung dịch I bão hoà II với không khí 2 là sức căng bề mặt của mặt giới hạn giữa dung dịch II bão hoà I với không khí thì sức căng bề mặt giữa 2 pha I và II là = 1 - 2 Bảng 2: Giá trị của một số bề mặt giới hạn nớc - chất hữu cơ. Chất lỏng t o giữa 2 pha lỏng-khí (dyn.cm -1 ) giữa 2 pha lỏng-khí (dyn.cm -1 ) Nớc bão hoà chất hữu cơ Chất hữ cơ bão hoà nớc Theo tính toán Thực tế C 6 H 6 19 63,2 28,8 34,4 34,4 C 6 H 5 NH 2 26 46,4 42,2 4,2 4,8 CH 3 Cl 18 59,8 6,4 33,4 33,8 CH 4 17 70,2 26,7 43,5 43,8 C 5 H 11 OH 18 26,3 21,5 4,8 4,8 C 7 H 8 OH 18 37,8 34,3 3,5 3,9 Qua bảng 2 chúng ta thấy quy tắc Antônôp khá phù hợp với thực nghiệm. Sức căng bề mặt trên giới hạn lỏng - lỏng có thể đợc xác định bằng các phơng 9 Phạm Văn Trờng Luận văn tốt nghiệp pháp tong tự với các phơng pháp dùng để xác định sức căng bề mặt trên giới hạn lỏng - khí. 1.2/. Sự dính ớt và hiện tợng mao dẫn. Khi một chất lỏng tiếp xúc với một chất rắn không tan và không có phản ứng hoá học với chất lỏng thì xảy ra hai trờng hợp : Nếu tơng tác (lực hút) giữa các phân tử chất lỏng lớn hơn lực hút giữa các phân tử chất rắn và các chất lỏng, thì chất lỏng có xu hớng thu nhỏ mặt tiếp xúc với các chất rắn. Ngời ta nói chất lỏng không dính ớt chất rắn. Nếu lực hút giữa các phân tử chất lỏng bé hơn lực hút giữa các phân tử chất lỏng và các phân tử chất rắn thì chất lỏng có xu hớng tăng mặt tiếp xúc với chất rắn. Ngời ta nói chất lỏng dính ớt chất rắn. Vi dụ : Thuỷ ngân không dính ớt thuỷ tinh nhng H 2 O dính ớt thuỷ tinh. Lấy một ống có đờng kính rất bé nhúng vào một chất lỏng, thì mực chất lỏng ở trong ống sẽ chênh lệch với mực chất lỏng bên ngoài. Nếu chất lỏng dính ớt thành ống thì mực chất lỏng trong ống cao hơn ở ngoài, còn nếu chất lỏng không dính ớt thành ống thì mực chất lỏng trong ống sẽ thấp hơn ở ngoài. Hiện tợng chất lỏng dâng lên hay tụt xuống đó đợc gọi là hiện tợng mao dẫn. Các ống gây nên hiện tợng mao dẫn đợc gọi là ống mao quản. Nguyên nhân của hiện tợng này nh sau: Do có lực căng mặt ngoài, áp suất bên trong chất lỏng sẽ khác một lợng P nào đó so với áp suất bên ngoài của chất khí ở trên bề mặt chất lỏng. Đại lợng P này sẽ làm chất lỏng dâng lên hay tụt xuống trong mao quản. Chiều cao của cột chất lỏng dâng lên sẽ càng lớn nếu mao quản có đờng kính càng bé. Dựa vào chiều cao của cột chất lỏng dâng lên trong mao quản, ngời ta có thể tính đợc sức căng bề mặt của chất lỏng đó. Nếu chất lỏng dính ớt thành mao quản thì mặt giới hạn của chất lỏng và không khí trong ống mao quản sẽ lõm xuống. Ngợc lại mặt giới hạn sẽ lồi lên. 10 . bề mặt của nớc khi có mặt một số chất không hoạt động bề mặt 35 4.4. Sức căng bề mặt của nớc khi có mặt một số chất hoạt động bề mặt 37 4.5. ảnh hởng của. lên ảnh hởng của cấu tạo và kích thớc phân tử chất hoạt động bề mặt đến sự hấp phụ. Nh đã biết, chất hoạt động bề mặt đối với nớc là loại chất mà phân tử