Đang tải... (xem toàn văn)
Ngày đăng: 8/16/2021 Tóm tắt kiến thức hóa lý đầy đủ về hệ phân tán, hấp phụ, Keo mixen ... ngắn gọn, cô đọng xúc tích, thích hợp cho việc ôn thi giữa kỳ cuối kỳ mới nhất. Củng cố kiến thức, làm tài liệu cốt lõi tạo nên nền tản kiến thức vững chắc.
CÁC KIẾN THỨC CẦN NẮM VỮNG CỦA HÓA LÝ HỆ PHÂN TÁN I Định nghĩa: Hệ phân tán (hệ keo) hệ có chất gọi pha phân tán (PT), phân bố thành hạt/giọt nhỏ pha khác, gọi mơi trường phân tán (MTPT) hay pha liên tục Kích thước pha phân tán (PT) khoảng 1nm - 1m (10-9m – 10-6m) bề mặt phân chia pha lớn Ví dụ: khối kim loại hình lập phương khơng khí, cạnh 1dm, tích 1dm3 (0,001m3) có diện tích phân chia pha (S1,2) dm2 (0,06m2) Nếu khối kim loại phân tán thành hạt hình lập phương cạnh 10 nm (10-8m) khối lập phương nhỏ tích 10-83 = 10-24 m3, có diện tích phân chia pha (S1,2) 610-82 = 610-16m2 Tổng số hạt hạt hình lập phương cạnh 10 nm 0,001/10-24 = 1021 hạt vậy, tổng bề mặt phân chia pha là: 1021610-16m2 = 6105 m2 Như vậy, bề mặt phân chia pha tăng lên 6105 m2/0,06m2 = 107 lần (100.000 lần) với lượng vật chất sử dụng Hệ phân tán (hệ keo) hệ dị thể (2 pha riêng biệt) có bề mặt phân chia pha lớn, lượng bề mặt (Ebm) lớn nhiều lần so với hệ đồng thể hay dị thể thông thường khác, Hệ phân tán hệ khơng bền (hoặc giả bền) 𝐸𝑏𝑚 = 𝜎 × 𝑆1,2 Trong đó: Ebm: lượng bề mặt, : sức căng bề mặt (mặt ngồi), S1,2: Diện tích bề mặt phân chia pha II Phân loại: cách phân loại 2.1 Phân loại theo kích thước pha phân tán: - Hệ phân tán phân tử: kích thước pha phân tán (hạt keo) < 1nm (~Å), dung dịch thực, hệ đồng thể đối tượng nghiên cứu hệ phân tán - Hệ phân tán keo: 1nm < kích thước pha phân tán (hạt keo) < 500 nm (0,5m) - Hệ phân tán thơ: kích thước pha phân tán (hạt keo) > 500 nm 2.2 Phân loại theo chất vật lý pha phân tán môi trường phân tán: hệ phân tán (Xem thêm giảng) 2.3 Phân loại theo tương tác pha phân tán môi trường phân tán: - Hệ phân tán (keo) ưa lưu (Lyophilic) / Nếu mơi trường phân tán nước gọi keo ưa nước (Hydrophilic) ✓ Tương tác mạnh pha phân tán mơi trường phân tán pha phân tán bảo vệ lớp phân tử môi trường phân tán (dung môi) ✓ Hệ keo bền điều chế dễ dàng ✓ Phân lớn hệ keo hữu môi trường nước hệ keo ưa lưu ✓ Thành phần hệ keo ưa lưu: Pha phân tán Môi trường phân tán - Hệ phân tán (keo) ghét lưu (Lyophobic) / Nếu mơi trường phân tán nước gọi keo kỵ nước (Hydrophobic) ✓ Tương tác yếu pha phân tán môi trường phân tán ✓ Hệ keo không bền điều chế khó khăn ✓ Phân lớn hệ keo vô môi trường nước hệ keo ghét lưu (kỵ nước) ✓ Thành phần hệ keo ghét lưu: Pha phân tán, Môi trường phân tán Chất làm bền (hay chất ổn định hệ keo) - Hệ keo liên hợp (Amphiphilic): Hệ chất hoạt động bề mặt (Surfactant) III Các phương pháp điều chế hệ phân tán (hệ keo), tinh chế (làm sạch) hệ phân tán (hệ keo) 3.1 Keo ưa lưu: điều chế dễ dàng 3.2 Keo ghét lưu: phương pháp phân tán phương pháp ngưng tụ A Phương pháp phân tán: Sử dụng vật liệu pha phân tán hạt có kính thước lớn sau dung lực vật lý (cơ học, điện, xạ, pepti hóa) để phá vỡ hạt có kính thước lớn trở thành hạt có kích thước keo sau phân tán vào mơi trường phân tán có sẵn chất ổn định B Phương pháp ngưng tụ: Tập hợp hạt có kích thước nhỏ hạt keo phản ứng hóa học hay việc thay đổi chất môi trường phân tán (dung môi) Xem kỹ slides “Hóa keo bổ sung” “Điều chế keo ghét lưu phương pháp ngưng tụ cấu trúc mi-xen keo” Các giai đoạn điều chế hình thành hệ keo ghét lưu cấu trúc mi-xen keo: C Các phương pháp làm hệ keo - Thẩm tích - Điện thẩm tích - Điện kết tủa - Siêu lọc IV Hiện tượng Hấp phụ A Định nghĩa Bề mặt chất rắn thường có lực mạnh phân tử khí di chuyển tiếp xúc với bề mặt chất rắn Hấp phụ (adsorption) trình chất rắn giữ lại bề mặt phân tử khí (hoặc phân tử dung dịch) Đồng thời với q trình hấp phụ ln ln xuất q trình giải hấp phụ (desorption) phân tử bị hấp phụ khỏi bề mặt chất rắn Hấp phụ trình thuận nghịch biểu diễm phương trình 𝐴 + 𝑆 ⇌ 𝑆𝐴 Trong đó: A chất khí bị hấp phụ S phần bề mặt chất rắn trống (chưa bị hấp phụ) SA phần bề mặt chất rắn bị hấp phụ Hằng số cân K xác định phương trình : 𝐾= [𝑆𝐴] [𝐴] × [𝑆] Trong phương trình giá trị [SA] giá trị [S] không đo được, giá trị K khơng thể xác định thực nghiệm, cần áp dụng lý thuyết (thuyết) hấp phụ đẳng nhiệt (Langmuir, BET, ) để nghiên cứu q trình hấp phụ B Phân loại: có loại - Hấp phụ vật lý: lực hấp phụ lực Van der Waals, lượng liên kết (hấp phụ) < 50kJ/mol - Hấp phụ hóa học: lực hấp phụ lực hóa học với hình thành liên kết hóa học trực tiếp, lượng liên kết (hấp phụ) > 50kJ/mol C Các tính chất hấp phụ vật lý: Hấp phụ vật lý khơng có tính chọn lọc, trình xảy tương tự trình ngưng tụ Số lương hân tử bị hấp phụ phụ thuộc vào diện tích bề mặt chất rắn mà phân tử khí tiếp cận mà khơng phụ thuộc vào chất hóa học chúng Hấp phụ vật lý xảy thao lớp Ở nhiệt độ không đổi, áp suất cao, số lớp hấp phụ nhiều khí áp suất áp suất bão hịa xuất trình ngưng tụ bề mặt Khi nghiên cứu hấp phụ cần lưu ý đến tượng ngưng tụ mao quản, ngưng tụ lỗ mao quản áp suất nhỏ áp suất bão hòa D Thuyết Langmuir Thuyết Langmuir: Thuyết hấp phụ đơn lớp (áp dụng cho áp suất thấp) Các giả thuyết gần thuyết Langmuir (xem tài liệu) Điểm quan trọng theo lý thuyết Langmuir: Áp dụng khái niệm hấp phụ tối đa đơn lớp, người ta đưa khái niệm “Thể tích khí hấp phụ đơn lớp – Vm”, thể tích bị hấp phụ V áp suất P xác định phần bề mặt bị hấp phụ , với 𝜃= 𝑉 𝑉𝑚 Ta có: tỷ lệ với [SA], (1-) tỷ lệ với [S] [A] tỷ lệ với P Áp dụng phương trình từ định nghĩa hấp phụ giả thuyết gần Langmuir cho phép thu phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir: Phương trình đăng nhiệt hấp phụ Langmuir: 𝜃= 𝑏𝑃 𝑉 𝑣ớ𝑖 𝜃 = + 𝑏𝑃 𝑉𝑚 𝑡𝑟𝑜𝑛𝑔 đó: 𝑏: ℎằ𝑛𝑔 𝑠ố 𝑐â𝑛 𝑏ằ𝑛𝑔 ℎấ𝑝 𝑝ℎụ, 𝑉: 𝑡ℎể 𝑡í𝑐ℎ 𝑘ℎí 𝑏ị ℎấ𝑝 𝑝ℎụ á𝑝 𝑠𝑢ấ𝑡 𝑃, 𝑉𝑚 : 𝑇ℎể 𝑡í𝑐ℎ 𝑘ℎí 𝑏ị ℎấ𝑝 𝑝ℎụ đơ𝑛 𝑙ớ𝑝 Tuyến tính hóa phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir : 𝑃 𝑃 = + ; 𝑉 𝑏𝑉𝑚 𝑉𝑚 𝑌= 𝑃 1 ; 𝑋 = 𝑃; 𝐴 = ; 𝐵= → 𝑌 = 𝐴𝑋 + 𝐵 𝑉 𝑉𝑚 𝑏𝑉𝑚 Kết thực nghiệm nghiên cứu hấp phụ thể tích khí bị hấp phụ (V) theo áp suất (P) P V P1 V1 P2 V2 P3 V3 P4 V4 P5 V5 Ứng dụng phương trình đẳng nhiệt Langmuir dạng tuyến tính để xử lý kết thực nghiệm q trình hấp phụ ta thu giá trị b Vm Ví dụ: Nghiên cứu hấp thụ H2 1g bột đồng kim loại tiến hành 25oC, người ta thu kết cho bảng sau Áp suất - P (mmHg) 1,90 4,05 7,05 11,95 Thể tích H2 bị hấp thụ - V (cm3) 0,22 0,33 0,41 0,47 Thể tích H2 hấp thụ quy điều kiện tiêu chuẩn 0oC 1atm Bổ sung hàng P/V theo P: Áp suất - P (mmHg) P/V 1,90 8,6 4,05 12,3 7,05 17,2 11,95 25,4 với tg() = A = 1,67 (cm-3) B = 5,48 (mmHg/cm3) Kết cho thấy mối quan hệ tuyến tính P/V theo P, hấp phụ H2 bột đồng tuân theo lý thuyết Langmuir, ta có: 𝐴= 𝐵= 1 → 𝑉𝑚 = = = 0,6 (𝑐𝑚3 ) 𝑉𝑚 𝐴 1,67 1 →𝑏= = = 0,16 (𝑚𝑚𝐻𝑔−1 ) 𝑏𝑉𝑚 𝐵𝑉𝑚 5,48 × 0,6 Thể tích hấp phụ đơn lớp Vm = 0,6 cm3; Hằng số cân hấp phụ b = 0,16 mmHg-1 Ý nghĩa giá trị Vm b - Thể tích hấp phụ đơn lớp Vm sử dụng để xác định bề mặt riêng chất rắn (chất hấp phụ) theo cơng thức: 𝑆𝐿 = - 𝑉𝑚 × 𝑁𝐴𝑣 × 𝜎 𝑉0 × 𝑚 Hằng số cân hấp phụ b xác đinh nhiệt độ khác áp dụng phương trình Van’t Hoff để xác định nhiệt hấp phụ (Hads) 𝑑(𝑙𝑛𝑏) Δ𝐻𝑎𝑑𝑠 = 𝑑𝑇 𝑅𝑇 E Thuyết hấp phụ đẳng nhiệt đa lớp BET (Brunauer, Emmet, Teller) Các giả thuyết gần thuyết BET (xem tài liệu) Điểm quan trọng theo lý thuyết BET: Số lớp hấp phụ tăng theo áp suất, mơ hình đáp ứng tượng hấp phụ xảy thực tế cho phép áp dụng vùng có áp suất lớn so với thuyết Langmuir Phân biệt lớp hấp phụ thứ (Nhiệt hấp phụ) từ lớp thứ hai trở (Nhiệt ngưng tụ), xuất số c không thứ nguyên 𝑐 = 𝑒𝑥𝑝 [ (𝐸1 − 𝐸𝐿 ) ] 𝑅𝑇 Từ nhận xét này, thuyết BET sử dụng khái niệm Vm đề nghị thuyết Langmuir, thể tích hấp phụ lớp thứ theo BET Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ BET Vm c V= (1 − Trong đó: P P0 P P ) 1 + (c − 1) P0 P0 với 𝑐 = 𝑒𝑥𝑝 [ (𝐸1 −𝐸𝐿 ) 𝑅𝑇 ] V thể tích khí bị hấp phụ áp suất P Vm thể tích hấp phụ lớp thứ c: hệ số khơng có thứ ngun diễm ta sai khác nhiệt hấp phụ (E1) nhiệt ngưng tụ (EL) P0 áp suất bão hịa khí nhiệt độ nghiên cứu (hấp phụ) T Giá trị c = exp[(E1-EL)/RT] lớn nhiệt hấp phụ (Hads) lớn có gia tăng mạnh thể tích hấp phụ áp suất thấp (vùng khoanh đỏ giản đồ) 3 Tuyến tính hóa phương trình đẳng nhiệt hấp phụ BET Vm c V= (1 − P P0 P (c − 1) P = + V ( P0 − P ) Vm c Vm c P0 P P ) 1 + (c − 1) P0 P0 Đặt 𝑌= 𝑃 𝑃 ;𝑋 = 𝑡𝑎 𝑐ó 𝑝ℎươ𝑛𝑔 𝑡𝑟ì𝑛ℎ 𝑌 = 𝐴𝑋 + 𝐵, 𝑉(𝑃0 − 𝑃) 𝑃0 𝑣ớ𝑖 𝐴 = (𝑐 − 1) 𝑣à 𝐵 = 𝑉𝑚 𝑐 𝑉𝑚 𝑐 Ví dụ áp dụng: Khi nghiên cứu hấp phụ N2 1g TiO2 77 K (P0=1atm=760mmHg), người ta thu kết bảng sau: P (mmHg) 100 200 300 400 V(cm3) 10,2 18,6 25,5 31,5 Thể tích N2 điều chỉnh điều kiện tiêu chuẩn (0oC, 1atm) Nhiệt ngưng tụ N2 = 5,6kJ.mol-1 77K Từ kết thực nghiệm trình hấp phụ (thể tích hấp phụ theo áp suất), xây dựng bảng biểu diễn mối quan hệ P/(V*(P0-P)) theo P/P0, ta thu bảng sau: P/P0 0,132 0.263 0.396 0,526 P/(V(P0-P)) cm-3 0,015 0,022 0,029 0,035 Biểu diễn kết lên đồ thị, thu được: Kết cho thấy mối quan hệ tuyến tính P/(V*(P0-P)) theo P/P0, hấp phụ N2 TiO2 nói tuân theo lý thuyết BET Kết đồ thị cho phép xác định: 𝐴= 𝑐−1 = 0,0522 (𝑐𝑚−3 ) [1]; 𝑐𝑉𝑚 𝐵= = 0,008 (𝑐𝑚−3 ) [2] 𝑐𝑉𝑚 Giải hệ phương trình [1] [2] ta thu được: c = 7,525 Vm = 16,6 cm3 Ý nghĩa Vm c: Từ giá trị Vm, ta xác định diện tích bề mặt riêng TiO2 theo cơng thức: 𝑆𝐵𝐸𝑇 16,6 × 6,023 × 1023 × 0,162 × 10−18 = = 72,4 𝑚2 𝑔−1 22400 × Từ giá trị c, xác định nhiệt hấp phụ 𝑐 = 𝑒𝑥𝑝 ( 𝐸1 − 𝐸𝐿 ) ⟹ 𝐸1 = 𝐸𝐿 + 𝑅𝑇𝑙𝑛𝑐 = 5600 + 8,314 × 77 ln(7.525) 𝑅𝑇 = 6892 𝐽 𝑚𝑜𝑙 −1 V CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ ĐẶC BIỆT CỦA HỆ PHÂN TÁN Tính chất đặc biệt hệ phân tán (hệ keo) liên quan đến: ✓ Kích thước keo pha phân tán (d = – 500nm), lớn kích thước phân tử, ion dung dịch (hệ đồng thể) nhỏ kích thước hệ dị thể thơng thường ✓ Pha phân tán tích điện tồn mơi trường phân tán xuất lớp điện tích kép bề mặt phân chia pha phân tán mơi trường phân tán Các tính chất vật lý đặc biệt cần nghiên cứu: tính chất động học, tính chất quang học tính chất điện học A Tính chất động học hệ phân tán ✓ Chuyển động nhiệt (Brown) pha phân tán kích thước pha phân tán đủ nhỏ ✓ Chuyển động có hướng pha phân tán dước tác dụng trọng lực hay lực ly tâm kích thước pha phân tán đủ lớn ✓ Độ nhớt đặc biệt hệ phân tán Chuyển động nhiệt pha phân tác (hạt keo): a Chuyển động nhiệt (Brown): chuyển động hỗn loạn, tốc độ chuyển động tăng kích thước hạt keo giảm độ nhớt giảm Để đánh giá chuyển động nhiệt sử dụng khái niệm, sử dụng khái niệm “Độ dịch ̅ ” với phương trình Einstein & chuyển trung bình bình phương hạt 𝚫 Smoluchowski (1906): 𝑅 𝑇 2𝑡 𝑘𝐵 𝑇 𝑡 21 + 22 + + 2n √ √ 𝛥 = = 𝑥 = 𝑁 𝜋 𝜂 𝑟 𝜋 𝜇 𝑟 n Trong đó: kB: Hằng số Boltzmann (1.38×10-23m2.kg.s-2.K-1); T : Nhiệt độ tuyệt đối (K); t : Thời gian (s); : Độ nhớt tuyệt đối (động lực) hệ (kg.s-1.m-1) Lưu ý: kg.s-1.m-1 = Pa.s = 1000 cP ̅ tính chất keo Độ dịch chuyển trung bình bình phương hạt 𝚫 (Colligative Property) phụ thuộc kích thước mà khơng phụ thuộc vào chất hóa học chúng Chuyển động nhiệt nguyên nhân tượng khuếch tán thẩm thấu b Hiện tượng khuếch tán (Diffusion) mô tả hai định luật FICK: Định luật FICK áp dụng cho trình khuếch tán ổn định với phương trình: dm = − D dC S dt dx Trong dm lượng vật chất (mol) khuếch tác qua tiết diện S (m2), thời gian dt (s) chênh lệch nồng độ dC/dx (mol.m-3.m-1 = mol.m-4); D: hệ số khuếch tán (m2.s-1) Định luật FICK áp dụng chủ yếu cho q trình nghiên cứu phịng thí nghiệm để xác định giá trị hệ số khuêch tán D Ứng dụng hệ số khuêch tán D, ta sử dụng phương trình: D= k BT 6 .r Trong độ nhớt tuyệt đối (động lực) (trong phương trình Einstein & Smoluchowski) Như biết D ta xác định đượng bán kính pha phân tán (hạt keo) r khối lượng phân tử pha phân tán: 𝑀 = 𝜋𝜌 𝑟 𝑁𝐴𝑣 Với khối lượng riêng pha phân tán (kg/m3) Định luật FICK áp dụng cho q trình khuếch tán khơng ổn định với phương trình: d 2C d 2C d 2C dC = D + + dt dy dz dx Với 2: Toán tử Laplace 𝑑2 𝑑2 𝑑2 𝛻 = ( + + 2) 𝑑𝑥 𝑑𝑦 𝑑𝑧 dC = D. 2C dt c Hiện tượng thẩm thẩu: Là dịch chuyển phân tử dung môi (môi trường phân tán) qua màng bán thấm để san nồng độ Động lực trình thẩm thấu Áp suất thẩm thấu, xác định phươmg trình Van’t Hoff: = C.R.T với C= 𝜋= 𝛾 𝑅 𝑇 𝑁𝐴 NA ℎ𝑎𝑦 𝜋 = 𝛾 𝑘𝐵 𝑇 Chuyển động có hướng pha phân tán dước tác dụng trọng lực hay lực ly tâm a Hiện tượng sa lắng (Sedimentation) : lắng đọng pha phân tán tác dụng trọng lực Tốc độ sa lắng xác định định luật Stoke Trong đó: r= 9. v 2( − o ).g v: vận tốc sa lắng (m.s-1) = dx/dt; x : khoảng cách sa lắng (m); r: bán kính pha phân tác (m); 0: khối lượng riêng pha phân tán môi trường phân tán (kg.m-3); g: gia tốc trọng trường (m.s-2); : Độ nhớt tuyệt đối hệ (kg.s-1.m-1) Áp dụng: Xác định tốc độ sa lắng tính bán kính pha phân tán ngược lại biết kính thước pha phân tán xác định tốc độ sa lắng (thiết kế thiết bị) Hệ đơn phân tán, hệ đa phân tán b Sa lắng lực ly tâm: Đối với hệ phân tán có kích thước nhỏ < 500nm cần sử dụng lực ly tâm để tách pha phân tán khỏi môi trường phân tán, ta ápdụng định luật Stoke thay gia tốc trọng trường gia tốc ly tâm: Trong đó: w2x: gia tốc ly tâm với w: vận tốc góc (s-1) x khoảng cách từ hạt đến tâm quay (bán kính quay) (m) Độ nhớt hệ phân tán Xác định theo phương trình Einstein Trong đó: , 0 : Độ nhớt tuyệt đối hệ phân tán môi trường phân tán (kg.s-1.m-1) : Nồng độ phần thể tích pha phân tán Khi phương trình Einstein khơng đáp ứng lưu ý đến ảnh hưởng hình dáng hạt keo đến độ nhớt hệ phân tán B Tính chất quang học hệ phân tán Kích thước pha phân tácn (hạt keo) nằm khoảng bước sóng ánh sáng khả kiến nên bên cạnh tượng quang học thường gặp hệ đồng thể hay hệ dị thể thông thường là: Phản xạ, Truyền qua, Hấp thụ ánh sáng (Reflection, Transmission, Absorption), hệ phân tán tượng riêng biệt Tán xạ hay phân tán (Scattering) ánh sáng Hiệu ứng Faraday Tyndall: hiệu ứng ánh sáng bị tán xạ tất phương mạnh phương vng góc với đường tia sáng hình thành chùm sáng hình qua hệ phân tán Phương trình tán xạ Rayleigh: 2 2 n1 − no v I tx = 24. Io n + n o Itx(hoặc pt): Cường độ ánh sáng tán xạ theo phương vng góc với đường tia sáng n1, n2: Chỉ số khúc xạ pha phân tán môi trường phân tán : Nồng độ hạt pha phân tán v: Thể tích hạt : Bước sóng ánh sáng sử dụng I0 cường độ ánh sáng tới Ảnh hưởng tượng tán xạ ánh sáng: hệ phân tán gây sai số cho định luật hấp phụ Lambert – Beer I1 kết trình hấp thụ tán xạ ánh sáng làm cho đường chuẩn độ hấp thụ quang khơng cịn tuyến tính với nồng độ Hiện tượng tán xạ ánh sáng làm hệ phân tán thay đổi màu sắc theo hướng nhìn khác theo kích thước pha phân tán Ứng dụng phương trình tán xạ Rayleigh việc đo độ đục (Opacity): Từ phương trình tán xạ Rayleigh n − no2 v I tx = 24. 21 Io n + n o ta có: 𝐼𝑡𝑥 = 𝑘 𝛾 𝑣 𝐼𝑜 = 𝑘 𝛾 𝑣 𝑣 𝐼𝑜 = 𝑘 𝑣 𝐶 𝐼𝑜 với 𝐶 = 𝛾 𝑣, 𝑡𝑎 𝑐ó : 𝑘 𝑣1 𝐶1 𝐼𝑜 ℎ1 = 𝑘 𝑣2 𝐶2 𝐼𝑜 ℎ2 → 𝑣1 = 𝑣2 𝐶1 = 𝐶2 ℎ2 𝑘ℎ𝑖 𝑛ồ𝑛𝑔 độ 𝑘ℎô𝑛𝑔 đổ𝑖 ℎ𝑎𝑦 ℎ1 ℎ2 𝑘ℎ𝑖 𝑘í𝑐ℎ 𝑡ℎướ𝑐 ℎạ𝑡 𝑘ℎơ𝑛𝑔 đổ𝑖 ℎ1 Các phương pháp quang học khác sử dụng để nghiên cứu hệ phân tán : - Kính hiển vi (d: 200 nm - 150m) - Siêu kính hiển vi (d: 10 nm - 1m - Kính hiển vi điện tử (d : 1nm - 1m) B Tính chất điện học hệ phân tán Pha phân tán có kích thước nhỏ tích điện hệ phân tán có tượng điện học quan trọng đặc trưng Nguyên nhân pha phân tán tích điện: nguyên nhân - Nhân keo hấp phụ chọn lọc ion đồng hình để tích điện hình thành hạt keo (pha phân tán), tượng chủ yếu xảy với hệ phân tán ghét lưu (lyophobic); - Ion hóa nhóm chức bề mặt, tượng chủ yếu xảy với hệ phân tán ưa lưu (lyophilic); - Chênh lệch số điện môi pha phân tán môi trường phân tán Điểm đẳng điện (Iso-electric point), pH điểm khơng tích điện (Point of Zero Charge – PZC) pH mà hạt keo (pha phân tán) trung hịa điện, khơng tích điện khơng tồn lực đẫy tĩnh điện hạt (pha phân tán) hệ phân tán bền Sự hình thành lớp điện tích kép bề mặt phân chia phan phân tán mơi trường phân tán: Lớp điện tích kép gồm lớp: - Lớp hấp phụ (lớp Helmholtz): gồm ion trái trái dấu với bề mặt nhân keo, với khoảng cách cở đường kính ion, chiều dày lớp hấp phụ điện thay đổi gần tuyến tính - Lớp khuếch tán: gồm ion trái trái dấu để trung hịa điện tích hạt keo phân bố từ bề mặt hạt keo vào sâu dung dịch (phân bố theo hàm mũ) Thế điện động hay zeta: Thế điện động hay zeta () điện xuất bề mặt hạt keo (pha phân tán) môi trường phân tán (bề mặt trượt), hạt keo di chuyển tác dụng điện trường Thế zeta giá trị đo sử dụng để đánh giá mức độ tích điện hạt keo (khơng thể đo điện tích bề mặt hạt keo) Giá trị tuyệt đối zeta lớn, hạt keo tích điện mạnh độ bền hệ keo cao Thế zeta sử dụng để đánh giá độ ổn định hệ keo (phân tán) đặc biệt hệ phân tán ghét lưu Mối quan hệ zeta độ bền hệ keo (hệ phân tán): Các tượng điện động hệ keo (hệ phân tán) - Hiện tượng điện di chuyển động có hướng hạt keo (pha phân tán) tích điện tác dụng điện trường - Hiện tượng điện thẩm (điện thẩm thấu) dịch chuyển có hướng dịng dung môi tác dụng điện trường qua bề mặt mao quản tích điện - Điện sa lắng hiệu điện xuất điểm hệ keo sa lắng tác dụng trọng lực hay lực ly tâm - Điện chảy hiệu điện tạo nén dòng chất lỏng chảy qua lớp đệm hạt tích điện hay chảy qua mao quản tích điện - Thế Zeta: từ viết tắt điện động hệ phân tán, xác định thực nghiệm tính tốn thơng qua phương trình Henry 𝑢= 𝜀 𝜀𝑜 𝐸 𝜁 𝑢 𝜂 𝑙 → 𝜁= 𝜂 𝑙 𝑓 𝜀 𝜀𝑜 𝐸 u: vận tốc hạt keo (m.s-1) , o: Hằng số điện môi môi trường phân tán chân không (o =8,85.10-12F/m) E: Hiệu điện (Volt) : Độ nhớt tuyệt đối môi trường phân tán (kg.m-1.s-1) l: khoảng cách điện cực (m) f: Hệ số phụ thuộc kích thước hạt keo chiều dày lớp điện tích kép VI TÍNH ỔN ĐỊNH VẬT LÝ CỦA HỆ PHÂN TÁN Chuyển động nhiệt (Brown) hỗn loạn pha phân tán tạo nên va chạm hạt keo Khi va chạm không dẫn đến kết tụ (Aggregation) hệ keo bền, mặt khác va chạm tạo nên kết tụ, hình thành nhóm hạt, dẫn đến trường hợp: - Keo tụ (Coagulation) kết tủa nhóm hạt hình thành cấu trúc đặc, sít chặc khó phân tán trở lại hệ keo bị phá vỡ hoàn toàn - Keo tụ bơng (Flocculation): nhóm hạt hình thành cấu trúc mở, trình thuận nghịch tái tạo hệ keo tác dụng lực từ bên 1 Các kiểu tương tác hệ phân tán: loại - Lực đẫy tĩnh điện hạt keo (pha phân tán) bảo đảm độ bền hệ keo (Áp dụng chủ yếu cho keo ghét lưu không bảo vệ lớp phân tử môi trường phân tán) - Lực hút Van der Waals hạt keo (pha phân tán) nguyên nhân tượng kết tụ keo tụ, phá vỡ hệ keo - Hiện tượng solvat (hydrat) hóa hình thành lớp dung mơi xung quang hạt keo, bảo vệ ngăn cản hạt keo tiến lại gầng kết tụ (Áp dụng chủ yếu cho keo ưa lưu có tương tác mạnh pha phân tán môi trường phân tán) Tính ổn định keo ghét lưu Lý thuyết DLVO (Derjaguin, Landan, Verwey, and Overbeek) Keo ghét lưu khơng có tương tác tương tác yếu pha phân tán môi trường phân tán nên bỏ qua tương solvat (hydrat) hóa việc xem xét độ bền hệ keo, cịn tương tác chính: - Lực đẩy tĩnh điện (VR) - Lực hút Van der Waals (VA) Thế tổng VT = VR + VA, Xác định giá trị VT từ giá trị VR VA để đánh giá độ bền hệ keo Hệ keo ghét lưu không bền phương diện nhiệt động học 𝐸𝑏𝑚 = 𝜎 × 𝑆 mà khơng đổi (do khơng có tương tác pha phân tán môi trường phân tán) nên Ebm giảm kéo theo S giảm, hạt keo (pha phân tán) tăng kích thước hệ keo bị phá hủy Ảnh hưởng chất điện ly hệ keo ghét lưu: a Khi nồng độ chất điện nhỏ phù hợp: nhân keo hấp phụ chọn lọc ion, tích điện cho hạt keo ổn định hệ keo b Khi nồng độ chất điện ly lớn: ion trái dấu hạt keo vào lớp điện tích kép làm giảm zeta gây nên tượng keo tụ (Hệ keo ghét lưu nhạy cảm với nồng độ chất diện ly) Ngưỡng keo tụ: nồng độ chất điện ly nhỏ gây nên tượng keo tụ đủ nhanh để phát thơng qua tượng vẩn đục, kết tủa hay thay đổi màu sắc hệ phân tán Quy tắc Schulze Hardy: (sử dụng để đánh giá hiệu gây keo tụ chất điện ly khác nhau) - Ngưỡng keo tụ chất điện ly phụ thuộc chủ yếu vào ion đối (ion trái dấu) hạt keo (pha phân tán) - Ion có hóa trị lớn gây keo tụ mạnh - Hai ion có hóa trị nhau, ion có kính thước lớn gây keo tụ mạnh Hiện tượng đồng keo tụ (đồng kết tủa) xảy trộn lẫn hệ keo có hạt keo hay pha phân tác tích điện trái dấu Tính ổn định keo ưa lưu Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền keo ưa lưu: - Lực đẩy tĩnh điện - Hiện tượng solvat (hydrat) hóa Hệ keo ưa lưu bền phương diện nhiệt động học 𝐸𝑏𝑚 = 𝜎 × 𝑆 Hệ keo ưa lưu có tương tác mạnh pha phân tán mơi trường phân tán nên có khuynh hướng giảm làm cho Ebm giảm mà không ảnh hưởng đến kích thước pha phân tán Ảnh hưởng chất điện ly hệ keo ưa lưu: a Khi nồng độ chất điện ly nhỏ: làm giảm zeta khơng gây keo tụ hạt keo (pha phân tán) bảo vẹ lớp solvat hóa dày b Khi nồng độ chất điện ly lớn: - Trung hịa điện tích hạt keo - Đồng thời xuất q trình solvat hóa (hydrat hóa) cạnh tranh khử solvat (khử hydrat) hạt keo (pha phân tán) gây nên tượng keo tụ (Hệ keo ưa lưu không nhạy cảm với nồng độ chất điện ly có ngưỡng keo tụ cao chất điện ly) Ngưỡng keo tụ: nồng độ chất điện ly nhỏ gây nên tượng keo tụ đủ nhanh để phát thông qua tượng vẩn đục, kết tủa hay thay đổi màu sắc hệ phân tán Chuỗi Hofmeister: (sử dụng để đánh giá hiệu gây keo tụ chất điện ly keo ưa lưu) khả gây keo tụ ion theo dãy sau: Ảnh hưởng môi trường phân tán (dung mơi): Việc thay đổi dung mơi chuyển hệ keo từ trạng thái ưa lưu sang trạng thái ghét lưu trở nên nhạy cảm với chất điện ly Hiện tượng đồng keo tụ xảy trộn lẫn hệ keo ưa lưu có pH khơng tương thích hạt keo (pha phân tán tích điện trái dấu) điện tích hạt keo ưa lưu phụ thuộc vào pH (ion hóa nhóm chức bề mặt hạt keo) Khả bảo vệ keo ưa lưu keo ghét lưu Khi bổ sung keo ưu lưu vào keo ghét lưu pha phân tán keo ưa lưu hấp phụ lên bề mặt pha phân tán ghét lưu làm thay đổi tính chất bề mặt chúng từ ghét lưu sang ưa lưu Hệ keo ghét lưu trở nên bền khơng cịn nhạy cảm với chất điện ly Để đánh giá khả bảo vệ keo ưa lưu keo ghét lưu người ta sử dụng khái niệm “Chỉ số Vàng” Chỉ số Vàng khối lượng tối thiểu tính theo miligram hệ keo bảo vệ (keo ưa lưu) cần thiết để ngăn cản chuyển màu từ đỏ sang tím 10ml sol Vàng (Au) bổ sung ml dung dịch NaCl 10% Chỉ số Vàng nhỏ khả bảo vệ keo ưa lưu cao Giải thích: - Sol Vàng (Au) keo vô cơ, keo ghét lưu nhạy cảm với chất điện ly - Bổ sung 1ml dung dịch NaCl 10% vào 10 ml sol Vàng gây tượng keo tụ phát thay đổi màu sắc từ đỏ sang tím - Sử dụng lượng keo ưu lưu vừa đủ bảo vệ sol Vàng khỏi tượng keo tụ khơng có chuyển màu từ đỏ sang tím Xà phịng chất hoạt động bề mặt Trong nước Xà phòng chất hoạt động bề mặt tạo hệ keo liên hợp Có loại chất hoạt động bề mặt: - Chất hoạt động bề mặt anion - Chất hoạt động bề mặt cation - Chất hoạt động bề mặt không ion ... kB: Hằng số Boltzmann (1.38×1 0-2 3m2.kg.s-2.K-1); T : Nhiệt độ tuyệt đối (K); t : Thời gian (s); : Độ nhớt tuyệt đối (động lực) hệ (kg.s-1.m-1) Lưu ý: kg.s-1.m-1 = Pa.s = 1000 cP ̅ tính chất... ngưng tụ cấu trúc mi-xen keo” Các giai đoạn điều chế hình thành hệ keo ghét lưu cấu trúc mi-xen keo: C Các phương pháp làm hệ keo - Thẩm tích - Điện thẩm tích - Điện kết tủa - Siêu lọc IV Hiện... học khác sử dụng để nghiên cứu hệ phân tán : - Kính hiển vi (d: 200 nm - 150m) - Siêu kính hiển vi (d: 10 nm - 1m - Kính hiển vi điện tử (d : 1nm - 1m) B Tính chất điện học hệ phân tán Pha