3.1. Đ ộ BÈN VỮNG CỦA HỆ KEO
3.2.1. Keo tụ do chất điện ly
Phụ thuộc vào bản chất hệ của keo và chất điện ly thêm vào mà mức độ keo tụ có khác nhau.
3.2.1.1. Keo tụ do sự trung hoầ điện tích
Là trường hợp chất điện ly thêm vào có khả năng làm giảm điện tích của lớp ion tạo t h ế .
■ Lúc này các ion điện ly có điện tích trái dấu hấp phụ vào bề mặt hạt keo và trung hoà một phần điện tích bề mặt điều này làm giảm thế
Kết quả độ lớn Umax giảm, có khi Umax = 0; khi đó các hạt keo đến gần nhau, u < 0, lực hút mạnh hơn lực đẩy và keo tụ xảy ra.
3.2.1.2. Keo tụ do ảnh hưởng của nồng độ chất điện ly
Khi thêm chất điện ly trơ vào hệ, chiều dày của lớp khuếch tán ỗ giảm, làm thế
4 giảm và như thế hệ keo dễ bị keo tụ. Ảnh hưởng của nồng độ chất điện ly tới giá trị ẽ, được tính theo công thức:
3.2. S ự KEO TỤ
Khi nồng độ C, tăng thì thế 4 giảm, dẫn đến lực đẩy điện giảm, hạt keo dễ nhập lại với nhau gây keo tụ.
const
j z 2.c (3.29)
118
3.2,1,3. N gưỡ n g keo tụ của chất điện t y
Là nồng độ tối thiểu của chất điện ly đủ để gây ra hiện tượng keo tụ rõ rệt.
Thường được ký hiệu y (gamma). Đơn vị của ngưỡng keo tụ Ỵ là mol/lit.
Qui tắc Sunze Hardi
Khi một hệ keo tiếp xúc với chất điện ly, chỉ những ion có điện tích trái dấu với điện tích hạt keo mới có khả năng gây keo tụ. Điện tích của ion gây keo tụ càng lổn thì khả năng gây keo tụ càng mạnh và ngưỡng keo tụ càng nhỏ.
- a: là hệ số phụ thuộc đối với mỗi hệ keo - Z: là điện tích của ion gây keo tụ
Công thức này chứng tỏ điện tích của ion gây keo tụ càng lớn thì ngưỡng keo tụ càng nhỏ.
Ví dụ: Khi gây keo tụ hệ keo âm A S2S3 bằng các muối KC1, BaCl2 và A IC I3 .
Trong đó các cation gây keo tụ lần lượt K+, Ba+2, Al+3. Điện tích z của các cation lần lượt là 1, 2 và 3.
Số liệu thực nghiệm cho thấy ngưỡng keo tụ của các cation tỉ lệ nghịch với điện tích của ion. Khảo sát sự keo tụ của hệ keo âm AS2S3 bởi các muối cloraa người ta thu được kết qua sau:
Bảng 3.4. Ngưỡng keo tụ của một sổ chất điện ly
Chất điện ly KCI G0OS2 ÂiCla
Y (milimol/lit) 49,5 0,65 0,093
Biểu thị theo đơn vị 532 7,0 1
Hay ■ YK* : ỴCa^ : y : = 532 : 7,0 : 1
Những kết quả trên chứng minh rằng: Nếu ngưỡng keo tụ của Al+3 bằng 1 đơn vị, thì của Ca+2 là 7,0 đơn vị, của K+ là 532 đơn v ị .
3,2.1.4. Ảnh hưởng của bán kính ion chất điện ly trên s ự keo tụ
Khi keo tụ các hệ keo âm trong nước bằng các cation cùng điện tích, người ta thấy cation có bán kính càng lớn thì ngưỡng keo tụ càng nhỏ. Hiện tượng này là do ion có bán kính lớn được hấp thụ mạnh hơn ion có bán kính nhỏ. Cũng như khả năng bị hấp phụ, khả năng keo tụ của một số cation đã được xác nhận bằng thực nghiệm theo thứ tự sau:
119
Cs+ > Rb+ > NH4+ > K +> Na+ > Li+
Với anion người ta cũng tìm được dãy sau:
c r < n o3' < Br‘ < r 3.2.2. Một số hiện tượng keo tụ khác
3.2,2.1. Keo tụ do thay đ ồ i n h iệ t độ
- Tăng nhiệt độ: khi đun nóng hệ keo, năng lượng do nhiệt cung cấp sẽ làm chuyển động Brown tăng lên. Lúc đó lớp chất điện ly hấp phụ và lớp phân tử chất bảo vệ giảm, làm cho xác suất va chạm giữa các hạt tăng có hiệu quả điều này giúp sự keo tụ dễ xảy ra.
- Giảm nhiệt độ: Khi giảm dần nhiệt độ đến mức làm cho hệ kết tinh thì bao giờ dung môi cũng kết tinh trước. Vì vậy, nồng độ hạt keo và nồng độ chất điện ly tăng lên, cả hai yếu tô" trên đều đưa tới khả năng dễ keo tụ.
s.2.2,2, Keo tụ do tác động c ơ học
Một số trường hợp khi khuấy trộn mạnh cũng có thể gây keo tụ hệ keo.
Thực nghiệm cho thấy sự khuấy trộn mạnh có thể làm giảm liên kết giữa lớp phân tử bảo vệ với bề mặt hạt keo, các hạt keo dễ tác động với nhau, trong chừng mực nào đó dễ gây keo tụ.
Hình 3-21. Sự thay đổi thế £, của keo âm do nồng độ cation gây keo tụ
Khi gây keo tụ bằng những ion có hoá trị cao như: Fe+3, A l +3, Th+4, PO4"3 hoặc những ion hữu cơ có khả năng hấp phụ được như ion các chất màu, các alcaloit ...
người ta thây hiện tượng sau:
Thoạt đầu, khi thêm dần chất điện ly vào một hệ keo, ta thây hệ bền.
120
Sau đó tron 21 một khoảng nồng độ của chất điện ly khi thêm vào hệ sẽ bị keo tụ.
Tiếp theo hệ lại bền rồi cuối cùng lại keo tụ.
Khảo sát sự phụ thuộc thế ị của keo âm theo nồng độ c của cation gây keo tụ.
Cation gây keo tụ ở đây có hoá trị lớn bị hấp phụ mạnh nhất.
Kết quả nghiên cứu cho thấy, lúc đầu khi chưa đưa chất điện ly vào, nồng độ chất điện ly bàng 0, hệ có th ế ẽ,° là điện thế giữa hạt keo âm và các cation ở Iđp khuếch tán. Khi thêm chất điện ly gây keo tụ có hoá trị cao vào, các cation này được hấp phụ vào nhân keo làm trung hòa bớt ion tạo thế, do đó (p° và giá trị £, giảm theo.
Vùng I: Giá trị £, giảm song vẫn còn lớn hơn ẽ,lớj han .Vì vậy hệ keo có kém bền hơn lúc đầu, nhưng vẫn chưa bị keo tụ.
Vùng II: Khi tiếp tục thêm cation, ion tạo thế tiếp tục bị trung hoà.
Trong vùng nồng độ C2 lượng ion tạo thế bị cation chất điện ly trung hoà hoàn toàn và gây keo tụ, khi đó lớp khuếch tán cũng bị trung hoà điện tích.
Tiếp tục thêm nồng độ chất điện ly lớn hơn tương ứng với C2, điện tích cation hấp phụ tăng dần, vượt điện tích anion tạo thế. Lúc này hạt keo mang điện tích từ âm chuyển sang dương và lớp khuếch tán từ dương chuyển sang âm. Trong vùng này thế Ẹ, thấp hơn ệtđi hạn, vì vậy sự keo tụ dễ dàng xảy ra.
Vùng III: Tăng tiếp nồng độ cation gây keo tụ đến mức C3, hạt keo tiếp tục hấp phụ cation và thế £, tăng vượt ịiíti hạn- s ố va chạm có hiệu quả giảm xuống. Vì thế hệ keo lại bền vững.
Ở nồng độ cation gây keo tụ đạt đến mức giá trị C4 là lúc bề mặt các hạt keo hấp phụ bão hoà cation keo tụ nên ự = £,+max tiếp tục thêm chất điện ly tức là khi nồng độ lớn hơn C4 do bề mặt hạt keo không hấp phụ được cation nữa, chất điện ly thêm vào trở thành chất điện ly trơ.
Khi nồng độ cation gây keo tụ càng tăng đến mức giá trị C5, thế ự lại giảm và khi giảm tới giá trị ẽ,+th thì hệ keo bị keo tụ.
Vùng IV: Tiếp tục thêm cation chất điện ly gây keo tụ với nồng độ lớn hơn giá trị C5 thì ẹ, < r . h thì hệ luôn bị k eo tụ.
3.2.2.4. Keo tụ do hỗn hợp chất điện ly
Trong đời sống, trong kỹ thuật thường gặp nhiều hiện tượng keo tụ do tác động của hỗn hợp chất điện ly, như sự keo tụ của hạt keo trong nước phù sa, ở cửa sông đổ ra biển, do các muối trong nước biển. Tác động của hỗn hợp các chất điện ly tới sự keo tụ, có thể gặp những trường hợp sau:
- Hiện tượng keo tụ kết hợp
121
Khả năng gây keo tụ của ion muối trong hỗn hợp vẫn giữ nguyên như khi chúng tác dụng riêng rẽ.
Ví dụ: Hỗn hợp KC1 + KNO3 gây keo tụ dương (do ion K+), Hỗn hợp NaCl + KC1 tạo keo tụ âm (do ion Cl')
yO - Hiện tượng keo tụ hỗ trợ
Hỗn hợp các ion keo tụ có tính chất hỗ trợ nhau thì lượng ion cần lấy ít hơn, khi chúng tác dụng riêng rẽ.
Ví dụ: Hỗn hợp L i ơ + C11CỊ2 sẽ hỗ trợ nhau để gây keo tụ keo HgS.
- Hiện tượng keo tụ cản trở
Hỗn hợp các ion keo tụ lấy phải nhiều hơn số lượng gây keo tụ riêng lẻ.
Ví dụ: Khi dùng M g Ơ2 để gây keo tụ keo AS2S3 nếu có mặt muối LiCl thì ngưỡng keo tụ của M gCb tăng 2-3 lần so với bình thường.
Cơ chế những hiện tượng này rất phức tạp và phụ thuộc nhiều yếu tố.
3.2.2.5. Keo tụ tư ơng hỗ của hai hệ keo
Là sự keo tụ khi trộn hai hệ keo có điện tích trái dấu vào nhau với lượng thích hợp có thể gẫỹTáTcẻo tụ... ' ...
Sự keo tụ tương hỗ không phải xảy ra với lượng bất kỳ nào của hai hệ keo trái dấu. Nếu một trong hai hệ keo có lượng nhỏ hơn hệ keo kia thì hệ có lượng keo nhỏ sẽ bị chuyển dấu sang hệ keo có lượng lớn hơn.
Hiên tương keo tu tương hỗ xảy ra khá nhiều phức tạp trong thực tế. Ví dụ:
trong nước phù sa cổ keo siiic mang điên tfchfami khi xử lý nước bằng phèn là tao kgp /dưđnglAl(OH)3 để gây keo tu, điêu này giúp niĩức trở nên trong. , , /I I ^ /
3.2.3. Động học của sự keo tụ J
Sự keo tụ là sự sát nhập của các hạt keo nhỏ nhập lại với nhau thành hạt lổn.
Khi các hạt tiến lại gần nhau, có thể:
- Hai hạt va chạm đồng thời với nhau gây keo tụ.
- Có thể ba hoặc bốn hạt đồng thời va chạm.
Xác suất để ba hoặc bốn hạt đồng thời va chạm rất ít. Vì thế va chạm đôi (va chạm do hai hạt) gây ra keo tụ là chủ yếu.
Trong trường hợp này phương trình động học của sự keo tụ tương tự phương trình động học của phản ứng bậc hai:
~dC = kC2 (3.31)
dt
122
- C: Là nồng độ hạt tại thời điểm t
- c°: Là nồng độ hạt ở t = 0
- k: là hằng số keo tụ
Lấy tích phân hai vế của phương trình vi phân này ta có:
(3.32)
Và chu kỳ bán hủy của sự keo tụ là :
Hằng số keo tụ k đặc trứng cho sự keo tụ nhanh hay chậm của mỗi hệ keo.
Thực nghiệm chứng minh hệ sổ k được tính theo biểu thức sau:
- D: Hệ số khuếch tán
- p: Khoảng cách giữa hai tâm hạt keo sát gần để nhập vào nhau.
CÂU HỎI LƯỢNG GIÁ
1. Trình bày độ bền động học của hệ keo 2. Trình bày độ bền tập hợp của hệ keo.
3. Giải thích nguyên nhân gây ra keo tụ.
4. Nêu các yếu tố ảnh hưởng đến sự keo tụ.
5. Trình bày ảnh hưởng của điện tích ion tới sự keo tụ.
6. Nêu và giải thích ảnh hưởng của bán kính ion tới sự keo tụ.
7. Giải thích hiện tượng keo tụ đặc biệt.
k = 4.JC.D.P
p
Hình 3-22. Khoảng cách tâm để hai hạt keo nhập vào nhau
123
CÂU Hỏi TRẮC NGHIỆM
ỉ . Độ bền vững của hệ keo phụ thuộc:
a. Kach thước tiểu phân hạt keo b. Tính tích điện của hệ keo
c. Khả năng hydrat hoá các tiểu phân hệ keo d. Nồng độ tiểu phân các hạt keo
JSC, Tất cả đều đúng
2. Khi xử lý nước phù sa bằng dung dịch phèn nhôm, hiện tượng keo tụ trên được gọi là :
a. Keo tụ tự phát
b. Keo tụ do tác dụng của hoá chất d. DỊ keo tụ
e. Tất cả đều đúng
3. Khi cho lỉít dung dịch AgNƠ3 0,005 M tác'dụng với 2 lit dung dịch KI 0,00IM ta được keo Agl:
b. Mang điện tích âm (T) c. Trung hoà điện tích
d. Mang điện tích âm (NO3') e. Mang điện tích dương (K+)
4. Sự keo tụ tương hỗ là quá trình keo tụ do:
a. Sự hiện diện chất điện ly khi thêm vào hệ keo
'Ỵ) Sự tương tác của hai loại keo có điện tích khác nhau ỵ c. Sự tương tác hai loại keo cùng điện tích
d. Do khối lượng các tiểu phân keo tự hút nhau thành keo tụ e. Sự tương tác giữa lớp ion đối và lớp tạo thế hiệu
5. Keo Agl được điều chế bằng:
a. Phương pháp thay thế dung môi b. Ngưng tụ bằng phản ứng oxy hóa khử c. Phương pháp ngưng tụ do thủy phân
Keo tụ tương hỗ
Mang điện tích dương (Ag+)
124
d. Phân tán bằng cơ học
Ngưng ớụ bàng phản ứng trao đoi / - ô:= ■-
6. Năng lượng hút phân tử giữa các hạt keo khoảng cách X đuợc tính theo công thức:
const
a . H = — ——
X b. H = ^ —ỵ
const c. X = - ^ ~
const u _ COnSt
e. H = - ^ — const
7. Lực đẩy tĩnh điện giữa các hạt keo cách nhau khỏang X được xác định theo hàm số:
a. Bậc nhất b. Bậc hai c. Bậc không
ỊJà m r IU
e. Hàm bac ba
8. Những phương pháp nào sau đây làm cho hệ keo bền vững:
a. Tạo cho bề mặt các hệ keo hấp phụ điện tích để có cp°
b. Pha loãng hệ keo để có thế Ẹ, lớn b. Giữ cho hệ keo có nồng độ hạt nhỏ.
c. Tạo bề mặt hạt keo hấp phụ chất bảo vệ, khiến bề mặt thấm ướt tốt.
^đ). Tất cả đều đúng y s
9. Khi khảo sát sự keo tụ của hệ keo am AS2S3 bởi các muối clorua người ta thu được kết quả sau. Nếu ngưỡng keo tụ của AICI3 bằng 1 đơn vị, thì ngưỡng keo tụ của CaCỈ2 là:
a. 50 đơn vị b. 1 0 0 đơn vị
125
c. 150 đơn vị d. 200 đơn vị èxTất cả đều sai
10. Khi khảo sát sự keo tụ của hệ keo âm AS2S3 bởi các muối clorua người ta thu được kết quả sau. Nếu ngưỡng keo tụ của AỈCI3 bằng 1 đơn vị, thì ngưỡng keo tụ của
KC1 là: ..
a. 50 đớn vị b. 150 đơn vị c. 2 0 0 đơn vị
^ ,5 3 2 đơn vị /■- e. Tất cả đều đúng.
11. Khi cho keo Agl tích điện âm tiếp xúc với hỗn hợp các chất điện ly: KC1, FrCl, LiCỈ, NaCl, CsCl, RbCl cho biết keo Agl hấp phụ ion nào nhiều nhất.
a. ion Rb+ ion Cs+ / c. ion Fr+ d. ion K+ e. ion Na+
12. Khi cho keo AS2S3 điên tích dương tiếp xúc với các dung dịch chất điện ly:
KC1, KNO3, KI, KBr, KF cho biểt keo AS2S3 hấp phụ dịch nào tốt nhất.
a. Dung dịch KNO3
b. Dung dịch KC1 Dung dịch KI ^ d. Dung dịch KBr e. Dung dịch NaCl.
13. Theo qui tắc Sunze Hardi, biểu thức xác định ngưỡng keo tụ được biểu thị:
a
ỵ ~ l z ĩ CT II H & a
a a y’
ỵ ~ Z®" e. r = f [■
14. Theo kết quả về ngưỡng keo tụ của một số chất điện ly ta có tỷ số ngưỡng keo tụ của các ion sau ỵ „ : ỵ t2 : ỵ Al+3 : = 532 : 7,0 : 1. Nếu khi đông tụ một hệ keo mang
điện tích âm bằng dung dịch AICI3 có số mol sử dụng ỉà 0,5 mM. Vậy khi sử dụng dung dịch CaCỈ2 thì cần dùng bao nhiêu mM:
a, 532 mM b. 7 mM 3,5 mM
d. 2 mM e. 1 mM
126
C h ư ơ n g 4 Bài 7