Chương 1: Giới thiệu và phân loại hệ phân tán

Chia sẻ: Nguyen VIET Thanh | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:27

1
491
lượt xem
139
download

Chương 1: Giới thiệu và phân loại hệ phân tán

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đã từ lâu người ta đã biết nhiều tính chất quan trọng của một dung dịch đồng nhất (thường gọi là dung dịch thực) như sự tăng nhiệt độ sôi, sự giảm nhiệt độ đông đặc, sự giảm áp suất hơi bão hòa...

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Chương 1: Giới thiệu và phân loại hệ phân tán

  1. Chương I : Giới Thiệu Và Phân Loại Hệ Phân Tán. I.1. Giới Thiệu Về Hệ Phân Tán : [Tr61,2] Đã từ lâu người ta đã biết nhiều tính chất quan trọng của một dung dịch đồng nhất ( thường gọi là dung dịch thực) như sự tăng nhiệt độ sôi, sự giảm nhiệt độ đông đặc, sự giảm áp suất hơi bão hòa…Đến nửa thế kỷ thứ XIX nhà bác học Italia F.Xelmi, sau khi nghiên cứu nhiều loại dung dịch, nhận thấy có những dung dịch thể hiện một số tính chất khác thường như: - Chúng có tính tán xạ ánh sáng. - Chúng bị kết tủa nhanh chóng khi thêm chất điện ly vào. Về sau Thomas Grem (người Anh) phát hiện ra bằng những dung dịch trên không lọt qua màng bán thấm. Dung dịch này khi làm khô nước thì giống như keo dán. Do vậy, Grem gọi chúng là dung dịch keo (Kollioid). Từ đó về sau, rất nhiều nhà bác học quan tâm nghiên cứu tính chất của các hệ tương tự và đã đi đến những kết luận quan trọng sau đây:  Hệ keo có tính chất tán xạ ánh áng (chứng tỏ hệ keo là một hệ dị thể, không đồng nhất).  Các hệ keo có tính chất khuếch tán chậm hơn các tiểu phân (phân tử, ion) trong dung dịch thực.  Các hệ keo có thể tách ra khỏi dung môi bằng màng bán thấm. Hai tính chất cuối cùng chứng tỏ các tiểu phân trong hệ keo có kích thước lớn hơn nhiều so với kích thước chất phân tử hay ion trong dung dịch thực. Một hệ thống phân tán gồm chất phân tán và môi trường phân tán. Chất phân tán và môi trường phân tán có thể ở trạng thái rắn, lỏng, khí. 1
  2. I.2: Phân Loại Hệ Phân Tán: Các hệ keo và các hệ vi thể (hệ phân tán) cần được phân loại để vừa giúp nghiên cứu đỡ phức tạp và vừa nghiên cứu được mọi đối tượng. Chúng ta đi khảo sát ngắn gọn một số cách phân loại được xem là phổ biến như: I.2.1: Phân loại theo kích thước hạt phân tán : [Tr14,15,16,1] I.2.1.1: Dung dịch thực : Đây là các hệ phân tán phân tử. Thuộc hệ này gồm các dung dịch muối, axit, bazơ và các dung dịch khác nữa. I.2.1.2:Hệ keo – Dung dịch keo : Kích thước của hệ phân tán nằm trong giới hạn từ 10-7 đến 10 -5 cm. Các hạt này không sa lắng nhưng không lọt qua màng bán thấm. Vì kích thước hạt keo lớn hơn các phân tử (kích thước phân tử bằng 10-8 cm) của môi trường nên chúng tạo ra bề mặt phân chia: Hệ keo- môi trường. Trong hệ dị thể, trên ranh giới giữa hai pha xuất hiện một năng lượng bề mặt Ebm. Theo nguyên lý II của nhiệt động lực học, năng lượng tự do có khuynh hướng tiến đến cực tiểu. Bởi vậy, trong các hệ keo các quá trình diễn biến theo hường làm giảm năng lượng tự do dễ dàng xảy ra (năng lượng tự do trong trường hợp này là năng lượng bề mặt). Sự giảm năng lượng tự do có thể là do sự hấp thụ các hạt từ môi trường phân tán hoặc do sự liên kết các hạt phân tán thành các hạt có kích thước như kích thước của các hạt trong hệ phân tán khô. Do đó, dẫn đến các hệ keo kém bền vững nhiệt động học. Để tạo ra các hệ keo bền vững thì đưa chúng vào cấu tử thứ ba. Cấu tử thứ ba này có tên là chất làm bền hay chất ổn định. I.2.1.3:Hệ phân tán khô : Trong hệ này kìch thước hạt phân tán lớn hơn 10-5 cm. Các hệ này được chia thành : huyền phù nếu pha phân tán gồm các hạt rắn và nhũ tương nếu pha 2
  3. phân tán gồm các giọt chất lỏng, còn môi trường phân tán là lỏng. Ví dụ: đất sét( cao lanh) trong nước là huyền phù, còn sữa trong nước là nhũ tương. Do kích thước hạt phân tán lớn nên hệ phân tán thô không bền về mặt động học, nghĩa là các hạt phân tán dễ dàng tách ra khỏi môi trường phân tán - hiện tượng sa lắng. I.2.2: Phân loại theo trạng thái tập hợp của chất phân tán và môi trường phân tán : [Tr15,1] I.2.2.1 :Sol khí : Đó là các hệ phân tán với môi trường phân tán là khí. Khi chất phân tán là khí, ta có hỗn hợp khí. Hệ này là đồng thể, không tồn tại trạng thái keo. Khi hệ là chất lỏng phân tán trong chất khí tạo thành sương mù, mây. Khi hệ là chất rắn phân tán trong chất khí tạo thành khói, bụi. I.2.2.2 : Sol lỏng : Đó là các hệ phân tán có môi trường phân tán là lỏng. Hệ khí phân tán trong chất lỏng tạo thành bọt. Bọt được tạo thành khi có chất tạo bọt trong hệ. Chất lỏng phân tán trong chất lỏng ta được nhũ tương. Hệ phân tán rắn trong lỏng, tuỳ thuộc vào kích thước của hạt phân tán sẽ tạo thành dung dịch keo hoặc huyền phù. I.2.2.3 : Sol rắn : Đó là hệ phân tán có môi trường phân tán là rắn. Khi chất khí phân tán trong chất rắn tạo thành bọt rắn (vật chất dạng xốp). Khi chất lỏng phân tán trong chất rắn tạo thành nhũ tương rắn (thuỷ ngân trong chất đá). Khi chất rất phân tán trong chất rắn tạo thành sol rắn như hợp kim, thuỷ tinh màu... 3
  4. I.2.3 : Phân loại theo tương tác giữa chất phân tán và môi trường phân tán : [Tr16,1] I.2.3.1 : Đối với môi trường lỏng, có thể đưa ra keo ưa lưu (ưa lỏng) và keo ghét lưu (kỵ lỏng ) Keo ưa lưu đặc trưng bởi tương tác mạnh giữa chất phân tán và môi trường phân tán. Các chất phân tán sau khi tách ra khỏi dung môi và nếu như cho tiếp xúc lại với dung môi thì nó có khả năng phân tán trở lại. Chính vì thế mà ta gọi keo này là keo thuận nghịch. Ví dụ : keo gelatin, tinh bột, gôm arabic…. Keo ghét lưu do tương tác yếu nên chất phân tán sau khi kết tủa không có khả năng phân tán lại. Chúng là những keo bất thuận nghịch. Ví dụ :keo bạc sunfua, asen sunfua, bạc iotdua..... Nằm ở vị trí trung gian giữa keo ưu lưu và keo ghét lưu là loại keo lưỡng tính như các hidroxit kim loại. I.2.3.2 : Căn cứ vào tương tác giữa các hạt phân tán, người ta có thể phân hệ phân tán ra làm hai loại : - Hệ phân tán tự do như các loại keo loãng, huyền phù, nhũ tương loãng. Trong hệ này, do tương tác yếu nên các hạt chuyển động độc lập với nhau. - Hệ phân tán liên kết như huyền phù đặc, nhũ tương đặc, gel (thạch)... đó là các hệ mà ở vào điều kiện đặc biệt các hệ phân tán liên kết với nhau để tạo thành mạng không gian. Bên cạnh các dung dịch keo còn có các dung dịch đa keo và dung dịch bán keo như : Dung dịch xà phòng, các chất thuộc da, các phẩm màu và một số chất khác. Một phần của các chất ở trạng thái keo, còn phần khác ở phân tử hoặc ion. 4
  5. Chương II : Hệ Keo. Cách phân loại trạng thái của chất và môi trường phân tán nhiều khi không phản ánh được thuộc tính của hệ , cho nên thông thường người ta phân loại hệ phân tán dựa vào kích thước hạt phân tán ,vì những hệ có kích thước giống nhau thường thể hiện những tính chất đặc trưng tương tự nhau ( như tốc độ khuếch tán , cường độ tán xạ ánh sáng , chuyển động Brown …..). Theo cách phân loại này, người ta thường chia hệ phân tán thành ba loại : hệ phân tán thô, hệ keo và dung dịch thực. II.1: Hệ Keo Là Gì? Hệ keo còn được gọi là hệ phân tán cao , là một hệ thống có hai thể của vật chất, một dạng hỗn hợp ở giữa những hỗn hợp đồng nhất và hỗn hợp không đồng nhất .Kích thước hạt 10-7 – 10-5 cm . ví dụ : bơ, sữa, kem sữa, sương mù, khói sương, khói xe, mực, sơn bọt biển…. II.2: Các Tính Chất Của Hệ Keo: II.2.1: Tính chất quang học của hệ phân tán : II.2.1.1: Sự phân tán ánh sáng của hệ keo: [Tr 70,71,1] Khi chiếu một chùm sáng vào một dung dịch keo trong suốt để trong bóng thì thấy một dải sáng sáng mờ đục dạng hình nón xuất hiện ở phần dung dịch có ánh sáng đi qua. Hiện tượng đó còn được gọi là hiệu ứng Tyndall hay hình nón Tyndall. Ta có thể quan sát hiện tượng tương tự khi có một chùm ánh sáng hẹp chiếu vào đêm tối ( trong rạp chiếu phim ) hoặc khi có đèn pha chiếu lên bầu trời vào ban đêm. Hiện tượng này quan sát đặc biệt rõ khi không khí có hơi nước hoặc chứa bụi.Vì khi đó không khí - bụi tao thành một hệ keo và có khả năng phân tán ánh sáng. 5
  6. Như ta thấy trên thực tế, tính chất quang học của hệ phân tán phụ thuộc vào kích thước hạt. Ánh sáng nhìn thấy có bước sóng khoảng 4000A0 – 7000A0 . Hệ phân tán có kích thước hạt lớn hơn bước sóng phản xạ ánh sáng làm cho hệ có màu đục. Hệ heo có kích thước hạt nhỏ hơn bước sóng, nên có khả năng phân tán ánh sáng. Do đó, sự nhiễu xạ ánh sáng bởi các hạt làm cho mỗi hạt trở thành một điểm phát sáng về mọi hướng. Đối với hệ keo có các hạt phân tán kích thước nhỏ hơn nhiều so với bước sóng ánh sáng, thì cường độ ánh sáng phân tán theo phương tới là lớn nhất và theo phương vuông góc với phương tới là nhỏ nhất. Đặc điểm của ánh sáng phân tán bởi hệ keo là nó bị phân cực.Theo phương tới ánh sáng phân tán hầu như không bị phân cực, trong khi đó, theo phương vuông góc với phương tới thì ánh sáng phân tán hầu như bị phân cực hoàn toàn. Ta có thể rút ra một số kết luận như sau : [Tr 77,2]  Hạt keo có kích thước càng lớn (V càng lớn ) tán xạ càng mạnh.  Nồng độ hạt càng lớn, ánh sáng bị tán xạ càng mạnh.  Ánh sáng tới có bước sóng càng ngắn càng bị tán xạ mạnh khi chiếu vào hệ keo. Như vậy, nếu chiếu chùm ánh sáng trắng vào hệ keo thì ánh sáng đỏ bị tán xạ yếu nhất, trái lại ánh sáng xanh và tím bị tán xạ mạnh nhất khi mọi điều kiện khác của hệ keo như nhau. II.2.2.2: Sự hấp thụ ánh sáng của hệ keo: [Tr 75,76,1] Nói chung, các hệ phân tán bao gồm các dung dịch thực, dung dịch keo, hệ phân tán thô nếu có màu và không trong suốt thì đều có khả năng hấp thụ ánh sáng ở những mức độ khác nhau. Màu sắc của dung dịch keo phụ thuộc vào nhiều yếu tố: bản chất của chất phân tán và môi trường phân tán, nồng độ, hình dạng hạt, bước sóng ánh sáng, góc nhìn…..Ánh sáng trắng là tập hợp của nhiều áng sáng đơn sắc với bước sóng khác nhau. Do sự phân tán và hấp thụ ánh sáng của hệ keo mà ánh sáng tới mắt chúng ta sẽ có sự trội hơn của áng sáng màu đó, nghĩa là hệ keo có màu sắc. 6
  7. ví dụ: hồng ngọc(màu đỏ) hay bích ngọc(màu xanh)…. là những hệ keo có màu sắc.….dung dịch asen sufua với bề dày 1cm , thậm chí với nồng độ rất nhỏ (một phần As2S3 trong 8.105 phần nước ) có màu vàng, dung dịch keo vàng kim loại với nồng độ nhỏ (một phần Au trong 108 phần nước ) có màu đỏ. Nhìn chung, màu sắc của sol kim loại có màu sắc rất phức tạp. Nguyên nhân là do sol kim loại vừa hấp thụ mạnh ánh sáng lại vừa phân tán ánh sáng. II.2.2: Tính chất động học theo phân tử của hệ keo: II.2.2.1: Chuyển động Brown : [Tr 75,1] Chuyển động Brown là chuyển động nhiệt của của các hạt pha phân tán trong hệ keo cũng như các hệ vi dị thể. Chuyển động Brown diễn ra không ngừng , không phụ thuộc vào các nguồn sáng năng lượng bên ngoài và chuyển động càng mạnh khi nhiệt độ càng cao. chuyển động Brown được phát hiện ra vào năm 1827, do nhà sinh học người Anh Robert Brown nhưng lúc đó chưa có sự giải thích thoả đáng. Mãi đến năm 1888 – 1900 Gouy( Guy) và Exner (Exnơ) mới đưa ra lời giải đáp trên cơ sở thuyết chuyển động Brown là kết quả chuyển động nhiệt. Các phân tử của môi trường phân tán trong chuyển động nhiệt va chạm với csc hạt keo một cách hỗn độn làm cho các hạt keo chuyển động. Nếu các hạt keo có kích thước đủ nhỏ thì các va chạm không đồng đều từ các hướng khác nhau của các phân tử môi trường, làm cho hạt nhận được các xung lực khác nhau và chuyển động theo một quỹ đạo xác định. Khi kích thước và khối lượng hạt lớn làm tăng quán tính, xác suất triệt tiêu các va chạm tăng dần đến khi làm cho cac hạt chỉ dao động quanh vị trí cân bằng hoặc đứng yên (không có chuyển động Brown). Các hạt keo nhận được một số va chạm cực lớn từ các phân tử môi trường nên nó thay đổi hướng và tốc độ liên tục tới 1020 lần trong một giây. Vì vậy, ta không thể xác định được đường đi thực của hạt keo, nhưng dễ dàng xác định được khoảng cách trung bình mà hạt di chuyển được trong một 7
  8. đơn vị thời gian. Dưới kính hiển vi hoặc siêu hiển vi ta có thể đánh dấu được vị trí của hạt trong những khoảng thời gian bằng nhau. II.2.2.2: Sự khuyếch tán trong dung dịch keo : [Tr89,92,2] Sự khuyếch tán là một quá trình tự diễn biến để san bằng nồng độ của chất phân tán vào môi trường phân tán. Khuyếch tán là một tính chất đặc trưng của các hệ phân tán. Tốc độ khuyếch tán của các hạt keo nhỏ hơn nhiều so với tốc độ khuyếch tán của phân tử hoặc iôn, vì kích thước hạt keo lớn hơn nhiều so với phân tử hoặc iôn. Nguyên nhân chủ yếu của sự khuyếch tán là sự chuyển động nhiệt của các phân tử chất phân tán và môi trường phân tán. Chúng ta biết rằng sự chuyển động nhiệt là sự chuyển động hỗn loạn, đa hướng, không ưu tiên hướng nào trong không gian. Mặt khác, xét về mặt động nhiệt học của quá trình trộn lẫn các chất để đạt được xen lẫn tối đa, đồng đều ở mọi điểm là quá trình tự diễn biến. Năm 1885 Nernst cho rằng sự khuyếch tán xảy ra do áp suất thẩm thấu, các phân tử có xu hướng chuyển từ nơi có áp suất thẩm thấu lớn (nơi có nồng độ lớn) đến nơi có áp suẩt thẩm thấu nhỏ hơn ( nơi có nồng độ nhỏ hơn). Dựa trên những quan điểm đó, đồng thời cho rằng sự chuyển động khối (trong quá trính khuyếch tán ) cũng tương tự như sự truyền nhiệt hay truyền điện. II.2.2.3: Áp suất thẩm thấu của dung dịch keo: [Tr 95,96,1] Thẩm thấu là sự khuếch tán một chiều của các phân tử dung môi qua màng bán thấm theo chiều hướng làm giảm nồng độ dung dịch. Nói một cách rộng hơn thì sự thẩm thấu là sự khuyếch tán và dung môi đưa đến sự san bằng nồng độ trong toàn bộ thể tích của hệ. Áp suất thẩm thấu của dung dịch keo chỉ phụ thuộc vào số hạt chứ không phụ thuộc vào bản chất và kích thước hạt keo. Điều này giải thích vì sao áp suất thẩm thấu của dung dịch keo, lại nhỏ hơn nhiều áp suất so với áp suất thẩm thấu của dung dịch thực có cùng nồng độ khối lượng. 8
  9. Ví dụ: áp suất thẩm thấu của sol vàng kim loại 1% với hạt có kích thước 0.01micromet, nhỏ hơn 20 lần so với áp suất thẩm thấu của dung dịch đường mía 1% ở cùng điều kiện. Dung dịch keo lỏng kém bền, kích thước của hạt luôn thay đổi. Đặc biệt khi chịu ảnh hưởng tác động của các yếu tố bên ngoài, các hạt keo có thể kết lại thành hạt lớn hơn hoặc tách ra thành các hạt nhỏ hơn. Điều đó làm cho các nồng độ hạt của dung dịch keo thay đổi và do đó áp suất thẩm thấu cũng thay đổi. II.2.2.4: Sự sa lắng trong hệ keo : [Tr 94,95,97,2] Khi xem xét sự khuếch tán, chúng ta đã bỏ qua lực hút của trái đất đối với các hạt phân tán. Thực ra các hạt phân tán có kích thước đủ lớn như hạt phân tán thô thì không thể bỏ qua trọng lực được, vì chúng dễ dàng bị lắng đọng xuống đáy bình, gọi là sự sa lắng. Trái lại đối với dung dịch thực, các phân tử hoặc iôn có kích thước bé thì sự chuyển động nhiệt lớn, ảnh hưởng của trọng lực trở lên không đáng kể, nghĩa là không có sự sa lắng các phân tử chất tan, người ta nói các phân tử như vậy có độ bền động học (không bị sa lắng ). Dung dịch keo chiếm vị trí trung gian giữa hệ phân tán thô và dung dịch thực. Các hạt keo vừa chịu sự ảnh hưởng của chuyển động nhiệt ( gây nên sự khuếch tán) vừa chịu ảnh hưởng của trọng lực nên có thể phân bố lơ lửng ở những độ cao nào đó trong dung dịch tuỳ thuộc vào độ lớn của các lực đó. Trong thực tế, trong một hệ (đặc biệt là hệ keo và hệ phân tán thô) kích thước các hạt khác nhau phân bố trong hệ (gọi là hệ đa phân tán ) thì sự khuếch tán và sự sa lắng xảy ra phức tạp hơn nhiều, nghĩa là ở các chiều cao khác nhau sẽ có những hạt kích thước khác nhau phân bố trong hệ, trên cao là các hạt bé hơn, càng xuống thấp kích thước hạt càng lớn. II.2.3: Tính chất điện của các hệ keo : II.2.3.1: Một số hiện tượng điện trong hệ keo: [Tr 82,2 ] Hiện tượng điện di ( hay hiện tượng điện chuyển ) là hiện tượng các hạt rắn di chuyển trong môi trường lỏng, dưới tác dụng của điện trường. 9
  10. Nhiều nghiên cứu cho thấy rằng sự điện đi xảy ra càng mạnh khi :  Hiệu điện thế càng lớn.  Hàng số điện môi càng cao.  Độ nhớt của chất lỏng càng bé. Hiện tượng điện thẩm ( hay hiện tượng điện thẩm thấu ) là sự di chuyển của pha lỏng tương đối so với pha rắn dưới tác dụng của điện trường. Nguyên nhân chủ yếu của hai hiện tượng trên là do hai pha tiếp xúc (lỏng và rắn) tiếp xúc trái dấu. Hiệu ứng Dorn : là hiện tượng dòng điện xuất hiện khi các hạt pha rắn chuyển động so với chất lỏng đứng yên. Hiện tượng này ngược với hiện tượng điện đi. Hiệu ứng này được Dorn phát hiện vào năm 1878. Hiệu điện thế giữa hai điện cực này là : thế sa lắng. Hiện tượng thế chảy : năm 1859 Winke phát hiện ra hiện tượng ngược với hiện tượng điện thẩm. Ông nhân thấy khi cho dòng nước chảy xuyên qua một lớp cát thạch anh mà phía trước và sau vách ngăn có ngắn 2 điện cực và kim điện kế bị lệch. Chứng tỏ sự chuyển động của pha lỏng với pha rắn làm xuất hiện dòng điện.  Điện thế đo được trong trường hợp này gọi là : thế chảy.  Hiện tượng này ngược với hiện tượng điện thẩm. Ứng Dụng : [Tr 114,1] - Áp dụng hiện tượng điện di có thể tách được các thành phần của những hỗn hợp phức tạp như cá protit tự nhiên và các chất điện ly cao phân tử. - Dùng phương pháp điện di phủ lên bề mặt vật liệu dẫn điện một lớp mỏng các hạt keo có độ đồng nhất cao với bề dày cần thiết. - Điện di còn được áp dụng để phủ cao su lên bề mặt kim loại. - Điện thẩm được ứng dụng trong việc làm khô các vật liệu xốp và lọc tách các lớp kết tủa…… 10
  11. II.2.4: Độ bền và sự keo tụ: Như chúng ta đã biết các hệ keo là những hệ dị thể. Về mặt nhiệt động thì chúng là những hệ không cân bằng và có độ bền tập hợp kém. Những quá trình tự diễn biến trong hệ keo nhằm làm giảm năng lượng tự do bề mặt, có thể là sự hấp phụ các chất hoạt động bề mặt bên bề mặt hạt keo hoặc là sự keo tụ. Tức là các hạt keo nhỏ liên kết với nhau tạo thành những hạt keo lớn. Độ bền và sự keo tụ của các hệ keo có ý nghĩa to lớn trong địa chất học, thổ dưỡng học, sinh học và trong kỹ thuật. II.2.4.1: Độ bền của hệ keo : [Tr 115,116,1] Mỗi hệ keo có độ bền đặc trưng phụ thuộc bản chất của nó và điều kiện bên ngoài. Chúng ta cần phân biệt : Độ bền tập hợp. Độ bền động học. Độ bền tập hợp ( độ bền nhiệt động) : được xác định bởi bộ phận phân tán mà khi đó các hệ keo có khả năng chống lại sự keo tụ. Độ bền động học được xác định bởi chuyển động nhiệt của các hạt. Thực chất độ bền của hệ keo phụ thuộc vào tương tác giữa các hạt keo. Đối với các hệ keo, chúng ta quan tâm đặc biệt tới tương tác giữa các bề mặt với nhau bởi một lớp chất lỏng. Trong hệ, ngoài lực hút phân tử còn có lực tương tác tĩnh điện giữa các Mixen keo. Có thể coi tương tác giữa các mixen lúc này như tương tác giữa bề mặt tích điện với một thế nào đó ở trong môi trường có hằng số điện môi. trong trường hợp các bề mặt hạt keo tích điện trái dấu thì lực hút sẽ tồn tại với mọi khoảng cách giữa các bề mặt. Trong trường hợp chung thế năng tương tác sẽ là tổng của hai thành phần: hút và đẩy đối với hệ keo ghét lưu, khi không có tương tác mạnh giữa các hạt keo với môi trường phân tán. Kết quả tổng hợp này quyết định đến độ bền của hệ keo ghét lưu. Đối với hệ keo ưa lưu, còn phải kể đến thành phần thứ ba, đó là tương tác giũa pha phân tán và môi trường. Trong trường hợp này, độ bền của các hệ keo 11
  12. còn được đảm bảo bởi lớp solvat hoá từ những phân tử môi trường có khả năng chống lại sự đông tụ của các hạt keo. Trong nhiềi trường hợp như các bọt, các nhũ tương độ bền của hệ phân tán tăng mạnh khi trên bề mặt phân chia pha có một lớp phân chất làm bền có độ nhớt cấu thể lớn. Theo Rohbinder, Simbar, Eirich…..tính chất bền vững của hệ phân tán có được là nhờ lớp hấp phụ định hướng các phân tử chất hoạt động bề mặt tạo thành những cấu thể hai chiều có khả năng ngăn cản sự dính kết. Tính bền vững của hệ phân tán cũng có thể do các phân tử chất hoạt động bề mặt, hoặc là chất cao phân tử có đuôi dài và linh động chỉ bị hấp phụ trên bề mặt bằng các mắt xích riêng biệt, còn đuôi của mặt cacbon nằm trong môi trường có thể thực hiện chuyển động Brown, tạo hệ ổn định. II.2.4.2: Sự keo tụ trong các hệ keo : [Tr 117,123,1] F.Selmi, Th.Graham và I.Borshov đã chỉ ra rằng tất cả các chất điện ly đều có khả năng gây ra sự keo tụ ngay cả các chất điện ly là chất làm bền cho hệ keo. Hardy chỉ ra rằng : không phải tất cả các iôn của chất điện ly, mà chỉ những iôn cùng dấu với các iôn nghịch, nghĩa là ngược dấu với các iôn quyết định thế, mới có khả năng gây keo tụ cho các hệ keo. Như vậy, các các cation gây keo tụ các dinh dưỡng keo có hạt keo âm và các anion gây keo tụ các dung dịch keo có hạt keo dương. Người ta còn đưa ra một đại luợng gọi là ngưỡng keo tụ để đánh giá khả năng gây keo tụ của các chất điện ly đối với một dung dịch keo cho trước. Sự keo tụ được nhận biết qua các dấu hiệu như : sự đổi màu, sự xuất hiện vẩn đục. Ngưỡng keo tụ càng thấp thì khả năng gây keo tụ càng lớn. Khi trong hệ, mỗi va chạm của hạt trong chuyển động Braxin đều đưa đến sự dính kết gọi là : sự keo tụ nhanh, còn khi chỉ có một phần trong số va chạm đều dẫn đến sự dính kết gọi là sự keo tụ chậm. Tuy nhiên, trong thực tế, nhiều yếu tố thuần tuý vật lý cũng gây ra sự keo tụ cuả các hệ thống keo đó là: Thời gian, tác động cơ học, sự đun nóng hoặc làm 12
  13. lạnh, tia tử ngoại, tia Roentgen, siêu âm, điện trường... Một số trường hợp keo tụ quan trọng : Sự keo tụ tự phát. Khi để lâu một hệ keo, do trong hệ có phản ứng xảy ra chậm hoặc do va chạm có hiệu quả của hạt keo dẫn đến hệ bị phá vỡ. Ví dụ, độ bền của keo thuỷ ngân sunfua giảm nhanh khi để dung dịch trong bình mở, khí hiđro sunfua ( chất làm bền ) thoát ra khỏi dung dịch. Vì vậy, khi để lâu dung dịch này cần được đổ đầy bình. Sự keo tụ do có tác động cơ học nhờ khuấy trộn mạnh hoặc vận chuyển các dung dịch keo qua đường ống. Nguyên nhân dẫn đến sự keo tụ là cân bằng hấp phụ của chất là: bền bị phá vỡ. Sự keo tụ của có thể xảy ra khi để hệ keo nơi có sự rung động hoặc siêu âm. Ví dụ, trong xử lý bằng tác động rung các cấu kiện bê tông lúc đầu có sự phá vỡ các cấu trúc keo làm tăng sự chảy của hỗn hợp, tạo thuận lợi cho sự lắp đầy các cấu kiện. Sự keo tụ có thể xảy ra dưới tác dụng của điện trường. Tác dụng của điện trường được áp dụng để tách nước khỏi các nhũ tương dầu mỏ, tách tạp chất khỏi dầu khoáng. Sự keo tụ còn xảy ra khi pha loãng hoặc cô đặc dung dịch keo. Khi pha loãng dung dịch keo trong nước, các hạt keo bị khử hấp phụ chất điện ly làm bền, dẫn đến làm giảm điện tích hạt keo. Khi cô đặc dung dịch keo, nồng độ hạt keo, nồng độ chất điện ly và nồng độ iôn đôi tăng dẫn đến làm giảm độ bền của hạt keo. Sự keo tụ cũng có thể xảy ra khi đun nóng hoặc làm lạnh dung dịch keo. Khi đun nóng, chất làm bền bị khử làm hấp phụ, chuyển động Brown tăng làm cho các hạt keo có cơ liên kết với nhau. Khi làm giảm nhiệt độ của hệ keo, độ tan của các chất giảm tạo ra sự hoá bảo hoà và dẫn đến sự keo tụ. II.2.5: Tính Chất Cơ Học Cấu Thể Của Hệ Phân Tán: [Tr124-128,1 ] 13
  14. Cũng như các vật thể khác, các hệ keo có những tính chất nhất định như: tính nhớt, trong một số trường hợp có tính dẻo, tính đàn hồi, tính vững chắc. Các tính chất này gắn liền với cấu tạo của các hệ đó. Cho nên thường được gọi là tính chất cơ học cấu thể. Các cấu thể trong hệ keo được chia thành cấu thể keo tụ và cấu thể ngưng tụ kết tinh. II.2.5.1: Cấu thể keo tụ: Cấu thể keo tụ thường xuất hiện khi độ bền vững tập hợp của hệ giảm. Nếu các yếu tố bền vững chỉ bị mất đi ở một phần nào đó của hạt thì các hạt đó sẽ dính kết với nhau ở những chỗ đó tạo thành mạng lưới không gian chứa môi trường phân tán ở những mắt lưới gọi là gel. Sự có mặt của lớp dung môi giữa các hạt làm cho cấu trúc có độ bền thấp, nhưng cũng chính vì lẽ đó làm cho các cấu trúc có tính dẻo, thậm chí tính đàn hồi. Sự tạo gel phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Khi nồng độ hạt tăng, tốc độ tạo gel tăng, độ bền của gel cũng tăng. Hình dạng hạt keo có ảnh hưởng đến sự tạo gel, các hạt keo có đầu mút, có góc, cạnh dễ tạo gel ngay cả khi nồng độ pha phân tán nhỏ. Nhiệt độ cũng làm tăng tốc độ tạo gel. Tuy nhiên khi nhiệt độ tăng nhiều, cường độ chuyển động Brown tăng làm cho gel trở thành chất lỏng cấu thể ( trạng thái lỏng nhưng vẫn có cấu trúc không gian). Nếu tiếp tục tăng nhiệt độ cao hơn nữa thì gel thậm trí chất lỏng không cấu thể (không còn cấu trúc không gian nữa). Các tác động cơ học thường cản trở sự tạo gel và phá vỡ các cấu thể. Một tính chất đặc biệt của các cấu thể keo tụ là tính sol- gel thuận nghịch (còn gọi là tính xúc biến). Đó là khả năng của các cấu thể sau khi bị phá vỡ vì một lực cơ học nào đó có khả năng tự phục hồi sau một thời gian. Hiện tựng này thường gặp trong tự nhiên. Ví dụ: một số đất sét, chất nguyên sinh trong các tế bào ….Tính xúc biến của các hệ phân tán thường được áp dụng trong kỹ thuật. Ví dụ: nhờ có tính sol-gel thuận nghịch trong đất sét mà người ta có thể phòng ngừa được sự sa lắng của các hạt đất đá trong các lỗ khoan. Do đó, trong khi khoan người ta thường 14
  15. dùng dung dịch đất sét đẻ tránh sự kẹt tắc thiết bị khoan do nguyên nhân sa lắng mùn khoan gây ra. Các cấu thể keo tụ còn có tính chất co ngót (sự teo), đó là khả năng tự giảm kích thước của gel do làm thoáng dung môi ra khỏi mắt lưới không gian. Ngược lại, các hệ keo tụ đã bị teo, khi tiếp xúc lại với dung môi thì lại trương nở ra. Hiên tượng này gọi là sự trương nở. II.2.5.2: Cấu thể nhưng tụ kết tinh: Những cấu thể ngưng tụ kết tinh được hình thành khi các hạt liên kết với nhau bằng lục hoá học. Các cấu thể tạo thành do các liên kết hóa học bền vững gọi là cấu thể ngưng tụ, còn các cấu thể tạo thành do sự ghép các tinh thể trong quá trình kết tinh pha mới gọi là cấu thể kết tinh. Độ bền của cấu thể này thường lớn hơn nhiều so với độ bền của cấu thể keo tụ. Các hệ với cấu thể ngưng tụ kết tinh không thể co ngót và trương nở đáng kể như hệ cấu thể keo tụ. Cấu thể ngưng tụ kết tinh là những cấu thể bất thuận nghịch. Khi chúng bị khá vỡ thì không có khả năng tự hồi phục. Trong khi đó, các cấu thể keo tụ thì lại có tính thuận nghịch. II.2.5.3: Độ nhớt của các hệ keo: Do dung dịch keo có các phần tử lơ lửng với kích thước lớn hơn nhiều do với kích thước phân tử thông thường. Nên hệ keo có vận tốc chảy tăng, sự chảy dòng chuyển sang chảy cuộn sớm hơn. Mặt khác, hạt keo làm giảm khoản không gian của chất lỏng cho nên độ nhớt của dung dịch keo bao giờ cũng lớn hơn của dung dịch phân tán. 15
  16. Chương III : Hệ Phân Tán Thô. III.1: Giới Thiệu Chung: Hệ phân tán khô bao gồm huyền phù và nhũ tương. Các hạt chất rắn trong huyền phù hoặc các giọt chất lỏng trong nhũ tương có kích thước lớn hơn hoặc bằng 10-6 m nên dễ dàng quan sát được dưới kính hiển vi. Chính vì các tiểu phân của pha phân tán có kích thước khá lớn nên như vậy đặc điểm chung của hệ phân tán thô là: - Hệ kém bền, các huyền phù sa lắng nhanh chóng hơn hệ keo, các giọt lỏng trong tương cũng dễ tách ra thành pha riêng biệt nếu không có chất làm bền (chất nhũ hóa). - Kích thước hạt lớn nên chuyển động Brown hầu như không phát hiện được. - Hiện tượng khuếch tans và áp suất thẩm thấu không đáng kể. III.2: Huyền Phù : [Tr 120,2 ] Huyền phù là những hạt rắn có kích thước ≥ 10-6m lơ lửng trong môi trường lỏng (chẳng hạn như tinh bột, đá sét... lơ lửng trong nước). So với hệ keo, huyền phù 16
  17. là những hệ mờ đục, không trong suốt, các hạt huyền phù dễ dàng quan sát được dưới kính hiển vi. Một hệ huyền phù đa phân tán (tức là các hạt phân tán có kích thước khác nhau) liên tục sa lắng với tốc độ khác nhau. Người ta nói huyền phù là các hệ kém bền sa lắng. Sở dĩ huyền phù lơ lửng trong môi trường phân tán là nhờ màng solvat hóa (hoặc hydrat hóa nếu môi trường phân tán là nước). Những chất kỵ nước (như muội than, bồ hóng...) không thể tạo thành huyền phù trong nước vì không thể tạo màng hydrat hóa, nhưng chúng lại dễ dàng tạo huyền phù trong môi trường không phân cực (như benzen, hexan...) nhờ tạo một màng solvat hóa. Sự tạo màng hydrat hóa (hay solvat hóa) làm cho các hạt rắn lơ lửng trong pha lỏng, hoặc hệ huyền phù có độ bền tạp hợp, tuy nhiên độ bền này không ổn định và yếu. III.3 : Nhũ Tương : [Tr 122,2 ] Nhũ tương là hệ phân tán của những giọt chất lỏng này trong một chất lỏng khác. Hai chất lỏng không tan lẫn hoặc tan lẫn không đáng kể là hai pha khác nhau của hệ phân tán này. Ví dụ : sữa bò, mủ cao su, nhũ tương của nước trong dầu mỏ. Kích thước của hạt nhũ thường dao động trong khoảng 10-5 – 10-7. III.3.1 : Phân loại nhũ tương theo nồng độ của pha phân tán : [Tr 123,2 ] Theo cách phân loại này nhũ tương được chia thành : nhũ loãng, nhũ đặc và nhũ rất đặc (dạng gelatin). Nhũ loãng: là những hệ có nồng độ phân tán không quá 0.1%.Ví dụ nhũ của dầu bôi trơn động cơ trong xăng nhẹ. Nhũ loãng không nghĩa có nồng độ bé mà kích thước giọt nhũ cũng bé (đường kính xấp xỉ là 10-7m tức là gần giống kích thước của tiểu phân keo). Mặt khác nhũ loãng được hình thành không cần có mặt chất nhũ hóa. Xét về tính chất, nhũ loãng có nhiều điểm giống với hệ keo: hạt tích điện nên có sự điên ly, điện thẩm. Sở dĩ trên bề mặt giọt phân tán có điện vì có sự hấp thụ một lượng ion chất điện ly có thể có mặt trong hệ (đôi khi lượng đó rất bé 17
  18. nhưng vẫn đủ để các giọt phân tán mang điện). Nhũ loãng thường có độ bền tập hợp cao vì nồng độ hạt bé và lớp ion khuếch tán dày, thế điện động là đáng kể. Nhũ đặc: là nhũ có nồng độ phân tán khá lớn, thậm chí đạt đến 74% thể tích (đây là nồng độ lớn nhất có thể đạt được vì đó là thể tích sắp xếp đặc khít nhất của những giọt hình cầu giống nhau). Đối với hệ đa phân tán thường không thể đạt được nồng độ này, vì kích thước các giọt rất khác nhau. Khác với nhũ loãng, nhũ đặc được điều chế bằng cách khuấy mạnh pha phân tán với môi trường phân tán với sự có mặt của chất nhũ hóa, nên kích thước các giọt lớn hơn nhiều so với giọt trong nhũ loãng. Ở đây kích thước hạt đạt đến 10 -7 – 10-6m và đôi khi có giọt lớn hơn, do đó các giọt nhũ dễ dàng thấy được dưới kính hiển vi thông thường. Nhũ rất đặc: Đối với nhũ rất đặc (dạng gelatin) hình dạng các giọt bị biến đổi, không còn hình cầu nữa nên các giọt sắp xếp đặc khít và chêm vào nhau bằng những cách điều chế đặc biệt người ta có thể đạt đến nồng độ 99% thể tích (ví dụ : nhũ của benzen trong dung dịch 1% natri oleat). Trong trường hợp đó chất nhũ hóa sắp xếp giữa các giọt dưới dạng màng cực mỏng và độ linh động của các giọt trở nên rất bé, nên người ta có thể dùng dao để cắt tương tự như thạch. III.3.2 : Phân loại theo môi trường phân tán và pha phân tán : [Tr 123,2 ]  Nhũ tương thuận là nhũ tương của các giọt dầu trong môi trường phân tán là nước và viết tắt là nhũ tương D/N.  Nhũ tương nghịch là nhũ tương của các giọt nước pha trong môi trường dầu D/N. Để hệ nhũ tương bền, ngoài hai pha chính là pha phân tán và môi trường phân tán, cần có mặt chất làm bền gọi là chất nhũ hóa. Nói chung một chất lỏng phân cực và một chất lỏng không phân cực sẽ có thể tạo thành nhũ tương, như hai loại nhũ thuận và nhũ tương nghịch đã nói ở trên. Trong một số trường hợp hiếm hoi, hai chất cùng là chất lỏng phân cực cũng tạo ra được nhũ tương (ví dụ : thuỷ ngân hoặc gali trong nước). 18
  19. III.4: Ứng Dụng Của Nhũ Tương Và Huyền Phù : [Tr 128,2] Huyền phù: như đã nói kích thước của các hạt huyền phù lớn hơn nhiều so với hạt keo nên huyền phù có những tính chất mà hệ keo không có như sa lắng (hoặc nổi) và có thể lọc hoặc ly tâm để tách hai pha ra khỏi nhau. Huyền phù có ý nghĩa thực tế khá lớn nhất là trong việc nghiên cứu thổ nhưỡng, trong công nghiệp xi măng, gốm sứ và công nghệ vật liệu xây dựng, công nghiệp sơn. Người ta còn dùng huyền phù của graphit để làm các trung tâm kết tinh trong các nồi hơi tránh sự đóng cặn trong thiết bị đó. Nhũ tương: nhũ tương có nhiều ứng dụng trong đời sống và công nghiệp. Sữa (bò, dê, cừu...) là thực phẩm quý, chúng đều là hệ nhũ tương thuận. Một số loại dược phẩm cũng được bào chế dưới dạng nhũ, khi uống vào thuốc sẽ ngấm dần (thông qua màng bảo vệ nhũ) vào các tế bào để chữa bệnh một cách liên tục nhiều giờ tránh bị sốc. Trong nghành công nghiệp thực phẩm như công nghiệp sản xuất bơ, sữa, macagarin, hoặc công nghiệp tổng hợp chất dẻo hoặc cao su tổng hợp thường dùng phản ứng polime hoá dưới dạng huyền phù hoặc nhũ tương để tăng bề mặt phản ứng. Tuy nhiên nhiều khi nhũ tương lại gây khó khăn cho nhiều quá trình chế biến, đặc biệt là quá trình lọc dầu và chế biến dầu mỏ, trong quá trình thu hồi lanoin khi chế biến lông cừu... Trong những trường hợp này phải tìm cách phá vỡ cấu tạo của nhũ để tách các pha ra khỏi nhau, sau đó quá trình làm sạch mỗi pha để được sản phẩm có chất lượng mong muốn. Trong công nghiệp, người ta sản xuất nhiều chất ở dạng nhũ tương như: thuốc trừ sâu, trừ nấm, diệt cỏ dùng trong nông nghiệp, các loại thuốc uống (nhũ tương D/N), thuốc bổ(nhũ tương N/D). Trong công nghiệp thuộc da, cao su nhân tạo, chất dẻo tổng hợp, các đồ dùng bằng cao su đều được thực hiện ở dạng nhũ tương. 19
  20. Chương IV : Ứng Dụng Của Việc Điều Chế Hệ Keo Trong Khoa Học. IV.1 : Xử Lý Nước Rác : [Tr 454,455,460,3] Chất hệ keo tụ: là các loại polyme hữu cơ tan trong nước để có được khả năng tan trước hết chúng phải có mạch thẳng (cấu trúc một chiều) và mạch polyme chứa nhiều nhóm phải cực ưa nước. Nước rác ban đầu có độ đục rất cao, tối màu, tuy hàm lượng cặn không tan, ít khí vượt quá 300mg/l. Cặn không tan trong nước rác chủ yếu là thành phần hữu cơ, xác vi sinh vật, tảo. Đặc điểm của cặn không tan hữu cơ là nó có lớp vỏ Hydrat dày do tính ưa nước của chúng và độ bền keo của chúng chính là nhờ vào lớp vỏ này, khác với tính bền của dạng vô cơ ( kỵ nước ) là nhờ lớp điện kép (hay khuếch tán) xung quanh hạt keo. Cơ chế keo tụ các hạt keo hữu cơ vì vậy chủ yếu không phải là trung hoà điện tích mà theo cơ chế phá vỡ làm vỏ Hydrat, quét kết tủa và tạo cầu nối. 20
Đồng bộ tài khoản