Bài giảng Hóa kỹ thuật môi trường: Chương 4 - ThS. Lê Nguyễn Kim Cương

Chia sẻ: Nguyễn Vương Cường | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:0

Thêm vào BST

Báo xấu

138
lượt xem 23
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Hóa kỹ thuật môi trường - Chương 4: Hệ phân tán trình bày các hệ phân tán, dung dịch, độ hòa tan của các chất, tính chất của dung dịch, dung dịch điện ly, sự điện ly của nước, chỉ số hydro. Đây là tài liệu tham khảo dành cho sinh viên Môi trường.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Hóa kỹ thuật môi trường: Chương 4 - ThS. Lê Nguyễn Kim Cương

MỤC TIÊU TÊN MÔN HỌC: v Hiểu các khái niệm về hệ phân tán HÓA KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG v Đặc điểm, tính chất các hệ phân tán. CHƯƠNG 4: v Vận dụng vào trong kỹ thuật môi trường. HỆ PHÂN TÁN Giảng viên: ThS Lê Nguyễn Kim Cương LOGO ThS Nguyễn Văn Phương 1 2 Chương 4: HỆ PHÂN TÁN 4.1 CÁC HỆ PHÂN TÁN 4.1. CÁC HỆ PHÂN TÁN ۞ Khái niệm 4.2. DUNG DỊCH ۞ Độ phân tán 4.3. ĐỘ HÒA TAN CỦA CÁC CHẤT ۞ Phân loại 4.4. TÍNH CHẤT CỦA DUNG DỊCH 4.5. DUNG DỊCH ĐIỆN LY 4.6. SỰ ĐIỆN LY CỦA NƯỚC – CHỈ SỐ HYDRO 3 4 4 1
Khái niệm Bảng 4.1. Các hệ phân tán thường gặp Hệ phân tán là hệ bao gồm một môi trường TT Pha Môi trường Ký hiệu Tên hệ phân tán phân tán hệ liên tục và các tiểu phân (các “hạt”) có kích thước 1 Khí Khí K/K Hệ với sự thăng giáng mật độ khí (không khí) nhỏ được phân tán đồng đều trong môi trường đó. 2 Lỏng Khí L/K Keo khí (sương mù, mây mù)(Fogs) 3 Rắn Khí R/K Keo khí (bụi, khói) (smokes) Tập hợp các tiểu phân nhỏ bé đó được gọi là 4 Khí Lỏng K/L Nhũ tương khí (bọt) (Foams) 5 Lỏng Lỏng L/L Nhũ tương (Enulsions) pha phân tán, còn môi trường chứa đựng pha phân 6 Rắn Lỏng R/L Keo, huyền phù (sol) 7 Khí Rắn K/R Bọt xốp, mao quản xốp, vật xốp (rắn) tán gọi là môi trường phân tán. 8 Lỏng Rắn L/R Nhũ tương rắn, gel xốp 9 Rắn Rắn R/R Keo rắn, hợp kim 5 5 6 6 Độ phân tán Phân loại v Theo mối quan hệ phụ thuộc ở trên mà hệ vTính chất quan trọng của hệ phân tán trước hết là phân tán chia làm 3 loại sau đây: tính bền vững của hệ: thể hiện qua độ phân tán. Ø Các hệ phân tán thô (thể lơ lửng) vĐộ phân tán: D = 1/d trong đó d là kích thước Ø Các hệ phân tán cao (hệ keo) hạt. Ø Các hệ phân tán phân tử - ion (dung dịch thực) 7 2
v Hệ phân tán thô là những hệ vi dị thể có kích thước hạt nhân phân tán lớn hơn 10-4 mm. Tồn tại ở 2 dạng: huyền phù và nhũ tương. v Hệ phân tán cao: có kích thước hạt phân tán trong khoảng từ 1.10-6 mm đến 1.10-4 mm được gọi là hệ keo , có thể tập hợp nhau thành những hạt có kích thước lớn hơn và lắng xuống. v Dung dị ch (hay dd thực): hạt < 10-6mm Hệ keo khí (sương mù, mây mù) 10 Hệ keo khí Hệ huyền phù Bụi Khói 11 Hệ nhũ tương 3
4.2. DUNG DỊCH Dung dịch lý tưởng v Tính chất của dd lý tưởng không phụ thuộc vào bản chất v Dung dịch là hệ đồng thể gồm hai hay nhiều chất tan mà phụ thuộc vào nồng độ của chúng. chất mà thành phần của chúng có thể thay đổi v Dd lỏng đạt đk lý tưởng là dd mà các cấu tử của nó có cấu trong giới hạn rộng (đây là điểm khác với hợp trúc phân tử và những thuộc tính vật lý và hoá học giống chất). nhau hoặc rất gần nhau: v Có hai loại: dung dịch lý tưởng và dung dịch ØHỗn hợp các đồng phân quang học. thực. ØDd các cấu tử chỉ khác nhau về thành phần đồng vị Ø Dung dịch lý tưởng Ví dụ - H2O + D2O Ø Dung dịch thực ØDd những chất đồng đẳng cạnh nhau Ví dụ - Benzen + toluen ; hexan +heptan 13 13 Dug dịch lý tưởng Dung dịch thực vDo cấu tạo và tính chất hóa lý gần giống nhau Khi hình thành dung nên quá trình hình thành dung dịch lý tưởng: dịch thực có kèm theo § Không thu hay phát nhiệt (∆H = 0). quá trình thu hay phát nhiệt, có thay đổi thể tích. § Không tăng hay giảm thể tích (∆V = 0). EOS 4
4.3. ĐỘ HÒA TAN CỦA CÁC CHẤT Dung dịch khí * Không khí Dung dịch rắn * Thuỷ tinh (Na2O, CaO tan trong SiO2) * Vàng tan trong bạc Dung dịch lỏng * Dung dịch nước đường(đường(r) +H2O → dung dịch) * Dung dịch H2SO4(SO3(k) + H2O → dung dịch) * Rượu Vodka (C2H5OH (l) + H2O → dung dịch) 18 18 4.3. ĐỘ HÒA TAN CỦA CÁC CHẤT v Khi quá trình hòa tan đạt được trạng thái cân bằng ở những điều kiện nào đó (nhiệt độ, áp suất….) thì dung dịch thu được sẽ chứa lượng tối đa chất tan và được gọi là dung dịch bão hòa. v Các dung dịch có nồng độ nhỏ hơn nồng độ bão hòa (nồng độ của dung dịch tương ứng trạng thái bão hòa) được gọi là dung dịch chưa bão hòa và khi dung dịch có nồng độ cao hơn nồng độ dung dịch bão hòa thì được gọi là dung dịch quá bão hòa. Tương tác hút giữa chất tan và dung môi càng mạnh v Nồng độ của chất tan trong dung dịch bão hòa ở thì quá trình hoà tan càng thuận lợi những điều kiện nhất định được gọi là độ tan của chất Ví dụ - ethanol CH3CH2OH tan tốt trong nước đó. Lự c tương tác = liên kết hydro; lưỡng cực-lưỡng cực; 19 khuếch tán 5
vVitamin A tan trong dung môi không cực (chất béo) vVitamin C tan trong nước. Cyclohexane chỉ có lực khuếch tán không tan trong nước. Glucose có liên kết hydro nên tan rất tốt trong nước. 4.3.1. Độ hòa tan của chất khí trong chất 4.3.1.1. Ảnh hưởng của áp suất đến độ tan của lỏng khí trong lỏng - Định luật Henry Độ hòa tan của chất khí trong chất lỏng phụ v Định luật Henry: Nếu ở áp suất thấp và độ hòa tan tương đối nhỏ thì độ hòa tan của khí trong lỏng thuộc rất nhiều vào các yếu tố: tại nhiệt độ nào đó tỉ lệ với áp suất riêng phần của § Bản chất dung môi và khí, khí trên dung dịch. § Áp suất khí trên mặt chất lỏng, § Nhiệt độ, § Nồng độ các tạp chất § Và đặc biệt là chất điện ly. 24 24 6
T không đổi, áp suất riêng phần của khí tăng Ni = K.P i → độ hòa tan tăng •Ni: Nồng độ mol phần của chất khí trong lỏng •K: Hệ số tỷ lệ hay hằng số Henry •Pi: Áp suất riêng phần của chất khí cân bằng với lỏng. Đối với dung dịch loãng nồng độ biểu diễn theo các cách đều tỷ lệ bậc nhất với nhau nên có thể biểu diễn theo các cách khác như: C = K’ . P •C : Nồng độ khối lượng của chất khí trong dung dịch bão hòa (mg/l) •K’: Hệ số tỷ lệ hay hằng số Henry •P: Áp suất của chất khí, mmHg 25 4.3.1.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ tan của khí trong lỏng Hình 4.2. Độ hòa tan của chất khí phụ thuộc vào nhiệt độ Khi nhiệt độ giảm thì độ hòa tan của chất khí tăng và ngược lại khi nhiệt độ tăng thì độ hòa tan của chúng giảm. T tăng → độ tan chất khí giảm 28 28 7
4.3.2. Độ hòa tan của chất lỏng trong chất Bảng 4.3. Độ hòa tan của các chất khí trong nước (mg/100ml) lỏng Sự hòa tan của chất l ỏng trong chất l ỏng có thể xảy ra theo các trường hợp sau: Các chất khí Độ tan Các chất khí Độ tan v Hòa tan vô hạn; 00C 200C 00C 200C v Hòa tan có gi ới hạn; CO2 171 37,8 Cl2 461 236 v Không thể hòa tan. O2 4,9 3,1 HCl 50700 44200 H2 2,15 1,84 NH3 130000 71000 CH4 5,5 3,3 N2 2,35 1,60 29 29 4.3.2.1. Trường hợ p hai chất lỏ ng 4.3.2.2. Trường hợ p hai chất lỏ ng hòa tan lẫ n hoàn toàn hoàn toàn không tan lẫ n Định luậ t Konovalop I phát biểu như sau: Vì áp suất hơi của hệ lớn hơn áp suất hơi của một cấu tử nên nhiệt độ sôi của hệ thấp hơn nhiệt vKhi cân bằng, thành phần hơi khác với độ sôi của từng cấu tử. Trong quá trình sôi, nhiệt thành phần lỏng của dung dịch. độ sôi của hệ không đổi cho tới khi có một cấu tử vKhi cân bằng, trong thành phần hơi sẽ nào đó trong hệ bay hơi hết hoàn toàn, thì nhiệt độ giàu (nhiều) cấu tử dễ bay hơi hơn trong sôi của hệ tăng đến nhiệt độ sôi của cấu tử còn lại. thành phần lỏng. 32 8
4.3.2.3. Trường hợ p hai chất lỏ ng hoà tan có giới hạ n 4.3.3. Độ hòa tan của chất rắn trong chất lỏng Định luật phân bố: một chất lỏng có khả năng tan trong hai dung môi không trộn lẫn ∆Hht < 0 T↑thì S↓ nhau, thì được phân bố vào chúng sao cho tỷ lệ các nồng độ của chúng trong dung môi đó ở ∆Hht>0 nhiệt độ không đổi là một hằng số. T↑thì S↑ Trong đó: C1 •C1, C2 : Nồng độ của các chất hòa Khoảng 95% =K tan trong dung môi thứ nhất và thứ hợp chất ion có C2 hai độ tan tăng theo •K: Hệ số phân bố nhiệt độ. 34 4.3.3. Độ hòa tan củ a chấ t rắ n trong chất lỏ ng 4.4. TÍNH CHẤT CỦA DUNG DỊCH Độ hòa tan của chất rắn trong chất lỏng nói chung dao động trong một khoảng rộng. vTính chất của dung dịch thể hiện qua: ØÁp suất thẩm thấu của dung dịch, π . ØÁp suất hơi bão hòa, P. ØNhiệt độ sôi và nhiệt độ đông đặc: Ts, Tđ vTính chất của dung dịch phụ thuộc vào: ØBản chất của chất tan. ØNồng độ chất tan: π, P, Ts, Tđ 9
4.4.1. Áp suất thẩm thấu Áp suất thẩm thấu π Áp suất thẩm thấu là sự dịch chuyển một chiều các phần tử dung môi vào dung dịch, khi giữa chúng ngăn cách bởi “màng bán thấm” (màng chỉ cho phần tử dung môi đi qua còn phần tử chất tan bị giữ lại) và sự thẩm thấu dẫn đến sự san bằng nồng độ trong hệ nghiên cứu. Màng bán thấm 37 38 Áp suất thẩm thấu 4.4.2. Áp suất hơ i bão hòa Sự thẩm thấu được đặc trưng bằng áp suất thẩm thấu π. Áp suất hơi bão hoà của dd là hơi cân bằng với dung dịch lỏng. Theo Vant – Hoff: áp suất thẩm thấu tỷ lệ thuận với nồng độ chất tan và nhiệt độ tuyệt đối của dung dịch. Áp suất hơi bão hoà của dd bằng tổng áp suất hơi bão hoà của tất cả các cấu tử có trong hệ. Pdd = ∑Pi π=C.T.R Định luật Van’t hoff chỉ đúng cho dd lỏng Áp suất hơi bão hoà của dd lỏng, loãng chứa chất tan lý tưởng và các dd thực có nồng độ chất tan không điện ly, không bay hơi chính là áp suất hơi bão rất nhỏ (dd loãng) hoà của dung môi trong dung dịch. 10
ÁP SUẤT HƠI BÃO HOÀ Áp suất hơi bão hoà của dung dịch lỏng của dung dịch lỏng loãng phân tử chứa chất tan không điện ly không bay hơi Nhiệt độ tăng, số phân tử chất lỏng bay hơi Bay hơi ∆Hbh > 0 càng nhiều (trong bình kín). Song song với quá Lỏng Hơi Định luật RAOULT I trình bay hơi của chất lỏng còn có quá trình Ngưng tụ ∆Hnt < 0 ngưng tụ của các phân tử hơi thành lỏng. Đến N1= Ndm =1 K= P0 P0 p1 = p 0 N1 một lúc, tốc độ hai quá trình đó bằng nhau, cân N1= Ndm
4.4.4Nhiệt độ đ ông đặ c Lỏng Dung môi nguyên chất v Nhiệt độ đông đặc là nhiệt độ ở đó áp suất Rắn hơi bão hòa của pha lỏng bằng pha rắn. v Đối với dung dịch thì ở 00C, dung dịch không Khí Tscủa dd đông đặc vì ở cùng nhiệt độ, áp suất hơi của Tđ của dd Tđ của dm Ts của dm dung dịch < áp suất hơi của dung môi nguyên chất, nên ở 00C, áp suất hơi của ∆Tđ ∆Ts dung dịch còn nhỏ hơn của nước đá. Định luật Raoult II ∆Ts = Tsddphtu − Tsdm = k s C m ∆Tđ = Tđ − Tđ dm ddphtu = k đCm Nhiệt độ sôi của dung dịch lỏng phân tử cao hơn 4.5. DUNG DỊCH ĐIỆN LY nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất 4.5.1. Đặ c đ iể m Ts ( ddlpt ) > Ts ( dm ) v Dẫn điện. Nhiệt độ đông đặc của dung dịch lỏng phân tử thấp v So với dung dịch phân tử thì π, P, ΔTs, ΔTđ hơn nhiệt độ đông đặc của dung môi nguyên chất của dung dịch điện ly có trị số lớn hơn. v Chất tan trong dung dịch điện ly gọi là chất Tđđ (H2O) >Tđđ (dd) Tđ ( ddlpt ) < Tđ ( dm ) điện ly. v Bản chất của chất điện ly và Nồng độ của dung dịch Tinh thể dung môi nguyên chất 12
Sự khác biệt của dd Áp suất hơi bão hoà của dung môi nguyên chất điện ly so với dd lớn hơn áp suất hơi bão hoà của dm trong dd là do lỏng phân tử các phân tử dm tự do trên bề mặt chất lỏng nhiều hơn. Ø Dung dịch điện ly không tuân theo định luật Raoult, định luật Van’t Hoff Ø Dung dịch điện ly dẫn điện H2O(l) → H2O(k) Lỏng Hơi Số tiểu phân chất tan không bay hơi càng tăng sẽ Nguyên chất N2=0 , N1=1 P0 làm giảm số phân tử dung môi tự do trên bề mặt Dd lỏng phân tử, N2 →số tp chất tan =N2 ∆p p o − p1( pt ) nên áp suất hơi bão hoà của dung dịch càng giảm N2 = p0 = p0 nhiều. Dd điện ly , N2 →i.N2 iN 2 = ∆p ' p 0 − p1( dly ) = p0 p0 Cm →i.cm ∆T'đ = i.k đ C m ∆T 's = ik s C m π ' = i.C M RT CM (mol/l)→i.cM Trong cùng điều kiện Po> P 1(ptử) > P 1(đly) Ts(dm ngchất) < Ts(dd ptử) < Ts(dd đly) Tđ(dm ngchất) >Tđ(dd phtử) > Tđ(dd đly) π (dd phtử ) < π (dd đly) H2O(l) → H2O(k) 13
4.5.2. Quá trình đ iệ n ly 0≤α≤1 v Là quá trình phân ly chất tan thành những ion •Khi không phân ly: α = 0 trong dung dịch, có thể là quá trình thuận •Khi phân ly không hoàn toàn: 0 < α < 1 nghịch hoặc hoàn toàn. •Khi phân ly hoàn toàn α = 1 v Sự điện ly của chất điện ly đạt trạng thái cân Độ điện ly tính bằng phần đơn vị hay phần trăm. bằng giữa phân tử chất tan và ion do nó phân ly, được đặc trưng bằng độ đi ện ly α. Ví dụ: dung dịch HCl có α = 0,926 hay 92,6%. •Chất điện ly yếu: α < 3% N •Chất điện ly mạnh: α > 30% α = •Chất điện ly trung bình: 3% < α < 30% N0 4.6. SỰ ĐIỆN LY CỦA NƯỚC Quá trình hoà tan NaCl trong nước – CHỈ SỐ HYDRO 4.6.1. Sự điện ly của nước Xem tài liệu. Các ion bị hydrat sẽ khuếch tán từ từ Khi tử Các phân lựcnước hút giữa cácsẽion có cực cácđi, các hútyếu ion Na + vàsẽCl - trong raion khỏi tách tinh ra thểvàbị mạngbao và tan tinh quanh thểdung trong các dịch. muối,làm lưỡngyếucực lựcnước hút giữa các ion . 55 55 14.3 14
Sự ion hóa và tích số ion của nước Chỉ số pH và môi trường dd Ø Trong nước nguyên chất và môi trường trung tính Độ dẫn điện của H2O = 5,54.10-18Ω-1.cm-1 [H+] = [OH-] = 10-7 pH = 7 H2O + H2O D H3O+ + OH- Ø Trong dung dịch axit có môi trường axit + − −14 K n = [H 3O ][OH ] = 10 [H+] > [OH-] pH < 7 pH=-lg[H+] pOH=-lg[OH-] pK=-lgK Ø Trong dung dịch baz có môi trường baz [H+] < [OH-] pH > 7 pKn = pH+ POH = 14 4.6.2. Cách xác định pH Bảng 4.9. Các chất chỉ thị quan trọng thường gặp Chất chỉ thị MÀU SẮC CỦA CHẤT CHỈ THỊ TRONG MÔI TRƯỜNG KHÁC NHAU Axit Trung tính Kiềm Metyl da cam Đỏ (p H < 3.1) Da cam (3.1
Các phương pháp đo pH cho các dd nước Axit mạnh và base mạnh HCl CH3CO2H Thymol Blue chỉ thị pH=1.2 pH = 2.8 (a) Giấy đo pH (định tính) (b) Máy đo pH(định lượng) 4.7. HỆ VI DỊ THỂ Đo pH của giấm Đo pH của dd NH3 v Hệ vi dị thể bao gồm: huyền phù, nhũ tương, bọt. Có kích thước hạt δ > 10-4 mm. 64 16
4.7.1. Hệ huyền phù 4.7.1.1. Với hệ đơn phân tán Hệ đơn phân tán là hệ có các hạt có kích thước tương đối như nhau Huyền phù là chất lơ lửng thuộc hệ vi dị thể trong Hình 4.10. Đường cong lắng trong hệ phân tán đó: Hiệu Hiệu A’ B quả quả v Pha phân tán là chất rắn. lắng, lắng, % % v Môi trường phân tán – chất lỏng A B 100 v Huyền phù không bền – các hạt dễ dàng lắng dưới tác dụng trọng lực. 0 0 v Hệ đơn phân tán. Thời gian (t) Thời gian (t) v Hệ đa phân tán . 66 4.7.1.2.. Vớ i hệ đ a phân tán 4.7.2. Hệ nhũ tương Hệ đa phân tán là hệ có các hạt có nhiều kích thước khác v Nhũ tương là hệ vi dị thể, trong đó pha phân nhau tán và môi trường phân tán đều là chất lỏng. v Số lượng chất lắng không phụ thuộc tỉ lệ thuận Hai chất lỏng này không hòa trộn lẫn nhau, với thời gian. chất lỏng này phân tán vào chất lỏng kia v Độ bền của hệ: lắng và keo tụ. Giá trị thế điện dưới dạng giọt nhỏ. động của các hạt huyền phù trong hệ cũng xấp v Có 2 loại nhũ tương: xỉ bằng thế đi ện động ξ của hạt keo điển hình. § Dầu trong nước D/N v Giống như hệ keo, huyền phù có thể chế tạo § Nước trong dầu N/D bằng những phương pháp phân tán và ngư ng tụ. v Bị ảnh hưởng của chất điện ly. 17
4.7.3. Bọt 4.7.3.1. Tính bề n tậ p hợ p củ a bọ t Tính bề n của bọt phụ thuộc vào: ü Nồng độ chất tạo bọt; ü Nhiệt độ; ü Độ nhớt của dung dịch; ü Chất điện ly; ü pH . 69 69 4.7.3.1. Tính bề n tậ p hợ p củ a bọ t 4.7.3.2. Phương pháp chế tạ o và phá vỡ bọ t v Nồng độ chất tạo bọt càng lớn thì thời gian v Chế tạo bằng 2 cách: tồn tạ i của bọt càng lâu. Ø Cho các bóng không khí đi qua dung dịch chất tạo bọt; v Độ bề n của bọt phụ thuộc vào nhiệt độ . Ø Khuấy cơ học dung dịch chất tạo bọt với Khi nhiệt độ tăng làm bọt ít bền hơn – vì làm không khí. tăng vận tốc chuyển động và do sự giảm độ v Phá vỡ bọt hoặc ngăn cản sự tạo thành bọt: nhớt của môi trường. Ø Cho vào chất chống tạo bọt (là những chất có tính hoạt động bề mặt cao; rượu Amylic, v Khi thêm chất điện ly – tính bền của bọt Octylic, Este,...); giảm nhưng không mất hoàn toàn tính bền. Ø Nâng nhiệt độ của bọt. v Tă ng độ nhớt – làm tă ng độ bề n của bọt. Ø Thêm chất điện ly 18
4.7.3.3. Ứng dụng trong thực tế của ngành kỹ thuật môi trường Phương pháp tuyển nổi 73 19