Hóa học - Chương VIII: Sự hình thành và đặc điểm của cấu thể trong các hệ phân tán

1CHƯƠNG VIII SỰ HÌNH THÀNH VÀ ĐẶC ĐIỂM CỦA CẤU THỂ TRONG CÁC HỆ PHÂN TÁN CHƯƠNG VIII Sự hình thành và đặc điểm câ ́u thể Các hệ thống keo cũng như mọi vật thể khác có những tính chất cơ học xác định: tính nhớt, tính dẻo, tính đàn hồi, tính vững chắc. Các tính chất này gắn liền với cấu tạo của hệ thống keo nên thường gọi là các tính chất cơ học cấu thể. 2Một số hiện tượng đặc biệt của hệ cấu thể keo tụ Các hệ phân tán (với môi trường phân tán lỏng) có thể chia làm 2 loại: hệ phân tán tự do và hệ phân tán liên kết. -Trong hệ phân tán tự do (keo kỵ lỏng, huyền phù): các hạt phân tán trong hệ bằng chuyển động Brown hỗn loạn. Giữa các hạt chưa có một mối liên hệ nào. Hình dạng biến đổi liên tục theo thời gian. -Trong hệ phân tán liên kết: có lực tương tác giữa các hạt, trong một chừng mực nhất định, hệ có tính chất của vật rắn: khả năng duy trì hình dạng, có tính đàn hồi, có tính vững chắc Tuy nhiên, liên kết giữa các hạt trong lưới cấu thể tương đối yếu, dễ bị phá vỡ, khi đó hệ có khả năng chảy. Cấu thể keo tụ của hệ phân tán liên kết có thể chia làm 2 loại: cấu thể keo tụ sol-gel (thuận nghịch) và cấu thể ngưng tụ kết tinh (bất thuận nghịch). CHƯƠNG VIII Sự hình thành và đặc điểm câ ́u thể CẤU TRÚC CỦA CÁC HỆ KEO TỤ Cấu trúc keo tụ hình thành khi các hạt keo liên kết với nhau tại một số điểm tạo thành mạng lưới không gian bao lấy môi trường phân tán. Sự tạo gel xảy ra nhanh nếu:  Nồng độ hạt cao  Kích thước hạt bé  Hình dạng hạt bất đối xứng. Hạt có nhiều góc cạnh dễ tạo gel hơn vì đó là những chỗ có lớp điện kép và lớp sonvat kém phát triển nên ít được bảo vệ  Yếu tố lạ có trong hệ: Khi thêm vào hệ chất có khả năng phân bô ́ lại bề mặt, có thể làm thay đổi cấu trúc của nó và hình thành hay ngăn cản sự tạo nên cấu thể trong hệ.  Tác dụng cơ học  Nhiệt độ thấp CHƯƠNG VIII Sự hình thành và đặc điểm câ ́u thể 3Cấu trúc gel 1. Hạt keo. 2. Điểm tiếp xúc. 3. Lớp vỏ solvat. 4. Môi trường phân tán. CẤU TRÚC CỦA CÁC HỆ KEO TỤ 3 2 1 4 CHƯƠNG VIII Sự hình thành và đặc điểm câ ́u thể 1. Trường hợp sol-gel thuận nghịch 2. Những hệ cấu thể keo tụ sol gel có độ vững chắc kém, có tính dẻo và ít nhiều tính chất đàn hồi. 3. Trường hợp tự biến dạng 4. Trường hợp co : gel bị nén lại, đẩy môi trường phân tán ra bên ngoài 5. Trường hợp trương: là khả năng hấp thụ môi trường phân tán vào gel khô Một số hiện tượng đặc biệt của hệ cấu thể keo tụCHƯƠNG VIII Sự hình thành và đặc điểm câ ́u thể 4Loại cấu thể này không có tính chất sol-gel thuận nghịch, tính dẻo, tính đàn hồi, mà thể hiện tính dòn, tính vững chắc. Cấu trúc ngưng tụ kết tinh Cấu trúc ngưng tụ kết tinh hình thành khi các hạt liên kết với nhau bằng lực liên kết hóa học. Ví dụ : các loại xi măng va ̀ các loại chất kết dính khác (như đất vôi, sét, thạch cao, casein). CHƯƠNG VIII Sự hình thành và đặc điểm câ ́u thể 5CHƯƠNG X CÁC HỆ PHÂN TÁN VỚI MÔI TRƯỜNG PHÂN TÁN LỎNG HỆ PHÂN TÁN VỚI MÔI TRƯỜNG PHÂN TÁN LỎNG CHƯƠNG X Hệ phân tán với môi trường phân tán lỏng 1. Huyền phù 2. Nhũ tương 3. Bọt 6HUYỀN PHÙ 1. Huyền phù Huyền phù là hệ có môi trường phân tán lỏng, pha phân tán rắn, kích thước hạt lớn hơn kích thước keo, không bền vững sa lắng, các hạt của huyền phù có thể nhìn thấy được trong kính hiển vi. Huyền phù cũng hấp thụ và phân tán ánh sáng. Hạt huyền phù không có chuyển động Brown, không có khả năng khuyếch tán và không có áp suất thẩm thấu. Nhưng các hạt huyền phù cũng có lớp vỏ solvat hoá hay lớp điện kép trên bề mặt hạt. Khi có mặt chất điện ly, chúng bị keo tụ. CHƯƠNG X Hệ phân tán với môi trường phân tán lỏng • Hạt hình cầu: 1 nm – 1 m • Hình khác 2 m , 50–100 m . 7 8NHŨ TƯƠNG 2. Nhũ tương Nhũ tương là hệ phân tán có pha phân tán lỏng và môi trường phân tán cũng là lỏng. Chính vì vậy hạt nhũ tương bao giờ cũng có hình cầu. Điều kiện để tạo thành nhũ tương là: - Hai chất lỏng không tan hay tan rất ít vào nhau -Trong hệ cần có chất ổn định gọi là chất nhũ hóa. Trong thực tế cu ̃ng có loại nhũ tương bền nhiệt động, không cần tác dụng ổn định của chất nhũ hóa. Đó là những nhũ tương tạo thành từ hai tướng lỏng có khả năng hòa tan hạn chế vào nhau và ở nhiệt độ gần với nhiệt độ tới hạn. CHƯƠNG X Hệ phân tán với môi trường phân tán lỏng 9Phân loại nhũ tương a. Phân loại theo bản chất của pha phân tán và môi trường phân tán Vì nhũ tương là hê ̣ dị thể của hai pha lỏng, nên hai pha lỏng đó phải tan rất ít vào nhau → hai pha phải có cấu tạo phân tử khác nhau, một pha là chất lỏng phân cực (nước) ký hiệu là N, còn pha kia là chất lỏng không phân cực (dầu) ký hiệu là D. Nhũ tương thuận (nhũ tương loại 1),ký hiệu là D/N (dầu trong nước): tướng phân tán là chất lỏng không phân cực (dầu), môi trường phân tán là chất lỏng phân cực (nước). Ngược lại là nhũ tương nghịch hay nhũ tương loại 2, ký hiệu N/D (nước trong dầu). CHƯƠNG X Hệ phân tán với môi trường phân tán lỏng NHŨ TƯƠNG 10 Có thể phân biệt 2 loại này bằng cách: - khảo sát khả năng thấm ướt với bề mặt ưa nước hay ghét nước, - khả năng trộn lẫn của chúng khi cho một phâ ̉m màu chỉ tan được trong mô ̣t tướng cu ̉a nhu ̃ tương, - khả năng trộn lẫn của chúng với nước và dầu, - đo độ dẫn điện (độ dâ ̃n điện cu ̉a nhu ̃ tương D/N lớn hơn N/D...). 11 Phân loại nhũ tương b. Phân loại theo nồng độ tướng phân tán -Nhũ tương loãng: nồng độ pha phân tán < 0,1%, chúng có độ phân tán cao (kích thước hạt a10-5...). Nhu ̃ tương loãng có thể tồn tại mà không cần chất nhũ hóa. -Nhũ tương đậm đặc: nồng độ pha phân tán < 74%, ở đây các hạt vẫn giữ nguyên dạng hình cầu và độ bền vững của chúng do chất nhũ hoá quyết định. - Nhũ tương đậm đặc cao độ: nồng độ pha phân tán > 74%, hạt bị biến dạng thành hình khối đa diện, sắp xếp chặt sát với nhau và ngăn cách nhau bởi lớp môi trường rất mỏng (khoảng 10nm). Hệ có tính chất cơ học giống gel và hiển nhiên các hạt không thể sa lắng được. CHƯƠNG X Hệ phân tán với môi trường phân tán lỏng NHŨ TƯƠNG Chất nhũ hóa Nhũ tương không bền vì năng lượng tự do của bề mặt giữa các pha cao. Muốn cho nhũ tương bền cần sự có mặt của chất nhũ hóa. Chất này sẽ hấp phụ lên bề mặt hạt làm giảm sức căng bề mặt và gây ra lực đẩy giữa các hạt. 12 - Độ bền vững phụ thuộc vào bản chất và nồng độ của chất nhu ̃ hóa. Bản chất của chất nhũ hóa còn quyết định loại nhũ tương. - Nếu chất nhũ hóa tan trong nước tốt hơn trong dầu thì sẽ tạo thành nhũ tương D/N. Nếu chất nhũ hóa tan trong dầu tốt hơn trong nước thì sẽ tạo thành nhũ tương N/D. - Chất nhũ hóa thường được dùng nhiều là xà phòng chứa sô ́ carbon từ 12 đến 18, nếu kéo dài hơn nữa mạch cacbon thì tác dụng nhũ hóa lại yếu đi. CHƯƠNG X Hệ phân tán với môi trường phân tán lỏng NHŨ TƯƠNG 13 Chất nhũ hóa rắn Một số chất rắn ở dạng bột cũng có khả năng bảo vệ nhũ tương. Nếu bột rắn thấm nước tốt sẽ nằm trong nước và bảo vệ được nhũ tương D/N, còn nếu bột rắn thấm dầu tốt, sẽ nằm trong dầu và bảo vệ nhũ tương N/D Chất nhũ hoá rắn a, b  bột rắn thấm nước tốt c, d  bột rắn thấm dầu tốt a, d  hệ bền b, c  hệ không bền N D (c) (d) (b)(a) D N N N N ND D D o ooooo ooooooo oo o ooooo o o oooooooo oo o oo oo oo oooooo o o o o ooo o o o oo o oo oo o o o oo o oo o oo o oo o oo oo o o oooo oo oo oo o oo o oo ooo o oo oo oo oo oooo o oo o ooooooo ooo oooo oo oo D 14 • Tính chất của chất hoạt động bề mặt có thể xác định sự sắp xếp của pha, quyết định pha nào là pha phân tán, pha nào là môi trường liên tục. • Dự đoán : cân bằng ưa nước- ưa dầu (HLB) • HLB khoảng 0-20 cho chất hoạt động bề mặt không ion, HLB thấp (< 9) thì chất hoạt động bề mặt ưa dầu ( tan trong dầu) và một HLB cao ( > 11 ) thì chất hoạt động bề mặt ưa nước ( hòa tan trong nước ). • Hầu hết các bề mặt ion có HLB giá trị lớn hơn 20 , ví dụ, Natri dodecyl sulfate có HLB 40. • Nói chung, nước trong dầu (N / D) thì chất nhũ hoá có giá trị HLB trong khoảng 3-8, trong khi dầu trong nước (D/N) chất nhũ hoá có giá trị HLB khoảng 8-18 . • Tính chất của tác nhân nhũ hóa có thể thay đổi theo nhiệt độ, đặc biệt là đối với các chất hoạt động bề mặt không ion. • Một chất hoạt động bề mặt có thể ổn định nhũ tương O / W ở nhiệt độ thấp , nhưng ổn định nhũ tương W / O tại một số nhiệt độ cao hơn. • Nhiệt độ mà ở đó những thay đổi bề mặt ổn định từ O/ W sang W / O, được gọi là giai đoạn nhiệt độ đảo ngược PIT. • Tại PIT, bản chất ưa nước và ưa dầu của chất hoạt động bề mặt cơ bản là như nhau (nhiệt độ HLB) . Khi sử dụng, các chất hoạt động bề mặt được chọn sao cho PIT xa nhiệt độ sử dụng (khoảng 50°C). 15 16 17 •Một hỗn hợp chất nhũ hóa thường hoạt động tốt hơn 1 chất nhũ hóa có cùng HLB. 18 19 20 21 Sự đảo tướng Đây là hiện tượng đặc trưng cho nhũ tương: nếu thêm vào nhũ tương một lượng rất lớn chất HĐBM có tác dụng ổn định cho nhũ tương loại ngược lại với nó thì sẽ xảy ra sự đảo tướng: tướng phân tán chuyển thành môi trường phân tán và ngược lại. CHƯƠNG X Hệ phân tán với môi trường phân tán lỏng NHŨ TƯƠNG Sự đảo pha nhũ tương Thí nghiệm cho thấy nếu cho dung dịch CaCl2 vào một nhũ tương thuận (D/N) được bảo vệ bởi Na-oleat thì sau khi khuấy ta nhận được nhũ tương nghịch (N/D). Trong thí nghiệm trên đã xảy ra phản ứng: 2C17H33COONa + CaCl2  (C17H33COO)2Ca + 2NaCl Na-oleat có tính ưa nước trội hơn, còn Ca-oleat có tính ưa dầu trội hơn. 22 • Các muối kim loại kiềm của acid béo xà phòng thường tạo nhũ tương D / N, nhưng việc sử dụng kim loại hóa trị 2 và 3 thường dẫn đến sự hình thành nhũ tương N / D. 23 DD1 Phá hủy nhũ tương -Nếu nhũ tương loãng tích điện, có thể pha ́ bằng cách đưa vào hệ chất điện ly. -Đối với hệ nhu ̃ tương đậm đặc (được bảo vệ bằng chất nhũ hóa) phải cho vào hệ chất phá vỡ màng bảo vệ. Ví dụ: dùng acid để làm kết tủa cao su từ nhũ tương latex. -Cũng có thể dùng nhiệt độ, máy ly tâm, điện trường để phá hủy nhũ tương trong công nghiệp dầu mỏ. -Đối với nhũ tương D/N với chất nhũ hoá ion thường bị phá huỷ khi thêm chất điện li chứa ion đa hoá trị. Các ion này tác dụng với chất nhũ hoá tạo thành hợp chất không tan trong nước. - Dùng chất HĐBM có khả năng hấp phụ cao nhưng khả năng bảo vệ kém đẩy chất nhũ hoá khỏi nhũ tương, ví dụ dùng rượu amylic. CHƯƠNG X Hệ phân tán với môi trường phân tán lỏng NHŨ TƯƠNG Slide 45 DD1 DINH DUC, 9/22/2009 24 Nhũ tương trong đời sống Mật cung cấp axit cholic cho dạ dày và ruột. phần trên của ruột với pH = 8  8,5 mỡ chuyển sang dạng nhũ tương Nhiều loại thuốc được bào chế ở dạng nhũ tương. Bơ, magarin, sơn là các nhũ tương đậm đặc cao. Mủ cao su (latec), dầu thô là các nhũ tương N/D. Nhiều phản ứng polyme hoá thực hiện trong nhũ tương. 25 BỌT • Là hệ phân tán khí trong môi trường phân tán lỏng. Độ phân tán của bọt rất thô, các hạt có kích thước cỡ mm ... • Các hạt bọt chiụ sự nén của các hạt bên cạnh nên bị mất dạng hình cầu, trở thành những hình đa diện phân cách bởi một màng rất mỏng của môi trường phân tán. • Bọt chỉ tạo thành khi trong hệ có chất tạo bọt. Các chất HĐBM có khả năng tạo bọt như rượu có mạch hydrocacbon dài, axít béo, xà phòng và các chất tẩy rửa, ... • Một đặc điểm chính của bọt là có tỷ trọng rất thấp. • Một dung dịch nước bọt bong bóng có đường kính khoảng 1 cm và độ dày của màng 10-3 cm sẽ có mật độ khoảng 0.003 g cm-3. • Mật độ thấp làm cho bọt rất hữu ích trong một số ứng dụng, bao gồm chữa cháy và kỹ thuật tách chất khác nhau. 26 •In fact, foam bubbles usually have diameters greater than 10 mm and may be larger than 1000 mm. Giống như nhũ tương đặc, hạt bọt có cấu trúc đa diện, chỉ khác là pha phân tán là pha khí. Chất HĐBM hấp phụ trên hai màng đối diện của lớp chất lỏng cách li các hạt gọi là chất tạo bọt. Trong bọt, thể tích Vk của pha khí lớn hơn nhiều thể tích V1 của pha lỏng. Tỷ số  = độ nở thể tích. Đối với bọt khô (màng mỏng)  = 1000 Bọt sau khi hình thành màng mỏng dần, thể hiện ở sự thay đổi màu sắc liên tục (kết quả giao thoa ánh sáng). Khi độ dày của màng bé hơn độ dài sóng ánh sáng (màng trở nên không màu), có độ dày từ 4  10 nm. Nếu màng mỏng hơn nữa thì bọt bị phá huỷ. 1 1k V VV  27 • Phân loại bọt theo hình thái: (1) bọt bong bóng hình cầu bao gồm những hình cầu cách xa nhau, còn được gọi là nhũ tương khí, (2) bọt đa diện bao gồm những bong bóng mà gần như đa diện trong hình dạng, có màng phân cách mỏng. • Sự hiện diện của bọt trong sản xuất công nghiệp hoặc quá trình có thể được mong muốn hoặc không được mong muốn. • Bọt có tầm quan trọng trong kỹ thuật, như trong phòng cháy chữa cháy , xốp polyme cách nhiệt, xốp cao su , vật liệu xốp như kem tươi , kem cạo râu , và nhiều lĩnh vực của ngành công nghiệp bánh nướng. • Trong thẩm mỹ : trong nhiều sản phẩm chất tẩy rửa và chăm sóc cá nhân. • Bọt cũng phục vụ hữu ích trong công nghiệp như tách khoáng sản (bọt hoặc váng nổi ) , trong việc thu hồi xăng dầu. • Trường hợp bọt không mong muốn: xử lý nước thải , ứng dụng sơn phủ, hoạt động bề mặt , quá trình khai thác , và xử lý dầu thô . 28 • Bọt có thể được hình thành bằng quá trình phân tán hoặc ngưng tụ . • Một lượng nhỏ pha phân tán được đưa vào chất lỏng bằng cách khuấy hoặc chuyển đổi thành khí nhờ một số cơ chế như làm nóng, giảm áp lực. • Trong trường hợp ngưng tụ , pha khí được đưa vào ở mức độ phân tử và được ngưng tụ bên trong chất lỏng để tạo thành bong bóng. • Sự hình thành của bọt trên một ly bia là một ví dụ điển hình về sự hình thành bọt ngưng tụ . Khi chai , hoặc nắp được mở ra, carbon dioxide (được sản xuất bởi quá trình lên men trong các thùng chứa và hòa tan dưới áp lực) được giải phóng . Các dung dịch trở nên bão và khí dư thừa tạo thành một pha phân tán phía trên đầu. FOAM FORMATION • Ba cơ chế cơ bản cho sự sụp đổ bọt: (1) sự khuếch tán của khí từ một bong bóng (nhỏ, áp suất bên trong cao) đến một bong bong khác (lớn hơn, áp suất bên trong thấp hơn) hoặc thoát vào pha khí bao xung quanh foam, (2) sự hợp nhất bong bóng do dòng chảy dẫn đến vỡ màng mỏng phân cách giữa các bong bóng liền kề (thường là chậm hơn so với 1 và xảy ra ngay cả trong các hệ thống ổn định), (3) áp lực của chất lỏng giữa bong bóng dẫn đến sự sụp đổ nhanh chóng (trong trường hợp không có bất kỳ cơ chế ổn định nào). Mỗi cơ chế có thể quan trọng đối với một hệ thống bọt nhất định. Cả ba cơ chế này sẽ tác động ở một mức độ trong một số giai đoạn của quá trình sụp đổ. 29 • Cơ chế đầu tiên, khuếch tán khí, là do sự khác biệt giua áp suất khí bên trong bong bóng cũng như sự khác biệt về độ cong của những màng phân cách. Phương trình Laplace cho thấy sự khác biệt áp lực, p, ở hai bên của màng phân cách : pa + 4 / R1 pa + 4 / R2 30 Stabilization Mechanisms • Cơ chế để duy trì sự tồn tại của bọt có thể bao gồm một hoặc một số các điều kiện sau : (1) độ nhớt cao trong pha lỏng (2) độ nhớt bề mặt cao, làm chậm sự chảy chất lỏng từ mặt phân cách này đến mặt phân cách khác (3) lực đẩy tĩnh điện giữa các mặt phân cách lân cận do sự hấp thụ chất hoạt động bề mặt ion và không ion , polyme , và các tác nhân khác, có thể chống lại ảnh hưởng của áp lực , (4) chậm sự khuếch tán khí từ bong bong nhỏ đến bong bóng lớn hơn. • Việc bổ sung các chất hoạt động bề mặt và / hoặc các polyme vào một hệ thống tạo bọt có thể thay đổi bất kỳ hoặc tất cả các đặc tính nêu trên và do đó tăng cường sự ổn định của bọt . Các chất này cũng có thể có tác dụng làm giảm sức căng bề mặt của hệ thống, do đó làm giảm công cần thiết cho sự hình thành ban đầu của bọt , cũng như sản xuất bong bong nhỏ và đồng đều hơn. 31 • Phụ gia làm thay đổi các thuộc tính tạo bọt của một bề mặt được chia thành ba nhóm chính: (1) ion vô cơ, hiệu quả nhất với bề mặt ion; (2) các chất phụ gia hữu cơ phân cực, có thể ảnh hưởng đến tất cả các loại bề mặt, (3) Các chất cao phân tử. Các vật liệu này có thể ảnh hưởng đến tính chất tạo bọt của một hệ thống bằng nhiều cách, một số không liên quan đến tính chất bề mặt của bề mặt riêng của chính nó. • Phụ gia ion có thể hoạt động để tăng khả năng tạo bọt bằng cách giảm cmc của chất tạo bọt ion. 32 33 Ức chế tạo bọt • Chất ức chế là chất ngăn cản sự hấp phụ các chất hoạt động bề mặt lên mặt phân cách hoặc giảm ảnh hưởng. • Chất ức chế là ion vô cơ như canxi làm giảm độ bền tĩnh điện hoặc giảm độ hòa tan của chất hoạt động bề mặt ion. Hoặc nhiều vật liệu hữu cơ hay silicon nằm trải dài trên giao diện ngăn cản chất HĐBM. 34 + Nếu chất phân tán là khí (khí/rắn) ta có bọt rắn. Trong tự nhiên gặp ở đá bọt (được dùng làm đa mài và bê tông bọt), còn trong công nghiệp gặp ở vật liệu thuỷ tinh bọt, bê tông bọt, cao su bọt, nhựa xốp. + Nếu chất phân tán là lỏng (lỏng/rắn) ta có nhũ tương rắn: rất ít gặp. + Nếu chất phân tán là rắn (rắn/rắn) như là thuỷ tinh màu, men sứ, các đá quý, các loại hợp kim. Những hệ này có thể hấp thụ và phân tán ánh sáng, nhưng không có tính chất động học và keo tụ như các hệ phân tán khác. CHƯƠNG X Hệ phân tán với môi trường phân tán rắn Sự khác nhau cơ bản giữa hệ keo kỵ nước và hệ keo ưa nước : • hệ kỵ nước là hệ phân tán dị thể với đầy đủ các tính chất bề mặt như đã nghiên cứu ở trên. • hệ keo ưa nước là hệ phân tán đồng thể, có mọi tính chất của dung dịch thật. • kích thước phân tử polyme lớn hơn so với các phân tử đơn giản nên một số tính chất động học như tính khuyếch tán, tính thẩm thấu, tính nhớt của các dung dịch polyme gần với tính chất của keo kỵ nước. • Trong dung dịch polyme, mỗi phân tử chất đó xử sự như một hạt keo. 35 CHƯƠNG XII Chất bán keo CHƯƠNG X Chất bán keo Những hệ mà trong điều kiện này thì có thể là dung dịch thật, còn trong điều kiện khác là sol hay gel và chúng có tất cả các trạng thái trung gian giữa các hệ này được gọi là hệ bán keo. Giữa các trạng thái có sự chuyển tiếp liên tục và thuận nghịch ứng với cân bằng nhiệt động: Dung dịch thật  sol  gel Muốn hệ chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác chỉ cần thay đổi nồng độ pha phân tán, nhiệt độ, pH hoặc thêm chất điện ly. Ở dung dịch thật chúng là hệ đồng thể chứa các phân tử hoặc ion, ở trạng thái sol chúng là hệ dị thể chứa các micelle. Micelle là tập hợp của vô số các phân tử được tạo thành trong những điều kiện nhất định. 36 CHƯƠNG X Chất bán keo Chất bán keo thường là chất hữu cơ hoạt động bê ̀ mặt, phân tử có khoảng 10 đến 22 nguyên tử carbon. Ví dụ: xa ̀ phòng, các chất hoạt động bê ̀ mặt anion, các chất hoạt động bề mặt cation, Chất bán keo được sử dụng nhiều trong thực tê ́ làm chất tẩy rửa, chất nhũ hóa, chất tạo bọt CHƯƠNG X Chất bán keo XÀ PHÒNG Xà phòng theo nghĩa hẹp là muối của monoaxit béo. Muối của các axit béo này gọi là xà phòng thường. Xà phòng có phân tử tương đối lớn, có tính chất hoạt động bề mặt và do đó có nhiều tính chất quan trọng trong đời sống và kỹ thuật. Thông thường người ta hiểu xà phòng với nghĩa rộng hơn, tức là gọi là tất cả các chất tẩy rửa là xà phòng. Sở dĩ gọi là xà phòng, vì tất cả các chất tẩy rửa đều có cấu tạo phân tử, tính chất lý, hóa học, công dụng kỹ thuật tương tự như xà phòng thường. Phân tử các xà phòng nói chung đều gồm hai phần: phần ưa nước là phần phân cực, phần kỵ nước là phần không phân cực. Phần ưu nước : nhóm -COOH, - OSO32-, -SO32-, ... Phần ghét nước : mạch parafin thẳng hoặc nhánh, vòng benzen hoặc naphtalen với gốc ankyl. 37 CHƯƠNG X Chất bán keo XÀ PHÒNG Theo cấu tạo phân tử, xà phòng được chia làm bốn nhóm sau: 1. Xà phòng hoạt tính anion 2. Xà phòng hoạt tính cation 3. Xà phòng lưỡng tính 4. Xà phòng không ion hóa CHƯƠNG X Chất bán keo XÀ PHÒNG 1. Xà phòng hoạt tính anion Phân tử của xà phòng thuộc nhóm này có một hoặc một số nhóm chức. Khi hòa tan trong nước các nhóm chức có khả năng phân ly thành cation kim loại và anion hữu cơ. Các anion hữu cơ quyết định tính hòa tan của xà phòng. Ví dụ: Xà phòng stearat natri: C17H35COONa Xà phòng natri oleat: C17H33COONa Xà phòng ankyl sunfonat: CnH2n+1SO3M Xà phòng ankylaryl sunfonat: CnH2n+1C6H4SO3M Trong đó: M là cation hóa trị 1 (Na+ , K+ , NH4+ ) 38 CHƯƠNG X Chất bán keo XÀ PHÒNG 2. Xà phòng hoạt tính cation Phân tử của các chất này có một hoặc vài nhóm chức khi tan trong nước các nhóm chức phân ly thành anion vô cơ và cation hữu cơ. Các cation này quyết định tính chất hòa tan và các tính chất khác của xà phòng. Ví dụ: Xà phòng octadexyl amoniclorua: [C18H37NH3]Cl Xà phòng xetyltrimentyl amoniclorua: [C16H33(CH3)3N]Cl Xà phòng xetyl piridin clorua: [C16H33NC6H4]Cl CHƯƠNG X Chất bán keo XÀ PHÒNG 3. Xà phòng lưỡng tính Phân tử của loại xà phòng này khi tan trong nước sẽ phân ly thành anion hay cation hoạt động là tuỳ thuộc vào độ pH của môi trường. Khi môi trường là axit chúng sẽ là cation hoạt động, khi môi trường là bazơ chúng sẽ là anion hoạt động. Ví dụ: C12H25-NH-CH2-CH2-COOH: Lauryl--amino-propionic acid 39 CHƯƠNG X Chất bán keo XÀ PHÒNG 4. Xà phòng không ion hóa Bên cạnh các xà phòng mà phân tử của chún phân ly trong dung dịch nước thành các ion còn có các xà phòng mà phân tử của chúng không có khả năng ion hóa. Phân tử của loại xà phòng này gồm một mạch hiđrocacbon dài và nhóm ưu nước phân cực như nhóm hidroxyl hoặc các nhóm este. Ví dụ: sản phẩm nhận được từ sự tương tác của các rượu cao phân tử (hoặc các ankylphenol) với một số phân tử etilen oxit: CHƯƠNG X Chất bán keo TÍNH CHẤT HÓA LÝ CỦA XÀ PHÒNG 1. Tính hòa tan trong nước Tính hòa tan của xà phòng phụ thuộc vào bản chất và vị trí của nhóm phân cực, chiều dài mạch hiđrocacbon, nhiệt độ và bản chất cation kim loại. Muối của các axit béo có mạch hiđrocacbon chứa chứa từ 10 đến 22 nguyên tử cacbon với các kim loại kiềm như: natri panmitat (C15H31COONa), natri stearat (C17H35COONa ), nitrat oleat (C13H33COONa ) thường hòa tan tốt trong nước. Muối chứa các ion kim loại có hóa trị cao hơn như: canxi, magiê, nhôm, sắt, không tan trong nước nhưng tạo thành hệ bán keo trong môi trường hidrocacbon. Xà phòng anion có thể tồn tại trong dung dịch dưới dạng các phân tử không ion hóa (RCOOM), các ion (RCOO-M+), acid béo (RCOOH), và dưới dạng tập hợp (xRCOOM yRCOOH zRCOO-M+). 40 CHƯƠNG X Chất bán keo TÍNH CHẤT HÓA LÝ CỦA XÀ PHÒNG 2. Tính chất hoạt động bề mặt Dung dịch xà phòng trong nước có nồng độ ở lớp bề mặt lớn hơn trong thể tích (hấp phụ dương) . Khi tan trong nước, các nhóm phân cực trong phân tử xà phòng có ái lực với nước quay vào nước, còn mạch hidrocacbon hướng vào pha khí. Trên bề mặt dung dịch lúc này tạo thành lớp hấp phụ định hướng. Bề mặt phân cách nước – không khí trước đây được thay thế bằng bề mặt phân cách hyđrocácbon – không khí. Sức căng bề mặt hydrocacbon thấp hơn nhiều so với sức căng bề mặt của nuớc, điều này giải thích vì sao khi hòa tan xà phòng vào nước, sức căng bề mặt nước lại giảm. Như vậy, các xà phòng đều là chất hoạt động bề mặt. Tính hoạt động bề mặt của chúng do bản chất của nhóm phân cực và chiều dài mạch hiđrocacbon quyết định. Xà phòng không những làm giảm sức căng bề mặt của nước mà còn làm giảm sức căng bề mặt giữa các pha (bề mặt lỏng – lỏng hoặc bề mặt lỏng - rắn). Ví dụ: hai chất lỏng là nước và dầu thì SCBM giữa hai tướng sẽ giảm khi ta tăng thêm xà phòng vào hỗn hợp nói trên. CHƯƠNG X Chất bán keo TÍNH CHẤT HÓA LÝ CỦA XÀ PHÒNG 3. Khả năng thấm ướt Các loại vải sợi sạch thấm ướt nước dễ dàng, nhưng nước lại khó thấm vào bên trong sợi vải vì nước có sức căng bề mặt lớn. Khi vải sợi bị bám dầu mỡ thì laị càng khó thấm ướt. Muốn khắc phục điều này cần phải có một chất hoạt động bề mặt để làm giảm sức căng bề mặt của nước. Trong quá trình tẩy rửa vải thì xà phòng đóng vai trò chất hoạt động bề mặt. Khả năng thấm ướt phụ thuộc vào nồng độ chất hoạt động bề mặt, nhiệt độ, vị trí và bản chất nhóm phân cực và vào cấu tạo của mạch hođrocacbon. 41 CHƯƠNG X Chất bán keo TÍNH CHẤT HÓA LÝ CỦA XÀ PHÒNG 4. Khả năng nhũ hóa Nhũ tương là một hệ không bền vững nên muốn thu được nhũ tương bền vững cần có chất ổn định (chất nhũ hóa). Xà phòng thường được dùng làm chất ổn định nhũ tương. Tác dụng của chúng là làm giảm sức căng bề mặt giữa 2 pha dầu – nước, do đó làm cho sự nhũ hóa xảy ra dễ dàng, rồi sau đó ổn định nhũ tương. Trong quá trình tẩy rửa, các chất bẩn dầu mỡ được tách khỏi vải sợi và giữ trong dung dịch bằng cách nhũ hóa bởi xà phòng. 5. Khả năng tạo bọt Bọt là hệ không bền vững. Sự tạo bọt kèm theo sự tăng bề mặt phân cách lỏng – khí rất mạnh, vì sự tạo bọt chỉ có thể xảy ra khi sức căng bề mặt nhỏ. Nước tinh khiết không tạo bọt, muốn tạo bọt được phải có mặt của chất hoạt động bề mặt. Xà phòng là chất giúp cho sự tạo bọt trong nước. Trong quá trình tẩy rửa, bọt góp phần vào việc tách và giữ chất bẩn trong nước giặt, ngăn cản sự bám trở lại mặt vải, dụng cụ cần rửa. CHƯƠNG X Chất bán keo TRẠNG THÁI CỦA XÀ PHÒNG Dung dịch xà phòng có thể tồn tại ở dạng ion, phân tử hoặc micelle. Trong dung dịch loãng xà phòng tồn tại ở dạng phân tử hoặc ion. Khi tăng nồng độ đến một giá trị nhất định, thì trong dung dịch bắt đầu hình thành các micelle hình cầu và nồng độ khi đó là nồng độ tới hạn tạo micelle (CMC). Mỗi micelle chứa khoảng 50 phân tử xà phòng và có đường kính xấp xỉ bằng hai lần chiều dài phân tử xà phòng, trọng lượng trung bình khoảng từ 12000 đến 22000. Khi nồng độ dung dịch xà phòng tiếp tục tăng thì micelle có cấu tạo khác. Kích thước micelle tăng lên, các mạch hidrocacbon bắt đầu nằm song song với nhau và dẫn đến micelle hình cầu trở thành micelle hình tấm. 42 CHƯƠNG X Chất bán keo TÍNH CHẤT HÓA LÝ CỦA XÀ PHÒNG Tại nồng độ tới hạn tạo micelle, các tính chất như: sức căng bề mặt, chiết suất, độ nhớt, độ dẫn điện, đều thay đổi đột ngột do sự có mặt của micelle. Vì vậy, nồng độ tới hạn tạo micelle được xác định nhờ đo giá trị của một trong các tính chất đó. Ở nồng độ tới hạn tạo micelle thì khả năng tẩy rửa của xà phòng là cao nhất. Nồng độ tới hạn tạo micelle (CMC) phụ thuộc vào nhiều yếu tố: - CMC giảm khi khối lượng phân tử xà phòng tăng, vì khi chiều dài mạch hydrocarbon tăng thì sự hòa tan của phân tử xà phòng trong nước giảm, xu hướng tạo micelle tăng. - CMC giảm khi nhiệt độ giảm vì cường độ của chuyển động Brown làm tăng khả năng tạo micelle. - CMC giảm khi cho chất điện li vào hệ. Trước hết là vì chất điện ly liên kết với nước (tăng nồng độ xa ̀ phòng). Sau nữa, ion chất điện li làm cho các phân tử xà phòng điện ly kém, nên chúng dễ liên kết lại để tạo thành micelle. 43 Nồng độ tới hạn tạo micelle (CMC) Vai trò của xà phòng là giảm sức căng bề mặt  của dung dịch 44 CHƯƠNG X Chất bán keo TÍNH CHẤT HÓA LÝ CỦA XÀ PHÒNG Khả năng hòa tan Nhiều chất hữu cơ không tan trong nước như các hidrocacbon, một số phẩm màu, nhưng chúng có khả năng hòa tan trong dung dịch xà phòng khá đậm đặc và tạo thành dung dịch trong suốt, bền vững nhiệt động học. Hiện tượng này được gọi là sự hòa tan keo. CHƯƠNG X Chất bán keo TÍNH CHẤT HÓA LÝ CỦA XÀ PHÒNG Khả năng hòa tan phụ thuộc vào: - khả năng hòa tan tăng theo trọng lượng phân tử xà phòng, - khả năng hòa tan tăng khi nồng độ dung dịch xà phòng tăng (sẽ đạt đến giá trị cực đại không đổi ở nồng độ lớn), - khả năng hòa tan tăng theo sự hiện diện của chất điện ly (chất điện ly xúc tiến tạo micelle làm tăng khả năng hòa tan), - khả năng hòa tan giảm khi kích thước phân tử chất hữu cơ tăng. 45 • Kha ̉ năng tẩy rửa là tổng hợp các tính chất đặc trưng của xa ̀ phòng như khả năng thấm ướt, nhu ̃ hóa • Sự tách các chất bẩn rắn hoặc lỏng khỏi bề mặt sợi vải bằng nước sạch thì rất khó khăn, kể cả ở điều kiện cho nhiệt độ cao và tác động cơ học mạnh mẽ. Quá trình tách chất bẩn trở nên dễ dàng nếu như khi giặt ta dùng dung dịch xà phòng. Tác dụng tẩy rửa của xà phòng: • Khi có mặt xà phòng trong nước thì sức căng của dung dịch giảm xuống, nhờ vậy mà làm tăng được tính thấm ướt của sợi vải đối với chất lỏng tẩy rửa. Chất lỏng xâm nhập sâu vào các mao quản của vải mà nước nguyên chất thì không thể vào được. • Các phân tử xà phòng hấp thụ trên bề mặt của sợi và của các chất bẩn rắn hoặc lỏng, làm tách các hạt chất bẩn khỏi bề mặt vải và chuyển chúng vào lòng chất tẩy rửa. • Các màng hấp phụ trên bề mặt hạt bẩn tạo cho hạt có độ bền vững liên kết, cản trở sự bám trở lại mặt vải hoặc liên kết với nhau. • Khả năng tẩy rửa của xà phòng thường chỉ có ở nồng độ cao hơn nồng độ tới hạn tạo micelle. Điều đó chứng tỏ có khả năng tẩy rửa của xà phong có liên quan đến sự hòa tan keo của chất bẩn dầu mỡ trong micelle. • Dung dịch xà phòng dễ tạo bọt. Một phần chất bẩn sẽ thấm ướt kém sẽ dính vào bề mặt bọt khí giống như trong quá trình tuyển nổi quặng hoặc tăng thêm sự tách cơ học. 46 Cơ chế hấp phụ Cơ chế nội hòa tan CHƯƠNG IX CÁC HỆ PHÂN TÁN VỚI MÔI TRƯỜNG PHÂN TÁN KHÍ 47 HỆ PHÂN TÁN VỚI MÔI TRƯỜNG PHÂN TÁN KHÍ CHƯƠNG IX Aerosol Những hê ̣ phân tán với môi trường phân tán khí được gọi là các aerosol. Kích thước và hình dạng hạt của hệ phụ thuộc vào trạng thái tập hợp của pha phân tán: - Nếu tướng phân tán là lỏng ta có sương mù (a = 10-5- 10-3..) -- Nếu tướng phân tán là rắn ta có khối: bao gồm 2 loại là bụi (a > 10-3..) và khí thực (a = 10-7-10-3 ) bao gồm các hạt tro, mồ hóng, các hạt nước, khói tạo ra khi chất bị đốt cháy. HỆ TRONG MÔI TRƯỜNG KHÍ, SOl KHÍ Sương mù hình thành do sự ngưng tụ hơi quá bão hoà. Ví dụ hơi nước gặp mặt đất lạnh (sáng mùa đông) biến thành sương mù; hơi nước bốc lên cao gặp lạnh biến thành mây. Khói gồm những hạt rắn hình thành do ngưng tụ hơi quá bão hoà. Ví dụ khi đốt photpho thu được khói trắng gồm những hạt P2O5 rất nhỏ. 48 Kích thước các hạt son khí nằm trong các giới hạn sau: + Son L/K Kích thước hạt, cm Sương mù 5.10-5 Mây 10-4  10-2 + Son R/K ZnO 5.10-6 Thuốc lá 10-5  10-4 P2O5 10-4  10-3 Bụi tự nhiên 10-4  10-2 Bào tử và phấn hoa 10-4  10-3 HỆ PHÂN TÁN VỚI MÔI TRƯỜNG PHÂN TÁN KHÍ CHƯƠNG IX Aerosol Các tính chất của aerosol bao gồm: 1. Tính chất quang học của aerosol Sự phân tán ánh sáng của aerosol lớn hơn của liosol rất nhiều vì chiết suất của tướng phân tán và môi trường phân tán ở đây rất khác nhau. 2. Tính chất điện của aerosol Nói chung các hạt trong aerosol không thể xuất hiện lớp điện kép như trong liosol. Ở một số trường hợp nhất định, các hạt aerosol có thể mang điện tích không lớn lắm. 3. Độ bền vững tập hợp của các aerosol Các aerosol thường bền vững sa lắng do có độ phân tán cao, song lại không bền vững tập hợp vì quá trình keo tụ xảy ra rất mạnh. Các aerosol thường chỉ tồn tại trong thời gian ngắn. 49 HỆ PHÂN TÁN VỚI MÔI TRƯỜNG PHÂN TÁN KHÍ CHƯƠNG IX Aerosol Nhiệt di: là hiện tượng các hạt aerosol tự ý rời khỏi các vật nóng (di chuyển từ vùng nhiệt độ cao sang vùng nhiệt độ thấp). Kết tủa nhiệt: là hiện tượng các hạt aerosol bám lên những vùng lạnh của vật được làm nóng không đều (bồ hóng bám trên ống khói). Aerosol có đặc điểm khác liosol là: a) Aerosol luôn là hệ loãng (nồng độ tướng phân tán nhỏ) b) Giá trị độ nhớt của môi trường rất bé c) Sự sa lắng xảy ra nhanh d) Xung quanh hạt không có lớp điện kép HỆ PHÂN TÁN VỚI MÔI TRƯỜNG PHÂN TÁN KHÍ CHƯƠNG IX Aerosol Ý nghĩa thực tế của aerosol - Mây, sương mù ảnh hưởng lớn đến mưa, nắng và khí hậu của từng vùng, và do đó ảnh hưởng đến nông nghiệp. - Khói, bụi trong công nghiệp, sương mù trong khí hậu là những trạng thái aerosol cần phải phá vỡ vì chúng gây tác hại cho con người. - Nhiều chất trong kỹ thuật được sử dụng ở dạng aerosol như chất đổt đưa vào lò dạng aerosol, quá trình quét vôi, sơn, nhuộm màu dưới dạng phun các chất thành hạt nhỏ; thuốc trừ sâu, thuốc diệt nấm, diệt cỏ đều được phun dưới dạng aerosol, bình chữa cháy, thuốc suyễn. - Phấn hoa, hạt giống nhẹ di chuyển từ vùng này sang vùng khác dưới dạng son khí. 50 • Phân loại hệ phân tán, Độ phân tán + BT • Keo ưa lưu, ghét lưu, Ý nghĩa hóa keo • Sức căng bề mặt • Hiện tượng thấm ướt • Sự ngưng tụ mao quản • Độ hấp phụ, độ phủ + BT • Sự hấp phụ phân tử, Sự hấp phụ ion • Chất hoạt động bề mặt • Các tính chất của hệ keo • Hiện tượng khuếch tán, Hiện tượng thẩm thấu + BT • Viết cấu tạo hạt keo • Độ bền vững và keo tụ, Keo tụ bằng chất điện ly + BT • Độ nhớt • Huyền phù, Nhũ tương, Bọt • Chỉ số HLB • Sự hòa tan, sự trương polyme • Xà phòng