Giáo trình hóa keo đại cương Biên tập bởi: Huong Ton Nu Lien Giáo trình hóa keo đại cương Biên tập bởi: Huong Ton Nu Lien Các tác giả: unknown Huong Ton Nu Lien Phiên bản trực tuyến: http://voer.edu.vn/c/4d06b941 MỤC LỤC 1. Chương 1: Khái niệm - đối tượng của hoá keo 2. Chương 2: Tính chất bề mặt của hệ keo 2.1. Tóm tắt 2.2. Sức căng bề mặt 2.3. Sự hấp phụ (Adsorption) 2.4. Sự hấp phụ trên ranh giới lỏng - khí 2.5. Sự hấp phụ trên ranh giới lỏng - rắn 2.6. Hiện tượng thấm ướt 3. Chương 3: Tính chất hoạt động của hệ keo 4. Chương 4: Tính chất điện của hệ keo 5. Chương 5: Tính chất quang của hệ keo 6. Chương 6: Tính bền tập hợp của hệ keo 7. Chương 7: Các tính chất cơ học cấu thể của hệ keo 8. Bài tập và câu hỏi Tham gia đóng góp 1/78 Chương 1: Khái niệm - đối tượng của hoá keo Một số khái niệm Hệ phân tán * Hệ phân tán: là hệ có cấu tạo từ 2 pha trở lên. Trong hệ, pha ở trạng thái chia nhỏ gọi là pha phân tán được phân bố trong pha có tính liên tục gọi là môi trường phân tán. Khi pha phân tán phân bố đều trong môi trường tạo thành một hệ đồng nhất, không có bề mặt phân cách thì gọi là hệ phân tán đồng thể (ví dụ: dung dịch nước muối) * Hệ phân tán dị thể: là hệ có cấu tạo từ 2 pha trở lên, các pha không đồng nhất được với nhau. Giữa pha phân tán và môi trường phân tán có bề mặt phân cách. * Hệ keo là hệ có độ phân tán cao và dị thể trong đó pha phân tán (hay hạt keo) lớn hơn phân tử và không thể nhìn thấy bằng kính hiển vi quang học. Độ phân tán Để làm số đo cho độ phân tán có thể dùng kích thước hạt. Kích thước hạt phân tán là số đo mức độ chia nhỏ của hệ phân tán, ký hiệu là a (đối với hạt có hình cầu, kích thước hạt là đường kính d; với hạt hình lập phương là thước cạnh l). Độ phân tán là số phân tán trong một đơn vị độ dài, ký hiệu là D. D bằng nghịch đảo của a. D = 1 a (1.1) Nếu hệ chứa những hạt có kích thước bằng nhau ta gọi là hệ đơn phân tán, nếu chứa những hạt có kích thước khác nhau, ta gọi là hệ đa phân tán. Bề mặt riêng Bề mặt riêng, ký hiệu Sr là diện tích bề mặt phân cách của pha phân tán trong một đơn vị thể tích, được tính bằng diện tích bề mặt của hạt chia cho thể tích của hạt. S r = S 1,2 V 1 (1.2) S 1,2 : diện tích bề mặt phân cách hai pha 1,2 V 1 : thể tích của pha phân tán 2/78 Đối với hạt hình lập phương: S r = S 1,2 V 1 = 6.l 2 l 3 = 6 l (1.3) Đối với hạt hình cầu: S r = S 1,2 V 1 = 4.π.r 2 4 3 π.r 3 = 3 r = 3 d 2 = 6 d (1.4) Tổng quát: S r = S 1,2 V 1 = k 1 a = kD (1.5) Vậy bề mặt riêng tỉ lệ thuận với độ phân tán D và tỉ lệ nghịch với kích thước hạt a. Kích thước hạt càng nhỏ thì độ phân tán hạt càng cao, bề mặt riêng càng cao, và ngược lại. Đường biểu diễn hàm S r = f(a), cho thấy sự phụ thuộc của bề mặt riêng vào kích thước hạt trong hệ phân tán. Theo quan điểm nhiệt động thì sự có mặt của một bề mặt phân cách lớn gắn liền với sự có mặt của một năng lượng bề mặt lớn. Do có một bề mặt phát triển như vậy nên các hệ thống keo không bền vững tập hợp, có nghĩa là các hạt keo dễ liên kết lại thành tập hợp hạt lớn hơn. Các tập hợp này lớn lên đến một mức độ nào đó thì sa lắng thành kết tủa. Trạng thái keo của vật chất Trạng thái keo của vật chất là trạng thái phân tán cao, trong đó pha phân tán (chất tan) gồm tập hợp nhiều phân tử kích thước xấp xỉ từ 10 − 7 − 10 5 cm (1- 100 mμ) phân bố trong môi trường phân tán, hệ không đồng nhất. Bất cứ một chất nào cũng có thể đưa đến trạng thái keo sau khi thiết lập được những điều kiện cần thiết. Ví dụ: nhựa thông (colophan) khi hòa tan vào rượu thì tạo dung dịch thực nhưng khi hòa tan vào nước thì tạo nên dung dịch keo. Ngược lại, NaCl trong nước thì tạo dung dịch thực, còn trong benzen tạo dung dịch keo. Bảng sau cho thấy giới hạn qui ước được thừa nhận về kích thước của các phân tử của những hệ có độ phân tán khác nhau 3/78 Tính chất của hệ keo * Các hệ keo lỏng, keo khí có những tính chất điển hình tương tự nhau : . Có khả năng phân tán ánh sáng. Ví dụ như khi chiếu một chùm ánh sáng mạnh vào dung dịch keo, phần dung dịch bị chiếu sáng có hình nón sẽ mờ đục, (gọi là hình nón Tyndahl), hiện tượng này được xem là một đặc trưng để phân biệt dung dịch keo với dung dịch thực. Hiện tượng phân tán ánh sáng là một biểu hiện của sự có mặt trong hệ một bề mặt phân cách giữa các hạt của pha phân tán với môi trường phân tán, có nghĩa là hệ không đồng nhất. . Khả năng khuếch tán chậm. . Không bền vững tập hợp (nghĩa là dưới tác động rất nhỏ của những điều kiện bên ngoài như nhiệt độ, thời gian, chất điện ly, khuấy lắc , các hạt keo dễ dàng tập hợp thành những hạt lớn hơn - gọi là sự keo tụ) . Có thể thẩm tách, các hạt keo không thể lọt qua màng bán thẩm như các phân tử chất tan trong dung dịch thực. Như vậy các hạt keo có kích thước rất lớn hơn các phân tử thường. .Thường có hiện tượng điện di. Điện di khác với điện phân là: trong điện phân sản phẩm được tạo ra ở các điện cực với lượng đương lượng tuân theo định luật Faraday; còn điện di là sự di chuyển của vật chất hướng đến một điện cực trong điện trường với một lượng đáng kể nhưng không theo định luật Faraday * Các hệ keo rắn không có tất cả những tính chất điển hình của keo lỏng, keo khí như vừa nêu. Chẳng hạn các hệ keo rắn có tính bền vững tập hợp ở điều kiện thường, vì hệ có độ nhớt rất lớn nên các hạt không thể dễ dàng chuyển dịch, chúng liên kết với nhau thành tập hợp lớn; nhưng nếu làm nóng chảy hệ keo rắn thì xuất hiện tính không bền 4/78 vững tập hợp. Ngoài ra ở hệ keo rắn có những khác biệt về tính phân tán ánh sáng, có hệ trong suốt, có hệ mờ đục, có hệ hoàn toàn không cho ánh sáng đi qua. * Các tính chất của hệ keo thể hiện đối với hệ chất vô cơ lẫn chất hữu cơ, chất có tự nhiên hay chất chế tạo từ phòng thí nghiệm; không phụ thuộc vào trạng thái tập hợp, nguồn gốc và thành phần hóa học của hệ . * Phân biệt hệ keo - hệ dung dịch thực - hệ các hợp chất cao phân tử - Dung dịch keo là những hệ dị thể, đa pha, có những tính chất keo, còn dung dịch thực là những hệ đồng thể, đơn pha. - Những dung dịch chất cao phân tử (ví dụ: protein, cellulose, cao su ) có nhiều tính chất đặc trưng như những dung dịch keo, ví dụ có khả năng thẩm tách, có tính khuếch tán chậm. Trong hệ, kích thước của pha phân tán trong một số trường hợp vượt quá kích thước của các hạt keo; mặt khác, trong những dung dịch với dung môi xấu, các phân tử này cuộn lại thành búi với bề mặt rõ ràng mà trên đó có thể xảy ra sự hấp phụ. Tuy nhiên không thể đồng nhất các dung dịch chất cao phân tử với các dung dịch keo, do các dung dịch chất cao phân tử được xem là các dung dịch thực có chứa các phân tử khổng lồ. Dù dung dịch chất cao phân tử không phải là dung dịch keo với ý nghĩa chính xác của danh từ này, nhưng việc mô tả các tính chất và khảo sát các đặc điểm của loại hệ này vẫn được viết trong các giáo trình về hóa học chất keo. Đối tượng của hóa keo Hóa keo là khoa học về các quá trình hình thành và phá hủy các hệ phân tán, trong đó chú trọng hệ phân tán cao dị thể (hệ keo); nghiên cứu các tính chất đặc trưng của hệ và các quá trình xảy ra trong các hệ đó, nhất là quá trình lý học, hóa học xảy ra ở bề mặt keo : - Các hiện tượng bề mặt, hấp phụ, dính ướt. - Tính không bền nhiệt động học và xu hướng dính kết (khuếch tán, keo tụ, sa lắng) - Tính chất quang, tính chất điện, tính chất động học phân tử. - Sự hình thành và đặc điểm của cấu thể trong các hệ phân tán. - Đặc điểm cùng cách điều chế, ứng dụng một số hệ keo điển hình. Cơ sở kiến thức căn bản để nghiên cứu: hóa lý. Phương pháp nghiên cứu đặc trưng: sử dụng các phương tiện mới như kính siêu vi, kính hiển vi điện tử, siêu li tâm, điện di . 5/78 Phân loại các hệ phân tán Do sự muôn hình muôn vẻ của tính chất của các hệ vi dị thể, nên có nhiều cách phân loại khác nhau để tiện cho việc hình dung một cách tòan diện các loại hệ, sau đây là vài cách phổ biến. Phân loại theo độ phân tán Siedentopf và Zigmondy đề nghị; dựa theo kích thước hạt có trong hệ phân tán. - Hạt nhìn thấy dưới kính hiển vi thường, kích thước lớn hơn một phần năm micro met ( a > 0,2μm = 0,2.10 − 4 cm) còn gọi là các micron: hệ phân tán thô - Hạt không thấy được dưới kính hiển vi thường – được gọi là các siêu micron (ultramicron): hệ keo. Các hạt siêu micron lại chia thành: submicron và amicron. Submicron là những hạt có kích thước từ 5mμ đến 0,2mμ(5 milimicromet đến 0,2 micromet = 5nm đến 200nm), có thể nhìn thấy dưới kính siêu vi. Amicron có kích thước nhỏ hơn 5 mμ mà kính siêu vi cũng không phát hiện được. Dựa vào kích thước của các phần tử của pha phân tán người ta chia ra các hệ phân tán như sau: Hệ phân tán thô (có kích thước hạt khoảng 10 − 4 cm); Hệ phân tán trung bình (có kích thước hạt trong khoảng 10 − 5 − 10 − 4 cm); Hệ phân tán cao (có kích thước hạt trong khoảng 10 − 7 − 10 − 5 cm, còn gọi là hệ keo); Dung dịch (còn gọi là dung dịch thực, có kích thước hạt nhỏ hơn 10 − 7 cm, đây là kích thước của phân tử hay ion). Hệ phân tán thô (như huyền phù, nhũ tương) khác với hệ phân tán keo ở chỗ: pha phân tán sa lắng hay tách lớp nhanh dưới ảnh hưởng của trọng trường, không lọt được qua giấy lọc, có thể quan sát được dưới kính hiển vi thường. Cách này phiến diện vì dựa theo độ phân tán chỉ là một trong những yếu tố xác định tính chất của hệ keo; kích thước các hạt chứa trong hệ keo có thể thay đổi do hiện tượng tập hợp thường xảy ra trong các hệ phân tán. Mặt khác những hệ thường gặp không phải là hệ đơn phân tán, mà đối với các hệ đa phân tán, cách phân loại này không áp dụng được . Phân loại theo trạng thái tập hợp của pha phân tán và môi trường phân tán Cách này do Ostwald đề nghị và được sử dụng phổ biến hơn cả. Ta thấy rằng 3 trạng thái tập hợp của vật chất là rắn (R), lỏng (L), và khí (K) có thể tạo thành 9 loại hệ khác nhau. Trong đó trừ hệ khí- khí là hệ phân tán phân tử, còn lại có thể có 8 hệ phân tán dị thể Pha phân tán Môi trường phân tán Ký hiệu hệ Tên hệ 6/78 Khí Khí K/K Hệ đồng thể (không thể tạo nên hệ keo) Lỏng Khí L/K Rắn Khí R/K Keo khí (Sương mù , mây ) Khí Lỏng K/L Keo khí, khói, bụi Lỏng Lỏng L/L Nhũ tương khí, bọt Rắn Lỏng R/L Dung dịch keo, nhũ tương Khí Rắn K/R Dung dịch keo, huyền phù Lỏng Rắn L/R Bọt rắn , vật xốp Rắn Rắn R/R Nhũ tương rắn , Gel xốp, Keo rắn , Hợp kim - Qui ước mọi hệ ứng với độ phân tán keo có tên là sol, từ air để chỉ môi trường khí, từ lyo để chỉ môi trường lỏng (tiếng Hy lạp lyos là lỏng). Vì vậy hệ R/K, L/K đều được gọi là airosol; hệ K/L, L/L, R/L có tên là lyosol, tùy theo bản chất môi trường từ lyo được thay bằng tên môi trường phân tán tương ứng (ví dụ như hydrosol, alcosol, etersol, benzosol ). Danh từ organosol để chỉ chung những sol có môi trường phân tán lỏng là dung môi hữu cơ. - Các hệ phân tán dị thể thô: pha phân tán rắn trong môi trường phân tán lỏng (hệ R/ L) có tên là huyền phù; hệ L/L có tên là nhũ tương. Cách phân loại này thích hợp để khảo sát tính đa dụng của các hệ keo, và ngày nay có vẻ thích hợp nhất, song nó cũng có nhược điểm. Theo sự giảm kích thước hạt thì sự khác nhau về trạng thái tập hợp pha phân tán trong các hệ dần mất đi. Thực nghiệm cũng cho thấy đối với những hệ phân tán cao có pha phân tán lỏng và rắn thì tính chất của chúng rất giống nhau. Phân loại theo cường độ tương tác giữa pha phân tán và môi trường phân tán Zigmondy đề nghị, dựa theo khả năng của chất kết tủa khô (có được bằng cách làm bay hơi cẩn thận môi trường phân tán) có thể hòa tan trở lại vào môi trường phân tán nguyên chất hay không. Cách phân loại này chỉ dùng với hệ có môi trường phân tán lỏng. - Những hệ mà chất kết tủa khô không có khả năng tự ý phân tán vào môi trường phân tán gọi là hệ keo bất thuận nghịch, còn gọi là hệ keo kỵ lỏng 7/78 - Những hệ mà chất kết tủa khô khi cho tiếp xúc với môi trường phân tán lúc đầu trương lên, sau đó tự ý hòa tan để tạo trở lại hệ giống như khi chưa bay hơi dung môi gọi là hệ keo thuận nghịch, còn gọi là hệ keo ưa lỏng. Ví dụ: Hệ keo bất thuận nghịch: hydrosol AgI, hydrosol As 2 S 3 . Hệ keo thuận nghịch: dung dịch gelatin trong nước, cao su trong benzen. Phân loại theo sự tương tác giữa các hạt Các hệ phân tán được chia ra là hệ phân tán tự do và hệ phân tán liên kết - Hệ phân tán tự do là những hệ không có cấu thể, các hạt của pha phân tán không liên kết nhau, độc lập di chuyển trong môi trường phân tán dưới ảnh hưởng của chuyển động nhiệt hay của lực trọng trường. Do đó các hệ này không gây trở ngại đến lực chuyển dịch, có tính chảy và có mọi tính chất đặc trưng của chất lỏng bình thường. Thuộc loại hệ này là các lyosol, airosol, nhũ tương và huyền phù khá loãng. - Hệ phân tán liên kết là những hệ trong đó các hạt liên kết với nhau nhờ lực phân tử tạo nên trong môi trường phân tán một lưới hoặc khung không gian đặc biệt gọi là cấu thể. Các hạt tạo nên cấu thể không di chuyển tự do, chỉ có thể dao động. Thuộc loại hệ này là các huyền phù đậm đặc (bột ngào), nhũ tương đậm đặc, các gel * Gel là các hệ được tạo thành từ các sol khi mất tính bền vững.Quá trình chuyển solthành gel gọi là sự tạo gel. Sự tạo gel luôn làm tăng nồng độ của pha phân tán trong hệ. Các hệ phân tán liên kết phần nào có mang tính chất của chất rắn, nhưng không nên lẫn với các hệ có môi trường phân tán rắn (trong hệ có môi trường phân tán rắn các hạt không chuyển dịch tự do được vì môi trường phân tán có độ nhớt cực kỳ lớn, còn trong hệ phân tán liên kết các hạt không chuyển dịch tự do được vì các hạt liên kết thành cấu tử). Cách phân loại này áp dụng tốt cho các dung dịch chất cao phân tử. Ý nghĩa của các hệ keo và các quá trình keo trong tự nhiên và kỹ thuật Các hệ keo rất phổ biến trong tự nhiên. Chúng có ý nghĩa to lớn trong kỹ thuật hiện đại; có liên quan đến hoạt động thực tế của con người. Sao chổi là một đám mây khí-bụi, chính là một hệ keo khổng lồ. Ánh sáng đặc trưng của sao chổi là do sự phân tán ánh sáng mặt trời.Vấn đề cấu tạo của thái dương hệ hoặc vấn đề tạo thành hành tinh trong thiên hà cũng có quan hệ trực tiếp đến các hiện tượng 8/78 [...]... chất dẻo, các quá trình keo có vai trò không nhỏ, ví dụ như quá trình trùng hợp nhũ tương thu được nhựa lỏng latex, quá trình thêm chất độn, chất phụ gia, chất hóa dẻo … vào chất dẻo Một số quá trình khác như khử nước trong dầu mỏ, phá vỡ huyền phù nước mà khi chế tạo cần rửa bằng nước, làm sạch nước, làm sạch khí đều là những quá trình keo Trong nghiên cứu cũng như trong công nghiệp hóa học, chất xúc... trạng thái keo có những tính chất đặc biệt, ví dụ như keo bạc có tính chất sát trùng (conlacgon) là keo Ag trong dung dịch chất bảo vệ (ví dụ dung dịch gelatin) 9/78 Đa số quá trình kỹ thuật của ngành thực phẩm về cơ bản là quá trình keo. Trong chế biến thực phẩm, làm bánh mì, bánh xốp, bánh bao, khi làm bột ngào, hiện tượng trương nở có ý nghĩa to lớn, còn khi nướng và hấp bánh thì hiện tượng keo tụ có... chính là quá trình nhũ tương hóa Trong ngành sản xuất sữa, việc chế tạo sữa chua và phô mai là quá trình keo tụ và teo (hiện tượng ngược lại với sự trương) Việc muối và luộc thịt gắn liền với hiện tượng keo tụ hay đúng hơn, với hiện tượng biến tính của các chất protein (hợp chất cao phân tử) Đối với hợp chất cao phân tử, dung dịch của chúng có nhiều tính chẩt keo dù không phải là hệ keo và cũng được... cation Ca2+ làm keo tụ đất và làm giảm tính ưa nước của đất, do đó bón vôi cho đất để làm giảm khả năng giữ ẩm Trong nền kinh tế quốc dân, ít có ngành sản xuất nào không có liên quan đến các hệ keo và các quá trình keo Ví dụ ngành luyện kim, ngành sản xuất đồ gốm, ngành giấy, ngành nhuộm, công nghiệp cao su tổng hợp, chất nhựa và chất dẻo, ngành sản xuất sơn đều có ứng dụng quá trình keo Trong ngành... hệ keo và quá trình keo có ý nghĩa to lớn trong các hiện tượng thiên văn Mây và sương mù thuộc loại hệ keo L/K, hạt keo trong hệ này (các hạt nước) thường mang điện tích Mưa, sét, bão, trốt cũng được xem là các hiện tượng có liên hệ tới quá trình keo Sự tạo thành đồng bằng ở cửa sông là quá trình keo, trong đó những hạt phù sa lơ lửng trong nước sông sẽ mất tính bền vững, dính kết nhau dưới dạng các... dịch của chúng có nhiều tính chẩt keo dù không phải là hệ keo và cũng được nghiên cứu trong hóa học chất keo Điển hình như cơ thể động vật, thực vật là gồm những dung dịch và gel (thạch) của các chất cao phân tử, nên sinh hóa học và y học gắn liền với hóa học chất keo 10/78 Chương 2: Tính chất bề mặt của hệ keo Tóm tắt Trong các hệ có hai pha trở lên, những hiện tượng xảy ra ở gần bề mặt phân cách... những hệ chứa những hạt có kích thước của hạt keo thì tất cả những đại lượng đó trở nên rất lớn Trong những hệ có sự dư năng lượng tự do có thể tự xảy ra những quá trình dẫn đến sự giảm năng lượng tự do ấy Một trong những quá trình tự xảy ra trên ranh giới phân cách giữa hai pha là quá trình hấp phụ Trước khi khảo sát sự hấp phụ chúng ta cần làm quen với một đại lượng rất quan trọng, đó là sức căng bề... của các hạt keo có biểu hiện của chuyển động nhiệt Qua nghiên cứu thực nghiệm động học, người ta phát hiện hệ keo có những tính chất động học như thẩm thấu, khuếch tán, sa lắng Sự khuếch tán Khuếch tán là quá trình tự san bằng nồng độ trong hệ (để hóa thế của mỗi cấu tử đồng nhất ở mọi điểm trong thể tích hệ), tức là quá trình chuyển chất từ vùng có nồng độ lớn đến vùng có nồng độ nhỏ Quá trình đó tự... cũng như trong công nghiệp hóa học, chất xúc tác dưới dạng keo có tác dụng tăng lên gấp bội so với dạng hạt lớn Nhiều khâu chủ yếu trong kỹ nghệ dược phẩm về cơ bản cũng là những quá trình keo, ví dụ việc chế tạo nhũ tương, kem, cao dán là quá trình phân tán những chất cần thiết vào một môi trường thích hợp Đưa vào cơ thể một chất thuốc dưới dạng keo, trước hết sẽ định xứ được tác dụng của thuốc và sau... mọi quá trình chỉ tự xảy ra theo chiều giảm năng lượng tự do, các quá trình bề mặt cũng vậy, chúng tự diễn ra khi mà ES giảm Điều này có nghĩa quá trình bề mặt sẽ tự xảy ra khi ΔES < 0 tức là σ ΔS < 0 theo một trong hai khuynh hướng: 14/78 • Nếu σ > 0 và không đổi thì phải có ΔS < 0: đó là khi bề mặt của hệ bị giảm xuống, hiện tượng này thường thấy trong sự keo tụ, sự kết tinh lại của hệ keo • Nếu . Giáo trình hóa keo đại cương Biên tập bởi: Huong Ton Nu Lien Giáo trình hóa keo đại cương Biên tập bởi: Huong Ton Nu Lien Các tác giả: unknown Huong. trong các giáo trình về hóa học chất keo. Đối tượng của hóa keo Hóa keo là khoa học về các quá trình hình thành và phá hủy các hệ phân tán, trong đó chú trọng hệ phân tán cao dị thể (hệ keo) ; nghiên. các quá trình keo có vai trò không nhỏ, ví dụ như quá trình trùng hợp nhũ tương thu được nhựa lỏng latex, quá trình thêm chất độn, chất phụ gia, chất hóa dẻo … vào chất dẻo. Một số quá trình khác