Bài: HỆ PHÂN TÁN VÀ ĐỐI TƯỢNG CỦA HÓA LÝ HỌC CÁC HỆ PHÂN TÁN I. Đặc điểm của các hệ phân tán Hóa keo khảo sát những hệ phân tán dị thể đặc biệt được gọi dưới cái tên chung là hệ thống keo. Khoảng giữa thế kỷ thứ 19, Selmi đãa phát hiện một số dung dịch có tính chất đặc biệt như: - Tính phân tán ánh sáng mạnh - Chất tan sẽ kết tủa khi cho dung dịch một lượng nhỏ muối, mặc dù muối không phản ứng với chất tan. Cho đến cuối thế kỷ 19, một số đặc điểm sau đây của dung dịch keo đã được ghi nhận - Khả năng phân tán ánh sáng - Khuếch tán chậm và có khả năng thẩm tích ( khả năng lọc được bằng màng bán thẩm ) - Không bền vững tập hợp: các hật keo dễ tập hợp lại với nhau để thành các hạt lớn hơn dưới tác dụng của điều kiện bên ngoài: nhiệt độ, khuấy, lắc, chất điện ly … và nguyên nhân gây nên tính không bền vững tập hợp là nguyên nhân vật lý. - Thường có hiện tượng điện di Từ những đặc điểm trên, ta thấy hệ keo là một hệ dị thể và thường mang điện tích. II. Độ phân tán Nếu gọi D là độ phân tán thì: Với a là kích thước của hạt ( đối với hạt hình cầu là đường kính d, hình lập phương là chiều dài cạnh l) Người ta cũng có thể dùng bề mặt riêng Sr làm thước đo của hệ phân tán, đó là bề mặt phân chia tướng qui về đơn vị thể tích của tướng phân tán S12: bề mặt phân cách của tướng 1 và 2 V1: thể tích tướng phân tán Với hạt hình cầu: Với hạt hình lập phương: Ta thấy Sr tỷ lệ nghịch với kích` thước của hạt, kích thước hạt càng nhỏ thì D và Sr càng lớn. Hệ chứa những hạt có kích thước gần bằng nhau gọi là hệ đơn phân tán; và hệ chứa những hạt có kích thước khác nhau được gọi là hệ đa phân tán. III. Phân loại các hệ phân tán Cũng như trong nhiều lĩnh vực hoa học khác, trong hóa keo cũng không thể chỉ có một cách phân loại duy nhất dựa trên một tính chất này hay tính chất khác. Do đó ta có thể phân loại các hệ phân tán theo các cách sau: - Phân loại theo độ phân tán - Phân loại theo trạng thái tập hợp - Phân loại theo tương tác giữa tướng phân tán và môi trường phân tán - Phân loại theo tương tác giữa các hạt 1/ Phân loại theo độ phân tán Dựa vào kích thước của các phần tử của tướng phân tán có thể chia các hệ phân tán thành các hệ phân tán thô, trung bình và phân tán cao. 2/ Phân loại theo trạng thái tập hợp Theo Ostwald, nếu căn cứ vào trạng thái tập hợp của vật chất ( 3 trạng thái : khí, lỏng, rắn ) thì hệ keo có thể phân chia thành 9 hệ (bảng ) trong đó tên hệ được ký hiệu theo thứ tự: tướng phân tán / môi trường phân tán. Dựa vào đặc trưng của môi trường phân tán, người ta còn đặt tên các hệ như sau: - Lyosol ( keo lỏng): có môi trường phân tán là chất lỏng, nếu môi trường phân tán là nước thì gọi là Hydrosol, và nếu là dung môi hữu cơ thì gọi là organosol. - Aerosol ( keo khí ): môi trường phân tán là khí. 3/ Phân loại theo tướng phân tán và môi trường phân tán. Sự tương tác giữa tướng và môi trường phân tán phát sinh do lực giữa các phân tử do ranh giới phân chia tướng, tương tác đó có mức độ khác nhau tùy thuộc vào bản chất tướng và môi trường phân tán. Dựa trên đặc điểm tương tác có thể phân chia như sau. - Keo ưa lỏng tương tác giữa tướng và môi trường tương tác khá lớn, từ đó tạo lớp solvat hóa ở trong hệ. Ví dụ như xà phòng, nhiều loại đất xét tự nhiên hòa tan trong nước, các hợp chất cao phân tử được hòa tan trong dung môi thích hợp. - Keo kỵ lỏng tương tác giữa hai tướng yếu 4/ Phân loại theo tương tác giữa các hạt: Dựa trên sự tương tác giữa các phân tử của tướng tương tác để phân loại: - Hệ phân tán tự do: là những hệ trong đó các hạt tồn tại độc lập với nhau. - Hệ phân tán liên kết: hệ gồm những hạt liên kết với nhau bằng những lực phân tử, nên hình thành trong môi trường phân tán một mạng lưới khong gian, các hạt không chuyển động tự domà chỉ chuyển động dao động trong mạng lưới. IV. Ý nghĩa của hệ keo trong tự nhiên và trong kỹ thuật. Bài: CÁC HIỆN TƯỢNG BỀ MẶT VÀ SỰ HẤP PHỤ A. CÁC HIỆN TƯỢNG BỀ MẶT I. Sức căng bề mặt 1/ Định nghĩa: Xét một khối lượng chất lỏng, trong đó các phân tử của chất lỏng được chia thành hai loại: các phân tử A nằm trong lòng chất lỏng và các phân tử B nằm ở ranh giới phân chia tướng lỏng – khí ( hình ) Phân tử A nằm ở trong lòng khối chất lỏng nên lực hút của các phân tử trong hình cầu tác dụng của phân tử A lên phân tử A hướng theo mọi phía và tính trung bình thí chúng cân bằng nhau, do đó lực tương tác tổng hợp của các phân tử chất lỏng lên phân tử A bằng không. Đối với một phân tử nằm gần mặt thoáng ( phân tử B ) thì lại khác, các lực tương hổ tác dụng lên B theo mọi hướng không thể cân bằng nhau và phân tử B chịa một hợp lực hướng vào lòng chất lỏng. Độ lớn của lực này càng tăng khi phân tử B càng tiến gần mặt thoáng. Lực ép các phân tử B vào bên trong được gọi là nội áp. Như vậy các phân tử ở lớp bề mặt có thế năng lớn hơnthế năng của các phân tử nằm bên trong. Phần năng lượng lớn hơn đó gọi là năng lượng bề mặt của chất lỏng. Giá trị của sức căng bề mặt phụ thuộc vào bản chất của mỗi chất, khi tương tc1 giữa các phân tử càng lớn ( càng phân cực ) thì công để thắng lực gây nên nội áp càng lớn do đó sức căng bề mặt càng lớn. Sức căng bề mặt còn phụ thuộc vào bản chất của chất tiêp xúc ( vì lực tương tác giữa hai tướng ), ví dụ sức căng bề mặt của nước trên bề mặt là hơi nước sẽ có giá trị khác với sức căng bề mặt cũng của nước nhưng bề mặt tiếp xúc là benzen. II. Hiện tượng thấm ướt Năng lượng bề mặt của một chất không chỉ phụ thuộc vào bản chất của chính chất đó, mà còn phụ thuộc tính chất của chất tiếp xúc với nó. Trường hợp 3 chất tiếp xúc nhau là: rắn, lỏng, khí thì toàn hệ sẽ có cau61 hình sao cho thế năng toàn phần là cực tiểu, chính đặc trưng đó đã xác định mức độ thấm ước vật rắn này hay vật rắn khác bởi chất lỏng và có thể giải thích hiện tượng bằng tác dụng của sức căng bề mặt. Ta hãy xem một ví dụ về sự thấm ước sau đây: Hình : giọt chất lỏng tiếp xúc với tướng rắn và khí. Chu vi giọt chất lỏng là giới hạn tương tác của ba môi trường: lỏng, không khí và rắn, chúng tạo thành từng cặp phân cách: lỏng –không khí ( lk ), không khí – rắn ( rk ), và lỏng – rắn ( rl ). Quá trình thấm ước của hệ chỉ xảy ra khi năng lượng tự do của hệ giảm xuống. Năng lượng tự do giảm càng nhiều thì quá trình thấm ước càng tốt. Độ thấm ước được đo bằng góc thấm ước, là góc được hình thành giữa tiếp tuyến của giọt chất lỏng tại điểm tiếp xúc giữa 3 tướng rắn, lỏng và không khí với bề mặt của tướng rắn. Khi thấm ước các phân tử trong giọt chất lỏng sẽ chuyển động lan trên bề mặt của tướng rắn theo khuynh hướng thay thế bề mặt tiếp xúc giữa rắn – khí có sức căng bề mặt lớn bằng bề mặt tiếp xúc rắn - lỏng có sức căng bề mặt nhỏ. Như vậy là hệ giảm sức căng bề mặt, khi cân bằng được thiết lập, quá trình dừng lại, tại biên giới tiếp xúc của 3 tướng có cân bằng lực như sau: Vì: θ Є [ o, 180 o ] nên cosθ Є [-1,1 ] Chất lỏng thấm ướt hoàn toàn khi θ = 0 hay cosθ = 1 và hoàn toàn không thấm ướt khi θ= 180 o hay cosθ =-1. Do đó chất cosθ càng lớn thì chất lỏng thấm ướt bề mặt rắn càng tốt, xét hệ thức, ta thấy muốn cosθ lớn thì rk phải càng lớn lk, rl càng nhỏ. Những bề mặt thấm ướt tốt (cosθ>0 ) được gọi là bề mặt ưa lỏng, trái lại nếu bề mặt có cosθ<0 được gọi là bề mặt kỵ lỏng. Ta có thể chuyển một bề mặt kỵ lỏng sang ưa lỏng hay ngược lại; ví dụ: tạo ra một lớp hấp phụ trên bề mặt rắn để thay đổi sức căng bề mặt giữa rắn và lỏng. Nếu sức căng bề mặt mới này nhỏ đi thì hệ trở thành thấm ướt tốt hơn, bề mặt trở thành ưa lỏng hơn, ngược lại bề mặt trở thành kỵ lỏng hơn. B. SỰ HẤP PHỤ Một số khái niệm và định nghĩa 1/Định nghĩa: Mọi quá trình tập trung chất lên bề mặt phân chia tướng được gọi là sự hấp phụ Thí dụ: khi cho than tiếp xúc với O 2 thì than sẽ hút O 2 làm khí O 2 tập trung trên bề mặt nó, ta nói than hấp phụ O 2 . Người ta phân biệt giữa chất hập phụ là tướng rắn hay lỏng thu hút và giữ ở bề mặt của mình những chất bị hấp phụ như ion, nguyên tử, phân tử … Đồng thời với quá trình hấp phụ có thể xảy ra quá trình hấp thu là quá trình thu hút vòa sâu bên trong thể tích tướng. Trong bài này chúng ta chỉ xét đến hiện tượng phụ vì nó liên quan đến trạng thái bề mặt của hệ dị thể. 2/Phân loại hấp phụ Người ta phân làm hai loại hấp phụ: hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học . Trongsự hấp phụ vật lý, chất bị hấp phụ tương tác với bề mặt chất hấp phụ bởi những lực vật lý (như lực hút Van der Waals) và không có sự trao đổi điện tử giữa hai chất này. Ngược lại trong sự hấp phụ hóa học, liên kết sẽ được hình thành giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ. Chúng ta có thể phân biệt giữa 2 loại hấp phụ vật lý và hóa học trên những cơ sở sau: - Giá trị của năng lượng hoạt hóa - Nhiệt độ hấp phụ - Số lớp hấp phụ - Tính đặc thù II. SỰ HẤP PHỤ KHÍ VÀ HƠI TRÊN CHẤT HẤP PHỤ RẮN Sự hấp phụ của chất khí vào bề mặt rắn là một trong những dạng đơn giản nhất của quá trình hấp phụ, vì có thể thực hiện quá trình mà chất bị hấp phụ chỉ gồm một cấu tử, do đó quá trình không bị phức tạp hóa do sự có mặt của cấu tử thứ hai. Sự hấp phụ ở đây được đánh giá bằng lượng khí bay hơi (tính theo mol) bị hấp phụ trong một khối lượng, x (mol/g). Ngoài ra, người ta còn sử dụng đại lượng thể tích ở điều kịên các giá trị chuẩn: X hay V có thể xác định bằng thực nghiệm. Độ hấp phụ x là một hàm của hai thông số x = f(P,T). Giản đồ hấp phụ được biểu diễn theo các đường đẳng nhiệt ( T = const ), và đẳng áp ( P = const ). Thông thườngđường đẳng nhiệt được sử dụng nhiều nhất. Hình 1/ phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Freunlich Đường hấp phụ đẳng nhiệt gần với dạng parapol do đó đường Freunlich đề nghị phương trình thực nghiệm: x = b.p 1/n Trong đó: x: độ hấp phụ p: áp suất khí cân bằng trên chất hấp phụ b và n là các hằng số Từ phương trình, ta có thể rút ra phương trình đường thẳng Dựu vào số liệu thực nghiệm, xây dựng đồ thị với trục tung là logx và trục hoành là log p, ta có thể xác định được các hằng số b và 1/n Phương trình Freunlich chỉ thích hợp trong khoảng áp suất trung bình. Dạng phương trình này cũng có thể sử dụng trong trường hợp hấp phụ các chất trên bề mặt phân chia lỏng - rắn, và lúc đó áp suất pđược thay bằng nống độ C. 2/ Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir Theo Langmuir, trên bề mặt chất hấp phụ rắn có trương lực hóa trị chưa bão hòa vì vậy tại dây sẽ hình thành những trung tâm hấp phụ. Lực hấp phụ có bán kính tác dụng nhỏ, là lực có bản chất gần như lực hóa trị, nên mỗi trung tâm chỉ giữ 1 phân tử chất bị hấp phụ và trên bề mặt tạo ra một lớp đơn phân tửchất bị hấp phụ. Các phân tử chất bị hấp phụ này chỉ tương tác với bề mặt chất hấp phụ mà không tương tác và ảnh hưởng đến các phân tử khác. Để thiết lập phương trình hấp phụ, Langmuir đưa ra các giả định sau: - Bề mặt đồng nhất về mặt năng lượng - Các chất bị hấp phụ hình thành một lớp đơn phân tử - Sự hấp phụ là thuận nghịch, phân tử chỉ giữ trên bề mặt hấp phụ trong một thời gian hất định, sau đó chúng bị dứt ra khỏi bề mặt và chuyển vào tướng khí. Tại vị trí cũ lại hấp phụ một phân tử chất khí mới. Khi trong một đơn vị thời gian, số phân tử hấp phụ vào bề mặt bằng số phân tử rời khỏi bề mặt, ta có cân bằng hấp phụ. Tương tác giữa các phân tử có thể bỏ qua. Bằng con đường động học Langmuir đã đưa ra một phương trình hấp phụ đẳng nhiệt mang tên ông. Gọi p là áp suất khí, θ là phần bề mặt tại thời điểm nào đó bị phân tử khí chiếm, phần bề mặt còn trống sẽ là 1 – θ. Để sự hấp phụ xảy ra các phân tử khí phải va chạm vào phần bề mặt còn trống, do đó tốc độ hấp phụ giảm (V↓) sẽ tỷ lệ với áp suất và phần bề mặt còn trống đó. V↓ = k 1 .p.(1- θ) Còn tốc độ phản ứng hấp phụ (V↓) sẽ tỷ lệ với bề mặt bị che phủ. V↓ = k 1 . θ Khi cân bằng hấp phụ được hình thành: V↓ = V↑ Ta sẽ có: 3/ Phương trình hấp phụ BET ( Brunauer – Emmett - Teller) Khi nghiên cứu sự hấp phụ hơi trên bề mặt rắn, trong nhiều trường hợp người ta thấy đường đẳng nhiệt hấp phụ có dạng chữ S Đường biểu diễn cho thấy sau khi đạt đến đoạn nằm ngang đúng với lúc hấp phụ đơn phân tử đã bảo hòa thì độ hấp phụ còn tăng nữa, như thế phải có thêm các lớp hấp phụ chồng chất lên lớp đầu tiên. Trong trường hợp này chất hấp phụ không thể là đơn phân tử mà là lớp đa phân tử. Các tác giả Brunauer – Emmett – Teller ( viết tắc BET ) bằng con đường nhiệt động học, đã đưa ra phương trình hấp phụ đẳng nhiệt dựa vào các quan điểm sau: - Hấp phụ vật lý tạo thành nhiều lớp phân tử - Lớp đầu tiên của chất bị hấp phụ hình thành do kết quả tương tác lực Van der Waals giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ, các lớp tiếp theo được hình thành do sự ngưng tụ khí,nhiệt hấp phụ lớp thứ hai và tác cả các lớp tiếp theo thì bằng nhau và bằng nhiệt hóa lỏng của khí, trong khi nhiệt hấp phụ lớp thứ nhất thì lại khác. - Các phân tử chất bị hấp phụ chỉ tương tác với phân tử lớp trước và sau nó mà không tương tác với phân tử bên cạnh. Phương trình BET được tìm có dạng như sau: Với: po: áp suất hơi bão hòa V: thể tích khí hấp phụ ở áp suất p Vm: thể tích khí bị hấp phụ ở lớp thứ nhất ( lớp đơn phân tử ) C: thừa số năng lượng ( C = e ∆q/RT , với ∆q là hiệu số` nhiệt hấp phụ khí trong lớp đơn phân tử và nhiệt hóa lỏng). Đồ thị theo p/po là một đường thẳng, từ đó có thể xác định Vm và C. Biết Vm, ta có thể tính được bề mặt hấp phụ. Trong đó: N: số Avogadro Wm: bề mặt chiếm bởi một phân tử chất bị hấp phụ ở lớp đơn phân tử. V o : thể tích của 1 mol khí ở điều kiện chuẩn ( 22400cm3/mol ) 4/ Hiện tượng ngưng tụ mao quản Sự hấp phụ đa phân tử được đặc trưng bởi đường đường hấp phụ đẳng nhiệt hình chữ S, tuy nhiên khi chất hấp phụ là xốp, đường hấp phụ đẳng nhiệt cũng có dạng hình chữ S. Hiện tượng này có được là do sự ngưng tụ hơi của chất bị hấp phụ trong các mao quản của chất bị hấp phụ xốp diễn ra tiếp theo sau sự hấp phụ và được gọi là sự ngưng tụ mao quản. Do kết quả của sự hấp phụ ( thông thường) màng mỏng chất bị hấp phụ hình thành trong mao quản hẹp, nếu chất bị hấp phụ thấm ướt thành mao quản thì sẽ tạo thành mặt cong lõm trong các mao quản hẹp. Hơi chất bị hấp phụ bây giờ bắt đầu ngưng tụ trên mặt cong đó ( do áp suất hơi cân bằng p trên bề mặt cong lõm nhỏ hơn áp suất hơi bão hòa po trên bề mặt phẳng) V. SỰ HẤP PHỤ TRÊN RANH GIỚI DUNG DỊCH LỎNG – KHÍ 1/ Các chất hoạt động bề mặt Trong dung dịch sự phân bố chất tan và nồng dộ chất tan có ảnh hưởng lớn tới SCBM của dung dịch. Gọi  o là SCBM của dung môitinh chất, c là sức căng bề mặt của dung môi có nồng độ C. Khi hòa tan một chất vào dung môi, ta có các trường hợp sau đây xảy ra: a/  c > o : đây là trường hợp của dung dịch các chất điện ly tương tác mạnh với các phân tử của dung môi ( hiện tượng Solvat hóa ), do đó được kéo sâu vào trong thể tích của hệ. Hậu quả là nồng độ chất tan ở bề mặt nhỏ hơn trong thể tích. b/  c = o : đây là trường hợp của một số ít phân tử mà sự phân bố chất tan của các lớp bề mặt cũng như trong thể tích của hệ bằng nhau. Cả hai trường hợp trên, chất tan hoặc làm tăng SCBM của hệ ( d=  c -  o >0 ) hoặc làm thay đổi SCBM của nó ( d =0 ), và được gọi là chất không hoạt động bề mặt. c/  c < o : Đât là trường hợp chất tan được gọi là chất hoạt động bề mặt (HĐBM) sự làm giảm SCBM của những chất này là do cấu trúc nội tại của phân tử những chất đó. Phân tử những chat61 này gồm hai phần: - Gốc không phận cực: dây Hidrocacbon R - Nhóm định chức phân cực: -OH, -COOH, -NO2, -NH2, -Cl … Gốc Hidrocacbon là phần kỵ nước ( nhưng ưa dầu ) còn nhóm định chức là phần ưa nước của các phân tử chất HĐBM. Do gốc Hidrocacbon không tương tác với phân tử nước nên sự có mặt của các chất HĐBM trong nước sẽ làm yếu tương tác giữa các phân dung môi. Những chất này phân bố ở bề mặt nhiều hơn trong thể tích của hệ. Thường người ta biểu diễn các phân tử chất HĐBM như sau: , vòng tròn biểu diễn nhóm chức phân cực và đoạn thẳng là gốc không phân cực. Như vậy, chất HĐBM là những axit hay bazơ hữu cơ, những dẫn xuất halogen … Gốc kỵ nước hidrocacabon bị đẩy vào môi trường không phân cực, còn nhóm ưa nước thì nằm trong môi trường môi trường nước. (Hình) Hình : sự phân bố Chất hoạt động bề mặt trong nước 2/ Qui tắc Traube Khả năng làm giảm SCBM dung dịch của chất HĐBM phụ thuộc vào chiều dài dây Hidrocacbon và được đặc trưng bằng một đại lượnggọi là tính hoạt động bề mặt G của chất tan. Năm 1884 Traube đưa ra một qui tắc thực nghiệm: Tính HĐBM (G) của các axit hữu cơ no trong nước trong một dãy đồng đẳng tăng lên theo số cacbon, trung bình cho mỗi cacbon tăng từ 3 đến 3,5 lần. Thật vậy, khi tăng độ dài mạch, độ hòa tan của axit béo trong nước sẽ giảm và do đó xu hướng chuyển phân tử từ dung dịch lên bề mặt sẽ tăng. Tuy nhiên quitắc Traube chỉ đúng cho trường hợp dung môi là nước ( môi trường rất phân cực ). Với dung môi không phân cực, khi tăng mạch cacbon, tíng hòa tan của chất HĐBM sẽ gia tăng và có xu hướng đi sâu vào dung dịch. BÀI: CÁC CHẤT BÁN KEO I. KHÁI NIỆM CHẤT BÁN KEO Tất cả những hệ với môi trường phân tán lỏng khảo sát trong các chương trước đều là hệ keo trong điều kiện tồn tại thông thường của chúng. Trong giới hạn nồng độ, nhiệt độ và áp suất bình thường của chúng, những hệ này là những hệ dị thể và không bền vững nhiệt động học. Tuy nhiên, có những hệ mà trong điều kiện này thì có thể là dung dịch thật còn trong điều kiện khác là sol hay gelvà chúng có tấc cả các trạng thái trung gian giữa các hệ này. Giữa các trạng thái này có sự chuyển tiếp liên tục và thuận nghịch ứng với cân bằng nhiệt động: Dung dịch thật ↔ sol ↔ gel Hệ như thế được gọi là hệ bán keo ( dung dịch của xà phòng, ta – nanh và một số phẩm màu ), muốn hệ chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác chỉ cần thay đổi nồng độ tướng 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 mixen ( micelle), Mixen là tập hợp của vô số các phân tử, phần lớn các phân tử cùng loại. Mixen tồn tại lâu dài, và chỉ khi nào hệ chuyển sang trạng thái khác thì Mixen mới không còn nữa. Mixen được tạo thành từ các phân tử trong những điều kiện nhất định, nhưng sự chuyển từ phân tử vào mixen không bao giờ xảy ra hoàn toàn, trong hệ chứa mixen bao giờ cũng tồn tại một số phân tử của tướng phân tán. Sau đây chúng ta khảo sát một số tính chất và nêu lên ý nghĩa thực tế của hệ bán keo, điển hình là dung dịch nước của xà phòng, vì xà phòng có ứng dụng lớn trong đời sống và kỹ thuật. Ngoài ra chúng ta sẽ tìm hiểu ngắn gọn một vài đặc điểm của dung dịch Ta-nanh và phẩm màu. II. ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI XÀ PHÒNG 1/ Định nghĩa: a/ Nghĩa hẹp: là muối của mono axit béo có phân tử tương đối lớn có tính hoạt động bề mặt và do đó có nhiều tính chất kỹ thuật quan trọng, trước hết là có tác dụng tẩy rửa. b/ Nghĩa rộng: thông thường người ta gọi xà phòng là tấc cả các hợp chất có cấu tạo phân tử, tính chất hóa lý cũng như tính chất kỹ thuật tương tự như xà phòng có nguồn gốc từ axit béo. Đôi khi các chất này còn gọi là chất tẩy rửa. 2/ Cấu tạo và phân loại xà phòng Phân tử xà phòng được cấu tạo bởi hai phần: + Phần ưa nước ( phân cực ): thường là các nhóm cacboxyl (-COOH), sulfat (-OSO 3 ), sulfonat (-SO 3 ), các nhóm chứa nitơ và nhóm –CH 2 -O-CH 2 - kèm theo nhóm –OH. Phần kỵ nước (không phân cực): là các mạch parafin thẳng hoặc nhánh (R), vòng Benzen hoặc Naptalen. Phần ưa nước có thể nằm ở một đầu hoạc ở hai đầu, hoặc ở giữa phân tử. Theo cấu tạo phân tử, xà phòng được chia làm 4 nhóm sau đây: a/ Xà phòng hoạt tính Anion. Phân tử của các chất này có một hoặc vài nhóm chức. Khi hòa tan trong nước các nhóm chức có khả năng phân ly thành cation kim loại và anion hữu cơ, quyết định tính hòa tan của xà phòng. Ví dụ: C 17 H3 5 COONa: xà phòng sterat natri. CnH 2n+1 C 6 H 4 SO 3 M: xà phòng alkylaryyl sufonat. CnH 2n+1 SO 3 M: xà phòng alkylsufonat Với M là các cation hóa trị I (Na + , K + , NH4 + ) b/ Xà phòng hoạt tính cation. Phân tử của các chất này có một hoặc một vài nhóm chức, khi hòa tan trong nước các nhóm chức đó phân ly thành anion vô cơ và các cation hữu cơ, quyết định tính hòa tan và các tính chất khác. Ví dụ: C 18 H 37 NH 3 + Cl - : octadexylamonium clorua C 16 H 33 N + C6H 5 Cl - : cetylpiridinium clorua C 16 H 33 (CH 3 ) 3 N + Cl: cetyltrimetyl amonium clorua c/ Xà phòng lưỡng tính các nhóm chức của chất này, tùy thuộc vào PH của môi trường, trong dung dịch nước sẽ phân ly thành anion hay cation. Nếu môi trường axit, chúng sẽ có hoạt tiính cation nếu môi trường bazơ, chúng sẽ có hoạt tính anion. Ví dụ: C 12 H 25 -NH-CH 2 -COOH: lauryl-β-amino-propionic-cid d/ Xà phòng không ion: Các chất này trong dung dịch nước không tạo thành ion. Ví dụ: C n H 2n+1 (O 2 CHCH 2 ) n OH III. TÍNH CHẤT HÓA LÝ CỦA XÀ PHÒNG 1/ Tính hòa tan trong nước Tính hòa tan phụ thuộc vào các yếu tố sau: - Bản chất và vị trí nhóm ưa nước. - Chiều dài mạch Hidrocacbon - Nhiệt độ - Bản chất cation kim loại Các xà phòng là muối của mono axit béo có từ 10 đến 22 nguyên tử cacbon trong phân tử. Các công trình nguyên cứu cho thấy các xà phòng anion có thể tồn tại trong dung dịch dưới dạng các phân tử không ionhóa (RCOOM), các ion (RCOOM + ), axit béo (RCOOH), và dưới dạng tập hợp (xRCOOMyRCOOHzRCOO - M + ). Khi M là kim loại kiềm (như Natri) thì tính hòa tan trong nước của RCOOM tốt hơn là trong trường hợp M có hóa trị cao (Ca, Mg). 2/ Tính hoạt động bề mặt Nước có sức căng bề mặt rất lớn, khi hòa tan xà phòng vào nước, sức căng bề mặt của nước giảm. Lúc này, nồng độ của xà phòng trên bề mặt lớn hơn trong thể tích dung dịch, ta nói xà phòng hấp thụ dương. Một lớp hấp thụ định hướng đã được hình thành trên bề mặt: nhóm phân cực ưa nước quay vào nước, và phần hidrocacbon kỵ nước sẽ quay ra ngoài. Hình : Sơ đồ cấu tạo lớp định hương trên bề mặt xà phòng trong nước Nhờ có lớp hấp phụ đó mà sức căng bề mặt của nước giảm vì bề mặt phận cách nước - không khí được thay thế bằng bề mặt hidrocacbon – không khí. Xà phòng như vậy đều là những chất hoạt động bề mặt. Tính hoạt động bề mặt của chúng do bản chất nhóm phân cực và chiều dài mạch hidrocacbon quyết định. Xà phòng không những làm giảm sức căng bề mặt giữa các tướng ( bề mặt lỏng – lỏng và bề mặt lỏng – rắn). Ta có:  AB =  A -  B (X.I) Với  AB : Sức căng bề mặt giữa hai tướng  A : Sức căng bề mặt của chất A trong không khí  B : Sức căng bề mặt của chất B trong không khí Ví dụ hai chất lỏng là nước (A) và dầu (B) thì SCBM giữa hai tướng sẽ giảm khi ta tăng thêm xà phòng vào hỗn hợp trên. 3/ Khả năng thấm ướt Sự thấm ướt rất quan trọng đối với quá trình tẩy rửa. Ta đã biết bề mặt ưa nước như: thủy tinh, Xenluloz … thấm ướt nước rất tốt; còn bề mặt kỵ nước như dấu mở, parafin … thì thấm ướt kém. Vải sợi thấm ướt nước dể, nhưng nước lại khó thấm sâu vào bên trong vì sức căng bề mặt nước lớn, nhất là khi vải sợi bị giây bẩn bởi dấu mở. Vì thế dùng xà phòng để làm giảm sức căng bề mặt của nước và sức căng bề mặt của vải sợi và nước. Sự thấm ướt của vải sợi phải tuân theo phương trình thấm ướt đã biết:  R-K =  R-L +  L-K Cos θ (XI.2) Trong đó ký hiệu R, L, K là tướng rắn, lỏng và khí còn θ là góc thấm ướt. Khi thêm xà phòng vào dung dịch thì  R-L và  L-K sẽ giảm do đó cos θ tăng, nghĩa là khả năng thấm ướt tăng. Khả năng thấm ướt còn ohụ thuộc vào nồng độ của xà phòng, nhiệt độ, vị trí và bản chất của nhóm phân cực, độ dài và cấu tạo của mạch hidrocacbon. 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 làm giảm sức căng bề mặt giữa hai tướng dầu- nước do đó làm cho sự nhủ hóa xảy ra dễ dàng, rồi sau đó ổn định nhũ tương. Trong quá trình tẩy rửa, ccác chất bẩn được tách khỏi vải sợi và giữ trong dung dịch bằng cách nhũ hóa bởi xà phòng. 5/ Khả năng tạo bọt Bọt cũng là một hệ không bền vững. Sự tạo bọt kèm theo sự tăng bề mặt phân cách lỏng khí rất lớn, vì thế sự tạo bọt chỉ có thể tạo ra khi sức căng bề mặt của hệ nhỏ. Điều này thể hiện bằng cách thêm xà phòng vào nước. Nước tinh khiết không tạo bọt mà chỉ có nước chứa xà phòng mới tạo bọt. Trong quá trình tẩy rửa, bọt cũng góp phần trong việc tách và giữ chất bẩn trong nước giặt. 6/ Khả năng tạo Mixen Trong dung dịch xà phòng có thể tồn tại dạng ion phân tử hoạc Mixen. Mixen là tập hợp các phân tử xà phòng phân ly hoặc không phân ly. [...]... phân tử của chat61 hữu c: khả năng hòa tan keo giảm khi kích thước phân tử chất hữu cơ tăng Theo quan điểm hiện đại thì sự hòa tan keo là sự hòa tan các chất hữu cơ trong phần hidrocacbon của mixenluôn luôn có mặt trong các dung dịch của xà phòng khà đậm đặc Trong sự hòa tan keo, chất hữu cơ đi vào trong Mixen , phân bố giữa các phấn hidrocacboncủa xà phòng và do đó làm dãn khoảng cách giữa 2 lớp phân. .. rửa của xà phòng liên quan đến nhiều yếu tố: a/ Khi có mặt xà phòng trong nước thì sức căng bề mặt giảm, do đó làm tăng tính thấm ướt của vải sợiđối với chất lỏng tẩy rửa Sự giảm làm súc tiến sự xâm nhập của chất lỏng vào các mao quản của vải, nơi mà nước tinh khiết không đi vào được Các phân tử xà phòng hấp phụ lên bề mặt vải sợitrên các hạt chất bẩn rắn hay lỏng tạo nên một lớp chất hấp phụ hidrat hóa, làm... tăng nồng độ xà phòng Sau nữa, sự có mặt của các ion điện ly thêm vào làm cho các phân tử xà phòng điện ly kém, nên chúng dễ liên kết lại để tạo thành Mixen Xà phòng có khả năng tạo thành Mixen không những trong dung dịch nước mà cả khi hòa tan chúng trong môi trường Hidrocacbon Trong trường hợp này, các phân tử trong mixen sẽ quay nhóm phân cực vào trong và hướng các mạch hidrocacbon về phía dung môi... nước vào dầu mở, đó là sự hòa tan keo nghịch Hiện tượng này có ý nghĩa lớn trong kỹ nghệ thực phẩm 8/ Khả năng tẩy rửa Khả năng tẩy rửa là tổng hợp các tính chất đặc trưng của xà phòng như khả năng thấm ướt, khả năng nhũ hóa … Như ta biết, sự tách các chất bẩn rắn, lỏng ra khỏi bề mặt của vvải sợi bằng nước rất khó khăn, ngay cả nhiệt độ cao và tác động cơ học mạnh mẽ Nhưng quá trình đó xảy ra tương đối. .. độ phân cực trung gian giữa nước và hidrocacbon nên sẽ là dung môi hòa tan cả phần phân cực và phần pkhông phân cực của xà phòng 7/ Khả năng hòa tan keo Nhiều chất hữu cơ không tan trong nước, nhưng lại có khả năng hòa tan trong dung dịch xà phòng khá đậm đặc và tạo thành các dung dịch gần như trong suốt, đặc trưng cho tính cân bằng nhiệt động Khả năng hòa tan của keo phụ thuộc vào: -Trọng lượng phân. .. hiện áp suất chẻ, tác dụng này làm các hạt bẩn dễ tách ra khỏi bề mặt vải sợi và chuyển chúng vào chất lỏng tẩy rửa Hình : Cơ chế tác dụng tẩy rửa a Hạt bẩn dính trên vải b Sự hấp phụ các phân tử xà phòng trên hạt bẩn c Hạt bẩn đi vào dung dịch xà phòng c/ Các màng hấp phụ trên bề mặt hạt bẩn làm cho các hạt này có độ bền vững tập hợp cao và ngăn chúng liên kết trở lạivào bề mặt vải sợi ở chỗ khác d/... của quan điểm này được xác định nhờ việc nghiên cứa bằng tia Roentgen Hiện tượng hòa tan keo rất quan trọng trong sự polime hóa các hidrocacbon chưa no ( các vinyl monome) bằng phương pháp nhủ tương để chế tạo chất dẻo Các công trình nghiên cứu cho thấy quá trình trùng hợp diễn ra không phải trong các hạt vinyl monome mà là bên trong hoặc bên trong bề mặt Mixen xà phòng, nơi có sự hòa tan keo của các. .. theo hai hướng và có thể có kích thước vô cùng lớn theo hai hướng đó Mixen tấm tích điện thấp hơn Mixen cầu vì nồng độ cao sự điện ly khó khăn hơn Trong dung dịch các Mixen tấm nằm song song với nhau và quay bề mặt có các nhóm phân cực vào nhau Tại NTM, các tính chất của xà phòng như: sức căng bề mặt, độ nhớt, độ dẫn điện, chiết suất … đều thay đổi đột ngột., vì thế NTM có htể xác định bằng cách đo một... -Trọng lượng phân tử của xà phòng: lượng chất hữu cô tăng theo sự tăng của trọng lượng phân tử xà phòng -Nồng độ của dung dịch xà phòng: một lượng nhỏ chất hữu cơ hòa tan ở nồng độ bé hơn NTm, sau đó , theo sự tăng của nồng độ xà phòng, tính hòa tan keo tăng lên đột ngột và đến giá trị cực đại không đổi ở nồng độ lớn - Sự hiện diện cửa chất điện ly Chất điện ly xúc tiến sự tạo nên Mixen và do đó cũng làm...Trong dung dịch lỏng xà phòng tồn tại ở dạng phân tử hoặc ion Khi tăng nồng độ dung dịch đến một mức nhất định gọi là nồng độ tới hạn Mixen (NTM) thì trong hệ hình thành các hệ Mixen hình cầu Trong Mixen hình cầu có mạch hidrocacbon, do lực hút Wan der Wallls sẽ quay đầu vào nhau, còn nhóm phân cực thì do có tính ưa nước và do lực đẩy tĩnh điện nên sẽ quay ra ngoài (hình) Mixen hình . Bài: HỆ PHÂN TÁN VÀ ĐỐI TƯỢNG CỦA HÓA LÝ HỌC CÁC HỆ PHÂN TÁN I. Đặc điểm của các hệ phân tán Hóa keo khảo sát những hệ phân tán dị thể đặc biệt được gọi dưới cái tên chung là hệ thống. giữa các hạt 1/ Phân loại theo độ phân tán Dựa vào kích thước của các phần tử của tướng phân tán có thể chia các hệ phân tán thành các hệ phân tán thô, trung bình và phân tán cao. 2/ Phân loại. thể phân loại các hệ phân tán theo các cách sau: - Phân loại theo độ phân tán - Phân loại theo trạng thái tập hợp - Phân loại theo tương tác giữa tướng phân tán và môi trường phân tán - Phân