Bộ giáo dục và đào tạo Trờng đại học vinh Khoa hoá học Nguyễn Thị Tâm ảnh hởng của bản chất ion đến sự keo tụ của một vài hệ keo Khoá luận tốt nghiệp Chuyên ngành: hoá lý Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành hoá lý Vinh-2004 ***** Lời cảm ơn Qua khoá luận tốt nghiệp này, cho phép tôi đợc gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo- Tiến Sĩ. Nguyễn Xuân- ngời đã tận tình hớng dẫn tôi trong suốt thời gian vừa qua. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa hoá học trờng Đại Học Vinh cùng toàn thể các bạn và gia đình đã tạo điều kiện, giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp này. Vinh tháng 5 năm 2004 Sinh viên : Nguyễn Thị Tâm Nguyễn Thị Tâm 2 Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành hoá lý Mục lục Trang Mở đầu Chơng I: tổng quan I.1 Các phơng pháp điều chế dung dịch keo 8 I.1.1 Nguyên tắc chung của các phơng pháp điều 8 chế dung dịch keo I.1.2 Phơng pháp phân tán 8 I.1.2.1 Nguyên tắc chung 8 I.1.2.2 Một số phơng pháp phân tán 9 I.1.2.2. a. Phơng pháp phân tán cơ học 9 I.1.2.2.b. Phân tán siêu âm 9 I.1.2.2.c. Phân tán bằng hồ quang 10 I.1.2.2.d. Phơng pháp keo tán 10 I.1.3 Phơng pháp ngng tụ 12 I.1.3.1 Qúa trình ngng tụ 12 I.1.3.1.a Giai đoạn tạo mầm 12 I.1.3.1.b Giai đoạn lớn lên của mầm 12 I.1.3.2 Các phơng pháp ngng tụ 13 I.1.3.2.a Ngng tụ trực tiếp 13 I.1.3.2.b Phơng pháp thay thế dung môi 14 I.1.3.2.c Phản ứng hoá học 14 I.2. Các yếu tố ảnh hởng đến thế 15 điện động học I.2.1 ảnh hởng của chất điện ly trơ 16 I.2.2 ảnh hởng của chất điện ly không trơ 16 I.2.3 ảnh hởng của sự pha loãng và làm đậm đặc son 17 I.2.4 ảnh hởng của nhiệt độ 17 I.2.5 ảnh hởng của bản chất dung môi 17 I.3 Sự keo tụ 17 I.3.1 Sự keo tụ dới tác dụng của các yếu tố vật lí 17 Nguyễn Thị Tâm 3 Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành hoá lý I.3.1.1 Sự keo tụ tự phát 18 I.3.1.2 Sự keo tụ do tác dụng cơ học 18 I.3.1 .3 Sự keo tụ khi pha loãng và khi làm đậm đặc son 18 I.3.1 .4 Sự keo tụ bằng cách đun nóng hay làm lạnh 18 I.3.2 Sự keo tụ bằng chất điện ly- ảnh hởng của chất 19 điện ly đến sự keo tụ. Chơng II: Phần thực nghiệm 24 II.1 Dụng cụ- hoá chất 24 II.2 Cách tiến hành thực nghiệm 24 II.2.1 Điều chế dung dịch keo 25 II.2.1.a Điều chế son Fe(OH) 3 25 II.2.1.b Điều chế son Al(OH) 3 25 II.2.1.c Điều chế son AgI(+) và AgI(-) 27 II.2.2 Tác dụng của một số ion đến sự keo tụ dung dịch 27 Keo Fe(OH) 3 , Al(OH) 3 , AgI(+) và AgI(-) II.2.2.1 Xác định ngỡng keo tụ của các chất điện ly đến 27 sự keo tụ son II.2.2.2 ảnh hởng của bản chất ion đến sự keo tụ son 27 II.2.2.2.a ảnh hởng của điện tích ion âm đến sự keo tụ son 27 dơng II.2.2.2.b ảnh hởng của điện tích ion dơng đến sự keo tụ 28 son AgI(-) II.2.2.2.c ảnh hởng của kích thớc ion đến khả năng keo tụ đối 30 với các keo Fe(OH) 3 , Al(OH) 3 , AgI(+) và AgI(-) II.2.2.3 ảnh hởng của bản chất ion đến sự keo tụ keo đất 35 II.2.2.3.a Điều chế dung dịch keo đất 35 II.2.2.3.b sự keo tụ keo đất dới tác dụng của các ion Na + , K + , 35 Ca 2+ , Mg 2+ , Ba 2+ , Al 3+ . Chơng III: kết luận 38 Tài liệu tham khảo 39 Nguyễn Thị Tâm 4 Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành hoá lý mở đầu Các hệ thống keo rất phổ biến trong tự nhiên. Chúng có ý nghĩa vô cùng to lớn trong nền kĩ thuật hiện đại. Trong vũ trụ, nhờ quan sát sự hấp phụ ánh sáng, ngời ta thấy rằng vật chất trong khoảng không gian vũ trụ, ngoài khí, còn có các hạt bụi, có kích thớc không quá 3.10 -5 cm. Vậy không gian vũ trụ là một hệ thống keo khổng lồ. Sao chổi là một đám bụi tơng đối tập trung, mà nhờ sự phân tán ánh sáng mặt trời, ngời ta thờng thấy vào lúc chập tối hay gần rạng đông. Tính chất các hệ thống keo trong vũ trụ chịu ảnh hởng rất lớn của các iôn đợc hình thành do tác dụng của các tia vũ trụ tới các phân tử khí. Các hiện tợng khí tợng có liên quan chặt chẽ với các vấn đề của hoá học chất keo. Mây và sơng mù là thuộc loại hệ keo lỏng-khí có chứa các hạt nớc, thờng mang điện. Ma, tuyết .đợc xem nh là những hiện tợng gắn liền với các quá trình keo. Việc tạo thành các vùng châu thổ tại những chỗ cửa sông nối liền với bể đợc giải thích bằng sự keo tụ các hạt keo chứa trong nớc sông khi các hạt đó gặp các ion chứa trong nớc biển. Hoá học chất keo có ý nghĩa to lớn trong thổ nhỡng học, canh tác học. Đất là một hệ thống keo phức tạp: kích thớc, hình dạng cũng nh bản chất của các hạt keo quyết định khả năng thấm ớt, khả năng hấp phụ của đất. Cát gồm các hạt lớn thờng dễ ngấm nớc, trái lại, đất sét gồm các hạt có độ phân tán cao, giữ ẩm rất tốt. Sự có mặt các cation kim loại kiềm làm tăng độ phân tán và tính a nớc của đất, còn các cation hoá trị 2, nhất là Ca ++ thì làm keo tụ đất và làm giảm tính a nớc của nó, do đó bón vôi cho đất thờng làm giảm khả năng giữ ẩm. Trong công nghiệp hầu nh ngành nào cũng có liên quan đến hoá học chất keo. Ví dụ: Trong ngành luyện kim, để thu đợc kim loại có vi cấu thể hay siêu vi cấu thể tối thích, ngời ta thêm vào hợp kim những chất xác định. Qúa trình tôi luyện kim loại cũng là những quá trình làm biến đổi những vi cấu thể trong kim loại theo chiều hớng mong muốn. Kĩ nghệ đồ gốm sử dụng nguyên liệu đất sét, cao lanh là một loại huyền phù đậm đặc các aluminosilicat hydrat hoá. Phẩm chất các nguyên liệu tuỳ thuộc vào tính chất vật lí nh kích thớc, hình dạng, trạng thái bề mặt .và các tính chất hoá học của các hạt chứa trong nguyên liệu đó. Trong nghiên cứu cũng nh Nguyễn Thị Tâm 5 Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành hoá lý trong công nghiệp hoá học, xúc tác dới dạng keo có tác dụng tăng lên gấp bội so với dạng hạt lớn. Các ngành sản xuất nh giấy, nhuộm, thuộc gia có liên quan nhiều đến các quá trình keo. Nhuộm sợi, thuộc gia là làm cho các hạt keo (phẩm nhuộm, chất thuộc da) khuếch tán vào vải, vào da. Những hạt này khi gặp những sợi nguyên tố trong da, trong vải sẽ mất tính bền vững rồi keo tụ trên các sợi nguyên tố này. Trong ngành cao su tổng hợp và chất dẻo, các quá trình keo cũng có vai trò không nhỏ. Ví dụ nh trong quá trình trùng hợp nhũ tơng, ta sẽ thu đợc nhựa lỏng tổng hợp latêc, đó là một quá trình diễn ra trong hệ keo. Trong các chất dẻo lại th- ờng chứa các hạt rất nhỏ của chất độn. Các chất độn khác nhau làm cho sản phẩm có những tính chất khác nhau. Do đó các chất dẻo phải đợc coi là các hệ thống keo. Nhiều quá trình bào chế thuốc là những quá trình keo, ví dụ chế tạo các loại dợc phẩm dới dạng huyền phù nhũ tơng, kem, dầu cao. Một số chất ở trạng thái keo, có những tính chất đặc biệt, ví dụ keo Ag có tính sát trùng(colacgon) là keo Ag trong dung dịch chất bảo vệ (ví dụ dung dich gêtalin). Đa thuốc dới dạng keo vào cơ thể sẽ có hai tác dụng tốt: định xứ đợc tác dụng của nó và làm cho thuốc có tác dụng lâu dài. Một số quá trình khác: khử nớc trong dầu mỏ, phá vỡ huyền phù nớc trong những sản phẩm mà khi chế tạo cần rửa bằng nớc, làm sạch nớc, làm sạch khí, đều là những quá trình keo. Từ những thông tin trên ta có thể rút ra rằng các hệ keo cũng nh các quá trình keo rất phổ biến và rất cần thiết cho cuộc sống, cho các ngành kỹ thuật. Một trong những quá trình keo phổ biến hơn cả và rất quan trọng về mặt thực tế và lí thuyết đó là sự keo tụ các dung dịch keo bằng chất điện li. Chính vì vậy mà trong bản luận văn này chúng tôi chọn đề tài: ảnh hởng của bản chất ion đến sự keo tụ của một vài hệ keo. Trong phạm vi đề tài này chúng tôi có ý định: + Tập hợp các phơng pháp điều chế dung dịch keo phổ biến. + Cơ sở lí thuyết của quá trình keo tụ dung dịch keo bằng các chất điện li. + Điều chế một số dung dịch keo từ các hoá chất có trong phòng thí nghiệm khoa hoá trờng Đại Học Vinh. Nguyễn Thị Tâm 6 Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành hoá lý + Xét khả năng làm keo tụ các dung dịch điều chế đợc của một số ion. Từ đó có thể tìm ra một sự liên quan giữa bản chất của các ion đến khả năng làm keo tụ dung dịch keo của chúng. + Cuối cùng, chúng tôi sẽ tiến hành điều chế dung dịch keo đất và xét ảnh hởng của bản chất các ion đến quá trình keo tụ keo đất đã điều chế đợc - nhằm phần nào có thể tiên đoán những điều kiện tối u trong việc chăm bón, cải tạo đất. Nguyễn Thị Tâm 7 Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành hoá lý Chơng I: TổNG QUAN I.1. Các phơng pháp điều chế dung dịch keo. [2,3] 1 I.1.1. Nguyên tắc chung của các phơng pháp điều chế dung dịch keo. Chuyển vật chất về trạng thái có độ phân tán keo(1mà 100mà), do đó các phơng pháp điều chế dung dịch keo đợc thực hiện bằng hai cách: Cách 1: Chia nhỏ vật chất- gọi là phơng pháp phân tán. Cách 2: Tập hợp các ion, các nguyên tử hay phân tử thành các hạt có độ phân tán của hệ keo. Chọn môi trờng phân tán và chất phân tán thích hợp: môi trờng phân tán và chất phân tán hoà tan kém hoặc không hoà tan vào nhau. Chọn chất làm bền hay còn gọi là chất ổn định: trong hệ cần có chất làm bền làm cho các hạt keo không lên kết lại tạo thành các hạt lớn. Chất làm bền thờng là những chất có ion chung với chất phân tán hay những chất đồng dạng và có thể là những chất hoạt động bề mặt. Chất này có thể đa từ ngoài vào hệ hoặc có thể đợc tạo thành do các phản ứng hoá học xảy ra trong hệ trong quá trình điều chế. I.1.2. Phơng pháp phân tán. I.1.2.1. Nguyên tắc chung. Phơng pháp phân tán là quá trình dùng năng lợng (cơ năng, điện năng, năng l- ợng của sóng siêu âm .) để chia nhỏ vật chất ở trạng thái rắn, lỏng, khí rồi phân bố chúng vào một môi trờng đồng nhất nào đó. Năng lợng này chủ yếu là dùng để thắng lực liên kết giữa các phân tử của tớng bị phân tán. 1 [2,3]: Tài liệu tham khảo số 2 và số 3. Nguyễn Thị Tâm 8 Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành hoá lý I.1.2.2 Một số phơng pháp phân tán. I.1.2.2. a. Phân tán cơ học. - Phơng tiện: các cối xay tròn đợc gọi chung là cối xay keo. - Nguyên liệu: là hệ phân tán ở dạng thô thu đợc nhờ phơng pháp nào đó. Quá trình phân tán nhỏ hơn đợc thực hiện trong môi trờng lỏng có sẵn chất làm bền trong những cối xay tròn. - Cấu tạo cối xay tròn: đó là một xi lanh kim loại rỗng nằm ngang, có thể quay quanh một trục nằm ngang, phát động nhờ một động cơ ngoài. Trong xilanh bỏ sẵn những quả cầu bằng kim loại hay bằng sứ nặng. - Nguyên tắc hoạt động của cối xay tròn: Trớc khi xay, ngời ta đổ vào xi lanh một lợng bột thô của tớng phân tán cùng với môi trờng trong đó có sẵn chất làm bền. Sau đó quay chậm xilanh. Nhờ lực li tâm, những quả cầu chứa trong xilanh theo vách xilanh mà đi lên đến một độ cao nào đó tách khỏi vách xilanh để rơi xuống và đập vào các quả cầu nằm dới, làm vỡ nát các hạt thô bám trên bề mặt các quả cầu. Ngoài ra, khi các quả cầu trợt lên nhau, các hạt thô bám trên bề mặt các quả cầu cũng có thể bị nghiền nát. Nh vậy trong các cối xay, các hạt thô chịu những lực va chạm mạnh mẽ mà vỡ ra thành những hạt mịn hơn rồi nhờ có chất làm bền có sẵn trong môi trờng thu đợc hệ phân tán có thể vững bền. I.1.2.2. b. Phân tán siêu âm - Nguyên liệu: chất phân tán có độ cứng kém ví dụ nh các loại nhựa, lu huỳnh, graphit, các kim loại nhẹ. - Nguyên tắc: chất phân tán dới tác dụng của sóng siêu âm có tần số cao trên 20.000Hz sẽ bị phân tán. - Phân tán bằng siêu âm đối với chất cao phân tử thờng dẫn tới sự phá vỡ phân tử, do đó việc sử dụng siêu âm để điều chế các dung dịch cao phân tử bị hạn chế. Ngời ta cũng ít dùng siêu âm để phân tán các chất phân tán rắn có độ cứng cao, do năng lợng của sóng siêu âm không đủ để phân tán những chất phân tán bền, cứng. Nguyễn Thị Tâm 9 Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành hoá lý I.1.2.2.c. Phân tán bằng hồ quang. - Nguyên liệu: bột kim loại, phơng pháp này dùng để điều chế các dung dịch keo kim loại. - Nguyên tắc: tuỳ theo môi trờng phân tán mà ngời ta dùng hồ quang ở các dạng khác nhau. + Nếu môi trờng phân tán là nớc thì ngời ta dùng dòng điện một chiều có điện thế từ 30V-110V cờng độ dòng từ 5A-10A và cho chạy qua hai điện cực kim loại làm bằng chất phân tán nhúng trong bình nớc đợc làm lạnh bằng nớc đá và có sẵn chất làm bền. Khi hai điện cực kim loại đến gần nhau ở một khoảng cách xác định thì giữa hai điện cực phát sinh hồ quang. Tại hồ quang, kim loại bay hơi rồi ngng tụ lại khi gặp lạnh trong điều kiện có sẵn chất làm bền hệ keo sẽ bền vững. + Nếu môi trờng phân tán là chất hữu cơ, ngời ta dùng dòng điện xoay chiều có tần số cao cho qua hai điện cực đợc cắm vào bột kim loại nằm dới đáy bình, trong bình có môi trờng phân tán và chất làm bền. Trong điều kiện này hồ quang sẽ phát sinh giữa các hạt tiếp xúc với nhau, kim loại sẽ bay hơi và ngng tụ trong môi trờng phân tán, dung dịch keo đợc tạo thành. Phơng pháp này làm giảm đợc sự phân giải môi trờng bởi nhiệt và cho phép chế tạo nhiều organoson khác nhau. I.1.2.2.d. Phơng pháp keo tán. Đó là phơng pháp làm tan kết tủa do sự keo tụ gây ra. Keo tán là một quá trình ngợc lại với keo tụ. Keo tán có 4 phơng pháp: keo tán bằng cách rửa kết tủa; keo tán bằng chất điện li; keo tán bằng chất hoạt động bề mặt(HĐBM); keo tán hoá học. + Keo tán bằng cách rửa kết tủa: thực chất là tách chất điện li keo tụ. Trong quá trình rửa kết tủa dung dịch sẽ loãng ra, lớp điện kép bị giãn rộng, nhờ đó lực đẩy tĩnh điện giữa các hạt keo sẽ trội hơn lực hút phân tử và các hạt keo sẽ tách rời nhau rồi phân bố vào môi trờng phân tán. + Keo tán bằng chất điện li. Nguyễn Thị Tâm 10 . hởng của bản chất ion đến sự keo tụ son 27 II.2.2.2.a ảnh hởng của điện tích ion âm đến sự keo tụ son 27 dơng II.2.2.2.b ảnh hởng của điện tích ion dơng đến. vào hệ keo làm cho nó keo tụ. Sau đây là tác dụng của một vài yếu tố vật lí quan trọng nhất đến sự keo tụ. I.3.1.1 Sự keo tụ tự phát Khi để lâu một hệ keo,