Giáo trình hóa keo đại cương

ạng tự do. Tiếp tục tăng nồng độ chất bán keo, thì kích thước mixen tăng dần. Kết quả là dạng hình cầu chuyển dần sang dạng hình tấm – xem hình VI.2 a và b. Nhờ việc tạo thành các mixen, nên mặc dù dung dịch bão hoà hoặc quá bão hoà, nhưng chất hoạt động bề mặt không kết tinh mà tạo thành các hạt phân bố trong hệ dưới dạng hệ phân tán keo. Mặc dù các mixen bán keo không có cấu trúc như các hạt ghét lưu, nhưng chúng có một bề mặt tương đối rõ nét, một lớp điện kép đơn giản xuất hiện ở bề mặt mixen, làm cho mixen bán keo về mặt điện động gần với keo ghét lưu. Ở nồng độ tới hạn , các dung dịch bán keo có sự nhảy vọt về tinh chất: hệ từ đồng thể trở thành phân tán bán dị thể, do đó các đại lượng phụ thuộc vào nồng độ (độ dẫn điện, áp suất thẩm thấu, hệ số khuếch tán…) cũng có giá trị cực tiểu. Có thể thấy điều đó ở hình VI.3 Chính nồng độ tới hạn là ranh giới phân biệt hai tính chất khác nhau cơ bản trong một hệ: khi là dung dịch thật, khi là dung dịch keo tùy thuộc vào nồng độ chất phân tán (đó cũng chính là một trong các lý do khiến ta gọi các dung dịch chất hoạt động bề mặt là dung dịch bán keo). Nồng độ tới hạn mixen Ct phụ thuộc vào bản chất chất bán keo và điều kiện bên ngoài (nhiệt độ, nồng độ chất điện ly, khối lượng riêng của dung dịch …). Thực tế thấy rằng : Mạch cacbon càng lớn thì Ct càng nhỏ, do độ tan của chất bán keo giảm. Với cùng mạch cacbon nhưng hợp chất chưa no có Ct lớn hơn so với hợp chất no, hợp chất có nhóm ion hóa ở giữa mạch có Ct lớn hơn so với hợp chất có nhóm ion hóa ở đầu mạch. Trong một dãy đồng đẳng của các chất bán keo Ct giảm theo sự tăng của mạch cacbon, tương tự như quy tắc Trao bơ về sự hấp phụ dương của các axit béo trên bề mặt dung dịch. Có thể xác định Ct của một chất bán keo bằng cách đo độ dẫn điện đương lượng …, do tại giá trị Ct độ dẫn điện đương lượng và nhiều tính chất khác của dung dịch bán keo giảm đột ngột. Hình VI.3: Sự phụ thuộc của độ dẫn điện đương lượng của kali ôlêat vào nồng độ dung dịch λ Tới hạn Ct C Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá keo …………………………………………………………………77 77 Sự hòa tan keo: các chất hữu cơ không phân cực như benzen, heptan, dầu hỏa, các phảm mầu … không tan trong nước. Tuy nhiên khi có mặt xà phòng ở nồng độ C > Ct thì các chất hữu cơ đó sẽ chui vào trong lòng mixen xà phòng. Hiện tượng dó gọi là sự hòa tan keo. Xà phòng trong môi trường không phân cực sẽ có khả năng hòa tan nước vào dầu mỡ đó là sự hòa tan keo nghịch. Hiện tượng đó có ý nghĩa rất lớn trong công nghiệp thực phẩm. Bảng VI.2. Nồng độ tới hạn mixen Ct (milimol. l-1) của một số hợp chất ở 250Ctrong nước. Tên chất hoạt động bề mặt Công thức phân tử Ct Các chất hoạt động bề mặt anion Natri dodecyl sunfat Natri tetradecyl sunfat Natri hexadecyl sunfat Natri octadecyl sunfat C12H25SO4Na C14H29SO4Na C16H33SO4Na C18H37SO4Na 8,00 2,0 0,6 0,18 Các chất hoạt động bề mặt cation Dodecyl trrimetyl amoin bzomua Tetradcyl trimetylamoni bzomua Cetyltrimetylamoni bzomua. Octadecyltrimetyl amoni bromua C12H25(CH3)3 NBr C14H29(CH3)3 NBr C16H33(CH3)3 NBr C18H37(CH3)3 NBr 10,0 3,0 1,5 0,25 Xà phòng no và chưa no Kali stearat Kali oleat C17 H35COOK C17 H33COOK 0,45 1,5 2. Tác dụng tẩy rửa, tác dụng nhũ hoá của các dung dịch bán keo. Các chất hoạt động bề mặt có sức căng bề mặt rất nhỏ nên chúng dễ dàng tạo mixen, điều đó gắn liền với tác dụng tẩy rửa và nhũ hoá của chúng. Tẩy rửa và nhũ hoá là làm cho các chất vốn khó hoà tan, hoặc không hoà tan (ví dụ dầu, mỡ, thuốc trừ sâu… rất khó hoà tan trong nứơc) trở thành dễ hoà tan, dễ phân bố trong một môi trường nhờ chất hoạt động bề mặt làm tăng tính thấm ướt. Chẳng hạn hạt dầu (D) không hoà tan trong nước nhưng thêm xà phòng vào, dầu dễ dàng phân bố trong nước. Điều đó có được giải thích bằng hai cơ chế: Cơ chế hấp phụ: giọt dầu hấp phụ các phân tử xà phòng, phần không phân cực của xà phòng hướng vào dầu, phần phân cực (hoặc ion hoá) hướng vào nước. Như vậy giọt dầu được phân cực hoá thấm ướt tốt khiến nó dễ bị nước lôi cuốn đi dưới dạng các hạt phân tán - xem hình VI.4a. Cơ chế nội hòa tan: mixen bán keo xà phòng hoà tan dầu (dưới dạng từng phân tử dầu – có trường hợp là hạt dầu cực nhỏ) ngay trong lòng mixen, nhờ thế mà dầu dễ dàng phân bố trong nước - xem hình VI.4b. Cơ chế hấp phụ chiếm ưu thế khi nồng độ chất hoạt động bề mặt nhỏ(C<Ct),cơ chế nội hoà tan chiếm ưu thế khi C ≥ Ct. Tác dụng của 2 cơ chế trên là ngang nhau, qua các hiệu ứng khác nhau như sau: Sự hấp phụ lớp đơn phân tử xà phòng hydrat hóa có tác dụng tăng tính ưa nước cho hạt dầu, tăng tính động học cho nó để tách nó khỏi các đồ vật. Hiện tượng “nội hòa tan” hoặc nhũ hóa dầu mỡ thúc đẩy quá trình phân tán của hạt dầu. Dung dịch xà phòng có sức căng bề mặt nhỏ hơn so với nước làm tăng tính thấm ướt cho vải sợi hoặc bề mặt bị bẩn, có tác động Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá keo …………………………………………………………………78 78 đẩy hạt bản vào dung dịch và ngăn cản sự kết dính trở lại của nó. Xà phòng còn có tác dụng là chất tạo bọt để tuyển nổi hạt bẩn, đẩy nó vào nước thải. Nhưng cần nhớ là các quá trình trên, các hiệu ứng sẽ xẩy ra khi nồng độ xà phòng lớn hơn nồng độ tới hạn mixen. Nếu nồng độ xà phòng không đủ thì sự bám chắc của chất bẩn trên bề mặt vải sợi được tăng cường (do sự hấp phụ đơn lớp mà độ phụ θ < 100% thì lực dính của hạt bẩn với bề mặt vải sợi sẽ tăng lên). Quá trình tẩy rửa không xẩy ra. Cần lưu ý loại xà phòng cổ truyền như C17H35COONa…không thích hợp trong nước cứng, vì lúc đó xà phòng bị kêt tủa dưới dạng các muối Ca2+, Mg2+, Al3+… Trái lại, loại xà phòng natrialkylsunfat (ví dụ: C12H25 – SO4Na…), natrialkylarylsunfonat (ví dụ: C12H25C6H4– SO3Na…) không bị cation có hóa trị II, III làm kết tủa nghĩa là chúng tẩy rửa ngay cả trong nước cứng. Tác dụng tẩy rửa và nhũ hoá của các chất hoạt động bề mặt và của dung dịch bán keo có ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực: tẩy rửa, nhuộm, chế tạo nhiều chất xoa bóp, thuốc bôi ngoài da, hoà tan các thuốc trừ sâu, trừ cỏ… Cơ chế hoà tan theo kiểu hấp phụ (a) và nội hà tan (b) còn là hình thức vận chuyển, trao đổi và tích luỹ chất trong một số cơ quan của sinh vật. Hiện tượng nội hoà tan vừa nêu trên thực chất là sự hòa tan keo. 3. Chất bán keo không ion hoá. Chỉ số HLB. Phân tử chất bán keo không ion hoá co nhiều nhóm phân cực. Một loại hợp chất đó có dạng R-(O_CH2 –CH2)n-OH (sản phẩm trùng ngưng của etylenoxyt với phenol hoặc alcol). Chỉ số HLB (Hydrophile Lyophile Balance) phản ánh mức độ ưa nước, ưa dầu của chất hoạt động bề mặt không ion hoá. Khái niệm ưa nước theo nghĩa ưa chất lỏng phân cực, và ưa dầu theo nghĩa ưa chất lỏng không phân cực. Chỉ số HLB càng cao, tính phân cực của chất càng lớn càng dễ tan trong nước, nếu chỉ số HLB nhỏ hơn 6 thì chất bán keo không tan trong nước. D a b Hình VI.4: Cơ chế tẩy rửa của chất bán keo trong dung dịch nước: a: Giọt dầu được phân cực hoá nhờ hấp phụ định hướng các phân tử xà phòng b: Các phân tử hoặc vi hạt dầu ( ) hoà tan trong lòng mixen bán keo Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá keo …………………………………………………………………79 79 Sau đây là chỉ số HLB và ứng dụng chủ yếu của một số chất bán keo. Chỉ số HLB của chất bán keo không ion hóa Lĩnh vực ứng dụng: 3 đến 6 Nhũ hoá cho hệ nhũ tương N/D 7 đến 9 Thấm ướt 8 đến 1 Nhũ hoá cho hệ nhũ tương D/N 13 đến 15 Tẩy rửa 15 đến 18 Sol hoá (tạo keo) cho chất không phân cực trong H2O. 4. Tính bền và sự keo tụ các hệ bán keo. Ở nồng độ nhỏ hơn Ct, dung dịch bán keo mang tính chất của dung dịch thật, hệ rất bền về mặt nhiệt động học và động học Sự tồn tại của mixen keo phụ thuộc nồng độ chất bán keo và nhiều yếu tố khác (nhiệt độ, nồng độ chất điện ly , dung môi…) Nếu nồng độ nhỏ, các yếu tố khác thuận lợi cho sự tạo mixen kích thước nhỏ có dạng hình cầu thì tính bền của hệ tương đối cao. Thế điện động ζ ở bề mặt mixen nếu lớn cũng có tác dụng duy trì tính bền của hệ. Sự tăng nhiệt độ có thể phá vỡ mixen làm cho hệ phân lớp. Sự tăng nồng độ chất điện ly sẽ làm giảm độ tan, làm giảm thế ζ cũng có thể dẫn tới sự phá vỡ tính bền. Chẳng hạn: thêm NaCl vào dung dịch xà phòng làm giảm Ct của xà phòng, các mixen xà phòng bị phá vỡ, tạo lên lớp xà phòng dày đặc ở bề mặt. Các phân tử trong mixen sắp xếp định hướng trong môi trường của hệ, nên việc đổi dung môi này bằng một dung môi khác có độ phân cực khác nhau cũng dẫn tới sự thay đổi tính phân tán của hệ keo. III. Nhũ tương và chất nhũ hoá. 1. Khái niệm và phân loại nhũ tương. Nhũ tương là hệ phân tán thô (kích thước giọt lỏng bằng hoặc lớn hơn hạt keo), gồm các hạt lỏng phân bố trong môi trường lỏng, nhưng 2 chất lỏng này không tan hoặc ít tan vào nhau. Chất nhũ hoá là chất thứ 3 trong hệ có tác dụng làm bền nhũ tương. Nhũ tương được chia làm 2 loại chính là nhũ tương loại một (gồm các vi hạt dầu phân tán trong nước) ký hiệu là hệ D/N và loại 2 (gồm các vi hạt nước trong dầu) ký hiệu là hệ N/D Phân biệt 2 loại trên bằng cách đo độ dẫn điện hoặc dùng chất màu nhuộm nhũ tương tương ứng. Ví dụ: Metyl xanh hòa tan tốt trong nước sẽ phát được được hệ D/N, Sudan III tan nhiều trong dầu sẽ giúp phát hiện hệ N/D. Theo nồng độ thể tích, người ta phân chia thành nhũ tương loãng, đậm đặc, rất đậm đặc (còn gọi là gelatin hoá). Nhũ tương loãng, nồng độ chất phân tán nhỏ hơn 0,1% thể tích của hệ, đó là hệ phân tán cao, kích thước hạt cỡ 10-5cm. Loại hệ này ít phải dùng chất nhũ hoá đặc biệt. Ở đây hạt mang điện do hấp phụ ion chất điện ly, do chất nhũ hoá hấp phụ các ionH+; OH- trong nước do đó hệ có tính chất điện động của hệ ghét lưu, tính bền tập hợp tương đối cao. Nhũ tương đậm đặc, nồng độ chất phân tán có thể trên 70% thể tích của hệ. Ở đây kích thước hạt thường khác nhau từ 0,1 đến 10-4cm hoặc lớn hơn, cũng thuộc loại hệ vi dị thể. Trong hệ cũng có chuyển động Brao, đặc biệt đối với các hạt nhỏ. Do nồng độ cao, khoảng Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá keo …………………………………………………………………80 80 cách giữa các hạt không lớn, dễ xẩy ra sự kết dính và sa lắng (nếu khối lượng riêng của chất phân tán lớn) hoặc sa nổi (khi khối lượng riêng của môi trường lớn hơn). Tính bền tập hợp của nhũ tương đậm đặc kém, phụ thuộc vào chất làm bền hay chất nhũ hoá. Chất nhũ hoá ưa nước trội, tan vào nước tốt hơn, nó xúc tiến cho quá trìnhũ hoá tạo nhũ tương D/N, còn chất nhũ hoá ưa dầu hơn thì xúc tiến quá trình nhũ hoá tạo nhũ tương loại N/D. Nhờ chất nhũ hoá có thể tạo nên các nhũ tương có nồng độ rất cao (trên 90% thể tích hệ là chất phân tán ). 2. Chất nhũ hoá. Chất nhũ hoá là chất có tác dụng làm bền nhũ tương. Trong đa số trường hợp chất nhũ hoá là các chất bán keo hoặc một số các chất khác (có thể là chất vô cơ) có trong phân tử phần ưa dầu kỵ nước và phần ưa nước kỵ dầu. Chất nhũ hoá được hấp phụ ở bề mặt hạt nhũ, bằng sự sắp xếp định hướng - xem hình VI.5. Phân tử chất nhũ hoá làm cầu nối giữa hai pha lỏng. Cơ chế này có tác dụng giảm năng lượng bề mặt hoặc tăng entropy của hệ, tính bền của nhũ tương tăng lên. Ví dụ: sức căng bề mặt giữa các pha của hệ benzen – nước là 35.10-3 N.m-1có thể giảm xuống đến 2.10-3N.m-1 khi cho natri oleat vào hệ. Cũng như các hệ ghét lưu, hệ nhũ tương kém bền vững tập hợp do có năng lượng bề mặt lớn. Tính bền tập hợp của nhũ tương rất phụ thuộc vào bản chất chất nhũ hóa (xem ở trên mục III.1) và lượng chất nhũ hoá đã dùng. Sự tăng nhiệt độ, dùng ly tâm, lọc, điện di có thể phá vỡ nhũ. Sự thay đổi tính phân cực của dung môi, dùng hoá chất cũng có thể phá vỡ nhũ. Việc dùng ion có hoá trị cao, dùng chất nhũ hoá trái dấu điện tích, hoặc chất có khả năng hấp phụ mạnh hơn chất nhũ hoá cũng có thể làm cho hệ tách lớp. Hình VI.5: Sơ đồ các giọt nhũ dầu trong nước (D/N) và nước trong dầu (N/D)với các chât nhũ hoá: (a) và (b): chất bán keo (xà phòng ) (c) và (d): cao lanh (chất vô cơ phân cực) D N D N (a) D (b) NN D(c) (d) D N Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá keo …………………………………………………………………81 81 3. Hiện tượng đảo nhũ. Đảo nhũ là hiện tượng chuyển nhũ tương D/N thành nhũ tương N/D biến pha phân tán thành môi trương phân tán và ngược lại. Điều đó có thể thực hiện nhờ tác động cơ học (lắc, khuấy với tốc độ cao, lâu dài), thay đổi chất nhũ hoá. Ví dụ: Nhũ D/N được nhũ hoá bằng natri oleat, nhưng nếu thêm canxi oleat vào hệ thì có thể đảo thành nhũ N/D. Nhũ tương có sắn trong tự nhiên hoặc được tạo ra, có nhiều ứng dụng trong thực tế. Ví dụ: Sữa là một nhũ tương, là nhũ mỡ trong nước mà chất làm bền là các prolít động vật. Trong công nghiệp, hoá dược, vật liệu xây dựng, công nghệ tơ sợi và thực phẩm…, sự nhũ hoá rất phổ biến để tạo nhũ tương đậm đặc có độ bền cao. Trong khai thác dầu mỡ thì phải phá vỡ nhũ D/N để tăng hiêu suất khai thác và chế biến dầu. VI. Hệ phân tán bọt. Hệ phân tán khí(bọt khí) trong chất lỏng gọi là hệ phân tán bọt. Đó là hệ thống bọt, được tạo ra khi thổi mạnh chất khí (không khí, CO2…)vào một chất lỏng tạo bọt hoặc vào một chất lỏng có chất tạo bọt. Chất tạo bọt thường là chất hoạt động bề mặt như axit béo, xà phòng, protêin , saponin… (Đó cũng thường là chất tạo nên tính bền cho nhũ tương D/N) Chất tạo bọt hấp phụ trên 2 màng của lớp chất lỏng – xem hình VI.6. Ở đây chúng ta chỉ đề cập đến hệ thống bọt (có ý nghĩa trong ngành sản xuất và đời sống) Bọt bao gồm các tế bào khí đa dạng tạo nên cấu trúc xốp tổ ong. Hệ thống bọt tuy có diện tích bề mặt lớn, nhưng năng lượng bề mặt là cực tiểu để bọt tồn tại được. Thoả mãn quy tắc đó thì trên 1 cạnh lỏng của bọt luôn luôn có 3 màng tạo nên với nhau một góc 1200 và ở một điểm chỉ có thể tạo 4 cạnh đi qua. Các bọt khí sắp xếp sít nhau làm cho bọt có tính bền vững cơ học nào đó. Bọt sau khi hình thành sẽ bị phá huỷ. Hệ có chất tạo bọt có sức căng bề mặt nhỏ, nhưng khi tạo thành, hệ đã nhận năng lượng (để tăng số lượng hạt bọt). Do đó sẽ có quá trình tự diễn theo chiều giảm năng lượng, theo cách màng chất lỏng không ngừng chảy dồn theo chiều sức hút của trọng lực. Vì thế màng mỏng dần. Cho đến khi độ dày của màng bọt nhỏ hơn 10-5 cm thì mầu sắc (do sự khuếch tán ánh sáng) của màng thay đổi hẳn. Từ đa sắc chuyển thành không sắc (không còn tính khuếch tán ánh sáng) và sau đó bọt vỡ Vậy hệ thống bọt không có tính bền động học, còn tính bền tập hợp rất phụ thuộc bản chất và nồng độ chất tạo bọt. Các chất tạo bọt có khảnăng tạo thành các màng bề mặt bão hòa và tạo dung dịch có độ nhớt cao sẽ tăng tính bền cơ học cho bọt. Lỏng Khí Chất tạo bọt H ình VI.6: Sơ đồ cấu tạo bọt Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá keo …………………………………………………………………82 82 Công nghệ tạo bọt được sử dụng nhiều trong kỹ thuật: tạo màng xốp, tuyển nổi, chế tạo bia và nước giải khát, tạo chế phẩm cứu hoả… Tuy nhiên sự tạo bọt cũng gây nên nhiều trở ngại cho hệ như: ngăn cản sự bay hơi trong nồi chưng, tạo ra hệ dị thể… Trường hợp ấy cần thêm vào chất chống tạo bọt. Ví dụ: rượu (như rượu amylic, octylic được dùng nhiều) và ete thông thường. Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá keo …………………………………………………………………83 83 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 6 1. Thuyết mixen và thuyết phân tử về sự tạo thành dung dịch polyme? 2. Nhiệt động học về sự hòa tan polyme trong dung môi thích hợp? 3. Sự trương của polyme? Phân biệt sự trương hạn chế với sự trương không hạn chế? 4. Keo ưa lưu? Ví dụ. Sự khác nhau cơ bản giữa các hệ keo ưa lưu và hệ keo ghét lưu. 5. Đặc tính hóa keo của dung dịch protit? Trạng thái đẳng điện và điểm đẳng điện? Tính chất dung dịch protit ở điểm đẳng điện? 6. Hiệu ứng muối kết và các biện pháp keo tụ protit? 7. Tính bền của hệ keo ưa lưu và các biện pháp keo tụ? 8. Đặc điểm của dung dịch bán keo? Nồng độ tới hạn mixen? Mô hình mixen xà phòng trong môi trường nước? 9. Tác dụng tẩy rửa, tác dụng nhũ hóa của dung dịch bán keo? Chất bán keo không ion hóa và chỉ số HLB? 10. Phân loại nhũ tương? Chất nhũ hóa và cơ chế làm bền nhũ tương của nó? Hiện tượng đảo nhũ? 11. Cấu tạo bọt? Tính bền động học và tính bền tập hợp của hệ bọt? 12. Thêm 1g casein (M=108.000) vào 1 lít dung dịch A tạo bởi 800ml dung dịch NaCH3COO 0,12M và 200ml dung dịch CH3COOH 0,08M được hệ A. a/ Tính khối lượng trung bình (theo gam) của 1 hạt casein trong hệ A? b/ Cho biết dấu điện tích ưu thế và hình dạng hạt casein (dạng hình cầu, dạng hình sợi mở) trong hệ A? Biết 75,4¤3 =OOHCOCHpK và điểm đẳng điện của casein là pH = 6,7. Trả lời: 1,428.10-9g. 13. Hòa tan 2,5g gelatin (M=86000) vào 500ml dung dịch NaHSO4 0.004M. a/ Tính khối lượng trung bình (theo gam) của 1 hạt gelatin trong dung dịch thu được? b/ Cho biết dấu điện tích ưu thế và hình dạng gelatin trong dung dịch trên? Biết điểm đẳng điện của gelatin là pH = 4,7. Trả lời: 1,79.10-19g Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá keo …………………………………………………………………84 84 CHƯƠNG VII SỰ TẠO CẤU THỂ. HỆ PHÂN TÁN MÔI TRƯỜNG KHÍ Cấu thể là một trạng thái của hệ keo phổ biến trong tự nhiên đó là trạng thái rắn hoặc gần rắn của 1 hệ phân tán, cần thiết cho sự tạo hình của đất, của việc chế biến thực phẩm… Trong chương này cũng đề cập đến hệ phân tán trong môi trường khí (aerosol và bột) đó là loại hệ phân tán vi dị thể đa dạng và đa phân tán thường gặp trong thực tế . I. Sự tạo cấu thể. 1. Phân biệt keo tụ với cấu thể. Sự keo tụ là trạng thái có tính bền rất kém của hệ, tính phân tán không còn, hệ keo bị phân chia thành 2 pha: pha keo tụ gồm các hạt keo sắp xếp xít nhau và pha kia là môi trường của hệ, như một hệ cụ thể rắn – lỏng, rắn – khí…Sự keo tụ kết thúc như sự kết tủa trong dung dịch, thể tích pha keo tụ thường chiếm tỷ lệ nhỏ so với thể tích của hệ keo ban đầu. Ở pha ấy các hạt bên nhau, không có tính cấu trúc vì lực dính giữa các hạt còn nhỏ. Tuy nhiên ở một số hệ keo, khi làm giảm thế đẩy thì thế hút chiếm ưu thế, thế tổng hợp tăng, các hạt keo dính vào nhau tạo ra một khung cấu trúc xốp có tính bền cơ học và môi trường được nạp đầy trong khung đó. Đó là sự tạo cấu thể, hệ keo đang ở trạng thái phân tán lỏng chuyển sang trạng thái rắn hoặc gần rắn, chiếm phần lớn hoặc toàn bộ thể tích của hệ. Hình VII.1 cho thấy: Thể tích pha keo tụ là V0 rất nhỏ so với thể tích của hệ, cấu thể của keo ghét lưu từ các hạt hình cầu có thể tích V1 lớn hơn thể tích pha keo tụ, nhưng nhỏ hơn thể tích cấu thể V2 của keo ghét lưu từ các hạt dạng hình tấm. Hệ keo ghét lưu tạo cấu thể gọi là gel, ví dụ: gel axít silicic (silicagel). Hệ keo ưa lưu và hệ bán keo tạo cấu thể thì thường gọi là thạch, ví dụ: thạch aga, thạch geletin…. Gel có độ bền cơ học cao và rắn (ví dụ: sự hoá rắn xi măng khi xây dựng chính là sự tạo gel), thạch có độ bền cơ học thấp, nhưng dẻo và đàn hồi đó là đặc điểm cần thiết cho sự tạo hình trong quá trình chế biến thực phẩm. Sau khi bị xấy khô cả gel và thạch chỉ còn lại bộ khung cấu thể. Gel khô xốp nhưng giòn, bề mặt riêng lớn được dùng nhiều làm chất hút ẩm, chất xúc tác, vật liệu xây dựng… Thạch khô rất xốp và đàn hồi cao được ứng dụng trong nghiên cứu sinh học. V0 V1 V2 a b c Hình III.1: Trạng thái keo tụ và cấu thể: a: keo tụ, thể tích pha keo tụ là V0 b và c: cấu thể, thể tích cấu thể là V1 và V2 Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá keo …………………………………………………………………85 85 2. Lý thuyết tổng quát về sự tạo cấu thể. Khi thế hút trội, thế đẩy nhỏ thì thế tổng hợp giữa các hạt keo lớn thông thường dẫn hệ tới keo tụ. Nhưng nếu yếu tố kết dính giữa các hạt đạt tới một giá trị xác định thì các hạt đó sẽ dính vào nhau, khi đó va chạm để tạo thành cấu thể giữa các hạt có xác suất rất cao. Lực dính ϕ có giá trị như sau: ϕ = ψT(1 + α) (VII.1) α: hệ số dính của các hạt, có giá trị dương Giá trị α =0 ứng với hạt hình cầu, tính đồng nhất về năng lượng ở mọi điểm là cực đại, khi đó lực dính đúng bằng thế tổng hợp ψT. Hệ keo ở trạng thái cân bằng giữa phân tán và keo tụ. Chỉ khi α>1 nghĩa là khi lực dính lớn hơn hẳn so với thế tổng hợp thì các hạt mới dình vào nhau, tạo cấu thể. Giá trị α phụ thuộc vào hình dạng của hạt. Hệ số dính α đồng biến với tính không đồng nhất của các điểm trên bề mặt hạt. Ở một ψT xác định, nếu α càng lớn thì lực dính ϕ càng lớn. Lực dính ở các hạt hình tấm, hình kim, hình đa dạng lớn hơn so với dạng hình cầu rất nhiều. Ví dụ: sol Fe2O3 dạng hạt bất kỳ thì nồng độ của hệ keo có thể tạo gel là 1%, đối với keo V2O5 hạt dạng hình tấm, hình kim thì nồng độ tạo gel tương ứng là 0,1% và 0,05%. Bề mặt hạt keo không đồng nhất thì lực dính ở các điểm khác nhau là khác nhau. Tại các đỉnh nhọn, góc sắc… thì năng lượng cao nhưng mức độ hydrat hoá nhỏ (lớp dung môi rất mỏng) thì lực dính rất lớn. Trong môi trường nước (phân cực) điểm càng kỵ nước thì lực dính càng lớn và ngược lại. Thế điện động tại điểm nào đó càng nhỏ thì ở đó lực dính càng lớn. Khi các hạt va chạm nhau thì tại những điểm có lực dính lớn các hạt sẽ dính vào nhau, liên kết với nhau rất mạnh, tạo nên cái khung của cấu thể. Mỗi nguyên tố của khung cấu thể là một tế bào cấu thể, lực liên kết của khung lớn, trong lòng khung chứa đầy các phân tử dung môi không còn tính chảy như môi trường phân tán keo. Phần chất lỏng ở bề mặt khung bị hấp phụ bởi lực hấp phụ, phần còn lại lấp đầy các tế bào và bị giữ cơ học ở đó bởi lực phân tử. Cấu thể có đặc tính của chất rắn hoặc gần với chất rắn. Lực dính giữa các hạt càng lớn, nồng độ keo tối thiểu để có thể tạo khung cấu thể càng nhỏ thì cấu thể càng xốp, nghĩa là tế bào khung càng rỗng. 3. Độ nạp không gian và số phối trí của khung cấu thể. Độ nạp không gian (δ) của khung cấu thể là phần không gian của khung cấu thể (ở dạng khô) chiếm trong tổng thể tích của cấu thể tạo thành. V0 (cm3): thể tích khung V (cm3 ): thể tích gel hoặc thạch Như vậy: δ<1, δ càng nhỏ thì độ nạp không gian của cấu thể càng nhỏ. Nghĩa là với một lượng nhỏ chất phân tán đã tạo được một thể tích gel hoặc thạch rất lớn. Ví dụ: Hệ keo Fe2O3 1% ở điều kiện xác định thì nó tạo gel, 100g hệ đó tạo được 100cm3 gel Fe2O3, khối lượng riêng của Fe2O3là 3,6g.cm-3, thì độ nạp được tính như sau: (VII.2) 0 V V=δ 00278,0 100 278,0 278,0 6,3 1 3 0 == == δ cmV hoặc 0,278% Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá keo …………………………………………………………………86 86 nghĩa là trong gel, cái khung chỉ chiếm nhỏ hơn 0,3%, còn lại là nước chiếm ở các tế bào khung. Đó là đặc điểm quan trọng của trạng thái cấu thể. Khi δ càng nhỏ thì ϕ càng lớn, lực liên kết trong khung cấu thể càng mạnh, điều đó cũng có nghĩa là hệ càng đa dạng, tính chất dị biệt trên bề mặt tại các điểm là rất khác nhau. Chẳng hạn 2 loại hạt keo V2O5 (khối lượng riêng ρ=3,82g.cm-3) dạng hình tấm và dạng hình kim đều tạo cấu thể thì độ nạp của 2 loại hạt đó khác nhau. Ở dạng tấm nồng độ tạo gel là 0,1%, δ=0,026%. Ở dạng kim, nồng độ tạo gel là 0,05%, δ=0,013%. Như vậy có thể qua giá trị độ nạp không gian của cấu thể, suy ra các đặc tính về hình dạng, trạng thái bề mặt của các hạt. Số phối trí của khung cấu thể. Tế bào khung bắt đầu từ một hạt rồi phát triển theo 3 chiều không gian. Số phối trí của một khung cấu thể được tính bằng số hạt đính trực tiếp với 1 hạt làm tâm “kết tinh”. Số phối trí là K có giá trị từ 2 đến 12 (tương tự số phối trí kết tinh). Số phối trí càng lớn thì khung càng dầy đặc, độ nạp càng lớn thì độ xốp của khung càng nhỏ. Khi K bằng 2 và 3 thì độ nạp nhỏ nhất, độ xốp là lớn nhất, đối với một chất phân tán keo. Chẳng hạn số phối trí K = 12 thì δ = 74%, còn K = 3 thì δ<5%. 4. Các yếu tố ảnh hưởng tới sự tạo cấu thể. Nồng độ của hệ keo, hình dạng hạt, kích thước hạt, nồng độ chất điện ly, pH môi trường, nhiệt độ… đều ảnh hưởng đến tốc độ tạo cấu thể. Nồng độ keo tăng thì sẽ tăng độ va chạm giữa các hạt, tốc độ tạo cấu thể sẽ tăng và độ bền của khung tăng lên. Khi nồng độ keo không đổi thì tính đa phân tán và tính đa dạng của hệ càng tăng thì tốc độ tạo gel hoặc thạch càng lớn. Trong một khoảng nhiệt độ, tăng nhiệt độ sẽ làm tăng chuyển động Brao của hạt, xúc tiến quá trình tạo cấu thể. Trái lại sự khuấy lắc thường cản trở sự tạo cấu thể. Sự tăng nhiệt độ quá mức sẽ phá vỡ cấu thể. Ví dụ: Làm lạnh dung dịch chứa 2% gelatin hoà tan trong nước nóng sẽ được khối rắn trong suốt gọi là thạch gelatin hoặc gel gelatin. Điều chế gel axit silicic bằng cách trộn dung dịch natri silicat với dung dịch axit HCl nồng độ khoảng 5 đến 10%. Để hỗn hợp đứng yên một thời gian sẽ được gel rắn trong suốt, thời gian cần thiết để kết thúc sự hoá gel phụ thuộc vào nồng độ các dung dịch muối và axit. (Sau khi sấy gel axit silicic sẽ thu được silicagen xốp, bề mặt riêng khoảng 400 đến 500m2g-1 được sử dụng phổ biến làm chất hút ẩm, chất hấp phụ…). Trong dung dịch điện ly, các anion có tác dụng tạo thạch của keo ưa lưu (protit, tinh bột, aga…), trong nhiều trường hợp thứ tự tác dụng đó là: Trong nhiều trường hợp sự tạo cấu thể gel và thạch trước khi có sự keo tụ. Ví dụ: ở pH gần điểm đẳng điện protit dễ hoá thạch vì lúc đó mức độ ưa nước của plyme rất thấp, điều đó thuận lợi cho sự tạo liên kết hydro giữa các nhóm phân cực, cho lực tương tác phân tử giữa những đoạn mạch kỵ nước, cho lực hút tĩnh điện giữa các nhóm tích điện ngược dấu nhau…. nghĩa là tăng lực dính giữa các hạt keo và thúc đẩy sự tạo thạch. −−−− >>> ClCOOCHOHCSO 3264424 Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá keo …………………………………………………………………87 87 5. Một số tính chất của cấu thể Hiện tượng sol – gel thuận nghịch Một tính chất đặc biệt của trạng thái cấu thể là tính sol – gel thuận nghịch. Đó là khả năng của hệ khi cấu thể đã bị phá vỡ bởi một lực cơ học nào đó, lại có thể tự ý phục hồi cấu thể trong một thời gian, nghĩa là có trạng thái cân bằng: sol (keo)⇔ gel khi lực thôi tác động, trong những điều kiện xác định (nhiệt độ, pH…). Tính chất sol – gel thuận nghịch là khái niệm chung chỉ sự biến đổi thuận nghịch của keo – gel và keo – thạch. Đó là vì liên kết giữa các hạt khi tạo cấu thể thuộc loại liên kết yếu (ví dụ: lực tương tác phân tử, lực do liên kết hydro). Hiện tượng sol – gel thuận nghịch thường gặp trong tự nhiên, trong công nghệ, trong cơ thể sống. Một số loại đất sét có tính sol – gel thuận nghịch, điều đó có lợi trước những tác động của hiện tượng động đất, sự khoan rung, sự hạ cọc rung… Trong kỹ thuật khoan giếng, khi muốn hút bỏ đất đá người ta biến gen thành son, nhưng khi muốn định hình thành giếng thì phải hoá rắn thành giếng bằng cách chuyển son vào; nhưng phải nhanh tạo thành gen. Khi pha sơn là lúc tạo son nhưng khi sơn lên bề mặt thì phải tạo gen để sơn không bị chảy trôi. Sự đông vón xà phòng bằng dung dịch NaCl nồng độ cao có thể làm cho xà phòng gelatin hoá tức là tạo thạch để đổ khuôn hoặc đóng bánh. Hiện tượng teo và trương. Hiện tượng teo đó là khả năng tự ý giảm kích thước gel (nhưng vẫn giữ nguyên dạng ban đầu của nó) làm thoát môi trường phân tán ra khỏi các nguyên tố cấu thể. Nguyên nhân là do lúc đầu trong sự tạo cấu thể, giữa các nguyên tố cấu thể số điểm tiếp xúc còn khá ít. Dần dần do sự sắp xếp lại các hạt (nhờ chuyển động nhiệt) số điểm tiếp xúc tăng lên, cấu thể bị nén lại, đẩy một phần môi trường ra ngoài. Ngược với hiện tượng teo là hiện tượng trương: Cấu thể đã teo lại hút môi trường phân tán. Các cấu thể có thể tính teo và tính trương II. Hệ phân tán môi trường khí. 1. Đặc điểm. Hệ phân tán keo và thô trong môi trường khí gọi là sol khí hoặc aerosol. Aerosol là hệ rất loãng, độ phân tán thấp, độ đa phân tán cao, môi trường có độ nhớt rất nhỏ. Tương tác giữa hạt phân tán và môi trường không đáng kể nên lớp điện kép ở bề mặt hạt không hình thành. Trong hệ chuyển động Brao rất mạnh, sự sa lắng rất nhanh so với hệ phân tán trong môi trường lỏng. Aerosol gồm sương mù, khói, bụi và loại hỗn hợp giữa chúng với nhau. Sương mù là hệ gồm các giọt lỏng phân tán trong môi trường khí. Khói là hệ các hạt rắn phân tán trong môi trường khí. Bụi thuộc loại khói nhưng hạt rắn ở đây lớn hơn so với hạt rắn trong khói. Nếu khói là khí thải công nghiệp thì đó là hệ phân tán phức tạp gồm các hạt rắn, hạt lỏng, bụi và khí thải. Trong aerosol người ta chấp nhận kích thước các hạt như sau: khói gồm các hạt kích thước khoảng 10-7 đến 10-3cm. Bụi gồm các hạt khoảng 10-3. Sương mù gồm các hạt có kích thước khoảng 10-5đến 10-3 cm. Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá keo …………………………………………………………………88 88 Sau đây là kích thước các loại hạt thường gặp trong tự nhiên và sản xuất: Sương mù Kích thước hạt (cm): 5.10-5 Mây tầng 10-4÷10-3 Mây mưa 10-3÷10-2 H2SO4 (mù) 10-4÷10-3 ZnO 5.10-6 Khói thuốc lá 10-5÷10-4 Khói lò 10-5÷10-2 P2O5 (khói) 5.10-4÷10-4 Kích thước các hạt rất khác nhau phụ thuộc vào nguồn gốc và điều kiện tạo ra chúng. Các hạt lỏng thì dạng hình cầu, các hạt rắn thì đa dạng chúng có thể kết dính vào nhau tạo những hạt có kích thước lớn hơn. Trong aerosol các hạt không có lớp điện kép nhưng có thể tích điện (không lớn) do hạt hấp thụ năng lượng bức xạ hoặc hấp phụ ion trong không khí. Trong chế tạo điện tích aerosol do điều kiện sản xuất tạo cho nó. Các aerosol kim loại hoặc oxit kim loại thường tích điện âm, còn phi kim và oxit của chúng tích điện dương. Ví dụ: Aerosol Dấu điện tích Aerosol Dấu điện tích Fe2O3 - SiO2 + MgO - P2O5 + Zn - NaCl + ZnO - Than + Bột mỳ - Tinh bột + 2. Một số tính chất hoá keo của hệ. Hệ aerosol có tính quang học tương tự hệ keo môi trường lỏng. Ở aerosol sự khuếch tán ánh sáng rõ rệt hơn do chiết suất giữa chất phân tán và môi trường rất chênh lệch nhau. Hệ aerosol có một số hiện tượng khác với hệ lyosol. Đó là hiện tương nhiệt di, nhiệt sa lắng, quang di. Nhiệt di là hiện tượng các hạt aerosol xa rời vật nóng. Nhiệt sa lắng là sức sa lắng của các hạt lên những phần lạnh hơn của bề mặt vật được đốt nóng không đều (ví dụ: bụi thường tập trung ở trên vách, trên trần của lò, hoặc mặt sau của các máy phát ánh sáng, bóng đèn…) Nhiệt di và nhiệt sa lắng có quan hệ với kích thước (r) của hạt và bước sóng (λ) của bức xạ. Nếu λ >> r thì các phân tử khí bay với tốc độ lớn hơn ở phía hạt nóng hơn, điều đó có tác dụng cho các hạt xung quanh theo chiều giảm nhiệt độ. Còn nếu λ<<r thì trong trường gradien nhiệt độ, chuyển động của hạt cũng xẩy ra theo chiều giảm nhiệt độ. Hai hiện tượng trên có ý nghĩa lớn trong sự vận chuyển các aerosol trong khí quyển. Nhiệt di làm cho aerosol từ miềm nóng vào miền lạnh, còn nhiệt sa lắng làm cho aerosol sa lắng ở phần lạnh hơn, tạo điều kiện cho sự ngưng tụ hoặc keo tụ thành hạt lớn hơn và rơi xuống (thành mưa). Quang di là sự di chuyển các hạt aerosol khi hạt được chiếu sáng ở một phía, đó là trường hợp riêng của nhiệt di. Các hạt không trong suốt chuyển động theo hướng đi của tia sáng, đó là quang di dương. Đối với hạt trong suốt thì có hiện tượng quang di âm nghĩa là hạt Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá keo …………………………………………………………………89 89 chuyển dịch về phía nguồn sáng, do lúc này phía sau hạt được hâm nóng bởi các tia khúc xạ trong hạt mạnh hơn so với phía trước hạt. Nhiệt di, nhiệt sa lắng, quang di là những hiện tượng liên quan đến tính động học phân tử chỉ đặc trưng cho hệ aerosol. Các hạt có chuyển động Brao rất mạnh, nhưng độ nhớt cuả môi trường rất nhỏ và kích thước hạt lại thô, nên hệ aerosol không bền vững, dễ sa lắng. Hạt có kích thước lớn thì tốc độ sa lắng lớn, các hạt nhỏ thì chuyển động rất mạnh nên dễ và chạm vào nhau và liên kết lại thành những hạt lớn hơn. Vì thế ở hệ aerosol có nồng độ cao thời gian keo tụ một nửa rất nhỏ, ở các hệ aerosol loãng thì thời gian keo tụ một nửa rất lớn. Vậy aerosol loãng là hệ rất bền. Các hạt có kích thước hạt 10-5 đến 10-4cm có nồng độ cao nhất ở độ cao 18km trong khí quyển, chúng lơ lửng ở đó từ 3 đến 22 ngày làm tăng rất mạnh tính đục của khí quyển. Có thể phá vỡ aerosol bằng cách thay đổi tốc độ và chiều của dòng aerosol bằng cách lọc, bằng tác dụng sóng siêu âm. thêm mầm ngưng tụ, tác dụng của điện trường… Aerosol tự nhiên có ý nghĩa lớn trong thiên văn, trong nông nghiệp. Chúng là một yếu tố quyết định đến chế độ mưa, khí hậu, thời tiết. Các hiện tượng mưa tuyết, phóng điện khi giông tố, cầu vồng… là do hệ aerosol trong khí quyển. Hệ aerosol sinh ra do khí thải công nghiệp gây ô nhiễm môi trường nên cần phải được khắc phục. III. Bột và tính chất của nó. Bột là hệ phân tán thô trong môi trường khí , ggần với tinha chất của aerosol. Do kích thước hạt lớn nên hệ không có tính bền động học. Do mật độ hạt lớn nên khối lượng riêng của bột rất lớn hơn so với aerosol. Kích thước hạt bột rất khác nhau phụ thuộc vào phương pháp điều chế và mục đích sử dụng. Sau đây là kích thước hạt một số bột dùng trong công nghệ thực phẩm. Tên loại bột Đường kính hạt ×104cm Các oxyt kim loại BaSO4 (tạo thành do kết tủa) BaSO4 (tạo thành do nghiền) Cao lanh Tinh bột gạo Tinh bột ngô Tinh bột khoai tây Bột mỳ loại tốt Bột mỳ loại trung bình Kakao 0,1 đến 1,0 1 đến 5 5 đến 20 2 đến 20 6 đến 10 15 đến 25 100 đến 150 50 đến 200 200 đến 800 100 đến 200 Sự hóa bụi của bột. Khi có gió, các hạt tách khỏi bột và trở thành bụi trơ lơ lửng trong không khí gọi là sự hóa bụi của bột. Đầu tiên là sự trượt của các hat, khi tốc độ gió tới một giá trị nào đó thì hạt nhảy múa và tách khỏi bề mặt (rất mạnh ở những điểm nhô cao của bột). Sự trượt, sự nhảy múa làm cho các hạt va đập vào nhau theo kiểu dây chuyền, có hạt rơi xuống, có hạt bay lên và tạo bụi trong môi trường khí. Sự hóa bụi phụ thuộc vào tốc độ gió, kích thước, dạng hạt, độ dính của bột, nhiệt độ… Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá keo …………………………………………………………………90 90 Tốc độ gió càng lớn, kích thước hạt càng nhỏ, hạt dạng hình cầu, bề mặt đồng nhất, độ nhớt và độ dính thấp thì tốc độ hóa bụi càng lớn. Ví dụ: với tốc độ gió 10.m.s-1 thì chỉ các hạt cát kích thước nhỏ hơn 0,1mm nhảy múa, còn các hạt lớn hơn chỉ có chuyển động lăn trượt trên bề mặt cát. Khi độ ẩm của hạt tăng thì tốc độ hóa bụi giảm. Độ ẩm làm tăng độ dính hạt, bởi sức căng bề mặt của nước lớn. Đồng thời độ ẩm còn tạo điều kiện cho các hạt tích điện hoặc trung hòa điện. Nói chung độ ẩm làm cho các hạt bột tích điện, làm tăng độ dính giữa các hạt, làm cản trở sự hóa bụi của chúng. Sự tạo cấu thể. Lượng nước thêm vào bột tăng sẽ chuyển bột khô thành bột nhão và thành hệ cấu thể (gel hoặch thạch) có độ xốp khác nhau, tính lưu đàn khác nhau phụ thuộc vào bản chất của bột. Cấu thể tạo thành trong điều kiện tĩnh đẳng nhiệt. Nếu có ngoại lực tác động thì cấu thể không hình thành, dòng chảy trong hệ chuyển hệ thành lyosol. Ở dạng bột nhão hay cấu thể thì độ nhớt của hệ rất cao, nhưng khi trở thành hệ phân tán trong môi trường lỏng thì hệ có những tính chất của hệ phân tán thô. Tác dụng tạo viên khô cho bột Đây là tác dụng ngược với sự hóa bụi và sự tạo sol của bột. Ở mỗi loại bột xác định, với độ dính thích hợp, khi được ly tâm thì các hạt bột kết dính vào nhau, tạo nên dạng hình cầu rất dễ hình thành. Nếu tốc độ ly tâm quá lớn hoặc quá nhỏ thì sự tạo viên rất kém. Sự nghiền chất phân tán thành bột và sự tạo viên bột được dùng nhiều trong sản xuất và đời sống. Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá keo …………………………………………………………………91 91 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 7 1. Phân biệt keo tụ và cấu thể, gel và thạch 2. Lý thuyết về sự hình thành cấu thể. 3. Trạng thái cân bằng sol-gel ? 4. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự tạo cấu thể 5. Độ nạp không gian và số phối trí của khung cấu thể? Ý nghĩa 6. Đặc điểm của aerosol 7. Đặc điểm của trạng thái bột 8. Tính tốc độ sa lắng của các giọt nước có bán kính 10-4cm và 10-6cm, trong không khí tĩnh?Giả sử khối lượng riêng của nước là 1g.cm-3, khối lượng riêng của không khí bằng 0, độ nhớt của không khí bằng 1,8.10-4poa. Trả lời: 1,2.10-2cms-1, 1,2.10-6cms-1 Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá keo …………………………………………………………………92 92 PHỤ LỤC Các hằng số trong những phương trình hoặc công thức toán học Tên gọi Ký hiệu Giá trị Gia tốc trọng trường Hằng số khí Nhiệt độ tuyệt đối Số Avogadro Số pi g R T N0 π 9,8m.s-2 8,314J.mol-1độ-1 0,0.82.l.atm.mol-1.độ-1 t0(C) + 273 6,02.1023 3,1416 Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá keo …………………………………………………………………93 93 MỤC LỤC Lời nói đầu Chương I: Khái niệm về các hệ keo ...........................................................................................2 I. Cách phân loại các hệ phân tán ...........................................................................................2 1. Theo kích thước hạt phân tán .........................................................................................2 2. Theo trạng thái tập hợp pha của hệ.................................................................................3 3. Theo cường độ tương tác giữ hạt phân tán và môi trường của hệ. .................................3 II. Những đặc điểm của hệ phân tán keo. ...............................................................................4 1. Bề mặt dị thể...................................................................................................................4 2. Bề mặt riêng và độ phân tán ...........................................................................................4 III. Khái niệm về hệ đa phân tán ............................................................................................6 1. Cấp hạt............................................................................................................................6 2. Mức độ đa phân tán ........................................................................................................8 IV. Điều chế và tinh chế các hệ keo .....................................................................................10 1. Điều chế ........................................................................................................................10 2. Tinh chế keo .................................................................................................................10 Câu hỏi và bài tập: ....................................................................................................................12 Chương II: Tính chất động học phân tử và sự khuếch tán ánh sáng của các hệ keo................13 I. Tính động học phân tử ......................................................................................................13 1. Chuyển động Brao (Brown) .........................................................................................13 2. Sự khuếch tán ...............................................................................................................14 3. Áp suất thẩm thấu.........................................................................................................15 4. Cân bằng màng Đônnan (Donnan) ...............................................................................16 5. Độ nhớt .........................................................................................................................18 II. Sự khuếch tán ánh sáng của hệ keo. ...............................................................................21 Câu hỏi và bài tập .....................................................................................................................25 Chương III: Năng lượng bề mặt. Sự hấp phụ ...........................................................................26 I. Năng lượng bề mặt và sức căng bề mặt. ...........................................................................26 II. Khuynh hướng giảm diện tích bề mặt của hệ. .................................................................27 III. Sự hấp phụ. .....................................................................................................................28 1. Một số khái niệm cơ bản ..............................................................................................28 2. Độ hấp phụ và độ phủ...................................................................................................28 3. Sự hấp phụ trên bề mặt rắn...........................................................................................30 4. Sự hấp phụ trên bề mặt lỏng.........................................................................................33 IV. Sự thấm ướt và sự ngưng tụ mao quản...........................................................................35 1. Sự thẩm ướt. .................................................................................................................35 Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá keo …………………………………………………………………94 94 2. Sự ngưng tụ mao quản..................................................................................................35 Câu hỏi và bài tập .....................................................................................................................38 Chương IV: Tính chất điện của các hệ keo ..............................................................................39 I. Hiện tượng điện động........................................................................................................39 II. Cấu tạo hạt keo ghét lưu. .................................................................................................39 III. Lớp điện kép và điện thế bề mặt của hạt keo. ................................................................41 1. Cấu tạo lớp điện kép. ....................................................................................................41 2. Điện thế bề mặt của hạt keo..........................................................................................45 3. Xác định thế điện động.................................................................................................47 IV. Hấp phụ trao đổi ion.......................................................................................................48 1. Khái niệm. ....................................................................................................................48 2. Nhựa trao đổi. ...............................................................................................................49 3. Nhiệt động học về hấp phụ trao đổi ion........................................................................49 Câu hỏi và bài tập .....................................................................................................................51 Chương V: Tính bền của các hệ keo và sự keo tụ ....................................................................52 I. Tính bền của các hệ keo. ...................................................................................................52 1. Lý thuyết về tính bền. ...................................................................................................52 2. Tính bền động học và tính bền nhiệt động học.............................................................52 3. Thế hút, thế đẩy giữa các hạt. .......................................................................................53 II. Sự keo tụ ..........................................................................................................................54 1. Keo tụ keo ghét lưu bằng chất điện ly. .........................................................................54 2. Hiện tượng bất thường khi keo tụ bằng chất điện ly. ...................................................57 3. Sự keo tụ keo ghét lưu bằng hỗn hợp chất điện ly. ......................................................58 4. Sự keo tụ tương hỗ. ......................................................................................................59 5. Động học của sự keo tụ bằng chất điện ly. ...................................................................62 III. Sự keo pepti hoá (kéo tán). .............................................................................................65 Câu hỏi và bài tập .....................................................................................................................67 Chương VI: Hệ keo ưa lưu và hệ bán keo ................................................................................68 I. Khái niệm về chất cao phân tử và sự tạo thành dung dịch của nó. ...................................68 1. Cao phân tử mạch thẳng và mềm dẻo...........................................................................68 2. Các lý thuyết về sự hình thành dung dịch polyme. ......................................................69 3. Nhiệt động học về sự hòa tan polyme ..........................................................................70 4. Sự trương của polyme. .................................................................................................71 II. Hệ keo ưa lưu...................................................................................................................72 1. Đặc điểm chung. ...........................................................................................................72 2. Đặc tính hoá keo của dung dịch protit..........................................................................72 3. Tính bền và sự keo tụ keo ưa lưu. ................................................................................74 Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá keo …………………………………………………………………95 95 II. Hệ bán keo. ......................................................................................................................75 1. Tính chất cơ bản của dung dịch bán keo. .....................................................................75 2. Tác dụng tẩy rửa, tác dụng nhũ hoá của các dung dịch bán keo. .....................................77 3. Chất bán keo không ion hoá. Chỉ số HLB....................................................................78 4. Tính bền và sự keo tụ các hệ bán keo...........................................................................79 III. Nhũ tương và chất nhũ hoá.............................................................................................79 1. Khái niệm và phân loại nhũ tương. ..............................................................................79 2. Chất nhũ hoá.................................................................................................................80 3. Hiện tượng đảo nhũ. .....................................................................................................81 VI. Hệ phân tán bọt. .............................................................................................................81 Câu hỏi và bài tập .....................................................................................................................83 Chương VII: Sự tạo cấu thể. Hệ phân tán môi trường khí .......................................................84 I. Sự tạo cấu thể. ...................................................................................................................84 1. Phân biệt keo tụ với cấu thể..........................................................................................84 2. Lý thuyết tổng quát về sự tạo cấu thể. ..........................................................................85 3. Độ nạp không gian và số phối trí của khung cấu thể....................................................85 4. Các yếu tố ảnh hưởng tới sự tạo cấu thể.......................................................................86 5. Một số tính chất của cấu thể. ........................................................................................87 II. Hệ phân tán môi trường khí. ............................................................................................87 1. Đặc điểm.......................................................................................................................87 2. Một số tính chất hoá keo của hệ. ..................................................................................88 III. Bột và tính chất của nó. ..................................................................................................89 Câu hỏi và bài tập .....................................................................................................................91 Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá keo …………………………………………………………………96 96 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Bộ môn Hóa lý: Giáo trình Hóa học chất keo, Khoa Hóa Đại học Tổng hợp Hà Nội, năm 1972. 2. Bộ môn Hóa học: Giáo trình Hóa lý thuyết, toàn tập, Trường Đại học Nông nghiệp I – Hà Nội, năm 1977. 3. E. Wolfram : Koloidika , tom I; II; III, Budapest, 1976 4. F. Damels, R. Alberty: Hóa lý (tiếng Việt dịch từ bản tiếng Nga), tập II, Nhà xuất bản Đại học và Trung học chuyên nghiệp Hà Nội, năm 1972. 5. J. Shaw: Introduction to Colloid and Surface Chemistry, Butterworth, London-Boston, 1980. 6. K. Shinoda, T. Nakagawa, B. Tamushi, T. Isemura: Koloidal surfactants, Acadimic Press New York and London, 1963 7. Phan Xuân Vận: Hoá cơ sở lý thuyết, tập II, Nhà xuất bản Đại học và Trung học chuyên nghiệp Hà Nội, năm 1988. 8. R. Sandor: Koloidika, Budapest, 1981 9. S. Voiuscki ; Giáo trình hóa keo (tiếng Nga), Moskva, 1964 10. Trần Văn Nhân; Nguyễn Thạc Sửu; Nguyễn Văn Tuế: Hóa lý, tập II, Nhà xuất bản Đại học và Trung học chuyên nghiệp Hà Nội, năm 1985. 11. Trần Văn Nhân: Giáo trình Hóa học chất keo, Khoa Hóa học trường Đại học khoa học tự nhiên Hà Nội, năm 2001.