'
• -
V
■
ÌL
\
•
V
'^ I T
\
í
\> *
*V' 3
'Vr•s l
>
5*
HÓA KEO 1
í
\
4
TTTT-TV * DI1QGHN
541
MA-K
2009
X
^ N H À XUẤT BẢN
= ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. Hồ CHÍ MINH
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP H ồ CHÍ MINH
TRỮỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Mai Hữu Khiêm
HÓA KEO
(HÓA LÝ CÁC HỆ VI DỊ THỂ VÀ HIỆN TƯỢNG BỂ MẶT)
(Tái bản lần thứ ba)
NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC Qưốc GIA
TP HỒ CHÍ MINH - 2009
GT.04.HÍV)
------— v '
ĐHQG.HCM-09
211-2009/CXB/161 -12
M Ụ C
LỤ C
LỜ I N Ó I ĐẨU
5
Chương 1. TRẠNG THÁI KEO CỬA VẬT CHẤT
1.1. Đặc điểm của các hệ p hân tá n cao
1.2. Các nguyên tắc phân loại hệ phân tán
1.3. Đặc trưng về cấu trúc
CÁC H IỆ N TƯỢNG B Ể MẶT VÀ s ự H Ấ P
7
7
1 1
13
ph ụ
Chương 2. CÁC HIỆN TƯỢNG BỂ MẬT
2.1. Năng lượng bề mặt
2.2. Hiện tượng dính ướt
2.3. Hiện tượng mao dẫn
2.4. Các phương pháp xác định sức căng bề m ặt
16
16
19
;%ị
26
Chương 3. S ự HẤP PHỤ TRÊN RANH GIỚI DUNG DỊCH LỎNG - KHÍ
3.1. Các chất hoạt động bề m ặt
3.2. Phương trìn h hấp phụ Gibbs. Độ hoạt động bề m ặ t
3.3. Phương trìn h hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir .
31
31
33
37
Ch ương 4. S ự HẤP PHỤ KHÍ VÀ HOÌ TRÊN CHẤT HẤP P H Ụ RẮN
4.1. Hấp phụ vật lý và hóa học
4.2. Các phương pháp thực nghiệm nghiên cứu sự h ấ p phụ khí
4.3. Các phương trìn h hấp phụ đẳng nhiệt
4.4. Các loại chất hấp phụ và đặc tính cơ bản của chúng
40
41
44
46
56
Ch ương 5. S ự HẤP PHỤ TRẼN BỀ MẶT PHÀN CHIA PH A DUNG
DỊCH LỎNG - RẮN
5.1. Sự hấp phụ các chất không điện ly
5.2. Sự hấp phụ các chất điện ly
CÁC H Ệ P H Â N TÁN
59
59
64
Ch ương 6. TÍNH CHẤT DỘNG HỌC CỦA CÁC HỆ PHÂN TÁN
6.1. Chuyển động Brovvn và sự khuếch tán
6.2. Sự sa lắng và cán bằng sa lắng của các hệ p h â n tá n
6.3. Ap suất thấm thấu
Chương 7. TÍNH CHẤT QUANG HỌC CỦA CÁC HỆ PH Ả N TÁN
7.1. Sự phân tán ánh sáng của hệ phân tán
7.2. Sự hấp thụ ánh sáng của hệ phân tán
7.3. Các dụng cụ quang học dừng nghiên cứu hệ keo
7.4. Tính chât quang học của hệ keo với các h ạ t k h ô n g h ìn h cầu
6 8
6 8
73
80
82
82
85
8 6
8 8
Chương 8. TÍN H CHẤT ĐIỆN HỌC CỦA CÁCHỆ PHÂN TÁN
8.1. Cấu tạo lớp điện tích kép
8.2. Các hiện tượng điện động học
8.3. Xác định điện t h ế điện động
8.4. Các yếu tô' ản h hưởng đến điện t h ế điện động
8.5. Ý nghĩa thực t ế của các h iệ n tượng điện động học
8 .6 . Cấu tạo mixen keo
89
89
97
100
103
106
107
Chương 9. ĐIỂU CHẾ VÀ LÀM SẠCH DUNG DỊCH KEO
9.1. Các phương pháp phân t á n điều chế hệ keo
9.2. Các phương pháp ngưng tụ điều chế hệ keo
9.3. Làm sạch các hệ keo
109
109
112
117
Chương 10. S ự BỀN VỮNG CỦA CÁC HỆ PHÂN TÁN
10.1. Sự bền vững, keo tụ và gel hóa
10.2. Tác dụng keo tụ của các chất điện ly
10.3. Động học của sự keo tụ
10.4. Lý thuyết bền của keo ky nước Thuyết ĐLVO
10.5. Sự solvat hóa các h ạ t keo
119
119
121
123
126
131
Chương 11. CÁC TÍNH CHẤT c ơ HỌC CẤU THỂ CỬA CÁC H Ệ PHÂN
TÁN
11.1. Các hệ kết cấu
11.2. Độ nhớt của các hệ p h â n tá n trong môi trường lỏng
11.3. Các tín h chất dẻo đàn hồi
133
133
135
138
Chương 12. DUNG DỊCH HỢP CHẤT CAO PHÂN TỬ
12.1. Cấu tạo và tín h chất của các hợp chất CPT
12.2. Tương tác giữa CPT và dung môi
12.3. Dung dịch hợp chất CPT
12.4. Dung dịch chất CPT đ iện ly
12.5. Sự bảo vệ keo ky lỏng b ằng CPT
141
141
145
147
151
155
Chương 13. CÁC HỆ PHÂN TÁN KHÁC TRONG MÔI TRƯỜNG LỎNG
VÀ RẮN
13.1. Các hệ mixen diện ly
13.2. Các hệ p hân tá n thô
13.3. Các hệ có môi trường p h â n tá n rắ n
157
157
162
166
Chương 14. CÁC HỆ TRONG MÔI TRƯỜNG PHÂN TÁN KHÍ
14.1. Đặc trưng chung
14.2. Tính chết điện học của keo khí
168
168
170
LỜI NÓI ĐẦU
HOA KEO trình bày các qui luật hóa lý của các hệ vi
dị th ể (hay còn gọi là hệ phân tán cao) vả các hiện tượng
bể mặt. Dựa trên quan điểm hỏa keo hiện dại, tài liệu này
sẽ giới thiệu những nét cơ bần nhát về năng lượng bề m ặ t
và sự Ịlấp phụ, tính chất quang học, động học p h â n tử,
diện học và vấn để bèn vững cúa cúc hệ phàn tá n , tính
chất hỏa lý của dung dịch hợp cììùt cao phân tử, keo điện
ly...
Tài liệu được PGS.TS. Mai Hữu Khiêm biên soạn dựa
theo yèu cầu tham khảo của sin/ì viên hóa kỹ th u ậ t và
thực phấm . Sau khi được sử d ụ n g nhiều n ă m , nay tài liệu
đã dược sửa chừa, chính lý lại n h ằ m đáp ứng nhu cầu
tham khảo cho sinh viên, cán bộ kỷ th u ậ t và học viên
trong lĩnh vực hóa học, silicat, thực phẩm , hóa dược, vật
liệu, môi trường và các ngành cỏ h è n quan m uốn lăm
q uen với môn khoa học uế trạ n g thái VI dị t h ề cứa vật
chất - trạng thái keo.
Bộ môn Công nghệ Hỏa lý Trường Đại học Bách khoa
T h à n h phô Hồ Chí Minh xin giới thiệu và rất m ong nhận
được nhiều ý kiến dóng góp cùa các dồng nghiệp, các dộc
giả và các học viên đ ế cuôn sách được hoàn chính liơn.
BỘ MÒN CÒNG NGHỆ HÓA LÝ
Chương 1
TRẠNG THÁI KEO CỦA VẬT CHẤT
■
■
1.1. ĐẶC ĐIỂM CỦA CÁC HỆ PHÂN TÁN CAO
H óa lý cúa các hệ tkống p h â n tán và các hiện tượng bề m ặ t (thường
đượơ gọi một cách ngắn gọn - Hóa keo) là m ột trong n hữ ng k h ái niệm lý
hóa quan trọ n g và độc lập.
K hoảng giữa t h ế kỷ 19, k h ái n iệm về loại dung dịch “đặc b iệ t” được
đưa vào khoa học, những chất câu th à n h chúng bao gồm: những ch ất có
tín h c h ấ t k ế t dính (như: gelatin, gôm arabic, tin h bột v.v...). N hững ch ất
thuộc loại đó không có khả n ăn g k ế t tin h từ dung dịch, không qua được
m àn g b án thấm . G raham đả gọi loại c h ấ t đó là sol hay colloidí+) (có n g h ĩa là
“c h ấ t keo”) để phâfi biệt với chất có th ể k ế t tinh ở tr ạ n g th á i rắn , m à khi
ta n tro n g dung dịch có thê qua được m àn g bán thâm . N hứng Borsov đã
chứng m inh được rằng, trong những điều kiện n h ấ t định ngay các ch ất mà
G ra h a m gọi là “ch ất keo” cũng có th ể k ế t tin h được từ dung dịch. Ngoài ra,
nhiều c h ấ t có k h ả n ăn g k ế t tin h khác cũng có thế tồn tạ i được ở trạng thái
keo. Vậy, từ b ấ t kỳ chất nào cũng có t h ể tạo được tr ạ n g th á i keo. Do đó
k h ô n g nên nói là “ch ất keo” m à chỉ có th ể nói là trạng thái keo và phải
xem chúng như là m ột tr ạ n g th á i đặc b iệ t chung cửa v ậ t c h ấ t - trạng thái
p h â n tán (hay trạng thái p h â n tán cao). Trong Hóa keo k h ái niệm tr ạ n g
th á i p h â n tá n cùng nghĩa với khái n iệ m “tr ạ n g th á i được chia n h ỏ ”. Các
h ạ t h a y các lỗ xốp nhỏ ở tr ạ n g th á i p h â n tá n cao không quan s á t được
tro n g các loại kính hiển vi quang học thường, nhưng b ả n th â n chúng thì
lớn h ơ n kích thước p hân tử. Vậy th u ậ t ngữ “chất keo” n ên dùng để chỉ các
ch ấ t k ế t dính, và vấn đề mà chúng ta muôn đề cập tro n g giáo tr ìn h này là
hệ keo hay hệ p h â n tán cao.
Các hệ keo hay các hệ p h ân tá n bao gồm các h ạ t (hay các lỗ xốp) và
môi trư ờ n g nó tồn tại. Giừa các h ạ t (hay các lỗ xốp) dù ít dù nhiều đều có
r ,Sole — xuất phát từ chữ Latinh “S o lutio” và từ chừ Hy Lạp “kolla” là hồ dán, keo.
quan hệ m ậ t th iế t với môi trường. Vậy, hệ keo bao gồm: p h a p h â n tá n , các h ạ t hay các bọt khí và môi trường p h â n tán, - là môi trường mà các
p h ầ n tử của pha phân tá n tồn tại. Có nghĩa, chúng là hệ dị thề chứa các
c h ấ t ở tr ạ n g th á i phân tá n cao.
K hái niệm về độ p h ân tá n gắn liền với kích thước của p h ần tử p h a
p h â n tá n . Dựa vào kích thước có th ể p h ân các hệ dị t h ể th à n h 3 loại:
Tên hệ
Kích thưđc hạt
(hay lỗ xốp), cm
Các hệ phân tán thô (huyền phù, nhũ tương...)
-
n1
o
5
1
1 0
1
Các hệ phân tán cao (keo điển hình)
ĩo
Các hệ phản tán trung bình (khói, thể xốp)
> 1 0 "4
1 0
7
Đốì tượng của Hóa keo hiện đại không chỉ giới h ạ n tro n g các hệ keo
điển h ìn h m à cả các hệ p h â n tá n khác: thồ và tru n g bình, - được gọi chưng
là hệ p h â n tán.
Việc tách hóa keo th àn h lĩnh vực độc lập dựa trê n cơ sở dấu hiệu kích
thước (nêu ở trên) dường như chỉ mới có tính cơ học th u ần túy. Tuy vậy, cách
làm đó cũng có cơ sở cần thiết, vì kích thước xác định luôn đi đôi với nội dung
tương ứng xác định. Chính ở đây, sự biến đổi về lượng dẫn đến sự biên đổi về
“chất”. Các hệ keo có sự bền vững về màu sắc và độ rắ n chắc so với những hệ
có kích thước lớn hơn (mặc dù cùng chất). Nhiều chất thực t ế không tan (trong
dung dịch thường) nhưng có khả n ăng rõ rệt h ìn h th à n h trạn g th ái keo. Trong
giáo trìn h này chúng ta sẽ khảo sát kỹ những đặc trưng đó cũng như những
tín h chất mới khác đặc trưng cho trạ n g thái keo của v ậ t chất.
Các “tín h c h ấ t” xuất hiện ở đây, - tro n g lĩn h vực hóa keo có th ế nói là
t ấ t cả những th ỏ n g sồ' độc lập mới, chúng là m ột h à m của độ p h ân tán.
C h ín h sự tă n g lên của các th ông số mới đó đã làm phức tạ p th ê m vấn đề.
Như, nhiều định lu ật cơ bản (ví dụ, định lu ậ t th à n h p h ầ n k hông đổi, định
lư ật F araday, qui tắc pha Gibbs) tro n g hóa keo thực t ế có ý n g h ĩa khác. Bởi
vì những qui luật hóa lý, m à chúng ta đã n g h iê n cứu đều xuất p h á t trê n
giới h ạ n của các hệ lý tưởng (như: khí lý tưởng, dung dịch lý tưởng v.v...)
cho n ên sẽ phức tạ p hơn r ấ t nhiều, nếu sử dụng chúng tro n g những điều
k iệ n thực. N hư chúng ta đều biết, t h ế giới bao quanh chúng ta câu th à n h từ
các hệ th ô n g p h ân tá n , n ên việc sử dụng các định lu ậ t hóa học đôi với thê
giới thực, t h ế giới của các hệ p h â n tá n , t ấ t n h iê n , sẽ m an g nhiều dấu hiệu
đặc th ù của hóa keo. N ghiên cứu các dâu hiệu đặc th ù đó khi chuyến từ các
hệ th ô n g giới h ạ n (lý hóa lý tưởng) đến v ậ t c h ấ t và v ậ t th ế thực được xem
là đối tượng của Hóa keo. Hóa keo, nếu nói theo quan điểm nêu ở tr ê n , có
t h ể gọi là hóa học của các vật th ể tliự c, m à ch ín h qua nó có th ể tìm th ấ y ý
8
ng hĩa có tín h nguyên tắc, tính độc lập và sự lỏi cưôn dặc biệt của môn học.
Vậy yếu tố nào có vai trò quyết đ ịn h đôi với những tín h c h ấ t đặc thù của
v ậ t c h ấ t ở tr ạ n g th á i keo?
Để tr ả lời cho câu hòi chúng ta h ãy quan s á t sự biến đổi bề m ặ t khi
v ậ t c h ấ t bị
s
chia nhỏ. ơ đây, bề m ặ t riêng S 0 = — - là bề m ặ t p h â n
chia pha
qui về m ột đơn vị th ể tích của pha p h â n tán , nó
đượcxem là thước đo của
độ p h â n tá n (trong đó: s và V là tổ n g bề m ặ t và thê tích của p h a p h ân
tán). Đế đơn giản, chúng ta chọn loại h ạ t có d ạng khôi lập phương, có cạnh
s
6/“ 6
l của cùng m ôt c h ấ t đề tính, thì: Sn = — = —— = —. CÒ1 1 đôi với khôi h ìn h
0
V
z3
/
S)
4 7C^
3 6
s= —= —
với các khôi cóhình d ang
khác th ì Sn
0 V
4/3ĩcr
r d
tín h th eo d, tro n g đó d là đường kính tương đương.
K ết quả tín h to án đó
cho th â y , bề m ặt riêng S 0 tỉ lệ nghịch với kích t hước h ạt, m à tro n g H óa keo
cầu, thì:
có th ế th ấ y giá trị đó (S0) r ấ t lớn. Ví dụ, nếu từ khôi lập phương với mỗi
c ạ n h là
1
cm (tức khôi có thề tích là
kích thước / =
1 0
1
cm3 ) được chia th à n h các h ạ t đến
Gcm, thì tổng bề m ặ t của p h a p h â n tá n là
6
.1 0
6
cm 2 hay
600 m 2 . S 0 tă n g lên theo với tỉ số các p h â n tử n ằ m tr ê n bề m ặ t p h â n chia
pha. Dựa theo sự p h ân bô trường lực k hông đôì xứng (trên ra n h giới p h â n
chia pha) có th ế p h ân chia các p h ầ n tử có tr ạ n g th á i n ă n g lượng “đặc b iệ t”
ra khỏi các p h ầ n tử n ằ m trong th ể tích của pha. Các p h ần tử “đặc b iệ t” đó
tr ê n bề m ặ t có n ă n g lượng dư biểu h iệ n dưới d ạn g cồng cắt các liên k ế t
tro n g quá tr ìn h chia nhỏ các p h ầ n tử ra khỏi nhau. Sự khác biệt n ăn g
lượng này có ả n h hưởng không ít đến tín h c h ấ t của vật chất. T rong các hệ
p h â n tá n giá trị S 0 là lớn, n ên giá tr ị n ăn g lượng dư ở đây p h ải xem là
đ á n g kể.
N ếu chỉ xét riêrig giá trị S 0 th ì các hệ keo cũng đã chiếm m ột vị trí
h oàn toàn đặc biệt tro n g sô" các hệ p h ân tá n nói chung***.
riê n g của các hệ p h ân tá n p h ân tử (ví dụ: dung dịch thực)
là h ệ đồng th ể , còn bề m ặ t riêng của các hệ p h ân tá n thô
các h ệ p h ân t á n cao (kích thước các p h ầ n tử của p h a p h â n
1 0
5 - 1 0
7 cm) mới có bề m ặ t riêng p h á t triể n m ạnh.
T r ê n h ìn h
1 . 1
Sự thực bề m ặ t
là k hông có, đó
r ấ t nhỏ, chỉ có
tá n vào khoảng
biếu diễn sự phụ thuộc của bề m ặ t riêng S 0 và sô p h ần
6
tử “đặc biệt” f ( f = — , tro n g đó n - sô' p h ầ n tử num trê n m ột cạn h của h ạt)
n
(* ) Trong giáo trình sẽ sử dụng các thuật ngừ: “hệ phân tán” đế chí các hệ vi dị thể bao gồm
các hệ keo, phân tán thô và phân tán trung bình. “Hệ phân tán cao” đề chỉ riêng cho hệ keo.
9
vào kích thước h ạ t, đường có dang dôc đứng khi kích thước h ạ t l giảm đến
i c r 7 cm. Giá trị f gần đ ạ t cực đại khi l ~ 1 0 " 7 cm và nhò n h ấ t là khác
không. Ví dự, xác định f = 0,01 khi l = 10“5 cm, đó là giới h ạ n trước của khu
vực hệ keo, còn f = 10~ 3 khi / = 1CT4 cm, tro n g khi đó f = 0,5 khi l = 10 ~ 7 cm,
nếu xem d = 2.10 8 cm. Vậy có th ể nói, việc
chọn r a n h giới khư vực của các hệ keo
k h ô n g phải ngẫu nhiên, m à dựa tr ê n tỉ số
s ố p h ầ n tử “đặc biệt” so với số p h ầ n tử
k h á c của p h a p h ân tán, tỉ sỗ” đó phải đ ạ t
m ột giá trị cần thiết. Đại lượng f (cùng với
S 0 xác định tín h đặc thù rõ r ệ t và các tín h
c h ấ t k h ác của các hệ phân tá n cao, nó p h ân
b iệ t với dung dịch phân tử và các hệ phân
t á n thô nữa. Độ phân tá n tă n g lên (khi l
giảm), các giá tr ị f, S0 đ ạ t đến giá trị cực
Hình 1.1. S ự biến đổi
sô p h ầ n các p h ầ n tử “đặc
đại. Vậy sự tă n g lên của độ p h ân tá n gắn
biệt” (f), bề m ặt riêng (SLl)
liền với sô" p h ầ n tử “dặc biệt”, cũng như các
theo kích thước hạt (l)
h iệ n tượng xảy ra trê n bề m ặt.
Do bề m ặ t p h ân chia p h a p h á t triể n
n h ư vậy, n ê n tro n g hệ keo và các hệ vi dị
th ể nói chung có n ăng lượng tự do bề m ặ t ( AGS > 0 ) lớn. Do vậy, chúng
k h ô n g bền, có xu hướng dính k ế t các h ạ t của pha p h â n tá n lại với nhau (gọi là keo tụ) để bề m ặ t p h â n chia pha giảm, hay nói cách k h á c là chúng
không bền n h iệ t động. T rong những quá tr ìn h biến .đổi n h ư vậy th à n h
p h ầ n hóa học của hệ không đổi, m à chỉ biến đôi về đặc trư n g n ă n g lượng.
Đây cũng là điểm th ể h iệ n tín h đặc thù của Hóa keo. M ặt khác, nếu đứng
tr ê n quan điểm động học m à nói, th ì dộ bền tậ p họp của các hệ vi dị th ê
được xác đ ịn h bởi lực h ú t giữa các p h ần tử làm cho các p h ầ n tử đó có xu
hướng tiế n gần lại nhau, dính chặp với n hau th à n h tậ p họp lớn hơn, lực
đẩ y n găn cản sự dính chặp của các p h ầ n tử. Vậy tín h bền vững của hệ vi dị
th ể được quyết định chủ yếu bởi độ lớn của h à n g rào n ă n g lượng ngăn cản
sự tiế n lại gần nhau của các hạt.
Có th ể nói, tín h bền vừng tập hợp là m ột trong n hữ ng đặc trưng quan
trọ n g m à H óa keo phải nghiên cứu, vì nó có tầ m quan trọ n g tro n g thực tế.
N hiều n g à n h s ả n xuất có liên quan với các hệ vi dị th ể , n h iệ m vụ nghiên
cứu giữ cho hệ ở tr ạ n g th á i bền tậ p hợp hoặc ngược lại (tạo điều kiện cho
nó keo tụ) có ý nghĩa lớn.
Nếu không nói quá rằng, mọi tín h c h ấ t của hệ keo và hệ vi dị th ể nói
chung đều được giải thích bằng độ p h â n tá n của nó, th ì chính độ p h â n tá n
cao của các hệ này có ý nghĩa r ấ t quyết đ ịn h đôi với nhiều đặc tín h quan
trọ n g của hệ như: tín h ch ất động học, p h â n tá n án h sáng, v.v...
10
1.2 CÁC NGUYÊN TẮC PHÂN LOẠI HỆ PHÂN TÂN
Cũng n h ư trong nhiều lĩnh vực khoa học khác, trong Hóa keo cũng
không thế chỉ có m ột cách phân loại duy n h á t dựa tr ê n m ột dấu hiệu này
hay m ột dâu hiệu khác. Sự muôn hình, muôn vẻ về tín h c h ấ t của các hệ vi
dị th ể yêu cầu phải sử dụng các phương p háp phân loại khác n hau để tiệ n
cho việc h ìn h dung m ột cách toàn diện các loại hệ.
1- P h ả n loạ i theo độ p h ả n tản
Dựa vào kích thước của các p h ần tử của pha p h â n tá n có th ề p h â n các
hệ p h â n t á n thành: các hệ phán tá n thô, tru n g bình và p h â n tá n cao (như
p h ầ n 1.1 đã đề cập). Các h ạ t có kích thước nhỏ hơn 10" cm sẽ h ìn h th à n h
dung dịch p h â n tử hay ion, trong p h ầ n Hóa lv chúng ta đã có dịp n ghiên
cứu kỹ, giáo tr ìn h này sẽ không thảo luận.
Các hệ p h â n tá n thô (ví dụ như, huyền phù, nhũ tương) khác với các
hệ p h á n tá n cao (hệ keo) ở chỗ các p h ầ n tử của p h a p h â n tá n thô sa lắ n g
(hay nổi lên) n h a n h dưới tác dụng của trọ n g trường, không qua được giây
lọc thường và có th ể quan s á t được tr ê n k ín h hiển vi thường, còn các p h ầ n
tử của các hệ keo qua được giây lọc thường, nhưng bị giây siêu lọc giữ lại,
thực t ế gần n h ư không sa lắng (hay không nổi lên) và không quan s á t được
tro n g k ín h h iể n vi quang học thường.
2- P hân lo ạ i theo tr ạ n g thái tậ p hợp
Nếu căn cứ vào tr ạ n g th á i tập họp thì hệ keo có th ể được p h â n th à n h
9 loại (Bảng 1.1), tro n g đó tên hệ được ký hiệu theo th ứ tự: pha p h â n
tá n / môi trường p h ân t á n (ví dụ K/L - biểu th ị hệ keo k h í trong môi trường
p h â n tá n là lỏng).
B ả n g 1.1. Các loại hệ p h â n tán.
1
Pha phân
tán
khí
Môi trường
phản tán
khí
2
3
4
5
6
7
lỏng
răn
khí
lỏng
rắn
khí
khí
khí
lỏng
lỏng
lỏng
răn
L/K
R/K
K/L
L/L
R/L
K/R
8
9
lỏng
răn
răn
răn
L/R
R/R
TT
Ký hiệu hệ
Tên hệ
K/K
Hệ với sự thăng giáng mật độ
khí (không khí)
Keo khí (sương mù,, mây mù)
Keo khí ((Bụi, khói)
Nhũ tương khí (bọt)
Nhũ tương
Keo, huyền phù
Bọt xốp, mao quản xốp, vật
xốp (rắn)
Nhũ tương rắn, gel xốp
Keo răn, hợp kim
11
T rong đó, hệ đồng t h ể chỉ có thế tạo th à n h hệ p hân tá n khi có sự
th ă n g g iáng nồng độ (m ật độ khí khác nhau). Dựa theo đặc trư ng của m ôi
trường p h ả n tán người ta còn gọi tê n chung của các hệ sau:
- Keo nước ( hydrosol )
có
môi trường p h â n tá n là nước.
- Keo hữu cơ (organosol) - môi trường p h ân tá n là c h ấ t hữu cơ lỏng.
- Keo khí (aerosol) - môi trường p h ân tá n là khí.
Các hệ p h ân tá n thô R/L được gọi là huyền phù; L/L = n h ũ tương; R/K
- bụi khói.
Tuy cách p h ân loại theo tr ạ n g th á i tậ p họp của các pha p h â n tá n và
môi trường p hân tá n khá hợp lý, song cách p hân loại đó vẫn còn bị h ạ n
c h ế ở chỗ, trong trường hợp kích thước của các h ạ t chỉ lớn hơn p h â n tử m ộ t
ít thì không những khồng có k h ái niệm bề m ặ t p h â n chia pha (hệ đồng
thể), m à cả k h ái niệm tr ạ n g th á i tậ p họp của pha p h â n tá n cũng không
còn. Đốì với các hệ phân tá n p h ân tử riên g lẻ (chất cao phân tử) khái niệm
tr ạ n g th á i tậ p họp củng không được dùng vì bản t h â n chúng luôn tồ n tại
tương tác từng tậ p đoàn với nhau.
3- P hản loạ i theo tương tác g iữ a các p h a
Sự tương tác giữa các c h ấ t của pha p h â n tá n và môi trường p hân tá n
p h á t sinh do lực giữa các p hân tử trê n ra n h giới p h â n chia pha, nhưng
tương tác đó có mức độ khác nhau tùy thuộc vào bản c h ấ t của pha p h â n tá n
và mồi trường p h ân tán. Dựa tr ê n đặc điểm của tương tác có th ể p h ân
th à n h : keo ưa lỏng hay lyophilsol và keo k y lỏng hay lyophobsol í+)
Đốỉ với loại th ứ n h ấ t, tương tác giữa các p h ân tứ của pha p h â n tậ n với
mồi trường là lớn. N hờ vậy đã tạ o th à n h lớp solvat hóa (hay lớp h y d ra t
hóa, nếu môi trường p h ận tá n là nước) ở trong hệ, tương tự như sự solvat
hóa trong trường hợp dung dịch thường. Ví dự, xà phòng, nhiều loại đ á t s é t
tự hòa ta n vào tro n g nước, các hợp c h ấ t cao p h â n tử được hòa ta n tro n g các
dung môi thích hợp th à n h những p h â n tử lớn riêng.
Đôi với loại th ứ hai, tương tác giữa hai pha là yếu nên trong hệ không
xảy ra sự tự phân tá n (hay xảy ra không hoàn toàn đo chúng có mức độ ưa
lỏng thấp).
Nếu n h ìn n h ậ n theo k h ả n ă n g hòa ta n vào môi trường p h â n tá n của
k ế t tủ a khô (đã thu được bằng cách cho bay hơi cẩn th ậ n dung dịch), thì
loại th ứ n h ấ t (lyophilsol) được gọi là keo thuận nghịch và loại th ứ hai - keo
(*)
'
—
—
Lyophylle xuât phát từ chữ Hy Lạp A.UÍO ( lyo ) - hòa tan, (pitecoí phileo ) thích; lyophylle
thích hòa tan. Vậy ở đây dùng thuật ngữ lyophilsol. Lyophobsol trong đó phióp^ - sợ hay ghét;
lyophobsol - ghét hòa tan nên chúng ta sử dụng thuật ngừ lyophobsol.
12
bất th u ậ n ngliịch.
T rong thực t ế keo thuận nghịch thường gặp là dung dịch các hợp c h ấ t
cao p h ân tử, như: cao su trong benzen, gelatin tro n g nước. Các keo điển
h ìn h (keo kim loại) hầu h ế t là các hệ lyophobsol (keo b ấ t th u ậ n nghịch).
T rong giáo trìn h này chủ yếu sẽ nghiên cứu loại keo đó.
Cũng như các cách p hân loại khác, cách phân loại này cũng chưa được
hoàn hảo. Ví dụ, nếu dựa theo quan điểm tr ìn h bày tr ê n đây, th ì có m ột sô"
hệ không phân loại được như: các keo hydroxyt kim loại Al(OH)3, Fe(OH)3,
Sn(OH)4 . Chúng vừa có tín h chất của keo th u ận nghịch và vừa có tín h c h ấ t
của keo b ấ t th u ận nghịch.
Ngoài ra, người ta còn dựa trê n sự tương tác giữa các p h ầ n tử của p h a
p h ân tá n để p hân loại:
- Hệ phân tán tự do là những hệ tro n g đó các h ạ t tồn tạ i dộc lập với
nhau.
- Hệ phân tán liên kết là hệ gồm các h ạ t liêií k ế t với nhau b ằng các
lực p h â n tử n ên h ìn h th à n h trong môi trường p h â n tá n m ột m ạn g lưới
k h ô n g gian, các h ạ t không thê chuyền động tự do m à chỉ có th ể chuyển
động dao động tro n g m ạn g lưới.
N h ìn chưng, n hữ ng n h ậ n xét tr ê n cho phép chúng ta h ìn h dung m ột
cách sơ bộ môn học m à chúng ta sẽ n ghiên cứu. ơ đây có th ể nói m ột cách
n g ắn gọn rằng: Hóa keo là một khải niệm lý hóa quan trọng n ghiên cứu các
hệ vi dị th ể (các hệ p h â n tá n ) trên cơ sở của các hiện tượng bề mặt, củng
n h ư n h ừ n g tính chất lý hóa chung n h ấ t của các hợp chất cao p h â n tử và
d u n g dịch của chúng.
1.3. DẶC TRƯNG VỀ CẤU TRÚC
H ìn h dạng h ạ t là m ột trong những yếu tố Tất quan trọ n g tro n g việc
xác đ ịn h tính c h ấ t của hệ p h ân tán. Dựa theo hình d ạng có t h ể p h â n th à n h
các loại: h ạ t h ìn h cầu, phiến, que và sợi gâp khúc. N h ìn chung, thực t ế h ìn h
dạng cửa các h ạ t keo k h á phức tạp, song để đơn giản hóa có th ể h ìn h dung
ch ú n g theo mấy mô h ìn h chính được mô tả tr ê n h ìn h 1 .2 .
Người ta n h ậ n th ấ y , có r ấ t nhiều hệ keo mà pha p h â n t á n có các p h ầ n
tử (h ạ t, bọt khí ...) d ạ n g h ìn h cầu hay gần như hình cầu. Ví dụ như, nhiều
loại huyền phù k h ác nhau, latech, keo k h í trong môi trường lỏng v.v... đều
có d ạ n g hình cầu; ngay phân tử p ro tit tro n g dung dịch, các h ạ t tin h th ể
tro n g hệ keo - n h ư keo vàng cung có d ạng h ìn h cầu và gần n h ư h ìn h cầu.
Các h ạ t có d ạng hơi khác với h ìn h cầu một ít thường th â y n h ư các
khôi elipsoit trò n xoay có dặc trưng tỉ lệ b án trục khác n hau (a và b). T rê n
cơ sở tì lệ khác nhau đó có tồn tại hai dạng: phỏng cầu (giông quả bóng bầu
13
dục) và h ìn h dĩa dẹt. R ất nhiều protit, th ể ngưng tụ của oxyt s ắ t và d á t sét
có câu trúc thuộc loại này. Các ch ất cao phân tử có d ạn g sợi dài th ẳ n g hoặc
n h á n h , mắc xích. Do tương tác giữa các mắc xích tro n g cùng p h ân tử và với
p h â n tử khác (liên kết cộng hóa trị, liên k ế t hydro hoặc Van der W aals) và
sự móc nhau của các m ạch polime, các chất loại này thường th ể h iệ n tín h
b ền vững cơ học cao mà các chất có dạng cầu, gần cầu hay phiến k h ô n g thế
có được.
Các dạng
elipsoit
Hình dĩa dẹt
Phỏng cầu dài
Hình que
Hình phiến
H ìn h 1.2. Một số h ìn h dạng đặc trưng của h ạ t keo kh ô n g hình cầu
Khi các p h â n tử hợp lại với nhau cùng có th ể tạo th à n h r ấ t n h iề u d ạng
k h ác nhau, m à những dạng ấy không n h ấ t th iế t tương ứng với h ìn h dạng
h ạ t bari đầu của các p h ầ n tử có.
H ầu h ế t các hệ keo là đa p h â n tán các h ạ t tro n g hệ là k h ô n g đồng
n h ấ t về kích thước. Nếu chỉ dựa vào khôi lượng các p h ầ n tử hoặc kích thước
của nó để p h â n loại hệ m ột cách chính xác là không có k h ả náng. Song có
t h ể chấp n h ậ n cách đ án h giá theo trị số tru n g bình. Ý n g h ĩa của từ trung
b ìn h ở đây còn tùy thuộc vào quan hệ tương ứng của các p h â n tử hoặc của
h ạ t đốì với đặc tín h của hệ th ông dùng để đ á n h giá.
Sau khi được tr a n g bị m ột sô" k h á i niệm chung b an đầu của lĩnh vực hệ
p h â n tá n , chúng ta sẽ lầ n lượt n g h iên cứu các tín h c h ấ t của các h ệ th ô n g
p h â n tán . N hư đã đề cập, tro n g các hệ vi dị th ể tín h c h ấ t bề m ặ t là một
tro n g những đặc trư ng quan trọ n g của hệ, n g h iên cứu nó không n h ữ n g giúp
chúng ta th ấu hiểu được bản chất của nhiều tính c h ấ t k h ác của hệ m à còn
bổ sung th ê m những tr i thức cần th iế t để th ấ u hiểu các quá tr ìn h hóa lý
k h ác (quá tr ìn h p h ả n ứng xúc tác, các quá tr ìn h điện hóa v.v...). Vậy ở đây
trước tiê n xin b ắ t đầu th ả o luận đến các hiện tượng bề m ặt.
14
CÁC HIỆN TƯỢNG BỂ MẶT
và S ự HAP p h ụ
Các quá trin h dị th ể b ấ t kỳ (như h ìn h th à n h hay p h ân hủy các c h ấ t
rắ n , h ò a ta n các c h ấ t rắn, lỏng và khí, bay hơi, th ă n g hoa cũng như các quá
tr ìn h xúc tác dị thể, các quá tr ìn h điện hóa v.v...) đều là những quá tr ìn h
xảy r a tr ê n bề m ặ t p h â n chia giữa c h ấ t r ắ n và khí, rắn-lỏng, rắ n -rắ n , lỏnglỏng hay giữa ch ất lỏng và c h ấ t khí. T rạ n g th á i các ch ất ở bề m ặ t p h â n
chia p h a r ấ t khác với v ậ t ch ất ở tro n g lòng các p h a vì có sự khác b iệ t về
tương tác giữa các p h â n tử với nhau. Sự khác biệt đó làm sản sin h các h iệ n
tượng đặc b iệ t tr ê n bề m ặ t p h â n chia pha. Ví dụ, tr ê n r a n h giới tr ạ n g th á i
lỏng và k h í hay ch ất lỏng này với c h ấ t lỏng khác có sức căng bề m ặ t và nó
là m x u ất h iệ n m ột lo ạ t các tín h c h ấ t k h ác có ý nghĩa thực t ế lớn, n h ư các
quá tr ìn h h ìn h th à n h p h a mới.
T rong n hữ ng p h ầ n cân bằng dị t h ể mà chúng ta đã nghiên cứu (trong
chương tr ìn h Hóa lý), bề m ặt p hân chia pha trong các hệ là không lớn lắm ,
cho nên những đặc th ù của các tín h ch ất vật chất ở bề m ặ t p h ân chia p h a so
với tín h chất của bản th â n khôi v ậ t ch ất khác nhau không lớn nên đã được
bỏ qua. Nhưng trong những trường hợp khi bề m ặ t p h ân chia pha lớn, - đặc
b iệt là trong các hệ keo, tín h chất đặc th ù do bề m ặt p hân chia p h a gây ra là
không th ể bỏ qua được. T hậm chí, khi bề m ặt p hân chia pha tă n g lên đáng
k ể (khi độ p h ân tá n tăn g ) các tín h chất nói trê n sẽ trở nên đóng vai trò k h á
quyết định tro n g các hệ.
Việc n g h iê n cứu h iệ n tượng bề m ặ t có sức lôi cuốn lớn vì nó có tầ m
quan trọ n g lý th u y ế t và thực tế. N g h iên cứu các h iệ n tượng bề m ặ t có th ể
đ á n h giá được n ă n g lượng và hiểu rõ được bản c h ấ t tương* tác p h â n tử. Ý
n g h ĩa thực t ế cua các h iệ n tượng bề m ặ t là ở chỗ, v ậ t ch ất có bề m ặ t p h á t
tr iể n lớn r ấ t phổ b iến trong tự n h iê n và được áp dụng rộng rã i tro n g kỹ
th u ậ t. Ví dụ như, kỹ th u ậ t cao su, kỹ th u ậ t nhựa, sử dụng c h ấ t bôi trơn,
c h ấ t m àu và tro n g các quá tr ìn h quan trọ n g khác của kỹ nghệ hóa học như:
p h ả n ứng xúc tác dị th ể , tách và là m sạch các khí, các quá tr ìn h s ả n xu ất
tro n g công nghiệp thực phẩm . H iện tượng bề m ặ t còn có vai trò tro n g kỹ
t h u ậ t bán dẫn, điện luyện kim, bảo vệ kim loại khỏi ăn mòn, p h â n tá n v ậ t
liệu, nhuộm, tẩ y rửa v.v...
15
Chương
2
CÁC HIỆN TƯỢNG BỀ MẶT
■
■
■
2.1. NĂNG LƯỢNG BỂ MẶT
2- Sức că n g bề m ặ t
Xét trê n bề m ặ t p h â n chia p h a
lỏng - khí có th ể th ấ y lực tương tác
giữa các p h ân tử tro n g lòng pha lỏng
với các p h ân tử báo quanh nó là cân
bằng, do trường lực đồi xứng (như các
p h â n tử A trong h ìn h 2.1. T rê n r a n h
giới p h â n chia pha lực tương tác của
các p h â n tử về phía p h a lỏng lớn hơn
về p h ía pha khí (như các p h â n tử B),
n ê n tạo ra lực ép lên p h ầ n c h ấ t lỏng
về p h ía bên trong. Áp su ấ t tạo r a đó
(lực tác dụng lên m ột đơn vị bề m ặt)
được gọi là áp suất p h â n tử (chính là
H ìn h 2.1. Lực tương tác g iừ a các
p h ầ n tử trên bề m ặt và trong
lòng p h a lỏng
nội áp Pi tro n g phương tr ìn h Van d e r Waals). Vậy, các p h ân tứ ở lớp bề
m ặ t có t h ế n ă n g lởn hơn so với t h ế n ă n g của các p h ân tử ở bên trong. P h ầ n
n ă n g lượng lớn hơn đó gọi là n ă n g lượng bề m ặ t của c h ấ t lỏng. M uôn là m
tă n g bề m ặ t (trong k h i th ể tích của h ệ k h ô n g đổi), cần p h ải đưa t h ê m các
p h â n tử từ trong lòng các pha đến lớp bề m ặ t, - tức là, đã thực h iệ n m ộ t
công chông lại lực tương tác của các p h â n tử. Công đó tro n g điều k iệ n đ ẳ n g
n h iệ t th u ậ n nghịch b ằn g độ tă n g của n ăng lượng d ư bề m ặt dEs. K hi bề
m ặ t tă n g m ột giá tr ị ds th ì n ă n g lượng bề m ặ t cũng tă n g m ột giá tr ị *dEs :
dEs = ơ d s
(2.1)
tro n g dó ơ - được xem là hệ sô' tỉ lệ, song r ấ t rõ rằn g , ơ có quan h ệ m ậ t
th i ế t với n ă n g lựợng bề m ặ t k h i ds = 1, dEs = ơ , n ên có th ể nói: ơ là n ă n g
lượng tạo ra m ột đơn vị bề m ặt, - được gọi là sức căng bề mặt. Ý n g h ĩa n à y
của ơ sẽ được làm sá n g tỏ hơn ở các p h ầ n tiế p theo.
K hoảng vài trăm năm về trước người ta xem G như là cồng cần th iết
tạo ra m ột đơn vị bề m ặ t hay năng lượng tự do tạo ra một đơn vị bề mặt.
Trong lĩnh vực vật lý đại lượng này đã được sử dụng r ấ t
£7?
sớm (trước khi xuất hiện khái niệm năng lượng). Người ta
hìn h dung rằng, sức căng bề mặt là lực gây tác dụng kéo
một m àn g tưởng tượng (giống như m àng đàn hồi) trên bề
m ặt ch ất lỏng song ngược với lực kéo căng. Nếu dựa trên
quan điểm năng lượng và lực nhìn nhận vấn đề thì chúng
ta có th ể tính sức căng bề m ặt qua thí nghiệm sau: nhúng
khung như hình 2 . 2 vào dung dịch xà phòng rồi rút ra,
H ình 2.2
trê n khung có m àng xà phòng hai m ặt tạo thành.
Để m àng xà phòng khỏi co lại cần tác động lên cạnh MN (có chiều dài /)
một lực f đúng bằng sức căng bề mật. Khi dịch chuyên cạnh MN một đoạn dh
thì diện tích m ặt ngoài tă n g lén giá trị:
ds = 2 / dh
(2 . 2 )
Có thừ a sô 2 ờ v ế phải của phương trìn h , vì m àng xà phòng có 2 m ặ t
ngoài ớ 2 phía cùa khung.
Công thực hiện quá trìn h :
cỉw = f dh
(2.3)
Công đó dùng đế làm tă n g bề m ặt lên ds, - tức là đã làm tă n g n ăn g
lượng bề m ật cúa quá trìn h lèn một giá trị d E s . Vậy, từ các phương trìn h
(2 . 1 ) và ( 2 .2 ) suy ra được:
dE s = ads - a2/dh
(2.4)
Còng dw dùng đế là m tăn g diện tích m ặt ngoài lên ds, - tức là đã làm
tă n g n ăn g lượng bề m ặ t lên dE s . Vặy trên cơ sở tương ứng dw b ằng với
dEs
tro n g thí nghiệm tr ê n và kết hợp
hai phương
tr ìn h (2.3) và (2.4) thu
được phương trìn h sau:
ơ=
(2.5)
21
(2.5) là phương tr ìn h tín h ơ trong trường hợp m àng có hai m ậ t ngoài tiếp
xúc với không khí. (Trường hợp chung có: ơ - f I I ).
N à n g lượng tạo ra m ột đơn vị bề m ặt, sức căng bề m ặ t ơ (như tr ê n đã
nói) bằng lực tương ứng với một đơn vị chiều dài. Đơn vị của nó là
dyn.cm 1, mà đơn vị của năng lượng tự do bề m ặ t riêng là:
2
2
erg/cm = dyn.cm/cm = đyn/cm (vì
1
erg =
1
dyn.cm)
có n g h ĩa là chúng đều có cùng đơn vị. Vậy ơ có th ể xem như là lực kéo
câng tác dụng lên m ột đơn VỊ chiều dài của chu vi m ặt p h ân chia pha.
Sức căng bề m ậ t củng như năng lượng tự do bề m ặ t là những đại lượng
ĐAI HỌC Q U Ố C GIA HÀ NỘI
TRUNG TẨM THÒNG m THƯ VIỆN
V . G/L / • 066764
17
có th ể sử dụng cả cho trường hợp hai c h ấ t lỏng không ta n lẫn vào Iihau.
Song ở đây mức độ không cân b ằng của các lực tương tác p h ân tứ không lớn
n h ư trường hợp trê n bề m ặ t p h â n chia pha khí - lỏng. Sức căng bề m ặ t rõ
rà n g phụ thuộc nhiều vào bản c h ấ t của các ch ất tiếp xúc. T rên bảng (2.1)
liệ t kê các giá trị sức căng bề m ặ t của c h ấ t lỏng trong giới h ạ n với khôứg
k h í hoặc trong chính hơi của ch ất đó G0 và tr ê n bề m ặ t tiếp xúc với nước
ơ,( ') ở 2 0 ° c.
B ả n g 2.1. Sức căng bề m ặt của các chất lỏng tiếp xúc với k h í (ơ0) và của
chất lỏng tiếp xúc với nước (ơ 2 ) ở 2 0 °
1)
ơ0
ct2
Rượu etylic
22,30
-
n-Octanol
27,50
8,50
-
n-Hexan
18,40
51,10
45,10
n-Octan
21,80
50,80
ơo
ơ2
Nước
72,75
-
Benzen
28,88
35,00
Axetic axit
27,60
C C I4
26,80
Chất lỏng
c ( dyn.cm
Chất lỏng
Xét trường hợp bề m ặ t của c h ấ t r ắ n tr ê n ra n h giới p h ân chia p h a rắ n khí, chúng ta dễ d àng th ây rằng, bên tro n g chất r ắ n các phân tử (các
nguyên tử, ion hay các phân tử) h ìn h th à n h m ạng lưới nôi với nhau theo
câu trúc tin h thể, tro n g đó các lực tương tác là cân bằng. T rạn g th á i của
các p hần tử nằm tr ê n bề m ặ t c h ấ t rắ n là chưa được cân b ằng (xét về lực
tương tác). Do vậy bề m ặ t ch ất rắ n sẽ h ú t cả những p h â n tử v ậ t chất ở gần
nó - nằm trong p h a khí. K ết quả, nồng độ của c h ấ t đó ở tr ê n bề m ặ t trở
n ê n được tậ p tru n g nhiều hơn tro n g lòng th ể tích p h a khí, và người t a nói,
k h í bị hấp p h ụ bởi bề m ặ t của ch ất rắn. Vậy, hấp p h ụ là sự tập hợp vật
c h ấ t lên trê n bề m ặ t p h â n chia p h a (như, r ắ n - k h í và cả các trường hợp
khác: rắ n - lỏng, lỏng - lỏng, lỏng - khí). C h ấ t mà ở tr ê n bề m ặt của nó có
xảy r a sự hấp phụ được gọi là chất hấp p h ụ , còn c h ấ t bị th u hút từ trong
lòng th ể tích lại gọi là chất bị hấp p h ụ . Các vấn đề có liên quan về h ấp phụ
sè có dịp thảo luận kỹ ở các chương sau.
2- Ảnh hưởng c ủ a n h iệ t độ đến sức că n g bề m ặ t
Ngoài yếu tố b ản c h ấ t tr ạ n g th á i của các pha tiế p xúc có ý nghĩa quyết
đ ịn h đôi với giá trị sức căng bề m ặ t a , ơ còn phụ thuộc r ấ t nhiều yếu tô
khác, như: n h iệ t độ, độ cong của bề m ặt, áp su ất cũng nh ư trường điện tử,
và đặc b iệt là sự có m ặ t của ch ất th ứ hai tro n g c h ấ t lỏng. T rong p h ầ n này,
r ) Qui tắc Antonov chơ phép tính gần đúng ơj = ơ LlK ~ ƠL2K trong đó ƠLjK ' sức cà.ig bề mặt của
dung dịch lỏng 1 bảo hòa chất lỏng 2 so với không khí, ƠL2K - của dung dịch lỏng 2 bảo hòa chất
lóng 1 so với không khí.
18
trước tiê n đề cập đến mối quan hệ giừa sức căng bề m ặ t và n h iệ t độ, các
yếu tô khác sẽ thảo luận sau.
H ìn h 2.3. S ự phụ thuộc của sức căng bề m ặ t của
CC14 đối với n h iệt độ
Sức căng bề m ặ t cửa đa sô' các c h ấ t lỏng giảm xuống gần n h ư tuyến
tín h k h i n h iệ t độ tă n g (H.2.3). Các tác giả đã đưa ra nhiều phương tr ìn h
to án học khác nhau biểu thị môi quan h ệ đó. Sau khi hiệu ch ỉn h phương
tr ìn h R. Eotvos hai tác giả w . Ramsay và J. Shields dưa r a phương trìn h :
ơV 2 / 3 = (TC-
6
-T )
(2.6)
tro n g đó: V - t h ể tích mol của chất lỏng; Tc - n h iệ t độ tới h ạ n , ở đó và
th ậ m chí ở n h iệ t độ th ấ p hơn Tc m ột ít, sức căng bề m ặ t b ằng không
ƠT = 0 ; k là m ột h ằ n g số, đa sô' ch ất lỏng có k « 2,1 erg/độ. Van der
W aals và người theo trường phái của ông là Guggenheim còn đưa ra m ột
phương tr ìn h có d ạn g sau:
ơ = ơ 0 ( l - T / T c)n
(2.6a)
với c h ấ t hữu cơ có n = 11/9, các kim loại: n = 1.
2.2. HIỆN TƯỢNG DÍNH ƯỚT
N ă n g lượng bề m ặ t của một chất k h ô n g chỉ phụ thuộc vào b ả n c h ấ t của
chính c h ấ t đó, m à còn phụ thuộc vào các tín h chất của c h ấ t tiếp xúc với nó.
T rường hợp nếu có b a c h ấ t tiếp xúc n h au là chất rắ n , lỏng và k h í th i to à n
hệ sẽ có cấu h ìn h sao cho ứng với giá trị cực tiểu của t h ế n ặ n g toàn p h ầ n .
C h ín h đặc trư ng đó đ ã xác định mứcđộ d ín h ướt v ậ t r ắ n n à y h ay v ậ t r ắ n
k hác b ằ n g ch ất lỏng và có th ể giải th ích h iệ n tượng b ằ n g tá c dụng của sức
19
căng bề m ặt. Xét m ột ví dụ về sự dính ướt như hình 2.4.
K
ơrK / v j
\
77777777n77777777777777m7ỰW7ử^7m7777777777m77777777777777777777777mrm777n
ơrL
ƠLKCOS0
R
Hình 2.4. Giọt chất lỏng tiếp xúc với p h a rắn và k h í
Chu vi giọt c h ấ t lỏng là giới h ạ n tương tác của ba môi trường: lỏng,
k h ô n g khí và rắn. C húng lập th à n h từng cặp p h ân cách: lỏng - không khí
(ơ/k), không khí - r ắ n (ơrk) và lỏng - rắ n (ơr/) . Vậy tr ê n 1 cm chu vi giọt
lỏng có tác dụng của ba lực G/k, ơ rk,G r/ được biểu diễn b ằn g các vectơ
tương ứng có chiều vuông góc vđi từng đoạn riêng b iệ t của chu vi và tiếp
tuyến với các bề m ặ t tương ứng. Nếu tín h cho đường cong kín giới h ạn 3
c h ấ t (rắn, lỏng, khí) lên hướng m à các p h ần tử có t h ể dịch chuyến th ì tổng
các h ìn h chiếu các sức căng bề m ặ t của các p h ân tử của 1 cm đường cong
theo phương ấy (m ột v ậ t rắ n ) phải b ằn g không.
ơ r k = ơ r / + ơ Zk C O S 0
là góc giữa tiế p tuyến của m ột c h ấ t rắ n và m ột c h ấ t lỏng về phía
c h ấ t lỏng, được gọi là góc d ín h ướt. Từ phương tr ìn h t r ê n th u được:
0
cos 0 =
ơ r k ” ơ r/
(2 .7 )
>/k
Phương trìn h (2.7) là biểu thức toán của định luật Young. Cos0 đặc trưng
cho khả năng dính ướt bề m ặt của chất lỏng, - gọi là độ d ín h ướt.
Nếu độ dính ướt k h ô n g th ỏ a m ãn điều kiện:
a r k ~ ơ r/
<1
(2.7a)
ơ /k
th ì k hông th ể có sự cân bằng. Có nghĩa là, có th ể xảy ra 2 trường hợp:
- ơ rk > ơ r/ + ơ/k, c h ấ t lỏng chảy loang vô h ạ n tr ê n m ặ t c h ấ t rắ n và
được gọi là sự d ín h ướt toàn p h ầ n , do các p h ân tử c h ấ t lỏng tác dụng với
các p h â n tử của c h ấ t r ắ n m ạn h hơn tương tác giữa chúng với nhau. Ví dụ
khi nhỏ m ột giọt nước lê n bề m ặ t tấ m k ín h sạch.
- ơ r/ > Grk + ơ/k , ’các phân tử chất lỏng tương tác với nhau m ạnh hơn là
giủfc các phân tử r ắ n - lỏng, và chất lỏng sẽ co lại. Vậy, m ặt giới h ạn chất lỏng
với rắn th u về một điểm, chất lỏng coi như tách khỏi chất rắn, - đó là sự không
dính ướt toàn phần.
Khi phương tr ìn h (2.7a) được th ỏ a m ãn, p h ân tích phương tr in h (2.1]
20
- Xem thêm -