Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ Giáo dục - Đào tạo Cao đẳng - Đại học Đại cương Hóa keo hóa lý các hệ vi dị thể và hiện tượng bề mặt...

Tài liệu Hóa keo hóa lý các hệ vi dị thể và hiện tượng bề mặt

.PDF
174
19
82

Mô tả:

' • - 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 -

Tài liệu liên quan