CHƯƠNG 10 CÁC CHẤT BÁN KEO (HÓA KEO)

CHƯƠNG 10: CÁC CHẤT BÁN KEO

• Tất cả những hệ với Mt lỏng đã khảo sát ở trên đều là các hệ keo hoặc hệ vi di thể.

• Ngoài ra còn có các hệ bán keo như dung dịch nước xà phòng, ta nanh( chất thuộc da).

• Hệ bán keo tức là hệ , tùy điều kiện, có thể tồn tại ở các trạng thái khác nhau.

• Dung dich thật sol gel • Muốn chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác chỉ cần thay đổi nồng độ tướng phân tán, pH hoặc thêm chất điện ly vào hệ.

• Ở trạng thái sol chúng là hệ dị thể chứa các mixen. Mixen là tập hợp của vô số các phân tử, phần lớn là các phân tử cùng loại.

• Mixen tồn tại lâu dài, chỉ khi nào hệ chuyển sang trạng thái khác thì mixen mới khôn còn nữa

I. Định nghĩa và phân loại xà phòng II. Các tính chất hóa lý của xà phòng III. Một số chất tẩy rửa

I. Định nghĩa và phân loại xà phòng 1. Định nghĩa - Xà phòng trong nghĩa hẹp, là muối của mono axit béo, có phân tử tương đối lớn, có tính HĐBM, do đó có khả năng tẩy rửa ( xà phòng thường).

- Xà phòng theo nghĩa rộng hơn, gọi tất cả các chất có khả năng tẩy rửa là xà phòng.

- Các tính chất đặc trưng của xà phòng như tác dụng thấm ướt , làm bền, tẩy rửa chỉ thể hiện ở các muối của các axit béo mà số mạch C trong phân tử không ít hơn 10 và cũng không lớn hơn 22.

• Xà phòng Na của các axit palmitic, strearic, oleic không no( SX từ mỡ động vật) có ý nghĩa quan trọng (C15-H31COONa, C17-H35COONa, C17H33COONa) • Xà phòng thừng chứa 1 lượng lớn nước và là hỗn hợp của nhiều chất, nhất là chất điện ly - Xà phòng nguyên chất có thể thu được từ dung dịch dưới dạng tinh thể.

2. Cấu tạo và phân loại xà phòng.

- Cấu tạo - Xà phòng nói chung là các chất phân cực, phân tử của chúng gồm 2 phần :

Phần gốc hydrocarbon không phân cực kỵ nước (nhóm lipophin), không tan trong nước, tan trong pha hữu cơ không phân cực

Phần đầu ưa nước (nhóm hyđrophin) là các nhóm chức phân cực (-COOH, -OH, -NH2,…) hoặc mang điện (-COO-,-SO3-, -NH3+,…)

• Phân loại: 4 loại a. Xà phòng anion hoạt động ( trong nước phân ly thành cation kim loại và anion HC) Thành phần có tính chất HĐBM là các anion ( thường rất lớn).

Khi có sự hấp phụ các xà phòng này lên 1 bề mặt nào đó thì các anion sẽ bị hấp phụ ( bm tích điện âm: thủy tinh) • Muối cacboxylat của axit béo - Ít kích ứng với mắt, ít tẩy mỡ, rẻ tiền - Tạo pH kiềm, gây ăn da - Tạo kết tủa với nước cứng • Polyoxyetylen cacboxylat - Tẩy rửa tốt, phân tán tốt, tan ở pH thấp - Ít tạo bọt

• Muối sunfonat • Ankylbenzensunfonat: - Khả năng tẩy dầu cao - Không thủy phân trong kiềm - Rẻ tiền • Olefinsunfonat: - Ổn định tốt với pH thấp và nước cứng - Khả năng tạo bọt cao khi có chất nhờn - Độ đục thấp, hòa tan tốt, ít màu sắc, ít mùi - Tác động lên da ở mức vừa phải

b. Xà phòng cation hoạt động Thành phần mang tính HĐBM là cation tương đối lớn.

Trong xà phòng này, cation bị hấp phụ dẫn tới bm tích điện dương Các hạt tích điện(+) của tướng phân tán được làm bền bởi xà phòng cation hoạt động được hấp phụ chọn lọc bởi các sợi thực vật tích điện(-) mạnh và hoàn toàn lớn hơn so với hạt tích điện(-) được làm bền bởi xà phòng anion hoạt động. c. Xà phòng lưỡng tính Các nhóm chức của chất này trong dung dịch nước sẽ phân ly thành anion hoạt động hay caition hoạt động tùy thuộc vào MT Nếu MT axit, chúng là cation hoạt động Nếu MT kiềm, chúng là anion hoạt động d. Xà phòng không phân ly Xà phòng mà phân tử không có khả năng ion hóa

II. Các tính chất hóa lý của xà phòng 1. Tính tan trong nước - Đây là tính chất quyết định các tính chất khác, phụ thuộc vào các yếu tố sau: + Bản chất và vị trí nhóm ưu lưu + Chiều dài mạch HC + Nhiệt độ + Bản chất cation kim loại 2. Tính hoạt động bề mặt - Làm giảm sức căng bề mặt của nước, giúp loại bỏ chất bẩn bám dính khỏi bề mặt - Mỗi loại vết bẩn đều có loại chất HĐBM phù hợp khác nhau. Trong sản xuất, người ta thường kết hợp hai hay nhiều loại chất hoạt động bề mặt

- Xà phòng hòa tan trong dung dịch => sức căng bề mặt giảm => dễ thấm vào mao quản của vải sợi bẩn - Phần kỵ nước của xà phòng sẽ hấp phụ trên các hạt dầu mỡ, phần ái nước của xà phòng sẽ hướng ra ngoài dung dịch nước => tạo ra áp suất tách các vết bẩn dầu mỡ ra khỏi vải đi vào dung dịch tẩy rửa - Xà phòng => phân tán các vết bẩn dầu mỡ dưới dạng nhũ tương, ngăn không cho vết bẩn bám trở lại trên bề mặt đã được tẩy rửa - Các dung dịch chất tẩy rửa có khả năng tạo bọt cao => một phần chất bẩn sẽ tách vào bọt, nhất là những hạt bẩn ít thấm ướt

3. Khả năng thấm ướt - Rất quan trọng đối với quá trình tẩy rửa - Bề mặt ưu nước : thủy tinh, silicat, các axit… thấm nước tốt - Bề mặt kỵ nước : parafin, dầu mỡ, lưu huỳnh… thấm nước kém - Các loại vải sợi thấm ướt dễ dàng nhưng nước lại khó thấm vào bên trong vải sợi vì sức căng bề mặt của nước rất lớn.

- Trong quá trình tẩy rửa thường gặp vải sợi bị bẩn dầu mỡ do đó càng khó bị thấm ướt vì thế cần dung chất HĐBM để làm giảm sức căng bm của nước và sức căng bm giữa tướng vải và tướng nước.

- Trong quá trình này thì xà phòng đóng vai trò chất HĐBM - Sự thấm ướt tuân theo pt Young: σRK = σLKcosθ + σRL R, L , K : tướng rắn, lỏng, khí θ: là góc thấm ướt

- Khi them chất HĐBM vào dung dịch thì σRK , σLK sẽ giảm, do đó mà cosθ tăng, tức là sự thấm ướt tăng.

4. Khả năng tạo bọt - Sự tạo bọt kèm theo sự tăng bm phân cách L-K rất mạnh, vì thế sự tạo bọt chỉ có thể xẩy ra khi sức căng bề mặt nhỏ.

- Nước tinh khiết không có bọt mà chỉ có nước chứa chất HĐBM mới tạo bọt.

- Trong quá trình tẩy rửa bọt góp phần trong việc tách và giữ chất bẩn trong nước giặt.

5. Khả năng nhũ hóa - Xà phòng làm giảm sức căng bm giữa tướng D/ N( nhũ tương) do đó mà làm cho sự nhũ hóa xảy ra dễ dàng hơn rồi sau đó ổn định nhũ tương.

- Các chất HĐBM tạo thành lớp hấp phụ xung quanh mỗi hạt nhũ tương và lớp đó bảo vệ không cho các hạt liên kết với nhau.

- Trong quá trình tẩy rửa, các chất bẩn dầu mỡ được tách khỏi vải sợi và giữ chúng trong dung dịch bằng cách nhũ hóa bởi xà phòng.

6. Nồng độ tới hạn tạo mixen Trong quá trình tẩy rửa, việc dùng dung dịch xà phòng có nồng độ càng cao càng tốt nhưng chỉ đến 1 giới hạn nào đó mà nếu vượt quá thì chỉ gây lãng phí.

Nếu tăng dần nồng độ, đến một giá trị nào đó (thường là, tới khi dung dịch bắt đầu bão hoà), thì các phân tử chất hoạt động bề mặt tự ý xếp sắp theo quy tắc “chọn lọc, định hướng” tạo nên các hạt, gọi là mixen.

Nồng độ dung dịch ở đó mixen bắt đầu xuất hiện gọi là nồng độ tới hạn mixen (Ct), thường tính Ct theo milimol/ l. 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.

• Các mixen ban đầu dạng hình cầu, mixen xà phòng gồm khoảng 40 đến 50 phân tử xà phòng, khối lượng trung bình của mixen từ 12000 đến 22000.

• Mixen loại này tương tự các hạt keo điển hình, bề mặt mixen cũng có lớp điện kép đơn giản. Ở đó có khoảng 3/4 số ion đối “dính” bởi bề mặt mixen, số còn lại ở dạng 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.

7. Khả năng 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 và nằm giữa các phần hidrocacbon do đó làm giãn khoảng cách giữa 2 lớp phân tử. Hiện tượng đó 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.

8. Khả năng tẩy rửa -Tẩy rửa là quá trình làm sạch bề mặt gắn trong một dung dịch, trong đó có các quá trình hóa lý xảy ra.

Liên quan đến nhiều yếu tố; - Xà phòng làm giảm sức căng bm của nước vì vậy dung dịch xà phòng dễ thấm ướt vải sợi và ngấm vào mao quản của vải sợi bẩn.

- Các phân tử xà phòng hấp phụ lên bề mặt vải sợi và bề mặt các hạt bẩn rắn hay lỏng tạo nên lớp hấp phụ hidrat hóa mạnh làm cho các hạt bẩn dễ tách bm vải sợi rồi chuyển vào dung dịch tẩy rửa.

- Những màng hấp phụ trên bm hạt bẩn tạo cho các hạt độ bền vững liên kết rất lớn cản trở sự kết dính chúng với nhau cũng như với bm vải ở chỗ khác.

- Dung dịch xà phòng dễ tạo bọt. ( chất bẩn sẽ tách vào bọt) • Cơ chế tẩy rửa • Lấy đi các vết bẩn khỏi các bề mặt rắn • Giữ các vết bẩn đã lấy đi đang lơ lững để tránh chúng tái bám lại trên các bề mặt rắn

III. Một số chất tẩy rửa a. Xà phòng

Thành phần chính trong xà phòng: •

Chất hoạt động bề mặt (CHĐBM)

•

Các tác nhân làm tăng bọt và chống bọt

•

Các tác nhân làm mềm nước

•

Các tác nhân tạo môi trường kiềm

•

Các tác nhân tẩy trắng

•

Các chất xúc tác sinh học

•

Các tác nhân chống tái bám

•

Các tác nhân làm mềm vải

•

Các chất tạo hương

• Quy trình sản xuất xà phòng từ dầu mỡ

Các loại dầu mỡ

Phụ gia

Phối trộn

Tẩy trắng, khử mùi

Xà phòng hóa bằng kiềm

Sấy khô

Loại muối

Rửa bằng nước muối bão hòa

Xà phòng

Thu hồi glycerin

Thành phẩm

Thành phần xà phòng tự nhiên

Thành phần xà phòng tổng hợp

Thành phần xà phòng tổng hợp (tiếp)

b. Bột giặt

• Chất HĐBM: 8-40% • Ankylbenzen sunfonat mạch thẳng • Ankyl sunfonat gốc béo • Rượu gốc béo etoxy hóa • Nước: 5-15%

SO3

R

R

SO3

O R

OH n

• Chất mang/tăng cường: 30-65% • Zeolit Mx/n[(AlO2)x(SiO2)y].mH2O • Natri triphotphat Na5P3O10 • Natri citrat Na3C6H5O7 • Natri silicat Na2(SiO2)nO • Natri cacbonat Na2CO3 • Natri bicacbonat NaHCO3

• Chất tẩy trắng: 0-15% - Natri peborat NaBO3·nH2O - Natri percacbonat Na2CO3·1.5H2O2 • Chất hoạt hóa tẩy trắng: 0-7% - EDTA (tetra-axetyl etylendiamin) C2H4[N(CH3CO)2]2 - NOBS (nonanoyl oxybenzensunfonat) C8H17COOC6H4SO3Na • Chất ổn định: 0-1% - Phosphonates R−PO(OR’)2

• Chất chống lắng: 0-2% - CMC (cacboxymetyl xellulozơ) - Xenlulozơ ete hóa • Chất độn: 0-40% - Natri sunfat Na2SO4 • Chất làm trắng quang học: 0-0,3% • Dẫn xuất stilben • Dẫn xuất biphenyldistyryl

• Chất điều chỉnh bọt: 0-4% • Dầu silicon, paraffin • Enzym: 0,3-2% • Proteaza – Amylaza – Lypaza -Xenluloza • Chất loại đất: 0-1,5% • Dẫn xuất polyetylenglycol terephtalat (C10H8O4)n • Hương liệu: lượng nhỏ

• Quy trình sản xuất bột giặt Các chất rắn

Các chất lỏng

Nước Cột phun

Kem nhão

Enzym

Bột thành phẩm

Dầu thơm

Bột nền

Không khí nóng

Chất lỏng

Thành phần bột giặt

Thành phần bột giặt (tiếp)

c. Nước rửa kính

• Thành phần nước rửa kính

IV. Ta nanh và phẩm màu • Hầu hết các chất thuộc da ( ta nanh) đều là chất bán keo • Chúng là dẫn xuất của phenol có nhiều nhân benzene, nhóm phân cực phân ly là nhóm phenol và cacboxyl.

• Trong dung dịch ta nanh, mixen có thể tạo thành do lực hút giữa các phần HC và do tạo thành liên kết ion.

• Trọng lượng mixen chỉ khoảng 20.000 trong khi đó trọng lượng phân tử của chúng đã tới 1- 2 nghìn, như thế mỗi mixen chỉ chứa 10- 20 phân tử.

• Các loại phẩm màu tổng hợp như: Benzo đỏ, xanh thẫm… đều là chất bán keo • Các nhóm phân cực phân ly: cacboxyl, phenol, sunfo,amin….

• Trong dung dịch nước chúng là hệ bán keo, trong rượu là dung dịch thật.