CHƯƠNG 9 HỆ VỚI MÔI TRƯỜNG RẮN, LỎNG, KHÍ - HÓA KEO

CHƯƠNG 9: HỆ VỚI MÔI TRƯỜNG RẮN, LỎNG, KHÍ

I. Hệ với môi trường phân tán khí II. Hệ với môi trường phân tán lỏng III. Hệ với môi trường phân tán rắn

I. Hệ với môi trường phân tán khí Son khí là các hệ phân tán lỏng (L) hoặc rắn (R) trong môi trường khí, thường là không khí (K).

Ví dụ: Hệ L/K là sương mù, hệ R/K là khói hoặc bụi.

- Sương mù hình thành do sự ngưng tụ hơi quá bão hoà.

Ví dụ:hơi nước gặp mặt đất lạnh (sáng mùa đông) biến thành sương mù; -Hơi nước bốc lên cao gặp lạnh biến thành mây.

- Khói gồm những hạt rắn hình thành do ngưng tụ hơi quá bão hoà.

Ví dụ:khi đốt photpho thu được khói trắng gồm những hạt P2O5 rất nhỏ.

- Bụi: hình thành do phân tán các vật rắn

Kích thước các hạt son khí nằm trong các giới hạn sau: + Son L/K Kích thước hạt, cm Sương mù 5.10-5 (Hình cầu) Mây 10-4 ÷ 10-2 + Son R/K ZnO 5.10-6 ( tấm, hình sao) Thuốc lá 10-5 ÷ 10-4 P2O5 5.10-4 ÷ 10-3 Bụi tự nhiên 10-4 ÷ 10-2 Bào tử và phấn hoa 10-4 ÷ 10-3

1.Tính chất của son khí -Tuân theo các định luật về quang học như các sol lỏng, tuy nhiên có sự khác nhau đáng kể về chiết xuất giữa TPT và MTPT nên sự phân tán ánh sáng thường biểu hiện rõ nét.

- Hệ có hệ số ma sát nội nhỏ. + Sự nhiệt di là sự di chuyển của các hạt phân tán từ nơi nóng sang nơi lạnh. + Kết tủa nhiệt là hiện tượng các hạt bám lên phần lạnh của BM được làm nóng không đều.

- 2 HT này là do bức xạ nhiệt gây ra. +Vd: Bụi bám lên trần nhà, muội than đọng lại ở thành ống khói.

- Khi hạt được làm nóng không đều thì bao giờ nó cũng chuyển động về phía nhiệt độ thấp hơn vì gần bề mặt hạt ở phía nóng các phân tử khí chuyển động với tốc độ lớn hơn nên va chạm vào hạt nhiều hơn và mạnh hơn so với phía lạnh Hạt CĐ về phía lạnh. + Quang di là hiện tượng di chuyển của các hạt sol khí khi chúng dược chiếu sáng từ một phía.

- Quang di và nhiệt di có ý nghĩa to lớn đối với sự chuyển đọng của các sol khí trong bầu khí quyển - Quang di xẩy ra khi mặt trời chiếu vào các đám mây, làm cho chúng luôn luôn chuyển động - Khi khối không khí nóng tiếp xúc với không khí lạnh, các hạt nước lơ lủng trong không khí sẽ bị nhiệt di.

- Xung quanh các hạt của sol khí không có lớp điện kép, tuy nhiên chúng vẫn có thể tích điện do sự hình thành và phá vỡ các điểm tiếp xúc giữa các hạt hoặc do sự hấp phụ của các ion khí trên bề mặt hạt.

- Điện tích trên bề mặt hạt khí thường rất nhỏ.

- Sự xuất hiện diện tích của hạt sol khí thường là ngẫu nhiên và do các nguyên nhân gây ra nó quyết định.( hạt càng lớn điện tích càng lớn)

• Sol khí thường kém bền nhất ( Hệ đa phân tán) - 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.

- Như vậy sự keo tụ trong sol khí xảy ra rất mạnh so với trong sol lỏng. Để nồng độ hạt ( trong 1cm3) giảm

Từ 1012 – 1010

Từ 1010 – 108

Từ 108 – 106

Từ 106 – 104

Cần thời gian

Vài phần của giây

10- 30 giây

30 phút

Vài ngày đêm

2. Các phương pháp phá hủy sol khí Được áp dụng khi cần tách pha phân tán - Để phá hủy các sol khí thô với hạt lớn hơn 3µm, người ta sử dụng thiết bị tách li tâm gọi là tháp xoáy.

- Bằng phương pháp lọc có thể tách được các hạt nhỏ hơn ra khỏi pha khí (dạng lưới, dạng sợi, màng lọc của mặt nạ phòng độc).

- Dùng phương pháp siêu âm hay điện trường để phá hủy sol - ( lọc sạch khí khỏi bụi, phá vỡ khói trước khi nó tỏa vào không khí…)

- Đối với sol khí có tướng phân tán lỏng, phá hủy dựa trên nguyên tắc keo tụ ( phá hủy mây mưa và sương mù.)

3.Ý nghĩa thực tiễn của son khí -Bụi do gió mang đi lắng xuống thành đất trồng trọt -Phấn hoa, hạt giống nhẹ di chuyển từ vùng này sang vùng khác dưới dạng son khí -Sơn, nhiên liệu lỏng, thuốc trừ sâu thường được chuyển sang dạng son khí bằng cách phun. Son khí dùng làm màn ngụy trang trong quân sự (P2O5) -Trong hệ thống thông gió ở các nhà máy người ta phải khử bụi không khí trước khi đưa vào hệ thống

II. Hệ với môi trường lỏng 1. Huyền phù - MTPT lỏng, TPT rắn có kích thước hạt lớn hơn hạt keo + VD: đất sét, xi măng, sơn màu…

- Có khả năng phân tán và hấp thụ ánh sáng, có thể nhìn thấy được dưới kính hiển vi.

- Vì kích thước lớn nên phản xạ ánh sáng mạnh hơn phân tán nên hệ rất đục - Không bền vững sa lắng, không có chuyển động Brao,không có khả năng khuếch tán và không có áp suất thẩm thấu.

- Bị keo tụ dưới tác dụng của chất điện ly - Có lớp vỏ sonval hóa và lớp điện kép trên bề mặt - Có hiện tượng sol – gel thuận nghịch

2. Nhũ tương - Định nghĩa: Nhũ tương là hệ phân tán gồm một số pha lỏng thường là hai pha có độ phân cực khác nhau ( hệ dị thể) + Trong nhũ tương còn có một chất HĐBM có tác dụng làm bền nhũ tương (chất nhũ hóa) - Phân loại: a. Theo bản chất của TPT và MTPT + Dầu trong nước hay nhũ tương thuận kí hiệu D/N + Nước trong dầu hay nhũ tương nghịch, kí hiệu N/D

Hình: Hệ nhũ tương nước trong dầu và dầu trong nước

- Cách xác định nhũ tương: + Xác định khả năng thấm ướt của nhũ tương đang khảo sát. + Xác định khả năng trộn lẫn của nhũ tương với nước và dầu + Xác định màu của nhũ tương khi cho phẩm màu chỉ tan được trong một tướng của nhũ tương ( sudan III, chỉ tan trong dầu, metyl xanh chỉ tan trong nước) + Đo độ dẫn của nhũ tương Nếu nhũ tương thấm ướt BM ưa nước , trộn lẫn với nước, không màu khi dùng sudan III và có độ dẫn điện cao, thì đó là nhũ tương D/N (MT phân cực) Ví dụ: mayonnaise, sữa, kem, sốt, súp...

Nếu nhũ tương thấm ướt BM ghét nước , trộn lẫn với dầu, có màu đỏ khi dùng sudan III và có độ dẫn điện thấp, thì đó là nhũ tương N/D. Ví dụ: bơ, margarin, các chất phết lên bánh, dầu mỏ, mủ cao su…

b. Theo nồng độ tướng phân tán + Nhũ tương loãng (Cpt < 0,1%), - Có độ phân tán cao, kích thước hạt xấp xỉ 10-5 cm - Có thể tồn tại không cần chất nhũ hóa ( về tính chất nói chung rất giống dd keo) + Nhũ tương đậm đặc (Cpt < 74%) - Đây là nồng độ tối đa của loại nhũ tương này vì nó ứng với sự sắp xếp của hạt hình cầu.

- Có thể quan sát dưới kính hiển vi, dễ sa lắng hoặc tách lớp.

- Độ bền do chất nhũ hóa quyết định. + Nhũ tương đậm đặc cao độ (gen hóa) (Cpt > 74% theo thế tích) - Các hạt bị biến dạng thành hình khối đa diện ( giống tổ ong) - Các hạt ngăn cách nhau bởi 1 lớp MT rất mỏng - Hệ có tính chất giống như gel, không thể sa lắng.

- Chất nhũ hóa - Nhũ tương không bền vì năng lượng tự do của bề mặt giữa các pha cao.

- Muốn cho nhũ tương bền cần sự có mặt của chất nhũ hóa, thường là chất HĐBM, xà phòng, chất CPT ( Hấp phụ lên bề mặt hạt làm giảm sức căng bề mặt và gây ra lực đẩy giữa các hạt) - Thực nghiệm cho thấy việc giảm sức căng bề mặt không phải là yếu tố quyết định.

- Ví dụ các ancol và axit béo có số nguyên tử C < 8 không phải là chất nhũ hóa điển hình.

- Nếu số nguyên tử C từ 10 ÷ 18 thì đó là những chất nhũ hóa tốt; - Nhưng nếu kéo dài hơn nữa mạch cacbon thì tác dụng nhũ hóa lại yếu đi.

• Bản chất của chất nhũ hóa còn quyết định loại nhũ tương.

- Nếu chất nhũ hóa tan trong nước tốt hơn trong hidrocacbon( ưa nước) thì sẽ tao thành nhũ tương D/N và ngược lại.

- Vì : Chất nhũ hóa chỉ cản trở không cho các hạt kết dính lại với nhau khi các phân tử chất nhũ hóa nằm ở phía ngoài bm hạt, nghĩa là chất nhũ hóa phải hòa tan tốt trong MTPT. - Tác dụng ổn định của xà phòng kiềm với nhũ tương D/N: + Các hạt ion hữu cơ của xà phòng bị hấp phụ lên bề mặt hạt tạo thành lớp điện kép làm cho nhũ tương rất bền vững. ( xà phòng phải có mạch HC đủ dài) + Yếu tố cơ học cấu thể: chất nhũ hóa tạo thành 1 lớp cấu thể xung quanh hạt giống như gel, có độ bền lớn, có độ nhớt cao và có khả năng hydrat hóa mạnh.

- Tác dụng của xà phòng chứa cation hóa trị cao đối với nhũ tương N/D: + Các pt xà phòng tạo nên một lớp cấu thể xung quanh hạt. + Trong MT CH, mặc dù khó nhưng xà phòng vẫn phân ly một lượng rất nhỏ. Do đó xung quanh hạt cũng có lớp điện kép. + Các pt xà phòng chứa cation hóa trị cao phân cực và mạch CH dài không phân cực. Các pt này hấp phụ lên bề mật hạt, quay nhóm phân cực vào trong hạt nước còn mạch CH thì quay vào MT dầu. Các hạt nhũ tương bền vững nhờ có chuyển động Brao và lực đẩy tương hỗ giữa các gốc CH - Chất nhũ hóa có nhóm phân cực tác dụng mạnh hơn nhóm không phân cực thì nó sẽ hòa tan tốt trong nước và sẽ ổn định nhũ tương thuận D/N và ngược lại.

Tương quan ưa nước ưa dầu a) Ưa nước quá trội b) Ưa dầu quá trội c) Chất nhũ hoá tối ưu

(a)

(b) O O

(c) O

D O OO

O O O

N

Một số chất rắn ở dạng bột cũng có khả năng bảo vệ nhũ tương.

Nếu bột rắn thấm nước tốt nó sẽ nằm trong nước và bảo vệ được nhũ tương D/N. (a) Nếu bột rắn thấm dầu tốt, nó sẽ nằm ooo N trong dầu và bảo vệ nhũ tương N/D D oo Chất nhũ hoá rắn a, b − bột rắn thấm nước tốt c, d − bột rắn thấm dầu tốt a, d − hệ bền b, c − hệ không bền

(b)

oo oo N D oo ooooooooo o oo oooooooooo o o ooooooo o oo oo ooo o oo o o D o o N oo oo oo oo o o o o o o o oo o oo ooo o o o oo o o o o o

D

D

oo oo oo o

N

o

o oo o oo

(c)

oo o

N oo

o

o o o

oo oo o o o ooo ooooo

D

oo o o o o

ooo o

(d)

N

- Sự đảo pha nhũ tương Thí nghiệm cho thấy nếu cho dung dịch CaCl2 vào một nhũ tương thuận (D/N) được bảo vệ bởi Na-oleat thì sau khi khuấy ta nhận được nhũ tương nghịch (N/D).

Hiện tượng xẩy ra do sự thay đổi bản chất chất nhũ hoá từ ưa nước thành ưa dầu và ngược lại.

Trong thí nghiệm trên đã xẩy ra phản ứng: 2C17H33COONa + CaCl2 → (C17H33COO)2Ca + 2NaCl Na-oleat có tính ưa nước trội hơn, còn Ca-oleat có tính ưa dầu trội hơn.

Sự đảo pha nhũ tương Pha dầu Pha nước

D/N CaCl2

N/D

- Nhũ tương đậm đặc cao Trong nhũ tương đậm đạc cao pha phân tán chiếm tỷ lệ thể tích >74%.

Trong trường hợp này các giọt hình cầu bị biến dạng thành các khối đa diện ngăn cách nhau bởi màng mỏng của môi trường phân tán tương tự cấu trúc bọt.

Bề dày tối thiểu của màng vào khoảng 10 nm được bảo vệ bởi 2 lớp chất nhũ hoá đối đầu nhau.

Nếu màng mỏng hơn nữa nhũ tương bị phá huỷ. Zhukov (1927) đã chế tạo được nhũ tương benzen/nước trong dung dịch 1% gelatin, benzen chiếm 95% thể tích

- Nhũ tương trong đời sống - Mỡ là một thành phần chủ yếu của thức ăn nhưng lại không tan trong nước. Để cơ thể có thể hấp thụ được, mỡ phải chuyển sang dạng nhũ tương.

- Mật cung cấp axit cholic cho dạ dày và ruột. Tại phần trên của ruột với pH = 8 ÷ 8,5 hình thành muối của axit cholic là chất nhũ hoá tốt. Nhũ tương hình thành thấm qua thành ruột đi vào máu.

- Nhiều loại thuốc được bào chế ở dạng nhũ tương. Thuốc uống thường ở dạng nhũ tương D/N, còn thuốc bôi ngoài da ở dạng N/D vì nước không thấm qua da.

- Bơ, magarin, bitum. sơn là các nhũ tương đậm đặc cao.

- Mủ cao su (latec), dầu thô là các nhũ tương N/D. - Nhiều phản ứng (polyme hoá) thực hiện trong nhũ tương.

- Phá huỷ nhũ tương - Phá huỷ nhũ tương cũng cần thiết như tạo ra nhũ tương.

-Ví dụ tách nước khỏi dầu thô là sự phá huỷ nhũ tương - Có nhiều cách phá huỷ nhũ tương: + Đối với nhũ tương D/N với chất nhũ hoá ion thường bị phá huỷ khi thêm chất điện li chứa ion đa hoá trị. Các ion này tác dụng với chất nhũ hoá tạo thành hợp chất không tan trong nước.

-Với chất nhũ hoá không phải ion, tác dụng của chất điện li bị hạn chế. Trong trường hợp này người ta có thể đun nóng nhũ tương để giải hấp chất nhũ hoá khỏi nhũ tương.

- Một phương pháp khác là dùng chất HĐBM có khả năng hấp phụ cao nhưng khả năng bảo vệ kém đẩy chất nhũ hoá khỏi nhũ tương, ví dụ: dùng rượu amylic.

3. Bọt • Hệ phân tán khí(bọt khí) trong chất lỏng gọi là hệ phân tán bọt.

• Độ phân tán của bọt rất thô ( kích thước cỡ mm hoặc cm) • Giống như nhũ tương đặc, hạt bọt có cấu trúc đa diện, chỉ khác là pha phân tán là pha khí. ( Ko có CĐ Brao) • 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.

• Độ bền của bọt phụ thuộc vào bản chất và hàm lượng 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)

Bọt sau khi hình thành màng mỏng dần, thể hiện ở sự thay đổi màu sắc liên tục (kết quả giao thoa ánh sáng).

Khi độ dày của màng bé hơn độ dài sóng ánh sáng (màng trở nên không màu), có độ dày từ 4 ÷ 10 nm.

Nếu màng mỏng hơn nữa thì bọt bị phá huỷ.

• Để phá hủy bọt hay ngăn chặn sự tạo bọt : rượu, este, các chất này có tác dụng đẩy chất tạo bọt bm chất lỏng làm cho bọt không tồn tại được.

• Bọt có ý nghĩa to lớn trong tẩy rửa, tuyển nổi, cứu hỏa..

III. Hệ với môi trường phân tán rắn • Các hệ với MPT rắn thường gọi là sol rắn ( ít được nghiên cứu) - Pha pt khí( K/R) : bọt rắn (đá bọt), có nguồn gốc từ núi lửa được dung làm đá mài, chế tạo bê tông nhẹ.

- Thủy tinh bọt, bê tông bọt được được sử dụng làm vật liệu xây dựng,vật liệu cách âm..

- Pha pt lỏng L/R: nhũ tương rắn, ít gặp trong tự nhiên và trong đời sống ( Phôt pho đen : Các hạt thủy ngân trong mtpt là phôt pho) - Pha pt rắn R/R: thủy tinh màu, đá quí, men, hợp kim…

- Các hệ với mtpt rắn được điều chế bằng cách phân tán K, L, R trong mt chảy lỏng. Khi mt chưa đông đặc thì hệ mang tính chất của hệ lỏng ( sol nóng), khi mt đông đặc ta sẽ được sol rắn.