Bài giảng Hóa keo - Chương 2: Các hiện tượng bề mặt - Chương Đình Đức

Nội dung text: Bài giảng Hóa keo - Chương 2: Các hiện tượng bề mặt - Chương Đình Đức

1. Chương 2: Các hiện tượng bề mặt
2. SỨC CĂNG BỀ MẶT Kh«ng khÝ G  = S Do G = A là công tiêu tốn, Sức căng bề mặt là công tiêu tốn để tạo ra một đơn vị diện tích bề mặt (dấu chỉ công phải tiêu tốn chống lại sức hút để đưa các phân tử từ thể tích ra bề mặt). N­íc  = G = [ J ] = [ N ] [m] = [ N ] = 10 5 dyn = 103 dyn/cm S [m 2 ] [m 2 ] [m] 100 cm Chương 2: Các hiện tượng bề mặt
3. Giả thiết có 1m3 chất được phân chia thành phân tử tự do Năng lượng tiêu tốn: nhiệt hoá hơi H Giả thiết các phân tử hình lập phương có cạnh l có l-3 hình lập phương Diện tích bề mặt 1 hình lập phương 6 l2 → Tổng diện tích bề mặt 6 l2 l-3 = 6.l-1 Công hình thành bề mặt S sẽ là S. chính nhiệt hóa hơi: 6 H .  H =  hay  =  6 Kích thước phân tử l có thể tính theo công thức: 1/ 3 V l = N 0 Chương 2: Các hiện tượng bề mặt
4. HIỆN TƯỢNG MAO QUẢN Áp suất hơi trên mặt cong lõm Hiện tượng mao dẫn Phương pháp xác định sức căng bề mặt Chương 2: Các hiện tượng bề mặt
5. Chương 2: Các hiện tượng bề mặt
6. Chương 2: Các hiện tượng bề mặt
7. Hiện tượng mao dẫn r Do = cos , từ phương trình Laplace ta có: O r r1 2 cos r1 P = r T Vì lực đẩy cột nước lên cân bằng với trọng lượng h cột nước: 2 cos r2 r2hdg r Nếu sự thấm ướt là hoàn toàn, ta có = 0, cos = 1. Khi đó ta có: r dgh  = 2 Chương 2: Các hiện tượng bề mặt
8. SỰ HẤP PHỤ Một số khái niệm Hấp phụ một lớp đơn phân tử. Phương trình Langmuir Sự hấp phụ trên bề mặt dung dịch khí. Phương trình Gibbs Màng bề mặt. Áp suất bề mặt Chương 2: Các hiện tượng bề mặt
9. Mô hình quá trình hấp phụ xảy ra trên bề mặt phân cách pha khí – rắn Chương 2: Các hiện tượng bề mặt
10. Hấp phụ một lớp đơn phân tử Phương trình Langmuir Ở trạng thái cân bằng tốc độ hấp phụ bằng tốc độ giải hấp, ta có: k.P.(1 ) = k’. Ở đây k và k’ tương ứng là hằng số hấp phụ và giải hấp. Do đó:  k = P = bP 1  k' bP Suy ra  = 1 bP V Vì  = Vm V là đại lượng hấp phụ tính bằng thể tích chất bị hấp phụ ở điều kiện tiêu ch uẩn, Vm là đại lượng hấp phụ cực đại khi 100% bề mặt bị che phủ (thể tích đơn lớp), do đó ta có: bP V = V m 1 bP Chương 2: Các hiện tượng bề mặt
11. Hình đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir V Vm Trong đó Vm thể tích hấp phụ cực đại tính bằng cm3 ở 0oC và 1 atm; N0 số Avogađro Am diện tích chiếm bởi một phân tử chất bị hấp phụ trên bề mặt tính bằng Å2 (1Å = 10-8 cm). o 2 Đối với nitơ lỏng ( 195 C), Am = 16,2 Å 2 Đối với benzen Am = 10 Å Chương 2: Các hiện tượng bề mặt
12. Nếu lưu ý đến các hệ thức nhiệt động sau: G G = S (entropi) = V (thể tích) T P P,S,ni T,P,n i G G =  (sức căng bề mặt); =  (hoá thế) S i T,P,ni n i T,P,S, n J i dG = SdT + Vdp + ds + 1 dn1 + 2 dn2 SdT Vdp + sd + n1 d1 + n2 d2 = 0 Ở T, P = const PT trở thành: sd + n1 d1 + n2 d2 = 0 Chương 2: Các hiện tượng bề mặt
13. d  = (đại lượng hấp phụ) d2 Đối với dung dịch loãng có nồng độ C theo nhiệt động học: 0 2 = μ 2 + RT lnC Hay d2 = RT dlnC Do đó: d C d  = = RT d ln C RT dC phương trình Gibbs Chương 2: Các hiện tượng bề mặt
14. Chất hoạt động bề mặt Phần đuôi không phân cực kỵ nước là các hyđro cacbo n mạch thẳng hoặc mạch nhánh (có số nguyên tử C từ 8 đến 18) Phần đầu phân cực ưa nước gồm các nhóm nguyên tử phân cực hay ion Chương 2: Các hiện tượng bề mặt
15. CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT – Chất HĐBM gốc anion – Chất HĐBM gốc cation – Chất HĐBM không ion – Chất HĐBM lưỡng tính – Chất HĐBM đặc biệt – Chất HĐBM polymer Chương 2: Các hiện tượng bề mặt
16. Cacboxylat Đây là loại chất hoạt động bề mặt được biết đến sớm nhất: natri hay kali stearat (C17H35COONa hay C17H35COOK), natri myristat (C14 H29COONa). Nhóm alkyl cũng có thể chưa bão hòa, ví dụ như natr i oleat. Các xà phòng thương mại là hỗn hợp của các axit béo thu được từ mỡ động vật, dầu cọ hay dầu dừa Ưu điểm: giá thành rẻ, dễ phân hủy sinh học, độc tính thấp Nhược điểm: dễ bị kết tủa trong nước cứng khi có mặt các ion kim loạ i như Ca2+ hay Mg2+. Hạn chế nhược điểm: cacboxylat được biến đổi bằng việc thêm các đu ôi ưa nước, ví dụ các ethoxy cacboxylat với công thức chung RO(C - H2-CH2-O)n-CH2-COO , este cacboxylat chứa các nhóm hydroxyl hay nhiều nhóm –COOH, sarcosinat chứa 1 nhóm amin với công t hức chung RCON(R’)COO-. Chương 2: Các hiện tượng bề mặt
17. Muối photphat chứa chất hoạt động bề mặt gốc anion Ankyl photphat và ankyl ether photphat đều được điều chế bằng cách xử lý các ancol béo hoặc các ancol ethoxylat bởi các tác nhân phot phat hóa, thông thường là P4O10. Phản ứng sinh ra mono hay di est e của axit photphoric. Tỷ lệ của 2 este này được xác định bằng tỷ lệ của các chất phản ứng, h àm lượng nước có mặt trong thành phần phản ứng. Các tính chất lý hóa của các chất hoạt động bề mặt ankyl photphat ph ụ thuộc vào tỷ lệ của các este. Các chất HĐBM gốc photphat được sử dụng trong ngành công nghiệp luyện kim do tính chất chống ăn mòn của chúng. Chương 2: Các hiện tượng bề mặt
18. • Chất HĐBM cation bền vững với sự thay đổi pH, cả môi trường a xit lẫn môi trường kiềm. • Chất HĐBM cation không tương thích với hầu hết các chất hoạt đ ộng bề mặt anion nhưng lại tương thích với các chất hoạt động bề mặt không ion. • Các chất HĐBM cation không tan trong dung môi hydrocacbon. N gược lại, các cation với 2 hay nhiều hơn 2 mạch ankyl dài tan tốt tr ong dung môi hydrocacbon nhưng chúng cũng có khả năng phân t án trong nước. • Bền vững về mặt hóa học với các chất điện ly. Nồng độ tới hạn tạo mixen của các chất hoạt động bề mặt cation rất giống với nồng độ tới hạn tạo mixen của các chất hoạt động bề mặt anion có cùng mạ ch cacbon. Chương 2: Các hiện tượng bề mặt
19. Chất hoạt động bề mặt lưỡng tính Các chất hoạt động bề mặt lại này có chứa cả nhóm chức cation và anion. Các chất hoạt động bề mặt lưỡng tính chủ yếu là các N-an kyl betaine là dẫn xuất của tri-metyl glycine (còn được gọi là betaine). Ví dụ của chất hoạt động bề mặt betaine là lauryl amido p ropyl di-metyl betaine C12H25CON(CH3)2CH2COOH. N hững ankyl betaine này còn được gọi là ankyl di-metyl glycinat. Chương 2: Các hiện tượng bề mặt
20. Chương 2: Các hiện tượng bề mặt
21. Đường đẳng nhiệt sức căng bề mặt  =  (C) đường đẳng nhiệt hấp phụ  =  (C) Đường đẳng nhiệt  =  (C) của chất HĐBM biểu diễn sự giảm sức căng bề mặt khi tăng nồng độ của chất HĐBM d Z tg = = dC C  C d Z  (C)  = = RT dC RT Z tg  (C) O C C Chương 2: Các hiện tượng bề mặt
22. Áp suất bề mặt Màng khí và màng ngưng tụ o o o oooooooooooooooooo 0 sức căng bề mặt của dung môi    sức căng bề mặt của dung dịch 0 = 0  áp suất bề mặt Chương 2: Các hiện tượng bề mặt
23. Sự kết dính và kết dính nội Năng lượng kết dính nội là Năng lượng phải tiêu tốn để cắt một pha thà nh 2 phần (tính cho 1cm2 mặt cắt) A B B WC = 2AH (đối với pha A) A B A WC = 2BH (đối với pha B) A B Năng lượng kết dính, kí hiệu Wa B Wa = AB + BH AB A B A Chương 2: Các hiện tượng bề mặt
24. Chương 2: Các hiện tượng bề mặt
25. Chương 2: Các hiện tượng bề mặt
26. Chương 2: Các hiện tượng bề mặt
27. Góc tiếp xúc của nước trên một số bề mặt rắn Bề mặt rắn , độ Bề mặt rắn , độ Thuỷ tinh 0 Graphit 86 Xelofan 18 Polietylen (PE) 94 Màng poliamit 75 Parafin 110 Thép 60 ¸ 90 Chương 2: Các hiện tượng bề mặt
28. Sự chảy loang Chảy loang là trường hợp thấm ướt hoàn toàn của một giọt chất lỏng B lên bề mặt của một chất lỏng A thường là nước có sức căng bề mặt lớn hơn kết quả là chất lỏng B biến thành một màng mỏng trên bề mặt. BH H B AH T AB A Điều kiện chảy loang là: AH > BH + AB S = AH BH AB > 0 S gọi là hệ số chảy loang Ví dụ: Các chất chảy loang tốt trên bề mặt nước: rượu ROH, axit hữu cơ R-COO H, amin R-NH2; Các chất không chảy loang: dầu vaselin, dầu máy. Hệ số S càng lớn thì tốc độ chảy loang càng lớn. Chương 2: Các hiện tượng bề mặt
29. CHẤT TẨY RỬA - SỰ TẠO MIXEN Tác dụng tẩy rửa của xà phòng bao gồm: 1. Làm cho nước thấm ướt bề mặt 2. Kéo hạt mỡ ra khỏi bề mặt bằng cách tạo thành mixen ưa nước 3. Tạo bọt để lôi cuốn mixen + ChÊt L L L H§BM M' M M  ' R R R Chương 2: Các hiện tượng bề mặt
30. Chương 2: Các hiện tượng bề mặt
31. oooooo ooo o o oooooooo oo oo ooooooooo o o oo oooo o o ooo ooooo o oo o oo oooooooooooooooo o oo oo o o o oo oooooooooooooooooo o o o o oo oo oooo o o ooo ooooo o o oo oo o o o ooo o ooooooooooooooooo oo o o oo oo o oooooooooooooo o oo oo oooooooooooooooooo oo oo o o ooooo o oo oo o oooooooooo o o oo 1-3,5 nm n­íc oo 2nm o o o ooooo o oo oo o o o o oooooo ooooo ooo o ooo oooooooooooooo o o o oo oo oo oo o o oo o o ooo o o ooooo o o o o o o o oo o o o oo oo o ooo ooo oo oo o ooo o o o ooo oo o oo oooo o o o o ooo (a) o oo ooooo ooooo (b) (c) ooooo (d) (e) Chương 2: Các hiện tượng bề mặt
32. Chương 2: Các hiện tượng bề mặt
33. Sự biến đổi các tính chất của dung dịch natri dodecylsunfat theo nồng độ 1. Độ dẫn điện 2. Sức căng bề mặt 3. Tính tẩy rửa 4. Áp suất thẩm thấu Chương 2: Các hiện tượng bề mặt
34. Các loại xà phòng - Xà phòng anion + Muối của axit palmitic: C15H31COO . . . Na + Muối của axit stearic: C17H35COO . . . Na + Muối của axit oleic: C17H33COO . . . Na - Xà phòng cation + + [N R1R2R3R4]X xetyltrimetyl amoni bromua: C16H33(CH3)3N Br - Xà phòng trung tính ROH + nCH2 CH2 R (OCH2 CH2)n OH O Chương 2: Các hiện tượng bề mặt
35. THANKS FOR YOUR ATTENTION! Chương 2: Các hiện tượng bề mặt