Bài giảng Hóa lý - Chương 10: Các hệ phân tán
Nội dung
1. Giới thiệu
Chương 10
2. Tính chất động học
3. Tính chất quang học
4. Tính chất điện học
5. Sự bền vững và keo tụ
• CÁC HỆ PHÂN TÁN
(HỆ KEO)
1
2
Giới thiệu
Giới thiệu
Keo: Traïng thaùi ñaëc bieät cuaû moät pha trong moät heä
dò theå, khi kích thöôùc caùc phaàn töû cuaû pha ñoù giaûm
xuoáng döôùi moät giôùi haïn naøo ñoù (qui öôùc).
0,1 nm
1
nm
1000 nm
100 nm
10-4 mm
10-7 mm
10-6 mm
10-3 mm
Giôùi haïn kích thöôùc keo: ≈ 1 nm < keo < ≈ 1000 n
m
Haït keo: Phaàn töû cuaû moät pha ôû traïng thaùi keo.
Heä keo: Heä dò theå bao goàm pha keo vaø moâi tröôøng
bao quanh pha keo = moâi tröôøng phaân taùn
Nghiaõ heïp hay duøng: heä keo = pha keo.
3
4
Hệ phân tán
Hệ phân tán
Hệ
Tên gọi hệ
Ví dụ
Hệ phân tán Kích thước hạt,
Đặc điểm
R/L
huyền phù
Nước phù sa
nm
L/L
K/L
R/R
Nhũ tương
Bọt
Sữa, mủ cao su
Bọt xà phòng
Dung
phân tử
dịch
dịch
< 1
Hệ đồng thể một pha
Dung dịch keo rắn
Hợp kim, đá quí
Hạt đi qua giấy lọc,
không nhìn thấy
trong kính hiển vi
L/R
K/R
Vật xốp
Chất hấp phụ xốp
Chất hấp phụ xốp
Dung
keo
1-100
Vật xốp
(bọt rắn)
Hạt không đi qua giấy
lọc, nhìn thấy trong
kính hiểm vi thường
R/K
L/K
Sol khí
Sol khí
Khói bụi
Hệ phân tán
TB và thô
> 100
Mây, sương mù
5
6
1
Tính chaát ñoäng hoïc
Tính chaát ñoäng hoïc
Khueách taùn: quaù trình töï san baèng noàng ñoä
Chuyeån ñoäng Brown (1828)
Chuyeån ñoäng Brown cuûa caùc phaân töû laø chuyeån
ñoäng nhieät ~ kT
Chuyeån ñoäng Brown cuûa caùc phaàn töû pha phaân
taùn laø heä quaû va chaïm vôùi caùc phaàn töû moâi
tröôøng phaân taùn.
Kích thöôùc phaàn töû phaân taùn > ~ 5 m thì phaàn
töû gaàn nhö ñöùng im (khoâng Brown)
khueách taùn töï xaûy khi c 0
Ñònh luaät Fick I:
dci
dx
dni D S
dt
i
dci
dt
d2ci
dx2
Di
Ñònh luaät Fick II:
RT
k T
daïng caàuD
Quaõng ñöôøng chuyeån dòch trung bình
6 r N 6 r
Chaäm hôn nhieàu so vôùi söï khueách taùn trong dung dòch
7
8
Tính chaát ñoäng hoïc
Tính chaát ñoäng hoïc
AÙp suaát thaåm thaáu
(i)cRT
Sự sa lắng và cân bằng sa lắng
Dung dòch ñieän ly
i 1
i 1
Heä keo
10
Tính chất quang
Tính chất quang
Phaân taùn aùnh saùng - Hieäu öùng Tyndall (1868)
Böôùc soùng aùnh saùng
ñôn saéc
4.10-5 - 7.10-5 cm
Kính thöôùc haït keo
10-5 - 10-7 cm
<
1. Phaân taùn aùnh saùng
2. Haáp thuï aùnh saùng
11
2
Tính chất quang
Tính chất quang
Söï phaân taùn aùnh saùng do nhieãu xaï treân
caùc haït keo:
Haït keo hình caàu, khoâng daãn ñieän, baùn
kính r < /10, noàng ñoä keo loaõng:
Haït keo phaân cöïc haáp thu
phaùt ra aùnh saùng thöù caáp.
Heäthöùc Rayleigh
2
243 Ch V
4 d
n12 no2
n1 2no
2
Ip
Io
AÙnh saùng phaân taùn truyeàn khaép moïi
höôùng cöôøng ñoä phuï thuoäc vaøo höôùng
phaân taùn.
2
13
14
Tính chất quang
Bầu trời có màu xanh da trời là do tán xạ
Rayleigh của khí quyển Trái Đất.
15
16
Tính chất quang
Tính chất quang
Haáp thuï aùnh saùng
Cöôøng ñoä aùnh saùng loù khoûi heä
keo giaûm so vôùi cöôøng ñoä aùnh saùng
tôùi, coâng thöùc Lambert-Beer
I
0
I Io e c
ln
c
I
I0
Độ trong suốt tương đối
I
I
0
Độ hấp thu (mật độ quang)
D ln
.C.l
I
17
18
3
Tính chaát ñieän hoïc
Tính chất quang
Lôùp ñieän tích keùp treân beà maët haït keo
AÙnh saùng qua heä keo bò phaân taùn vaø haáp thuï
hấp thu giả
Beà maët keo thöôøng tích ñieän – ion taïo theá treân beà
maët keo raén.
D ( ' ).C.l
Löïc huùt tónh ñieän lôùp ion tích ñieän traùi daáu trong
Pha loûng aùp saùt beà maët keo – lôùp ion ñoái.
' f(,Ck ,n1,no ,d...)
Lôùp ion taïo theá & lôùp ion ñoái lôùp ñieän tích keùp
Nguyeân nhaân caùc hieän töôïng ñieän ñoäng.
AÙnh saùng qua heä keo bò phaân taùn vaø haáp thuï
c
f (r3 )
Beà daøy chòu aûnh höôûng cuûa moâi tröôøng phaân taùn.
Vai troø quan troïng giöõ heä keo beàn (khoâng keo tuï)
I
c
f (r3)
0
I Io e
ln
I
19
20
Tính chaát ñieän hoïc
Lôùp ñieän tích keùp treân beà maët haït keo
* Ion hoùa beà maët chaát raén: chuyeån moät soá ion
vaøo dung dòch beà maët tích ñieän traùi daáu vôùi
ion bò taùch ra.
-
AuCl2H AuCl2 + H+
haït keo (-)
* Haáp thuï ion treân beà maët pha raén: ion ñöôïc
haáp thuï leân beà maët trung hoøa beà maët tích
ñieän cuøng daáu ion ñoù:
Cu2+ trong dd CuSO4 haáp thuï leân thanh Cu.
22
Lôùp ñieän tích keùp treân beà maët haït keo
Lôùp ñieän tích keùp treân beà maët haït keo
•
LÑTK: lôùp caùc
•
•
•
Ion taïo theá: ion haáp thuï
hay ion hoùa treân beà
maët
ion taïo theá, ion
ñoái, coion phaân
boá coù quy luaät
treân beà maët
pha ôû traïng
thaùi caân baèng
ñoäng
Ion ñoái: ion ngöôïc daáu
ion taïo theá ñi vaøo dd
hay coøn laïi trong dd
Coion: ion cuøng daáu
ion taïo theá nhöng ôû
trong dung dịch taïo söï
caân baèng ñieän tích.
23
24
4
ELECTRICAL DOUBLE LAYER
Lôùp ñieän tích keùp treân beà maët haït keo
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
+
+
-
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
Quan ñieåm hieän ñaïi: caùc ion trong
-
-
-
+
LÑTK coù hai xu höôùng traùi
+
+
-
ngöôïc nhau:
+
+
-
+
+
–
–
Töông taùc vôùi nhau do löïc
tónh ñieän & löïc phaân töû (haáp
thuï) giöõ ion ñoái ôû gaàn beà
maët phaân chia pha.
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
-
+
+
Chuyeån ñoäng nhieät hoãn
loaïn cuûa caùc ion san
baèng (khueách taùn) noàng ñoä
caùc ion trong lôùp beà maët &
trong theå tích dung dòch
-
-
+
+
-
-
-
-
-
+
-
+
Helmholtz model (1879)
Guoy-Chapman model (1914)
25
26
STERN MODEL(1924)
Lôùp ñieän tích keùp treân beà maët haït keo
+
-
-
+
-
+
0
-
Lôùp Stern
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Stern layer
-
Surface potential
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
•
Lôùp ion ñoái saùt beà maët
tích ñieän, goàm moät hay vaøi
lôùp phaân töû, lieân keát vôùi
beà maët do löïc tónh ñieän &
löïc haáp phuï (Van der
waals)
-
Stern potential
-
-
-
(x)
-
Stern layer thickness
d
27
28
Lôùp ñieän tích keùp treân beà maët haït keo
Lôùp ñieän tích keùp treân beà maët haït keo
Caáu truùc lôùp Stern: moät hoaëc vaøi lôùp ion, phuï thuoäc
Lớp Stern
• Trong lôùp Stern
lôùp solvat hoaù cuûa caùc ion
0
(x<d) ñieän theá
•
•
Chieàu daøy lôùp Stern: töø beà
maët ñeán trung taâm ion saùt be
maët
Ñieän tích trong lôùp Stern:
khoâng được töï do vì löïc haáp
phuï vaø löïc tónh ñieän maïnh
(phi) giaûm tuyeán
Lớp khuếch tán
tính
1
x = 0 0
x = d 1
x = = 0
1/e
d
x
29
30
5
Tính chaát ñieän hoïc
Lôùp ñieän tích keùp treân beà maët haït keo
Lôùp ñieän tích keùp treân beà maët haït keo
Lôùp khueách taùn
Lôùp khueách taùn
Dung dịch nước chất điện ly 1-1, T = 300K
RT
2
RT
Khi 1 lớn:
Khi 1 nhỏ:
1
1
[2ln2 ln(
) ln C0 ]
C0 (M) 10-1 10-3
10-5
960
10-7
z0F
(Å) 9,6 96
10000
2: mật độ điện
tích bề mặt lớp
khuếch tán
4.
2
Dung môi không phân cực:
trăm/nghìn m
1 giảm khi C0 tăng
1 giảm khi z0 tăng
31
32
Lôùp ñieän tích keùp treân beà maët haït keo
Theá ñieän ñoäng zeta
0
1
d
x
34
Particle Surface
Shear Plane
Lôùp ñieän tích keùp treân beà maët haït keo
I-
I
Theá ñieän ñoäng zeta
-
-
+
NO
+
3
Na
NO
3
+
-
Na
• Thöïc teá khoâng ño
ñöôïc 1, chæ ño
ñöôïc
Na
+
Na
-
+
Na
I
-
3
NO
+
-
Na
I
+
+
Na
Na
• beà maët tröôït
-
+
Na
I
-
=
NO
3
-
-
3
NO
+
I
+
Na
Na
• d/dx caøng nhoû
caøng ít khaùc bieät
1.
+
Na
-
I
Diffuse Double Layer
35
36
6
Tính chaát ñieän hoïc
Caùc yeáu toá aûnh höôûng ñeán theá
Xaùc ñònh
ñieän ñoäng
CÑL trô
• Phöông phaùp ñieän thaåm
• Phöông phaùp ñieän di
• Phöông phaùp ñieän theá chaûy
• Phöông phaùp sa laéng
•
chaát khoâng coù ion coù theå tham gia vaøo maïng
tinh theå (baûn trong tuï ñieän), khoâng laøm thay ñoåi
theá nhieät ñoäng 0, 0
•
•
Noùi chung C do phaàn khueách taùn cuûa
lôùp ÑT bò neùn laïi
vôùi caùc ion ñoái coù hoùa trò cao, hoaëc laø CHC phöùc
taïp (ion taïo theá öôùc leä) haáp thuï ôû baûn ngoaøi
cuûa tuï ñieän baèng löïc Vanderwaal coù theå laøm
ñoåi daáu 1 & .
•
= 0: ñieåm ñaúng ñieän.
37
38
Tính chaát ñieän hoïc
Tính chaát ñieän hoïc
Caùc yeáu toá aûnh höôûng ñeán
theá ñieän ñoäng
Caùc yeáu toá aûnh höôûng ñeán
theá ñieän ñoäng
CÑL khoâng trô
pH
• laø chaát coù theå taïo maïng tinh theå
• H+ coù baùn kính nhoû haáp phuï
vôùi pha raén do haáp phuï vaøo baûn
trong tuï ñieän laøm thay ñoåi 0, ,
0
ñaëc bieät
.
• OH- coù momen löôõng cöïc cao
• Ion cuøng daáu vôùi ion taïo theá
• Ion ngöôïc daáu vôùi ion taïo theá
theá phuï lôùn
39
40
Tính chaát ñieän hoïc
Caùc yeáu toá aûnh höôûng ñeán
theá ñieän ñoäng
Tính chaát ñieän hoïc
Caùc yeáu toá aûnh höôûng ñeán
theá ñieän ñoäng
Nhieät ñoä:
Pha loaõng
• T0 chuyeån ñoäng nhieät
phaàn khueách taùn
• giaõn lôùp ñieän tích keùp
• giaûi haáp phuï ion taïo theá ,
0
• T0 giaûi haáp phuï ion taïo theá
,
0
41
42
7
Tính chaát ñieän hoïc
Tính chaát ñieän hoïc
Caùc hieän töôïng ñieän ñoäng
Caùc yeáu toá aûnh höôûng ñeán
Ñieän thaåm: Aùp hieäu theá coá ñònh vaøo heä keo dung
theá ñieän ñoäng
moâi dòch chuyeån veà moät ñieän cöïc.
Haèng soá ñieän moâi
Ñieän di: Aùp hieäu theá coá ñònh vaøo heä keo Caùc haït keo d
òch chuyeån veà 1 ñieän cöïc.
• beù beù.
Hieäu öùng chaûy: Cho chaát loûng chaûy qua heä keo
xuaát hieän ñieän theá chaûy (ño ñöôïc). (ngöôïc vôùi ñieän thaåm)
Hieäu öùng sa laéng: Cho heä keo sa laéng xuaát hieän
ñieän theá sa laéng (ño ñöôïc) . (ngöôïc vôùi ñieän di)
43
44
Tính chaát ñieän hoïc
Caùc hieän töôïng ñieän ñoäng
Ñieän thaåm & Ñieän di:
Söï beàn vöõng cuûa
heä keo
Söï tích ñieän traùi daáu giöõa hai pha LÑTK
Trong ñieän tröôøng moät chieàu:
Phaàn + (-) Phaàn - (+)
keùo theo caû dung moâi theo lôùp ñt ngoaøi.
Hiệu ứng chaûy & sa laéng:
Taùch haït keùo theo lôùp ñieän tích ngoaøi khaùc
bieät theá.
45
46
keo öa loûng
(lyophinsol)
keo kî loûng
Tính beàn vöõng
(lyophobicsol)
• töï phaân taùn
phaân taùn nhôø ngoaïi
baát bieán theo
löïc
ñoä phaân taùn
thôøi gian
khoâng beàn nhieät
ñoäng.
phaân boá cuûa pha
coù theå coù hieän töôïng
giaû beàn do haøng raøo
theá naêng cao.
phaân boá caân
phaân taùn trong
baèng
moâi tröôøng.
47
48
8
Ñoä beàn
Heä keo khoâng beàn veà maët nhieät ñoäng.
Beàn sa laéng:
Trong khoaûng thôøi gian ñuû daøi, caùc
haït keo khoâng laéng xuoáng ñaùy hoaëc
noåi leân beà maët heä.
Beàn hôïp theå:
Trong khoaûng thôøi gian ñuû daøi, caùc
haït keo khoâng keát hôïp vôùi nhau
taêng kích thöôùc, giaûm noàng ñoä haït
keo tuï
49
50
Beàn sa laéng (ñoäng hoïc)
Beàn hôïp theå (taäp hôïp)
•
•
Laø söï beàn vöõng cuûa pha phaân taùn döôùi taùc duïng
troïng löïc
•
•
Tính beàn cuûa caáu truùc heä.
Caáu truùc bò phaù vôõ do 2 hieän töôïng:
Heä phaân taùn cao beàn ñoäng hoïc, phaân bố caân
– Taùi keát tinh trong toaøn heä (chaäm)
• Haït nhoû hoøa tan
baèng trong moâi tröôøng.
• Haït lôùn lôùn leân giaûm
beà maët phaân chia pha, giaûm soá
haït.
• Haït lôùn lôùn daàn maát tính
beàn sa laéng
51
52
AGGREGATION
Keo tuï vaø keát tuï
van der Waals attraction
Aggregation- Keo tuï: nhieàu haït keát dính nhau taïo
thaønh taäp hôïp lôùn hôn maát ñoä beàn sa laéng.
Do: Tröôøng ñieän töû, tia cöïc maïnh, cô, nhieät, hoùa
chaát…
electrostatic repulsion
53
54
9
Ñoä beàn
Keo tuï vaø keát tuï
Caùc yeáu toá aûnh höôûng ñeán ñoä beàn keo
Coalescence - Keát tuï : keo tuï caùc
haït hoaøn toaøn dính chaäp laïi maát tính
beàn hôïp theå maát tính beàn sa laéng
Ñeán ñoä beàn sa laéng:
Kích thöôùc, hình daïng keo,
Cheânh leäch khoái löôïng rieâng,
Tröôøng löïc taùc duïng (ly taâm),
Ñoä nhôùt dung moâi …
Ñeán ñoä beàn hôïp theå: Noàng ñoä haït keo,
Lôùp ñieän tích keùp, lôùp voû solvat,
Tính chaát cuûa dung moâi…
55
56
Taùc duïng keo tuï cuûa CÑL
Caùc yeáu toá quyeát ñònh tính beàn
Keo + CÑL traùi daáu keo tuï
• Haøng raøo tónh ñieän ñaåy
•
Taêng noàng ñoä chaát ñieän ly giaûm beà daøy lôùp ñieän
tích keùp, giaûm theá ñieän ñoäng, giaûm khoaûng caùch vaø
löïc ñaåy tónh ñieän giöõa caùc haït keo.
• Haøng raøo haáp phuï / solvat hoùa bao quanh haït
ngaên caùc haït taùc xuùc nhau
•
•
Ck : Ngöôõng keo tuï (noàng ñoä keo tuï), mmol/l
Ck : Laø noàng ñoä nhoû nhaát cuûa CÑL coù theå gaây keo
tuï vôùi moät toác ñoä nhaát ñònh
57
58
Söï solvat hoùa caùc haït keo
Taùc duïng keo tuï cuûa CÑL
•
•
Lôùp Solvat hoùa ñöôïc taïo thaønh do haáp phuï
CHÑBM hay CPT che phuû beà maët laøm ngaên
caûn söï keo tuï xaûy ra.
AÛnh höôûng cuûa ñieän tích ion
•
Qui taéc Sunze - Hadi (Schulse H.- Hardy.D):
Ion ngöôïc daáu vôùi ion keo coù taùc duïng gaây
keo tuï vaø khaû naêng gaây keo tuï taêng leân tyû leä
thuaän vôùi moät soá baäc cuûa ñieän tích ion.
CPT & CHÑBM taïo trôï löïc cô hoïc - caáu theå vôùi
heä keokî loûng goïi laø chaát laøm beàn. Chuùng saép
xeáp coá ñònh höôùng treân beà maët haït, coù khaû naêng
laøm beàn heä khi noàng ñoä pha phaân taùn lôùn khaû
naêng baûo veä cuûa CPT.
59
60
10
Quaù trình keo tuï trong xöû lyù nöôùc
Taïp chaát caàn xöû lyù ôû traïng thaùi keo trong nöôùc
Keo tuï ñeå taùch pha bằng chaát trôï keo tuï
Trung
hoøa
ñieän
tích &
haáp
phuï
61
62
Taùc ñoäng cuûa chaát trôï keo tuï
Al2(SO4)314H2O 2Al3++ 3SO42-+ 14H2O
2Al3+ + colloids neutralize surface charge
2Al3+ + 6HCO3- 2Al(OH)3() + 6CO2
If insufficient bicarbonate is available:
Al2(SO4)314H2O 2Al(OH)3() + 3H2SO4
+
14H2O
63
64
11
11 trang
21680
Free
Bạn đang xem tài liệu "Bài giảng Hóa lý - Chương 10: Các hệ phân tán", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- bai_giang_hoa_ly_chuong_10_cac_he_phan_tan.pdf
