Bài giảng Hóa lý - Chương 9: Các hiện tượng bề mặt và hấp phụ

1. Các hiện tượng bề mặt

–Sức căng bề mặt

Chương 9

–Hiện tượng dính ướt

„ CAÙC HIEÄN TÖÔÏNG BEÀ MAËT

& HẤP PHỤ

–Hiện tượng mao dẫn

2. Hấp phụ

–Hấp phụ trên ranh giới lỏng/khí

–Hấp phụ khí/hơi trên rắn

–Hấp phụ trên ranh giới lỏng/rắn

1

2

Năng lượng dư bề mặt

Các hiện tượng bề mặt

3

4

Naêng löôïng dö beà maët

Söùc caêng beà maët

„ Caùc phaân töû trong

loøng pha vaø treân beà

maët pha chòu caùc löïc

töông taùc khaùc nhau

„ Trong ñieàu kieän ñaúng nhieät, thuaän

nghòch:

„  = dE_S/dS

„  coù söï khaùc bieät

veà naêng löôïng

„  beà maët coù moät

naêng löôïng dö dE_S

„  - erg/cm²(dyn.cm/cm²) - laø naêng

löôïng taïo ra moät ñôn vò beà maët.

5

6

1

Khoâng coù söùc caêng beà maët khí – khí

Söùc caêng beà maët

„ Tính chaát:

‟coù giaù trò baèng: dE_S/dS

‟coù phöông: tieáp tuyeán vôùi beà maët

phaân chia giöõa 2 pha.

‟coù höôùng: laøm co giaûm dieän tích beà

maët

7

8

Söùc caêng beà maët khí - loûng

Söùc caêng beà maët loûng - loûng

Vôùi khoâng khí,

25^oC: [dyn.cm^-1]

Nöôùc loûng: 72,75

Benzen loûng: 28,28

CCl₄loûng: 26,80

Vd: ÔÛ 20^oC, benzen loûng – nöôùc loûng 35,00 dyn.cm^-1

9

10

Söùc caêng beà maët khí - raén

Söùc caêng beà maët loûng - raén

11

12

2

Caùc yeáu toá aûnh höôûng SCBM

Nhieät ñoä taêng  Söùc caêng beà maët noùi chung giaûm

„ - nhieät ñoä

Söùc caêng beà maët cuaû caùc chaát loûng

vôùi khoâng khí giaûm gaàn tuyeán tính.

„ - baûn chaát caùc pha: 2 pha coù baûn

chaát (ñoä phaân cöïc) caøng khaùc nhau

thì söùc caêng beà maët giöõa 2 pha naøy

caøng lôùn

13

14

Ảnh hưởng của nhiệt độ

Phương trình Ramsay – Shields:

T / ^o

C

H₂O

C₆H₆

CH₃OH

C₂H₅OH

V_m^2/3 k(T_cT 6)

0

75.64

71.94

67.91

63.5

31.6

28.2

25.0

21.9

29.5

27.1

24.6

22.0

24.0

21.8

19.8

-

25

50

70

T_C: nhiệt độ tới hạn (tương ứng = 0)

V_m: thể tích mol chất lỏng

k: hệ số tỉ lệ; k = 2,1erg/K = 2,2.10^-7J/K

15

16

Sức căng bề mặt của nước theo nhiệt độ

Ảnh hưởng của nhiệt độ

Phương trình Van Der Waals – Guggenheim:

 = _o(1-T/T )ⁿ

c

Kim loai: n = 1; Chất hữu cơ n = 11/9

17

18

3

Các pp xác định sức căng bề mặt

Bản chất các chất tiếp xúc

Sức căng bề mặt của nước khi tiếp xúc

với các chất khác ở 20^oC (dyn/cm)

• Pp mao quản

• Pp kéo vòng Du Nouy

• Pp bản mỏng Wihemy

• Pp cân giọt chất lỏng

iso-

Không khí

72,8

n-hexane

51,1

benzene

32,6

pentane

49,6

19

20

Hieän töôïng dính öôùt

ÑN: laø söï phaân boá beà maët giöõa 3 pha R-L-K sao

cho naêng löôïng toaøn phaàn beà maët E_slaø nhoû nhaát.

Pp kéo vòng Du Nouy

„

Caùc ñaïi löôïng ñaëc tröng:

‟ Goùc dính öôùt: 

‟ Ñoä dính öôùt: cos

‟ Nhieät dính öôùt: 10^3- 10^5cal/cm²

Tính chaát: laø quaù trình toaû nhieät. ÔÛ traïng thaùi caân baèng tuaân theo heä

thöùc Young:

_RK= _LR

+ _LK.cos

21

22

Hieän töôïng dính öôùt

_rk



„ Phaân loaïi: dính öôùt toaøn phaàn ( = 0),

khoâng dính öôùt toaøn phaàn ( = 180),

dính öôùt (0<  <=90), khoâng dính öôùt

(90<  <=180).

_rl

Nguyeân nhaân: thay theá beà maët raén – khí (söùc caêng beà

maët lôùn) baèng beà maët raén loûng vaø loûng – khí (toång söùc

caêng beà maët nhoû hôn.)

„ Öùng duïng: deät nhuoäm, taåy giaët, noâng

nghieäp, tuyeån vaø laøm giaøu quaëng...

Goùc dính öôùt θ

θ < 90^o: loûng dính öôùt raén,

θ > 90^o: loûng khoâng dính öôùt raén

23

24

4

Hieän töôïng mao daãn

„ Hieän töôïng mao daãn laø do

söï dính öôùt taïo ra caùc maët

khum (loài - khi chaát loûng

khoâng dính öôùt bm raén;

hay loõm - khi chaát loûng

dính öôùt bm raén) khi 1

chaát loûng tieáp xuùc vôùi moät

beà maët raén, laøm thay ñoåi

caùc tính chaát beà maët.

25

26

Söï haáp phuï

„

Haáp phuï: laø söï chaát chöùa, taäp trung vaät chaát treân beà maët

phaân chia pha.

„

Chaát haáp phuï: laø chaát treân beà maët xaûy ra söï haáp phuï.

HẤP PHỤ

Chaát bò haáp phuï: laø chaát bò huùt töø theå tích leân beà maët phaân

chia pha.

„

Nguyeân nhaân haáp phuï: do söï khoâng caân baèng löïc töông

taùc cuûa caùc phaân töû treân beà maët chaát haáp phuï.

27

28

Söï haáp phuï khí vaø hôi treân

chaát haáp phuï raén

Adsorptive – phaàn töû coù khaû naêng bò haáp phuï

„

Löïc haáp phuï vaät lyù: löïc Van der Waals, löïc töông

taùc yeáu, taïo ña lôùp phaân töû, ít choïn loïc, thuaän nghòch,

naêng löôïng hoaït hoaù thaáp, deã khöû haáp phuï, nhieät

haáp phuï thaáp (<10 kcal/ mol), xaûy ra ôû nhieät ñoä thaáp.

„

Löïc haáp phuï hoaù hoïc: löïc lieân keát hoaù hoïc beàn, taïo

ñôn lôùp phaân töû, tính choïn loïc, cao, khoâng thuaän

nghòch, naêng löôïng hoaït hoaù cao, khoù khöû haáp phuï,

nhieät haáp phuï cao töông ñöông nhieät phaûn öùng (10 -

200 kcal/ mol), xaûy ra ôû nhieät ñoä cao.

Release

Adsorbate

chaát ñaõ bò

haáp phuï

Uptake

Adsorbent – chaát haáp phuï

29

30

5

Haáp phuï vaät lyù Haáp phuï hoaù hoïc

Löïc haáp phuï:

- vaät lyù

Löïc

van de Waal

lieân keát hoùa hoïc

ñôn lôùp

- hoaù hoïc

lôùp haáp phuï

nhieät haáp phuï

ñoä choïn loïc

nhieät ñoä

ña lôùp

10 – 40 kJ/mol

> 40 kJ/mol

cao

thaáp

31

cao

32

Phöông trình haáp phuï ñaúng nhieät

Langmuir (haáp phuï khí/loûng)

Langmuir:(haáp phuï khí/loûng)

k₁k₂ C

1 k₁ C

• Caùc giaû thieát

 

• - Beà maët ñoàng nhaát (nhieät haáp phuï khoâng thay

ñoåi theo ñoä che phuû dieän tích beà maët chaát haáp

phuï),

• - Haáp phuï ñôn lôùp,

• - Khoâng coù töông taùc giöõa caùc phaân töû bò haáp

phuï, vaø phaân töû bò haáp phuï khoâng di chuyeån.

„

 (gamma): löôïng chaát bò haáp phuï (mol) treân beà maët

cuûa moät ñôn vò dieän tích beà maët (m²)

„

C: noàng ñoä chaát haáp phuï trong dung dòch.

k₁= 1/A ; A: haèng soá mao daãn rieâng, ñaëc tröng cho

töøng chaát HÑBM.

„

k₂= B.₀/RT ; B: haèng soá, ít phuï thuoäc baûn chaát

chaát HÑBM.

k₁, k₂laø caùc haèng soá ñoái vôùi moät chaát HÑBM xaùc

ñònh ôû T=const.

33

34

Phöông trình haáp phuï ñaúng nhieät

Langmuir:(haáp phuï khí/loûng)

k₁k₂ C

1 k₁ C

k₁ C

1 k₁ C

 

  _max



„ daïng tuyeán tính:

„ khi C raát nhoû hôn A :

 = k₁.k₂.C

C

1

C

 _max, k₁







_maxk₁_max

„ khi C raát lôùn hôn A :

 = k₂=B.₀/R.T = _max

35

36

6

Phöông trình haáp phuï ñôn lôùp

Langmuir (Haáp phuï khí/raén)

Phöông trình haáp phuï ñôn lôùp

Langmuir (Haáp phuï khí/raén)

K.P

1 K.P

K.P

1 K.P

Phöông trình Langmuir cô baûn:

 

v  v_m

K.P

 

P

v

1

P





daïng tuyeán tính:

1 K.P

K.v_mv_m

P: aùp suaát khí treân beà maët chaát haáp phuï.

: ñoä che phuû beà maët

K: hằng số hấp phụ

V, V_m: theå tích khí bò haáp phuï vaø haáp

phuï toái ña treân beà maët S₀.

37

38

K.P

1 K.P

K.P

1 K.P

v  v_m

Phöông trình haáp phuï ñôn lôùp

Langmuir (Haáp phuï khí/raén)

x  x_m

Nhaän xeùt

K.P

1 K.P

K.P

1 K.P

 Khi P nhoû (K.P raát nhoû so vôùi 1)  v,

x  x_m

 

x tuyeán tính vôùi P

P

x

1

P





daïng tuyeán tính:

 Khi P lôùn (K.P raát lôùn so vôùi 1)  v, x

K.x_mx_m

ñaït giaù trò max.

x, x_m: ñoä haáp phuï vaø ñoä haáp phuï toái ña.

 Khi P trung bình  v, x coù daïng

phöông trình Freundlich.

39

40

Phöông trình haáp phuï thöïc nghieäm

Freundlich (Haáp phuï khí/raén)

x  bP^1/n

1

n

Phaïm vi öùng duïng:

„ Daïng tuyeán tính:

lgx  lgb  lgP

Ñoái vôùi haáp phuï K/R: söû duïng ôû aùp suaát

trung bình,

1/n = 0.1 - 0.5

x: ñoä haáp phuï;

P: aùp suaát khí caân baèng treân chaát haáp phuï;

b,n: caùc haèng soá.

Ñối vôùi haáp phuï L/R: (thay P baèng C)

1/n = 0.2 - 1

41

42

7

Phöông trình haáp phuï ña lôùp BET

„ Giaû thieát:

Phöông trình haáp phuï ña lôùp BET

Haáp phuï vaät lyù taïo ña lôùp phaân töû. Lôùp

ñaàu tieân do lieân keát Van der Waals, caùc

lôùp sau do “ngöng tuï hôi laïnh”.

Caùc phaân töû chaát bò haáp phuï chæ töông

taùc vôùi phaân töû lôùp tröôùc vaø sau coù,

khoâng töông taùc vôùi caùc phaân töû beân

caïnh.

43

44

Phöông trình haáp phuï ña lôùp BET

C^*P

P₀

C^*P

v

_m

„ Xaùc ñònh beà maët rieâng: [m²/g]

v 

P

P₀

P

P₀

v_mN A

22400

(1 )(1



)

S₀



P₀

„ Daïng tuyeán tính:

 laø yeáu toá hình hoïc, phuï thuoäc söï saép xeáp

caùc phaân töû chaát bò haáp phuï treân beà maët chaát

haáp phuï.

P₀

P

C1

_m C*







P

v P₀P

v

_m C*

v

45

46

Phöông trình haáp phuï ña lôùp BET

Caùc daïng ñöôøng haáp phuï ñaúng nhieät thöïc nghieäm

II

III

„ Xaùc ñònh beà maët rieâng: [m²/g]

I

v_m N  A

S₀

V.m

IV

V

v_m: thể tích lượng chất bị hấp phụ đơn lớp (ml)

N: số Avogadro

A: diện tích mặt cắt phân tử bị hấp phụ (m²)

V: thể tích mol tại điều kiện hấp phụ (ml/mol)

m: Khối lượng chất hấp phụ

1.0

relative pressure P/P₀

47

48

8

Caùc chaát haáp phuï

„ Chaát haáp phuï raén: öùng duïng: haáp phuï choïn

loïc, xuùc taùc dò theå, chaát mang xuùc taùc, saéc

kyù,xöû lyù nöôùc.

Caùc chaát haáp phuï

„ Caùc chaát khoâng xoáp:

„ Caáu truùc xít chaët vôùi caùc loã hoång, khe hoång

lôùn, nhoû khaùc nhau tuøy kích thöôùc vaø hình

daïng caùc haït.Coù beà maët rieâng nhoû (thöôøng laø

1 - 2 m²/g). Coù ñoä xoáp nhoû. Thuoäc loaïi naøy

goàm: muoäi than (grafit), muoäi SiO₂(haït caàu,

ñöôøng kính 100 A).

Chất hấp

phụ không

xốp

Chất hấp

phụ xốp

Caùc chaát

haáp phuï

trao đổi

ion

49

50

Caùc chaát haáp phuï

Caùc chaát haáp phuï ion (haáp thuï trao ñoåi

ion):

thöôøng coù caáu truùc tinh theå, ña soá coù

söï phaân cöïc. Ví duï caùc nhöïa trao ñoåi

ion: anionit, cationit laø caùc polime

hoaëc polime sulfo hoaù.

„ Caùc chaát haáp phuï xoáp:

„ Coù caáu truùc goàm caùc haït vôùi loã xoáp beân

trong, hay caùc maïng khoâng gian chöùa caùc

loã hoång nhoû. Coù ñoä xoáp lôùn, beà maët rieâng

lôùn. Thuoäc loaïi naøy goàm coù: than hoaït tính,

silicagel,...Coù theå coù daïng tinh theå nhö

zeolite vôùi caùc loã xoáp thoâng nhau baèng caùc

cöûa soå coù kích thöôùc 4 - 7,5 A tuøy töøng loaïi

zeolite (raây phaân töû).

51

52

Söï haáp phuï treân beà maët

phaân chia pha loûng/raén

„ Coù nhieàu ñieåm gioáng vôùi haáp phuï K-R,

nhöng phöùc taïp hôn do coù söï caïnh

tranh cuûa dung moâi trong quaù trình haáp

phuï.

Caùc pt Freundlich, Langmuir, BET duøng

cho haáp phuï L-R thay P baèng C

53

9