1 /15

GIÁO TRÌNH HÓA KEO ĐẠI CƯƠNG

2 /15

CHƯƠNG 1: TÍNH CHẤT BỀ MẶT CỦA HỆ KEO

Sự hấp phụ (Adsorption)Các chất hoạt động bề mặt, chất không hoạt động bề mặt* Chất hoạt động bề mặt là chất chứa bề mặt, có độ hấp phụ dương.- Chất hoạt động bề mặt có những tính chất sau :+ Có sức căng bề mặt bé hơn của dung môi: σdd < σdm+ Có độ tan tương đối bé, vì nếu không như thế thì nó có xu hướng tách rời khỏi bề mặt mà tan sâu vào trong chất lỏng.- Cấu trúc phân tử gồm hai phần:

- Nhóm ưa nước (phân cực) : -OH, -COOH, -NO2 , -NH2, -Cl .... Phần phân cực có momen lưỡng

cực lớn và dễ hydrat hóa làm cho chất hoạt động bề mặt có ái lực lớn với nước và bị kéo vào phía lớp nước.- Nhóm kị nước (không phân cực): gốc hydrocarbon -R, là phần kỵ nước, là nguyên nhân làm cho chất HĐBM có độ tan nhỏ.* Chất không hoạt động bề mặt là chất có xu hướng rời khỏi bề mặt để tan sâu vào dung dịch, khi đó độ hấp phụ âm.

- Chất không hoạt động bề mặt có các tính chất sau :+ Có sức căng bề mặt lớn hơn của dung môi, như thế quá trình rời khỏi bề mặt mới là quá trình nhiệt động học tự diễn ra. Kết quả là luôn có σdd > σdm+ Có độ tan cao, vì thế chất mới có thể rời khỏi bề mặt mà tan sâu vào dung dịch- Các chất điện ly về cơ bản đều là chất không hoạt động bề mặt, đó là các acid, bazơ, muối. Phân tử của chúng không có phần kỵ nước, khi tan thì điện ly thành những ion hydrat hóa mạnh.

3 /15

HẤP PHỤ TRÊN RANH GIỚI KHÍ – RẮN

1. Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langnuuir:

P: áp suất khí trên bề mặt

: phần bề mặt bị chiếm (đã hấp phụ)

1- : phần bề mặt còn trống

- Tốc độ quá trình hấp phụ:

- Tốc độ quá trình khử hấp phụ

=> Khi đạt TTCB:

=>

Đặt , a: độ hấp phụ tại thời điểm t; am: độ hấp phụ cực đại.

=>

Khi P nhỏ, K.P<<1 => a = am.KP

Khi Plớn; K.P>>1 => a = am

…

2. Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich:

(Áp dụng cho chất có bề mặt hấp phụ ko đồng nhất)

; b, : hsố thực nghiệm.

Lga = lgb + .lgP

3. Thuyết hấp phụ đa phân tử:

* Thuyết hấp phụ đa phân tử của Polanyi:

* Thuyết hấp phụ đa phân tử của BET:

V: Thể tích chất bị hấp phụ ở P.

P0: Áp suất hơi bão hòa.

Vm: Thể tích khí trên lớp đơn phân tử.

4 /15

SỰ HẤP PHỤ TRÊN RANH GIỚI LỎNG - KHÍ

1. Phương trình GibbsPhương trình Gibbs nêu lên mối quan hệ giữa lượng dư chất bị hấp phụ trong lớp bề mặt (Γ) với nồng độ chất tan trong dung dịch (C) và sức căng bề mặt trên ranh giới lỏng – khí (σ).

: được gọi là độ hoạt động bề mặt.

: Sức căng bề mặt.

* Nếu nồng độ chất tan trong lớp bề mặt > trong thể tích dung dịch:

=> a>0: hấp phụ dương.

* Nếu nồng độ chất tan trong lớp bề mặt < trong thể tích dung dịch:

=> a<0: hấp phụ âm.

* Nếu nồng độ chất tan trong lớp bề mặt = trong thể tích dung dịch thì hấp phụ không xảy ra.

2. Qui tắc TraubeKhả năng làm giảm sức căng bề mặt của chất HĐBM phụ thuộc vào chiểu dài của hydrocarbon.

Trong hợp chất hữu cơ mạch cacbon no, tính hoạt động tăng 3,2 lần khi gốc hiđrocacbon tăng thêm 1 nhóm CH2.Tuy nhiên qui tắc Traube chỉ đúng cho trường hợp dung môi là nước (môi trường rất phân cực).

5 /15

SỰ HẤP PHỤ TRÊN RANH GIỚI LỎNG - RẮN1. Sự hấp phụ các chất không điện ly (hấp phụ phân tử)* Lượng chất không điện ly bị hấp phụ trên bề mặt chất rắn trong dung dịch:

- Theo phương trình Langnuuir:

- Theo phương trình Freundlich:

- Độ hấp phụ:

Co: nồng độ ban đầu

C: nồng độ cân bằng của chất bị hấp phụ V: thể tích trong đó xảy ra sự hấp phụm: lượng chất rắn hấp phụVới nồng độ khá loãng có thể sử dụng phương trình Langmuir hay Freundlich.* Sự hấp phụ phân tử chịu ảnh hưởng của các yếu tố sau:

a. Ảnh hưởng của dung môi: Dung môi càng hòa tan tốt chất bị hấp phụ thì sự hấp phụ chất tan ấy càng kém. Ví dụ: khi hấp phụ chất béo diễn ra trên chất hấp phụ ưa nước (như silicagen) từ môi trường dung môi kém phân cực (như benzen), đối với chất béo A có phân tử lượng cao hơn sẽ tan tốt trong môi trường này hơnchất béo B có phân tử lượng thấp, lẽ ra sự hấp phụ A là nhiều hơn B nhưng thực tế lại ít hơn.

b. Ảnh hưởng của bản chất chất hấp phụ và chất bị hấp phụ: Bề mặt phân cực sẽ hấp phụ tốt chất bị hấp phụ phân cực và ngược lại. Trạng thái vật lý và độ xốp của chất hấp phụ cũng ảnh hưởng rất lớn đến khả năng hấp phụ. Ví dụ: các chất hấp phụ ở trạng thái vô định hình hấp phụ các chất khí và chất lỏng tốt hơn các chất tinh.c. Ảnh hưởng của chất bị hấp phụ:Khác biệt về sự phân cực giữa chất tan và dung môi càng lớn thì sự hấp phụ chất tan ở bề mặt phân cách diễn ra càng mạnh.Xu hướng làm giảm sức căng bề mặt bắt buộc các chất HĐBM có trong dung dịch phân bố có định hướng trên bề mặt: nhóm phân cực hướng vào pha phân cực và ngược lại.d. Ảnh hưởng của thời gian, nhiệt độ và nồng độ : Sự hấp phụ trong dung dịch xảy ra chậm hơn trong không khí vì chất tan trong dung dịch khuếch tán chậm hơn. Việc giảm nồng độ trong lớp phân cách chỉ được bùbằngkhuếch tán, khuếch tán trong môi trường lỏng chậm hơn trong môi trường khí. Để tăng nhanh việc thiết lập cân bằng hấp phụ thường phải khuấy.- Khi nhiệt độ tăng thì theo nhiệt động học sự hấp phụ trong dung dịch sẽ giảm, tuy nhiên mức độ giảm ít hơn so với sự hấp phụ khí.Tuy nhiên đối với chất hòa tan kém trong dung môi, nếu khi tăng nhiệt độ làm tăng độ hòa tan của chất đó, thì sự hấp phụ sẽ tăng nhờ vào sự tăng nồng độ dung dịch. Hiện tượng này có thể thấy được khi quan sáthấp phụ naptalin hòa tan trong dung môi n-butan trên bề mặt hydroexin của silic.2. Sự hấp phụ chất điện lyĐối với dung dịch nước, các chất điện ly là những chất không hoạt động bề mặt, sự có mặt của chúng trong dung dịch làm tăng sức căng bề mặt của dung dịch, trên mặt thoáng của dung dịch chúng bị hấp phụ âm.Khi có mặt trong dung dịch một vật hấp phụ rắn thì trên bề mặt phân cách vật rắn-dung dịch thường cóhấp phụ dương những chất điện ly. Sự hấp phụ chất điện ly thường có tính chọn lọc, phụ thuộc vào hóa trị của ion, bán kính ion, mức độ solvat hóa ion.

6 /15

Các ion trong dung dịch chất điện ly là những phần tử tích điện, cho nên sự hấp phụ các ion là quá trình diễn ra sự phân bố lại điện tích. Động lực của quá trình là điện trường trong khu vực lớp bề mặt. Ví dụ như sự chuyển các cation từ thể tích pha lỏng đến ranh giới của pha rắn làm cho nó được tích điện dương hơn. Do tương tác tĩnh điện các ion trái dấu được hút đến gần lớp bề mặt phân chia hai pha và hình thành lớp điện kép. Sự hấp phụ ion có tính trao đổi, đó là sự trao đổi giữa ion của lớp điện kép với ion của môi trường.Dung dịch các chất điện ly trong nước là dung dịch thường gặp nhất trong thực tế, ở phần này chủ yếu ta khảo sát sự hấp phụ các chất điện ly trong nước.Tính chọn lọc của sự hấp phụ chất điện lyCác ion chất điện ly được hấp phụ ưu tiên theo những tính chất sau:

- Phần bề mặt chất hấp phụ có điện tích xác định, nên chỉ hấp phụ các ion tích điện trái dấu với nó.- Khả năng hấp phụ thì phụ thuộc vào bản chất các ion. Đối với ion có cùng hóa trị, ion nào có bán kính thì khả năng bị hấp phụ cao. Nguyên nhân là do các ion có bán kính lớn sẽ có độ phân cực lớn và có lớp vỏ solvat hóa mỏng hơn nên dễ tiến gần bề mặt vật rắn hơn, được hấp phụ mạnh hơn.- Trong hóa keo, vấn đề quan trọng nhất là sự hấp phụ lên bề mặt tinh thể mà trong thành phần tinh thể có ion cùng bản chất với ion của dung dịch. Sự hấp phụ như thế có tính chất là sự kết tinh (hình thành mạng lưới tinh thể mới bằng sự hấp phụ, lực liên kết có bản chất là một lực hóa học).

Ví dụ: Các tinh thể AgI khi cho vào dung dịch KI thì bề mặt tinh thể hấp phụ ion I -, còn nếu cho vào dung

dịch AgNO3 thì lại hấp phụ ion Ag+.

Mạng tinh thể hình thành bằng lực hóa học như thế cũng xảy ra đối với các ion đồng hình (ion có cùng dấu)

với ion đang xét. Ví dụ: ngoài ion I-, các anion Cl-, Br -, CN -, CSN - ... cũng có thể bị hấp phụ lên bề mặt tinh thể AgI.3. Hấp phụ trao đổi: có một số đặc điểm sau:- Có tính chọn lọc cao, nghĩa là sự hấp phụ trao đổi chỉ xảy ra với những loại ion xác định như:+ Chất hấp phụ acid (acidoid, như SiO2, SnO2) có khả năng trao đổi với cation.

+ Chất hấp phụ acid (acidoid, như Fe2O3, Al2O3) có khả năng trao đổi anion.

+ Ngoài ra còn có chất hấp phụ lưỡng tính, nghĩa là trong điều kiện xác định nào đó, loại chất hấp phụ này có khả năng trao đổi cả cation lẫn anion.- Quá trình hấp phụ không phải luôn luôn thuận nghịch.- Sự hấp phụ trao đổi có tốc độ nhỏ, nhất là đối với các quá trình phải trao đổi các ion nằm sâu trong chất phụ.

- Nếu sự trao đổi diễn ra với sự tham gia của ion H+ hay OH- thì pH của môi trường sẽ thay đổi.

7 /15

CHƯƠNG 2: TÍNH CHẤT HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ KEO

Sự khuếch tánKhuếch tán là quá trình tự san bằng nồng độ trong hệ (để hóa thế của mỗi cấu tử đồng nhất ở mọi điểm trong thể tích hệ), tức là quá trình chuyển chất từ vùng có nồng độ lớn đến vùng có nồng độ nhỏ. Quá trình đó tự xảy ra trong hệ do ảnh hưởng của chuyển động nhiệt. Quá trình khuếch tán là bất thuận nghịch và tiến hành cho đến khi nồng độ hoàn toàn đồng đều. Mức độ không đồng đều được đặc trưng bởi gradien nồng độ - là biến thiên nồng độ trên một đơn vị khoảng cách, nó quyết định mức độ và hướng của quá trình khuếch tán.

Định luật Fick I: Lượng chất m chuyển qua tiết diện S (đặt vuông góc với chiều khuếch tán), thì tỉthuận với S, với khoảng thời gian khuếch tán t và với gradien nồng độ theo khoảng cách (dC/dx).

(Áp dụng với lượng nhỏ chất)

Ở trạng thái dừng (ổn định), lượng chất khuếch tán:

D: hệ số khuếch tán (cm2.s-1)

Trong điều kiện chuẩn (S = 1 cm2, dt = 1 giây, dC/dx = 1) thì D=m

Hệ số khuếch tán phụ thuộc vào tính chất hạt và môi trường phân tán.

Dòng khuếch tán i:

Định luật Fick II: cho thấy sự biến đổi của nồng độ (C) theo thời gian (t) khi trong hệ không thiết trạng thái dừng, áp dụng cho sự khuếch tán theo không gian ba chiều.

= D.ΔC

Phương trình Einstein: cho thấy sự phụ thuộc của D vào nhiệt độ tuyệt đối T, độ nhớt của môi trường phân tán η, và kích thước của hạt r.

; : hằng số Boltzmann, R= 8,314J/mol.K

*Nếu hạt gần hình cầu, hệ số ma sát B = 6πηr, do đó:

Giá trị D trong các hệ khác nhau như sau: hệ dung dịch phân tử và ion có D≈10-5cm2/giây, các hệ keo

≈10-7- 10-9cm2/giây.

II. Áp suất thẩm thấu của dung dịch keo:Hiện tượng thẩm thấu trong dung dịch keo cũng tương tự như trong dung dịch thực, và chúng chỉ khác nhau về mặt định lượng. Khi ta ngăn cách hai dung dịch có nồng độ khác nhau bởi một màng bán thẩm, thì sẽ có

8 /15

một dòng dung môi di chuyển từ phía dung dịch có nồng độ thấp sang phía dung dịch có nồng độ cao hơnsan bằng nồng độ ở hai phía của màng. Hiện tượng đó gọi là hiện tượng thẩm thấu. Dòng dung môi sẽ ngưng lưu chuyển khi đã tạo được một gradien áp suất cần thiết chống lại áp suất thủy tĩnh tương ứng gọi là áp suất thẩm thấu π.Nói cách khác, áp suất cần tác dụng vào dung dịch đủ để ngăn dòng thẩm thấu gọi là áp suất thẩm thấu của dung dịch.* Đối với dung dịch thật (dd lý tưởng) áp suất thẩm thấu πdd theo phương trình Van’t Hoff:

m: khối lượng chất tan (g)M: khối lượng mol phân tử chất tanC: nồng độ molR: hằng số khí lý tưởngT: nhiệt độ tuyệt đối của hệ (độ K)

* Áp suất thẩm thấu của dung dịch keo:

m: khối lượng chất tan (g)

ω: khối lượng của 1 hạt keo (g);

: nồng độ hạt (là số hạt trong một đơn vị thể tích, hạt/lít)

N là số Avogadro; k: hằng số Boltzmann, k = R/N

* Áp suất thẩm thấu của dung dịch keo có những đặc điểm sau :

- Vì dung dịch keo không bền vững nhiệt động nên khi để lâu nồng độ hạt có thể bị giảm do hiện tượng keo tụ. Như thế áp suất thẩm thấu của hệ keo thường bị giảm theo thời gian.- Trong những điều kiện giống nhau về nhiệt động và nồng độ khối lượng, bao giờ hệ keo cũng có áp suất nhỏ hơn nhiều so với dung dịch thực.Áp suất thẩm thấu chỉ phụ thuộc vào số hạt chứ không phụ thuộc vào bản chất và kích thước hạt.Kết quả này chứng tỏ nếu kích thước hạt càng nhỏ, do đó càng có nhiều hạt, thì áp suất thẩm thấu càng lớn. Dung dịch thực chứa các phân tử có kích thước rất nhỏ so với dung dịch keo nên bao giờ cũng có áp suất thẩm thấu lớn hơn hệ keo.

9 /15

CHƯƠNG 3: TÍNH CHẤT ĐIỆN CỦA HỆ KEO

1. Các hiện tượng điện động học….2. Cấu tạo lớp điện képNói chung lớp điện kép gồm: lớp ion quyết định hiệu thế (ion tạo thế) có được do sự ion hóa hay hấp phụ ion bám trên bề mặt chất rắn và loại ion ngược dấu (gọi là ion nghịch) được chuyển vào dung dịch hay còn tồn tại trong dung dịch. (Trong dung dịch keo còn có thể có các ion khác sao cho hệ trung hòa điện).* Có nhiều giả thuyết khác nhau về cấu tạo của lớp điện kép, nhất là cấu tạo của lớp ion nghịch. Helmholtz đã đưa ra lý thuyết đầu tiên về lớp điện kép, xem đó như một tụ điện phẳng. Qua nhiều năm, Gouy, Chapman, Stern, cùng nhiều người khác đã dần hoàn thiện lý thuyết cũng như thực nghiệm kiểm chứng các quan điểm.- Theo quan điểm hiện đại đã được kiểm chứng qua thực nghiệm, sự xuất hiện lớp ion quyết định điện thếdo sự hấp phụ chọn lọc một trong các ion có trong dung dịch hoặc là do các phân tử trên bề mặt rắn ion hóa.

Về sự hấp phụ chọn lọc để tạo thành lớp điện kép, có thể lấy ví dụ điển hình như dung dịch keo AgI với môi

trường có thừa ion Ag+ hoặc ion I -. Về sự ion hóa các phân tử bề mặt để tạo thành lớp điện kép, có thể lấy ví

dụ keo acid silicic; các phân tử H2SiO3 sẽ ion hóa như sau : H2SiO3 = SiO32- + 2H+. Ion SiO3

2- sẽ được

giữ lại trên bề mặt làm ion quyết định điện thế cho nhân.- Đối với lớp ion nghịch, sự phân bố của các ion trong không gian tồn tại hai pha được thiết lập trên cơ sở có những xu hướng trái ngược nhau: Lực tương tác tĩnh điện và lực hấp phụ phân tử giữ cho các ion nghịchgần bề mặt phân cách. Chuyển động nhiệt của các ion có tác dụng san bằng nồng độ các ion trong lớp bề mặt và cả trong thể tích dung dịch gây nên sự khuếch tán ion.

- Khi sự phân bố đạt cân bằng thì bản phẳng các điện tích được hình thành ở gần bề mặt dung dịch. Các ion tạo thế tạo thành "bản trong" của tụ điện. Còn các ion nghịch nằm ở "bản ngoài” của tụ điện, tức là nằm trong dung dịch và lại được phân thành hai lớp: lớp phẳng gần sát bề mặt pha rắn nhất, tiếp theo là lớp khuếch tán.Thế điện động ζNăm 1924, Stern đưa ra lý thuyết về cấu tạo lớp kép khá hoàn chỉnh vì giải thích được nhiều hiện tượng mà các thuyết trước đó giải thích không được, như hiện tượng đổi dấu điện của hạt keo khi thêm vào hệ chất điện ly có ion ngược dấu với bề mặt, có hoá trị cao và hiện tượng các ion cùng hoá trị có ảnh hưởng khác nhau đến giá trị ζ. Theo ông, ion có một kích thước xác định, do đó khoảng cách từ tâm điểm của nó đến lớp bề mặt không thể bé hơn bán kính ion; giữa ion và bề mặt có một tương tác đặc biệt chủ yếu do lực phân tử gây ra tại một khoảng cách rất nhỏ gần bề mặt.

Theo Stern, đối với các ion nghịch có hai phần:+ Phần thứ nhất nằm sát bề mặt phân chia gọi là lớp hấp phụ (lớp Helmholtz hay lớp Stern) gồm một hay lớp phân tử liên kết với bề mặt rắn do lực tĩnh điện vàì lực hấp phụ Van der Waals. Do một phần ion nghịch bị hút vào bề mặt tạo nên một tụ điện phẳng như trong thuyết Helmholtz, tại đó hiệu thế giảmnhanh (nghĩa là theo phương trình biểu diễn số liệu thực nghiệm giảm rất dốc theo đường thẳng). Các điện

10 /15

tích ở lớp này gần như không được tự do.+ Phần ion nghịch thứ hai bị chi phối bởi chuyển động nhiệt tạo thành lớp khuếch tán của lớp điện kép (còn

gọi là lớp Gouy), chiều dày của lớp này dao động trong khoảng từ vài Ao đến hàng trăm micron. Nồng độ ion nghịch giảm dần từ bề mặt rắn đến sâu trong dung dịch, tại đó nó bằng nồng độ các ion cùng loại. Trong lớp khuếch tán hiệu thế giảm từ từ (theo đường cong).Nếu mật độ điện tích của hai phần ion nghịch đó là Φ1 và Φ2 thì mật độ điện tích bề mặt Φbằng tổng của Φ

và Φ2. Mật độ điện tích ion nghịch trong lớp hấp phụ bị ảnh hưởng theo nồng độ mạnh hơn, nên khi

loãng dung dịch Φ1 giảm nhanh hơn Φ2 và cấu tạo lớp điện kép giống như lớp điện kép của Gouy. Khi làm

đậm đặc dung dịch Φ1 tăng nhanh hơn Φ2 và cấu tạo lớp điện kép giống như lớp điện kép của Helmholtz.

+ Giá trị φ là điện thế trên bề mặt pha rắn (x = 0), φ1 là điện thế trên ranh giới lớp hấp phụ và lớp khuếch

(x = d). Trong lớp điện tích kép, φ1 là một đại lượng xác thực, có vai trò trong việc xác định nhiều thông số

khác, song thực tế không đo được mà chỉ có thể đo được đại lượng gần với nó, đó là thế điện động ζ (thường gọi tắt là điện thế zêta).

* Ưu điểm:- Giải thích được hiện tượng điện động học (dung dịch chia thành 2 phần, 1 phần lên kết chặt chẽ với bề mặt rắn trong điện trường mạnh, phần còn lại chịu tác động của sự khuếch tán và chuyển động nhiệt).

- Thế gồm 2 phần: thế điện động học ζ và thế tương tự Helmolt.

* Nhược điểm:- Thực tế việc tính toán giá trị thế lớn hơn giá trị đo được, đặc biệt khi các ion tiến sát bề mặt.- Không giải thích được hiện tượng đổi dấu điện tích trên bề mặt hạt keo.

3. Cấu tạo micelle keo trong dung dịch keo- Hạt keo gồm một nhân, thường có cấu tạo tinh thể và lớp điện kép bao quanh.+ Trong lớp điện kép, ion được hấp phụ trên bề mặt nhân đóng vai trò ion quyết định điện thế, (ion quyết định điện thế còn có thể hình thành do sự ion hoá lớp bề mặt hạt keo), còn ion trái dấu với nó là ion nghịch. Nhân và ion quyết định điện thế gọi là nhân micelle keo.+ Trong lớp ion nghịch bao gồm lớp hấp phụ rồi tới lớp khuếch tán.- Khi hạt keo chuyển động tương đối trong môi trường phân tán, chỉ có nhân micelle và phần ion nghịch hấp phụ cùng dịch chuyển với nhau (do gắn liền nhau bởi lực tĩnh điện và lực hấp phụ). Phần ion nghịch cònnằm trong lớp khuếch tán thì bất động một cách tương đối. Tổng điện tích của các ion nghịch trong hai lớp hấp phụ và khuếch tán bằng điện tích của ion quyết định hiệu thế. Do đó, micelle keo trung hòa điện.

* Biễu diễn công thức hạt keo :

Ta có thể biểu diễn cấu tạo hạt keo (micelle keo) dưới dạng công thức sau:

11 /15

Ví dụ : keo AgI trong dung dịch KI.Theo tính chất hấp phụ chất điện ly, ion I- được hấp phụ trên bề mặt AgI, có thể tạo thành mạng tinh thể với

một số (m) phân tử AgI, và ion này đóng vai trò ion quyết định điện thế. Ion K+ là ion nghịch. Keo AgI trong dung dịch KI là keo âm.

nhân Micelle keo

* Ta cũng có thể biểu diễn cấu tạo hạt keo theo sơ đồ.Ví dụ : Sơ đồ cấu tạo hạt keo âm AgI.

CHƯƠNG 4: ĐỘ BỀN VỮNG VÀ SỰ KEO TỤ CỦA HỆ PHÂN TÁN

1. Độ bền vững – Sự keo tụ:Tính bền vững của hệ phân tán là khả năng duy trì được trạng thái phân tán không đổi theo thời gian. - Sự keo tụ xảy ra khi hệ không có yếu tố làm bền hoặc yếu tố làm bền bị mất đi, các hạt keo kết dính lại với nhau thành tập hợp lớn hơn, dưới tác dụng của trọng lực nó bị lắng xuống.

Điều kiện để hệ keo được bềnMuốn cho hệ keo được bền vững, phải làm tăng lực đẩy tĩnh điện, làm giảm xác suất va chạm hiệu quả của các hạt keo.Thường người ta sử dụng các phương pháp:- Tạo cho bề mặt các hạt keo hấp phụ điện tích (làm tăng φ1 và ζ ).

- Giữ cho hệ keo có nồng độ nhỏ.2. Cơ chế và động học của sự keo tụ bằng chất điện ly:Các yếu tố ảnh hưởng đến hiện tượng keo tụ như: thời gian (sự già của hệ keo), tác dụng của trường điện từ, tác dụng cơ học, đun nóng hay làm lạnh, sự có mặt của chất điện ly. Mỗi loại tác dụng đều có một đặc điểm riêng, nhưng đặc điểm chung cho chúng là: phá hàng rào năng lượng và hệ thống giả bền, chuyển sang trạng thái bền vững nhiệt động (giảm năng lượng tự do của hệ). Sự keo tụ xảy ra trong hệ keo là các hạt trực tiếp dính kết với nhau khi chúng va chạm vào nhau, nhưng không phải bất cứ va chạm nào cũng đưa đến sự dính kết mà chỉ có một tỷ lệ va chạm nhất định là có hiệu quả.Tính chất của bề mặt hạt có ảnh hưởng đến sự keo tụ. Khi thêm một lượng nhỏ chất hấp phụ vào hệ, những tính chất bề mặt thay đổi mạnh và hiệu quả của các va chạm cũng thay đổi. Khi hầu hết các va chạm đều dẫn đến sự dính kết thì ta gọi là sự keo tụ nhanh. Keo tụ chậm là keo tụ mà chỉ có một phần trong số các va chạm dẫn tới sự dính kết. Khảo sát động học của sự keo tụ nhanh cho thấy tốc độ của sự keo tụ (hay sự thay đổi nồng độ hạt trong một đơn vị thể tích và một đơn vị thời gian) phụ thuộc vào các yếu tố: nồng độ hạt ban đầu, bán kính hoạt động của hạt, hệ số khuếch tán.Sự keo tụ bằng chất điện ly.

Qui tắc Schulze- Hardy* Chỉ có các ion tích điện trái dấu với hạt keo mới có khả năng keo tụ.* Khả năng keo tụ của các ion càng lớn (ngưỡng keo tụ càng nhỏ) nếu hóa trị của chúng càng cao; đối với các ion có cùng hóa trị thì khả năng keo tụ tăng khi bán kính ion tăng. Những ion hữu cơ có khả năng keo tụ mạnh hơn nhiều so với những ion vô cơ có cùng hóa trị bởi vì chúng kém phân cực và bị hấp phụ mạnh trên bề mặt hạt keo.

BÀI TẬP VÀ CÂU HỎI

Bài 1: Xác định bề mặt riêng đối với các hạt sau:

• có dạng khối lập phương với cạnh 10-6 m

• có dạng khối cầu với đường kính 10-6 m

• có dạng khối trụ với đường cao và bán kính đáy bằng 10-6 m

(Đáp số: 6.10 6 m -1 ; 6.10 6 m -1 ; 4.10 6 m -1 )

Bài 2: Người ta nghiền 1kg than củi thành hạt có đường kính 0,8.10-4 m. Khối lượng riêng của than

củi là 1,8.102 kg.m-3. Tính bề mặt tổng của than này?

(Đáp số: 416,6 m 2 )Bài 3: Tính giá trị bề mặt riêng của kaolin được nghiền thành hạt có dạng khối cầu đường kính

0,8.10-5 m, biết rằng khi ấy khối lượng riêng của kaolin là 2,5.103 kg.m-3 và xem như hệ đơn phân

tán. (Giá trị bề mặt riêng tính ra đơn vị m-1 , và m2.kg-1

(Đáp số: 7,5.10 5 m -1 75 m 2 .kg -1 )

Bài 4: Huyền phù đất sét trong nước gồm các hạt dạng khối cầu, trong đó 80% hạt có đường kính 10-

5 m, phần còn lại là những hạt có đường kính 5.10-5 m. Tính bề mặt riêng và độ phân tán của hệ?

(Đáp số: 5,24.10 5 m -1 ; 0,84.10 5 )Bài 5: Xác định số hạt được tạo thành khi phân tán 0,2 g thủy ngân thành các hạt dạng khối cầu có

đường kính 8.10-8 m. Biết khối lượng riêng của thủy ngân bằng 13,54 g.cm-3 .

(Đáp số: 55.1011 hạt)

Bài 6: Bằng phương pháp siêu hiển vi xác định được trong thể tích 2.10-6 m3 khí lò sưởi chứa

80 tiểu phân bụi. Nồng độ của sol khí bằng 1.10-12 kg.m-3, khối lượng riêng của pha phân tán là

2.103 kg.m-3. Tính kích thước trung bình của hạt, nếu biết hạt có dạng khối lập phương?

(Đáp số: 2,32.10-8 m)

Bài 7: Bằng phương pháp siêu hiển vi xác định được 53 tiểu phân dầu trong thể tích 1,5.10-11m3 sol

khí. Biết nồng độ của sol khí là 2,1.10-5kg.m-3, khối lượng riêng của pha phân tán là 0,92.103kg.m-3. Cho rằng các tiểu phân pha phân tán có dạng khối cầu, tính bán kính trung bình của tiểu phân? (Đáp số: 5,4.10 -7 m)Bài 8: Dưới đây là kết quả nghiên cứu sự hấp phụ khí CO trên than hoạt tính ở 273 K P (mmHg) 100 200 300 400 500 600 700

V (cm3) 10,3 19,2 27,3 34,1 40,0 45,5 48,0

Tính hằng số cân bằng hấp phụ và thể tích khí CO bị hấp phụ cực đại trên than. Cho rằng quá trình hấp phụ tuân theo qui luật phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir. (Đáp số: 7,4.10-3 mmHg -1 ; 150 cm3 )

Bài 9: Để xác định bề mặt riêng của TiO2 người ta cho khí nitơ hấp phụ lên 1 gam TiO2 ở nhiệt độ

75K. Kết quả như sau:

P (mmHg) 1,20 14,0 45,8 87,5 127,7 164,4

V (cm3) 235 559 649 719 790 860

Biết ở 75 K áp suất hơi bão hòa của N2 bằng 570 mmHg, thể tích của N2 đã được điều chỉnh ở điều

kiện tiêu chuẩn.Tính thể tích khí nitơ bị hấp phụ cực đại trên TiO2 ; hằng số C trong phương trình BET

và bề mặt riêng của TiO2 trên 1 g mẫu? (Đáp số: 620 cm3 ; 290; 2667m2.g-1)

Bài 10: So sánh cường độ ánh sáng phân tán của hai nhũ tương có cùng nồng độ và cùng kích thước hạt là nhũ tương a: benzen trong nước, nhũ tương b: n-pentan trong nước. Biết chiết suất của các chất đo ở 273 K lần lượt là: benzen trong nước có nB = 1,5 ; n- pentan trong nước có nP = 1,36 và nước có

no = 1,33.

(Đáp số: cường độ ánh sáng phân tán của nhũ tương a lớn hơn b khoảng 30,8 lần)Bài 11: Dung dịch latex polyisopren được chiếu sáng lần lượt bằng ánh sáng đơn sắc với bước sóng

trong các lần chiếu là 530.10-9 m và 680.10-9 m. Hỏi trong trường hợp nào cường độ ánh sáng trong hệ nghiên cứu mạnh hơn, và mạnh hơn bao nhiêu lần?(Đáp số: 2,71 lần)

Bài 12: Huyền phù chứa 1 gam hemoglobin trong 1 lit nước có áp suất thẩm thấu ở 25oC bằng

3,6.10-4 atm. Xác định khối lượng của hạt hemoglobin?

(Đáp số: 10-19 g)Bài 13: Xác định hệ số khuếch tán của phẩm đỏ-Congo trong dung dịch nước, nếu gradien nồng độ

bằng 0,5 kg.m3 và lượng chất dịch chuyển qua tiết diện 25.10-4 m2 sau 2 giờ là 4,9.10-7g.

(Đáp số: 196.10-9 m2.giờ-1 )Bài 14: Viết sơ đồ cấu tạo của micelle keo ZnS được tạo ra khi cho dung dịch loãng kẽm sulfat tác dụng với dung dịch amoni sulfur, trong các trường hợp:• Dùng dư kẽm sulfat• Dùng dư amoni sulfur

Bài 15: Để điều chế sol dương AgI cần dùng 80 cm3dung dịch KI 0,015N. Vậy cần dùng bao

nhiêu cm3dung dịch AgNO3 0,005N để điều chế được sol ấy? Viết công thức của micelle keo được

tạo thành.(Đáp số: >240 cm3 )Bài 16: Dung dịch keo As2S3 thu được từ dung dịch rất loãng Asen (III) hydroxyd với lượng dư dung

dịch loãng H2S theo phản ứng sau:

H3AsO3 + H2S As2S3 + 6 H2O

Khi đặt hệ vào điện trường, các hạt keo di chuyển về điện cực nào? Giải thích bằng công thức micelle

keo và điện tích quyết định hiệu thế của hạt keo?Bài 17: Sol AgI được điều chế từ phản ứng trao đổi giữa AgNO3 và lượng dư KI. Tiếp theo người ta

dùng một trong các dung dịch K2SO4 và (CH3COO)2Ca (có cùng nồng độ mol) để làm keo tụ sol thu

được trên. Hỏi dung dịch nào trong số 2 dung dịch trên sẽ gây keo tụ mạnh hơn? Vì sao?

Bài 18: Ngưỡng keo tụ của dung dịch muối nhôm sulfat đối với dung dịch keo As2S3 là 96.10-6

kmol.m-3. Hỏi cần bao nhiêu ml dung dịch muối nhôm sulfat nồng độ 0,01 kmol.m-3 để gây keo tụ

10-1 m3 dung dịch keo As2S3 nói trên?

Bài 19: Keo Fe(OH)3 có được do sự thủy phân không hoàn toàn muối sắt (III) clorur bị keo tụ bằng

các dung dịch sau: natri sulfur, natri clorur, bari clorur. Chất điện ly nào có tác dụng keo tụ mạnh hơn? Vì sao?

Bài 20: Tốc độ rơi của hạt thạch anh trong nước là 2,5.10-5 m.s-1; độ dài của ống chứa huyền phù

này là 0,2 m; hiệu điện thế là 200 V; độ nhớt của môi trường là 1.10-3 N.s.m-2 và hằng số điện môi của hệ huyền phù này là 80. Tính thế điện động học của hạt thạch anh trong hệ này?(Đáp số: 35,2 mV)

Bài 21: Xác định bán kính hạt của sol bạc iodur, biết hệ số khuếch tán của hệ là 1,2. 10-10 m2.s-1;

độ nhớt của môi trường là 10-3 N.s.m-2 và nhiệt độ là 298 K.

(Đáp số:1,82.10 -6 m)