Chương 4: Tính Chất điện Và Các Hệ Keo - Tài Liệu Text - 123doc

1. Trang chủ >
2. Nông - Lâm - Ngư >
3. Nông nghiệp >

Chương 4: Tính chất điện và các hệ keo

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (992.38 KB, 97 trang )

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá keo …………………………………………………………………40Nhân keoNhân keo do rất nhiều phân tử, nguyên tử hoặc ion ñơn giản tập hợp lại, cũng cótrường hợp do sự chia nhỏ của hạt lớn hơn. Nhân keo có thể có cấu tạo tinh thể hoặc vô ñịnhhình, nhưng là phần vật chất ổn ñịnh, hầu như không có biến ñổi trong các quá trình biếnñộng của hệ phân tán.Lớp ñiện kép.Lớp ñiện kép gồm hai lớp tích ñiện ngược dấu nhau, nhưng cấu tạo phức tạp và luônluôn biến ñổi dưới tác ñộng bên ngoài (môi trường, pH, lực ion, nhiệt ñộ….). Lớp ñiện képñược hình thành chủ yếu do sự hấp phụ.Ví dụ 1. Bằng phản ứng trong dung dịch của AgNO3 với KI khi cho dư lượng của mộttrong hai chất, chúng ta sẽ nhận ñược các hệ keo dương AgI và keo âm AgI.Phản ứng trao ñổi:KNO3 + AgIAgNO3 + KITạo ra chất khó tan AgI, những phân tử này tập hợp với nhau thành nhiều hạt nhỏ AgI.Nếu dư AgNO3 thì các hạt keo dương AgI ñược tạo thành - xem hình IV.1 công thức cấu tạonhư sau:{[mAgI ] nAgnhânkeo+( n − x ) NO 3−tầng hấpphụ}x+xNO 3−tầng khuếchtánion keohạt keo hoặc mi xen keoHạt nhỏ AgI là nhân keo, hấp phụ chọn lọc ñối với các ion Ag+, một số ion ñối (I-) kéotheo, tạo thành ion keo. Lớp ion ñổi xung quanh ion keo ñược gọi là tầng khuếch tán. Tầnghấp phụ và tầng khuếch tán tích ñiện ngược dấu nhau hợp thành lớp ñiện kép ở bề mặt hạtkeo. Ion Ag+ ñược gọi là ion quyết ñịnh thế, ion keo mang ñiện(+) nên gọi là hạt keo dương.Nếu dư KI thì các hạt nhỏ AgI hấp phụ chọn lọc ñối với ion I- tạo ra hạt keo âm AgI,công thức cấu tạo như sau:⌠{[mAgI] nI- (n-x) K+ }x-⌡xK+Trường hợp này ion I- ñược gọi là ion quyết ñịnh thế.Nếu số mol AgNO3 và KI vừa ñủ phản ứng với nhau thì trong hệ chỉ có rất nhiều hạtnhỏ AgI ( có kích thước của hạt keo), chúng sẽ kết dính với nhau thành các hạt lớn hơn và salắng. Vì thế người ta gọi ion Ag+ hoặc AgNO3 và ion I- hoặc KI là những chất làm bền chocác hệ keo AgI.Tác dụng làm bền cho hệ phân tán có thể là chất vô cơ, chất hữu cơ, cũng có thể làdung môi hoặc các ñiều kiện về pH, về nhiệt ñộ… của hệ. Người ta hay làm bền keo ghét lưucó ñộ phân tán cao bằng chất prôtit như: gelatin, albumin…Tầng hấp phụ có cấu tạo dày ñặc tương ñối ổn ñịnh ít khi bị biến ñổi bởi ngoại cảnh.Trong tầng hấp phụ các ion quyết ñịnh thế gắn chặt với bề mặt nhân keo, có một số ion ñối40Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá keo …………………………………………………………………41liên kết với bề mặt rắn bằng lực tĩnh ñiện và có thể cả lực hấp phụ (lực tương tác phân tử), cóthể còn có các phân tử dung môi do tính sonvát của các ion. Tầng khuếch tán có cấu tạo gồmnhững ion ngược dấu với ion keo, phân bố xung quanh ion keo và chỉ tương tác tĩnh ñiện vớiion ấy. Tầng khuếch tán rất linh ñộng luôn biến ñổi theo tính chất môi trường của hệ.Ví dụ 2:Nhỏ từng giọt FeCl3 vào nước sôi, thì FeCl3 thủy phân:FeCl3 +3H2OFe(OH)3 +3HClPhản ứng trên không tạo ra Fe(OH)3 kết tủa mà ñiều chế ñược keo dương Fe(OH)3mầu ñỏ, công thức cấu tạo hạt keo ñó như sau:{[ mFe (OH )3]nFeO + ( n − x )Cl −}x+xCl −Ion FeO+là ionquyết ñịnh thế, do FeOCl ñược tạo ra trong quá trình phản ứng.Qua hai ví dụ trên chúng ta nhận thấy rằng ion quyết ñịnh thế phải là ion giống vớithành phần của nhân keo hoặc ion tương tự. Dấu ñiện tích của ion quyết ñịnh thế cũng là dấuñiện tích ion keo. Nếu là keo âm thì tầng khuếch tán gồm những cation, keo dương thì tầngkhuếch tán gồm các anion, nếu là keo lưỡng tính thì tầng khuếch tán bao gồm cả cation vàanion.Ví dụ: keo Al(OH)3 là một keo vô cơ lưỡng tính. Trong dung dịch nước phân tửAl(OH)3 có trạng thái cân bằng axit – bazơ:OH − + Al (OH ) +2Al(OH) 3Al(OH) 2 O − + H +(*)công thức hạt keo như sau:{[mAl (OH ) ]3xAl ( OH ) +2yAl ( OH ) 2 O −}zAKhi x > y thì ion Al (OH ) +2 là ion quyết ñịnh thế, có hạt keo dương Al(OH)3, trongtầng khuếch tán gồm z ion A trong ñó ña số là anion. Khi y > x thì ion Al(OH)2O- là ion quyếtñịnh thế, có hạt keo âm Al(OH)3, trong tầng khuếch tán ña số là cation.Do trạng thái cân bằng (*) phụ thuộc pH môi trường nên dấu ñiện tích hat keoAl(OH)3 sẽ thay ñổi khi pH môi trường biến ñổi.Ngoài nguyên nhân do hấp phụ ion nhưng cũng có trường hợp hạt phân tán mang ñiệndo bề mặt có nhóm chức có khả năng ñiện ly, do bề mặt hấp phụ những phân tử chứa cácnhóm chức có khả năng ion hoá. Ở những trường hợp ấy sự phân chia nhân keo với lớp ñiệnkép không rõ ràng.Keo ñất có thành phần phức tạp, bao gồm keo dương, keo âm, keo lưỡng tính. Nhưngkeo ñất phần lớn là keo âm, vì bề mặt hạt thường có hiện tượng ñiện ly ra ion H+III. Lớp ñiện kép và ñiện thế bề mặt của hạt keo.1. Cấu tạo lớp ñiện kép.Trong dung dịch ñiện ly ở bề mặt rắn tích ñiện xuất hiện một lớp ñiện kép gồm: lớpñiện tích bề mặt của bề mặt rắn và lớp ion ñối ñã có một số lý thuyết về lớp ñiện kép bắtnguồn từ những quan niệm khác nhau về cấu tạo lớp ion ñối. Sau ñây là những nội dung chínhcủa thuyết Hemhôn, thuyết Guy- Sepmen và thuyết Stéc.Thuyết Hemhôn (Helm holtz)Lớp ñiện kép cấu tạo theo kiểu một tụ ñiện phẳng. Các ion ñối như những ñiện tíchñiểm, chỉ có tương tác tĩnh ñiện với bề mặt rắn và cách bề mặt rắn một khoảng δ0, gọi là bề41Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá keo …………………………………………………………………42dày lớp ñiện kép, bằng hai lần bán kính ion ñối - xem hình IV.2a. ðiện thế bề mặt hoặc thếcủa lớp kép chính là ñiện thế của tụ ñiện phẳng (Ψ0):ψ0 =4πσε(IV.1)δ0σ: mật ñộ ñiện tích bề mặtε: hằng số ñiện môi của môi trườngδ0: bề dày lớp ñiện képðiện thế ñó biến ñổi tuyến tính theo bề dày của lớp ñiện kép - xem hình IV.2b.++++chất +rắn ++++++++δ0aψψψ0ψ0δ0xbHình IV.2: a. lớp ñiện kép Hemhônb. ñiện thế bề mặt Hemhônδ0xdHình IV.3: Sự biến ñổi thế bề mặt Ψ theokhoảng cách (thuyết Guy – Sepmen)ðây là lớp ñiện kép ñơn giản nhất, tác giả bỏ qua nhiều yếu tố tương tác và nhữngtính chất khác nhau của ion như tính sonvát, chuyển ñộng nhiệt… Theo Hemhon thì các ion ởtầng khuếch tán của hạt keo không linh ñộng, vì vậy thuyết Hemhôn về cấu tạo lớp ñiện képkhông giải thích ñược hiện tượng ñiện ñộng ở hệ phân tán.Thuyết Guy Sepmen (Gouy Chapman)Theo thuyết Guy Sepmen thì: lớp ñiện kép cấu tạo khuếch tán thường gọi tắt là lớpñiện kép khuếch tán, do các ion ñối không chỉ tương tác tĩnh ñiện với bề mặt rắn mà còn thamgia chuyển ñộng nhiệt.Từ bề mặt rắn vào dung dịch mật ñộ ion giảm dần, ñiện thế bề mặt Ψ biến ñổi khôngtuyến tính theo bề dày của lớp ñiện kép mà biến ñổi theo hàm mũ - xem hình IV.3. Các tác giảñã tính toán về mật ñộ ñiện tích của dung dịch, về sự biến ñổi của ñiện thế bề mặt Ψ trongdung dịch theo khoảng cách x…và khảo sát sự biến ñổi ñiện thế bề mặt trong tầng khuếch táncủa lớp ñiện kép:Sự phân bố ion theo phương trình Bonzơman (Boltzmann): A Ci = Ci 0 exp - i (IV.2) RT Ci: nồng ñộ ion (mol.l-1) ở vị trí x tính từ bề mặt rắn tích ñiệnCi0: nồng ñộ ion (mol.l-1) ở vị trí x =∝ nghĩa là trong thể tích dung dịch42Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá keo …………………………………………………………………43Ai: công vận chuyển 1mol ion i từ vị trí x = ∝ ñến vị trí x, ở ñây ñiện thế bề mặt làϕ.Guy Sepmen coi Ai chỉ là công của lực tĩnh ñiệnAi=ziFϕzi: ñiện tích ion i kể cả dấuF: số FarañayQua các công thức IV.2 và IV.3 suy ra:(IV.3) z Fϕ (IV.4)Ci = Ci 0 exp − i RT và tính ñược mật ñộ ñiện tích (ρ) của dung dịch tại x (tính bằng tổng ñại số ñiện tích của cáccation và anion: z i Fϕ  RT Theo phương trình Poaxông (Poisson):ρ = ∑ z i Ci F = F ∑ z i Ci 0 exp −∇ 2ψ = −4πρ(IV.5)(IV.6)εở ñây ∇2 là toán tử Laplat (Laplace). Coi như bề mặt rắn phẳng và ñiện thế bề mặt thay ñổichỉ theo trục x thì:4πρ4π∂ψ z Fϕ =−=−(IV.7)F ∑ z i Ci 0 exp - i2εε∂x RT Từ ñó Guy và Sepmen ñã thiết lập ñược quan hệ của ñiện thế bề mặt Ψ với khoảngcách x hoặc công thức về ñiện thế bề mặt của lớp ñiện kép như sau:ψ = ψ 0 .e−xd(IV.8)Ψ: ñiện thế bề mặt tại x tính từ bề mặt rắnΨ0: ñiện thế bề mặt Hemhon.d: bề dày lớp ñiện kép (lớn hơn bề dày lớp ñiện kép Hemhon).khi dung dịch chỉ có chất ñiện ly trơ(2) .Biện luận công thức IV.1:- Bề dày lớp ñiện kép sẽ là δ0 khi x →0, thì Ψ =Ψ0- Bề dày lớp ñiện kép x=d thì ở ñó Ψ =Ψ0/e- Khi x-→ ∞ thì Ψ = 0.Chúng ta nhận thấy: lớp ñiện kép kiểu Hemhôn chỉ là một trường hợp ñặc biệt củalớp ñiện kép Guy – Sepmen.(2) Trong thành phần chất ñiện ly trơ không chứa ion có thể xây dựng lưới tinh thể của bề mặt rắn.43Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá keo …………………………………………………………………44ψψ0ψ0e(3)(2)(1)xd3d2d1Hình IV.4. Sự biến ñổi bề dày lớp ñiện kép (di) theo lựu ion của dung dịch (µ i).Các ñường cong (1),(2) và (3) ứng với µ 1