Tính chất hoạt động của hệ keo

Mời các bạn tham khảo tài liệu Tính chất hoạt động của hệ keo để nắm bắt những kiến thức về tính chất hoạt động của hệ keo; sự khuếch tán; các định luật khuếch tán Fick; phương trình Einstein; áp suất thẩm thấu của dung dịch keo; sự sa lắng trong hệ keo; độ bền vững sa lắng; cân bằng khuếch tán - sa lắng; phương pháp phân tích sa lắng.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Tính chất hoạt động của hệ keoTính chất hoạt động của hệ keo Tính chất hoạt động của hệ keo Bởi: unknownChuyển động Brown của các phân tửTrong các hệ phân tán, giữa các phân tử có ba loại chuyển động: tịnh tiến, quay và daođộng. Trong chuyển động tịnh tiến số dao động va chạm giữa các phân tử là rất lớn dẫnđến sự vô trật tự được gọi là chuyển động Brown, đó là chuyển động hỗn loạn có cườngđộ không phụ thuộc theo thời gian, nhưng lại được tăng cường khi nhiệt độ tăng. Ngoàichuyển động Brown tịnh tiến các hạt còn tham gia chuyển động Brown quay.Chuyển động của các hạt keo là kết quả của sự va chạm hỗn loạn giữa các phân tử củamôi trường với các hạt. Đối với hạt có kích thước nhỏ (a < 5nm), số va chạm từ cáchướng thường không đều nhau và làm cho các hạt chuyển động hỗn loạn về nhiều hướngtheo quỹ đạo phức tạp. Đối với hạt có kích thước tương đối lớn (a > 5nm), những vachạm đồng thời từ các hướng có thể bù trừ cho nhau về lực, nên hạt gần như đứng yên.Nếu các phân tử của môi trường phân tán va đập vào hạt keo không thẳng góc có thểlàm cho hạt keo chuyển động quay, cũng có thể làm cho hạt keo dao động quanh vị trícân bằng (đặc biệt khi hạt có dạng không phải hình cầu).Do không thể quan sát hết được quãng đường chuyển dịch thật sự của hạt keo nênEinstein đã sử dụng khái niệm quãng đường chuyển dịch trung bình của hạt trongkhoảng thời gian t. Giá trị này là hình chiếu đoạn đường đi từ điểm đầu đến điểm cuốitheo hướng xác định trong thời gian t.Để tính toán người ta dùng đại lượng chuyển dịch bình phương trung bình ∆x2 của hạt. 1/9Tính chất hoạt động của hệ keo Δ 2 + Δ 2 + ....+Δ 2¯2 1 2 nΔx = n (3.1)Ở đây, ∆1, ∆2, ∆3, ..., ∆n, là hình chiếu của những chuyển dịch của hạt trên trục x trongnhững khoảng thời gian bằng nhau và n là số lần lấy hình chiếu. (Người ta không dùnggiá trị trung bình cộng hình chiếu của sự chuyển dịch vì giá trị này sẽ bằng 0, do tính cóxác suất đồng đều theo mọi hướng)Vậy chuyển động của các hạt keo có biểu hiện của chuyển động nhiệt. Qua nghiên cứuthực nghiệm động học, người ta phát hiện hệ keo có những tính chất động học như thẩmthấu, khuếch tán, sa lắng.Sự khuếch tánKhuếch tán là quá trình tự san bằng nồng độ trong hệ (để hóa thế của mỗi cấu tử đồngnhất ở mọi điểm trong thể tích hệ), tức là quá trình chuyển chất từ vùng có nồng độ lớnđến vùng có nồng độ nhỏ. Quá trình đó tự xảy ra trong hệ do ảnh hưởng của chuyểnđộng nhiệt. Quá trình khuếch tán là bất thuận nghịch và tiến hành cho đến khi nồng độhoàn toàn đồng đều. Mức độ không đồng đều được đặc trưng bởi gradien nồng độ - làbiến thiên nồng độ trên một đơn vị khoảng cách, nó quyết định mức độ và hướng củaquá trình khuếch tán.Các định luật khuếch tán FickĐịnh luật Fick I: Lượng chất m chuyển qua tiết diện S (đặt vuông góc với chiều khuếchtán), thì tỉ lệ thuận với S, với khoảng thời gian khuếch tán t và với gradien nồng độ theokhoảng cách (dC/dx). dCdm = − D dx S.dt (3.2)Hệ số tỉ lệ D gọi là hệ số khuếch tán. Vì khuếch tán luôn xảy ra từ nơi có nồng độ caođến nơi có nồng độ thấp và luôn luôn (dC/dx) < 0 (c giảm khi ta tăng x), nên cần đặt dấutrừ trước biểu thức để dm > 0.Với định nghĩa dòng khuếch tán i là lượng chất chuyển qua một đơn vị bề mặt trong mộtđơn vị thời gian, định luật Fick I có thể trình bày cách khác: dm dCi= S.dt = − D dx (3.3)Dòng khuếch tán i là hàm số của khoảng cách x và thời gian t (vì gradien nồng độ dC/dxphụ thuộc vào x và t). Nếu tạo điều kiện cho gradien nồng độ không đổi theo thời gianthì dòng khuếch tán sẽ không thay đổi theo thời gian và trong hệ sẽ thiết lập trạng tháidừng. 2/9Tính chất hoạt động của hệ keoVậy hệ số tỷ lệ D là thước đo sự khuếch tán trong điều kiện chuẩn (S = 1 cm2, dt = 1giây, dC/dx = 1). Thứ nguyên của D là cm2.s-1Hệ số khuếch tán phụ thuộc vào tính chất hạt và môi trường phân tán. Đối với hệ phântán keo, người ta thường lấy 1 ngày đêm làm đơn vị thời gian thay cho giây vì tốc độkhuếch tán trong hệ rất nhỏ.Định luật Fick II: cho thấy sự biến đổi của nồng độ (C) theo thời gian (t) khi trong hệkhông thiết lập trạng thái dừng, áp dụng cho sự khuếch tán theo không gian ba chiều.dCdt = D.ΔC (3.4)dC/dt là độ giảm nồng độ chất tan trong thể tích hệ D là hệ số khuếch tán d2C d2C d2CΔ có dạng toán tử Laplace, vậy ΔC có dạng: ΔC = 2 + 2 + (3.5) dx dy dz2Phương trình EinsteinNăm 1908 Einstein đưa ra phương trình cho thấy sự phụ thuộc của D vào nhiệt độ tuyệtđối T, độ nhớt của môi trường phân tán η, và kích thước của hạt r. RT 1 kTPhương trình Einstein: D = N B = B (3.6) với k = RT : hằng số Boltzmann kTNếu hạt gần với hình cầu, theo Stock, hệ số ma sát B = 6πηr, do đó: D = 6πηr (3.7)D có thể tìm được bằng các phương pháp thực nghiệm.Người ta đã xác định giá trị D trong các hệ khác nhau như sau: hệ dung dịch phân tử vàion có D ≈10-5cm2/giây, các hệ keo D ≈10-7 - 10-9cm2/giây, tức là giữa hai loại hệ đóD khác nhau hàng nghìn lần. Trong hệ keo bán kính hạt keo lớn hơn bán kính phân tửrất nhiều, độ nhớt của hệ keo cũng lớn hơn của hệ dung dịch thực, dựa vào đó ta thấy sựkhuếch tán là rất chậm vì D nhỏ.Theo phương trình Einstein có thể tính được kích thước và khối lượng phân tử hạt nếu kT ...