TÀI LIỆU

Tính chất điện của hệ keo

Các hiện tượng điện động học

Năm 1008, Giáo sư Reix, một nhà vật lý học tại Trường Đại học Mat-xcơ-va đã tiến hành thí nghiệm sau: nối nguồn điện một chiều với hai điện cực cắm trong hai ống thủy tinh đựng nước, đáy ống thủy tinh hở và cắm vào đất sét ướt. Sau một khoảng thời gian, ông nhận thấy ống cắm cực dương đục, còn ống cực âm vẫn trong nhưng mực nước có cao hơn ống cắm cực dương một ít.

Hiện tượng đó chứng tỏ hạt keo sét tích điện âm, do ảnh hưởng của điện trường ngoài nên đã di chuyển về cực dương. Những nghiên cứu tiếp theo cho thấy rằng, sự vận chuyển các hạt trong điện trường có một tốc độ không đổi, và tốc độ càng lớn khi hiệu thế đặt tại hai cực càng lớn và hằng số điện môi của môi trường càng lớn. Tốc độ di chuyển càng nhỏ khi độ nhớt môi trường càng tăng.

Trong điện trường, sự chuyển vận tương đối các hạt pha rắn so với pha lỏng được gọi là sự điện di.

Reix cũng nhận xét rằng nếu cho bột thạch anh mịn (SiO₂) vào ống hình chữ U, nén lại sao cho nó tạo nên một màng xốp, rồi đổ đầy nước ở hai bên nhánh, đặt hai điện cực vào hai nhánh của ống rồi cho dòng điện một chiều đi qua; sau một thời gian mực nước trong ống chứa điện cực âm sẽ dâng lên, cho đến khi hiệu số mực nước trong hai nhánh đạt đến một giá trị xác định. Quá trình này cũng xảy ra với tốc độ không đổi. Mặt khác lượng chất lỏng chuyển vận cũng tỷ lệ thuận với hiệu thế ở hai cực và với hằng số điện môi, đồng thời tỷ lệ nghịch với độ nhớt của môi trường, tương tự như sự điện di.

Trong điện trường, sự chuyển vận tương đối của pha lỏng so với pha rắn (như hiện tượng) trên gọi là sự điện thẩm. Nguyên nhân của hai hiện tượng này như nhau, đó là pha rắn và pha lỏng đều tích điện và tích điện ngược dấu nhau.

Sau đó người ta đã phát hiện hai hiện tượng ngược với hai hiện tượng trên. Năm 1859, Quincke cho chất lỏng chảy qua màng xốp, hai bên màng có đặt hai điện cực thì xuất hiện điện thế trên các điện cực- gọi là điện thế chảy và hiện tượng trên gọi là hiệu ứng chảy, ngược lại với sự điện thẩm.

Năm 1878, Dorn đã phát hiện ra hiện tượng ngược với sự điện di. Khi các hạt phân tán sa lắng trong chất lỏng, thì tại hai điện cực gắn vào cột chất lỏng ở những cao độ khác nhau xuất hiện điện thế - gọi là điện thế sa lắng. Hiện tượng này ngược với sự điện di được gọi là hiệu ứng sa lắng hay hiệu ứng Dorn.

Bốn hiện tượng này được gọi chung là các hiện tượng điện động học và đều gắn liền với sự có mặt của một lớp điện kép trên bề mặt phân cách pha của hệ phân tán.

Các hiện tượng điện động học diễn ra yếu trong môi trường có hằng số điện môi nhỏ (trong đó sự điện ly rất yếu), ví dụ cloroform, eter dầu hoả, benzen, carbon disunfur; trong các môi trường phân cực như nitrobenzen, aceton, rượu etylic, nhất là trong nước thì các hiện tượng này thể hiện khá rõ.

Cấu tạo lớp điện kép

* Để đơn giản ta hãy giả thiết lớp điện kép như là một lớp phẳng, mặc dù thực tế bề mặt lớp điện kép có độ cong khá lớn. Sự giản ước này vẫn có thể chấp nhận được vì bề dày của lớp điện kép thường rất bé so với bán kính hạt.

Nói 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 hiệnlớp ion quyết định điện thế là do 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 = SiO₃^2-+ 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 nghịch ở gần 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 ζ

Năm 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 vài 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 giảm rất nhanh (nghĩa là theo phương trình biểu diễn số liệu thực nghiệm giảm rất dốc theo đường thẳng). Các điện 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 A^o 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 Φ₁và Φ₂thì mật độ điện tích bề mặt Φ_{bằng tổng của Φ₁và Φ₂. Mật độ điện tích ion nghịch trong lớp hấp phụ bị ảnh hưởng theo nồng độ mạnh hơn, nên khi pha loãng dung dịch Φ₁ giảm nhanh hơn Φ₂và 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), φ₁là điện thế trên ranh giới lớp hấp phụ và lớp khuếch tán (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).

Thế ζ là điện thế ở mặt trượt của ranh giới hai pha rắn - lỏng. Mặt trượt có thể cách bề mặt pha rắn một khoảng cách ∆ = d, trong trường hợp đó ζ = φ₁; cũng có thể nó nằm sâu trong pha lỏng (∆ > d) nên khi xét chuyển động tương đối giữa hai pha có một phần ion của lớp khuếch tán lưu lại cùng với các ion lớp hấp phụ, lúc đó ζ < φ₁. Sự khác biệt của ζ và φ₁ càng ít khi biến thiên điện thế theo khoảng cách càng nhỏ.

Xác định thế điện động ζ

Thế điện động ζ là độ giảm thế trong lớp khuếch tán, quyết định các hiện tượng điện động học, về mặt giá trị nó chỉ bằng một phần bước nhảy thế tại bề mặt rắn φ_o.

Giữa thế điện động ζ và tốc độ hạt của pha phân tán u (còn gọi là vận tốc điện động học) có mối quan hệ sau: $u = \frac{ε . ε_{o} . E . ζ}{η . l}$ (4.1)

Trong đó: E là thế đặt vào hệ, (V); l là khoảng cách giữa hai điện cực, (m);

 là độ nhớt của chất lỏng (N.m.s^-2); ε là hằng số điện môi của chất lỏng (F.m^-1);

ε_o là hằng số điện môi chân không (8,85.10^-12 F.m^-1).

Các phương trình Helmholtz – Smolukhopski xác định ζ

* Trong sự điện thẩm: ζ = 4 πηχQ/εI (4.2)

Trong đó, χ: độ dẫn điện riêng; Q: tốc độ thể tích; I: cường độ dòng điện

Với thực nghiệm có được Q,I; các giá trị, η, χ, ε lấy từ bảng tra, sẽ tính được điện thế. Thực nghiệm cho thấy có thể sử dụng phương trình này cho trường hợp điện di khi tốc độ điện di bằng tốc độ điện thẩm.

* Trong trường hợp hiệu ứng chảy: ζ = 4 πηχE/εP (4.3)

Trong đó, E: điện thế chảy. P: độ chênh lệch áp suất ở các đầu mao quản

* Trong trường hợp có hiệu ứng sa lắng: ζ = 3γH / εr³(γ - γ_o)gν (4.4)

Trong đó, r: bán kính hạt γ: khối lượng riêng của hạt

γ_o: khối lượng riêng của dung môi ν: số hạt trong một đơn vị thể tích

g: gia tốc trọng trường H: điện trường

Các giá trị η, χ, ε có ý nghĩa như trên

Các yếu tố ảnh hưởng đến thế điện động

a. Ảnh hưởng của chất điện ly trơ: khi tăng nồng độ của chất điện ly trơ thì điện thế đzeta giảm, do phần khuếch tán của lớp điện kép bị nén lại.

b. Ảnh hưởng của chất điện ly không trơ, có chứa ion có khả năng xây dựng mạng lưới tinh thể với pha rắn :

- Nếu ion của chất điện ly mới thêm vào cùng dấu với ion quyết định hiệu thế, lúc đầu điện thế zêta tăng, sau đó những ion cùng loại với ion nghịch sẽ nén lớp khuếch tán lại do đó điện thế zêta lại giảm.

- Nếu ion của chất điện ly mới thêm vào khác dấu với ion quyết định điện thế, thì có thể xảy ra sự đổi dấu điện của hạt keo.

Ví dụ trong sol AgI với ion quyết định hiệu thế là I ^- , nếu thêm AgNO₃ vào hệ, ion Ag⁺có thể làm điện tích của hạt keo chuyển từ âm sang dương

c. Sự pha loãng: Sự pha loãng làm dãn lớp điện kép, do đó điện thế đzeta sẽ tăng (nhưng nếu có sự phản hấp phụ ion tạo thế thì điện thế zêta lại giảm). Khi cô đặc keo, ta lại có tác dụng ngược lại.

d. Nhiệt độ: Khi nhiệt độ tăng, chuyển động nhiệt của các ion tăng, phần khuếch tán của lớp điện kép tăng lên do đó điện thế zêta cũng tăng, nhưng nếu sự tăng nhiệt độ đi kèm theo sự phản hấp phụ ion tạo thế thì điện thế zêta có thể giảm.

e. Ảnh hưởng của bản chất môi trường phân tán: Các hiện tượng điện động học và do đó sự tồn tại của lớp điện kép chỉ duy trì trong môi trường phân cực. Nếu độ phân cực của môi trường càng nhỏ thì điện thế zêta càng nhỏ.

Ý nghĩa thực tế của các hiện tượng điện động học

* Hiện tượng điện di được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật như:

- Tách một số oxid ra khỏi kaolin trong kỹ nghệ làm đồ gốm sứ: cho huyền phù của kaolin chạy qua những dĩa chì tích điện dương, các hạt kaolin tích điện âm sẽ lắng vào dĩa, còn các hạt oxid tích điện dương sẽ bị cuốn theo nước.

- Tạo lớp phủ bề mặt bảo vệ kim loại (phủ latex- huyền phù cao su trong nước). Anod là chi tiết vật liệu cần phủ latex. Các hạt của latex tích điện âm di chuyển về anod kết tủa lên đó tạo nên một màng cao su dày hay mỏng tùy ý. Trong latex người ta có thể cho thêm vào đó những chất độn hoạt động và các tác nhân lưu hóa, kết quả là trên chi tiết kim loại ta sẽ có một lớp cao su chất lượng cao.

- Sự điện di cũng được sử dụng trong việc sản xuất các dây đốt lò xo cách điện, các catod hoạt động trong các đèn điện tử (đó là các dây kim loại đươc phủ bằng một lớp mỏng của oxid kim loại kiềm thổ).

- Tách các protid: Protid là hỗn hợp của amino acid nên là chất lưỡng tính. Sự phân ly của mỗi amino acid phụ thuộc vào pH của môi trường. Người ta cho giọt protid lên giữa một băng giấy để thấm một dung dịch có pH xác định, hai đầu giấy được thiết lập một điện áp lớn (khoảng 120 đến 600 V). Dưới tác dụng của pH tẩm trên giấy, các amino acid trong thành phần của protid sẽ phân ly khác nhau về cả hai mặt: độ phân ly, điện tích phân ly. Do mang điện tích khác nhau và khối lượng phân tử khác nhau nên các amino acid sẽ tách ra và di chuyển về các cực tương ứng với tốc độ khác nhau.

* Hiện tượng điện thẩm được sử dụng để làm mất nước vật xốp, hay làm giảm ma sát. Vật xốp đặt giữa hai điện cực, trong điện trường nước sẽ đi về một cực, thường là catod, nên vật xốp mất nước. Sự điện thẩm còn được dùng để làm mất nước kết hợp với tác dụng của áp suất kém trong sự siêu lọc.

Khi sử dụng máy cày, lưỡi cày tiếp xúc với đất bị ma sát lớn. Nếu lưỡi cày được tích điện âm, thì nước trong đất sẽ điện thẩm qua đất để tạo thành một màng nước trên mặt lưỡi cày và lực ma sát có thể giảm đến 80%.

Phương pháp ứng dụng điện thẩm trong khai thác dầu mỏ bằng cách dùng nước đẩy dầu ra khỏi giếng đang được hoàn thiện có hiệu quả.

* Ý nghĩa thực tế của hiệu ứng chảy cũng rất lớn. Máu chảy qua các mạch máu của hệ thống tuần hoàn làm sản sinh điện thế chảy. Hiện tượng này được xem là một trong những nguồn gốc phát sinh điện thế sinh vật. Các pic trong điện tâm đồ có được là do máy ghi lại điện thế chảy của máu trong hệ tuần hoàn.

Nước ngầm chảy trong vỏ trái đất qua lớp nham thạch làm phát sinh điện thế chảy. Nghiên cứu trường tự nhiên đó của vỏ trái đất sẽ có ích cho việc thăm dò khoáng sản. Các dụng cụ ghi chấn động do động đất cũng được thiết kế dựa trên nguyên tắc đo điện thế chảy.

* Hiện tượng sa lắng mặc dù chưa được áp dụng rộng rãi trong công nghiệp nhưng cũng đóng vai trò quan trọng trong tự nhiên, ví dụ như sự tích điện ở các đám mây là nguyên nhân của hiện tượng sấm, chớp.

Cấu tạo micelle keo trong dung dịch keo

Trên cơ sở các tính chất có liên quan đến hệ keo đã khảo sát, chúng ta hình dung một sơ đồ cấu tạo hạt keo, hay còn gọi là micelle keo như sau :

- 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 còn lại nằm 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 :

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.

TẢI VỀ

TÁI SỬ DỤNG

NỘI DUNG CÙNG TÁC GIẢ