Hóa lý: các hiện tượng bề mặt
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.34 MB, 63 trang )
Chương 1:
CÁC HIỆN TƯNG BỀ MẶT
I. Năng lượng bề mặt
II. Sự hấp phụ trên ranh giới dung dòch lỏng – khí
III. Sự hấp phụ khí và hơi trên chất hấp phụ rắn
IV. Sự hấp phụ trên ranh giới lỏng – rắn
11/14/16
607013 - Chương 1
2
11/14/16
607013 - Chương 1
3
PHA KHÍ
Phâ
Phâ
nntửtửtrê
trê
nnbề
bềmặ
mặ
tt
PHA NGƯNG TỤ
11/14/16
607013 - Chương 1
Phân tử bên trong
pha thể tích
4
I. NĂNG LƯNG BỀ MẶT
Đònh nghóa•1.
: Sức căng bề mặt:
- Là lực tác dụng trên 1 đơn vò độ dài của bề mặt phân
chia pha
- tiếp tuyến với bề mặt,
- có khuynh hướng làm giảm diện tích bề mặt.
Kí hiệu: σ (N/m ; dyn/cm)
Đổi đơn vò: 1 dyn/cm = 10-3N/m.
11/14/16
607013 - Chương 1
5
•Năng lượng (tự do) bề mặt
Là công tiêu tốn để tăng diện tích bề mặt
= sự chênh lệch thế năng giữa các phân tử trong pha
thể tích và trong lớp bề mặt.
dES = σ.dS
Suy ra:
11/14/16
ES
σ=
S
607013 - Chương 1
σ là năng lượng tự do
trên 1 đơn vò diện tích
bề mặt.
6
Các yếu tố ảnh hưởng đến σ
• - Bản chất 2 pha tiếp xúc
Chất lỏng
11/14/16
Nước
Benzen
Axit axetic
CCl4
σo (dyn/cm)
Lỏng–Khí
72,75
28,88
27,60
26,80
σo (dyn/cm)
Lỏng - Nước
35,00
45,10
Rượu etylic
n-Octanol
22,30
27,50
8,50
607013 - Chương 1
7
Hiện tượng bề mặt xảy ra theo chiều
dES = σ.dS < 0
- Làm giảm diện tích bề mặt
•
• Hoặc
• - Làm giảm sức căng bề mặt
• Các giọt chất lỏng có hình cầu ?
• Các hạt nhỏ sẽ tập hợp lại thành các hạt lớn hơn?
• Ngăn sự tập hợp từ hạt nhỏ thành hạt lớn?
?
11/14/16
607013 - Chương 1
8
2. Hiện tượng dính ướt
Chất lỏng dính ướt
vật rắn
Chất lỏng không dính ướt
vật rắn
lực L-R > lực L-L
lực L-R < lực L-L
11/14/16
607013 - Chương 1
9
Hiện tượng dính ướt
Là sự phân bố bề mặt giữa 3 pha R – L – K sao cho
năng lượng tồn phần bề mặt ES là nhỏ nhất.
Các đại lượng đặc trưng: - Góc dính ướt: θ
- Độ dính ướt: cosθ
Định luật Young
σ RK − σ RL
cos θ =
σ LK
σ RK , σ RL , σ LK : sức căng bề mặt trên ranh giới
rắn – khí, rắn – lỏng, lỏng-khí
11/14/16
607013 - Chương 1
10
Không dính ướt
Dính ướt
σ RK > σ RL
σ RK = σ RL
σ RK < σ RL
cosθ > 0
cosθ = 0
cosθ < 0
θ < 90
θ = 90
o
Dính ướt toàn phần:
o
θ > 90o
σ RK > σ RL + σ LK
Không dính ướt toàn phần: σ RL > σ RK + σ LK
11/14/16
607013 - Chương 1
11
Góc dính ướt θ của nước
trên một số bề mặt rắn
Bề mặt rắn θ (độ)
Thủy tinh
0
Xelofan
18
Màng polyamit
75
Thép
60 - 90
11/14/16
Bề mặt rắn θ (độ)
Graphit
86
Polyetylen
94
Parafin
110
607013 - Chương 1
12
3. Hiện tượng mao dẫn
Là hiện tượng dâng lên hay tụt xuống của chất
lỏng trong ống mao quản
11/14/16
607013 - Chương 1
13
Nguyên nhân: do sự dính ướt
11/14/16
607013 - Chương 1
14
Phương trình Thompson - Kelvin :
r
P
2σ .V
Đối với giọt chất lỏng trong
R.T .ln
pha khí:
o
=
P
r
r
C
2σ .V
Đối với giọt chất lỏng trong
R.T .ln o = /
pha lỏng:
C
r
Quy ước:
r
o
⇒
P
>
P
- Mặt cong lồi : r > 0
- Mặt cong lõm : r < 0 ⇒ P < P
r
o
r1 < r2 ⇒ P r 1 > P r 2
-
V : thể tích mol riêng phần của giọt chất lỏng
Pr : áp suất hơi bão hòa trên bề mặt cong
Po : áp suất hơi bão hòa trên bề mặt phẳng
11/14/16
607013 - Chương 1
15
Phương trình Young – Laplace:
1 1
Đối với mặt elip: ∆P = P − P = σ . r + r ÷
1 2
2.σ
α
β
∆P = P − P =
Đối với mặt cầu:
r
α
β
∆P > 0
Quy ước:
α
β
⇒
∆
P
>
0
⇒
P
>
P
- Mặt cong lồi : r > 0
∆P < 0
- Mặt cong lõm : r < 0 ⇒ ∆P < 0 ⇒ Pα < P β
- Mặt phẳng :
11/14/16
r = ∞ ⇒ ∆P = 0
607013 - Chương 1
16
1 Ro .g .h.(d β − d α )
σ= .
2
cos θ
4. Các phương pháp xác đònh
sức căng bề mặt
• 1. Xác đònh sự biến đổi mực chất lỏng trong ống mao
quản:
β
α
•
1 Ro .g .h.(d − d )
σ= .
2
cos θ
2. Phương pháp cân giọt chất lỏng:
V.d.g
σ=
2.π.R 0 .f *
V : thể tích giọt.
R0: bán kính mao quản.
f*: hệ số hiệu chỉnh. Sổ tay.
11/14/16
607013 - Chương 1
17
Bài tập
• 1. Có bao nhiêu năng lượng được giải phóng khi
có nhiều hạt nhỏ bán kính r=2.10-3mm hợp
thành một giọt nước lớn bán kính R = 2mm.
• 2. Tính độ cao của cột chất lỏng dâng lên trong
ống mao quản thủy tinh có bán kính 0,5µm.
• Biết ρ và σ của các chất lỏng khác nhau:
•Chất lỏng n-hexan C2H5OH CH3OH Axeton C6H6 H2O
(g/cm3) ở 0,6603 0,789
20oC
(dyn/cm) 18,4300 22,750
11/14/16
0,792
0,792
22,610
23,700 28,850 72,750
607013 - Chương 1
0,899
0,998
18
Bài tập
• 3. Đường kính của 2 nhánh ống chữ U bằng thủy
tinh lần lượt bằng 1mm và 3mm. Hỏi hiệu độ
cao của 2 cột nước trong hai nhánh bằng bao
nhiêu?
11/14/16
607013 - Chương 1
19
SỰ HẤP PHỤ
Hấp phụ: là sự chất chứa, tập trung vật chất
trên bề mặt phân chia pha.
Chất bò hấp phụ: là chất bò hút lên bề mặt phân chia pha
Chất hấp phụ: là chất trên bề mặt xảy sự hấp phụ.
Độ hấp phụ: là lượng chất bò hấp phụ trên bề mặt một
đơn vò chất hấp phụ.
S
ni
- x (mol/g)
Γi =
2
- Γ (mol/m )
S
Hấp thụ: là hiện tượng các phân tử bò hấp thu ở bề mặt
đi sâu vào trong lòng chất hấp thu.
11/14/16
607013 - Chương 1
20
II. SỰ HẤP PHỤ TRÊN
BỀ MẶT LỎNG - KHÍ
• 1. Chất hoạt động bề mặt:
• Có thể xảy ra 2 trường hợp khi
có chất tan trong dd
• - C tăng σ tăng :
• chất không hoạt động bề mặt
•
• - C tăng σ giảm : chất HĐBM
11/14/16
607013 - Chương 1
21
Chất HĐBM gồm:
- Phần phân cực (đầu)
- Phần không phân cực (đuôi)
11/14/16
607013 - Chương 1
22
2. Phương trình hấp phụ Gibbs
Xác đònh mối quan hệ giữa lượng chất bò hấp phụ
trên bề mặt với nồng độ trong dd và sức căng bề mặt
S
i
n
dσ = −∑ d µi = −∑ Γi .d µi
S
i
i
Với: - µ i : thế hóa học của cấu tử i
- Γ i: độ hấp phụ bề mặt của cấu tử
11/14/16
607013 - Chương 1
23
•* Nếu hấp phụ hơi của cấu tử chất tan (2) trên
dung môi (1), trong đó không có sự tan lẫn
(VD: hydrocarbon/H2O)
P ∂σ P : áp suất hơi bão hòa của
Γ=−
.
R.T ∂P T
hơi/khí
* Nếu hấp phụ chất hòa tan trong dd lên bề mặt
pha lỏng:
a dσ a: hoạt độ
Γ=−
.
÷ Nếu dd loãng, thay a bằng C
RT da T
11/14/16
607013 - Chương 1
24
Độ hoạt động bề mặt
dσ dσ dσ
* = Độ hoạt động bề mặt
−
,−
,−
= G = Đại lượng Gibbs
dC
da
dP
a
*
⇒Γ=
.G
RT
Hấp phụ âm
dσ
*
*
> 0 ( G < 0 ) ⇒ Γ <0 :
dC
Chất không HĐBM
Hấp phụ dương
dσ
*
*
< 0 ( G > 0 ) ⇒ Γ >0 :
dC
Chất HĐBM
11/14/16
607013 - Chương 1
25
