Hóa kỹ thuật môi trường - Chương 4: Hệ phân tán

1LOGO TÊN MÔN HỌC: HÓA KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG CHƯƠNG 4: HỆ PHÂN TÁN 1 Giảng viên: ThS Lê Nguyễn Kim Cương ThS Nguyễn Văn Phương MỤC TIÊU v Hiểu các khái niệm về hệ phân tán v Đặc điểm, tính chất các hệ phân tán. v Vận dụng vào trong kỹ thuật môi trường. 2 3 4.1. CÁC HỆ PHÂN TÁN 4.2. DUNG DỊCH 4.3. ĐỘ HÒA TAN CỦA CÁC CHẤT 4.4. TÍNH CHẤT CỦA DUNG DỊCH 4.5. DUNG DỊCH ĐIỆN LY 4.6. SỰ ĐIỆN LY CỦA NƯỚC – CHỈ SỐ HYDRO Chương 4: HỆ PHÂN TÁN 4.1 CÁC HỆ PHÂN TÁN 4 4 ۞ Khái niệm ۞ Độ phân tán ۞ Phân loại 2Khái niệm Hệ phân tán là hệ bao gồm một môi trường liên tục và các tiểu phân (các “hạt”) có kích thước nhỏ được phân tán đồng đều trong môi trường đó. Tập hợp các tiểu phân nhỏ bé đó được gọi là pha phân tán, còn môi trường chứa đựng pha phân tán gọi là môi trường phân tán. 5 5 Bảng 4.1. Các hệ phân tán thường gặp TT Pha phân tán Môi trường phân tán Ký hiệu hệ Tên hệ 1 Khí Khí K/K Hệ với sự thăng giáng mật độ khí (không khí) 2 Lỏng Khí L/K Keo khí (sương mù, mây mù)(Fogs) 3 Rắn Khí R/K Keo khí (bụi, khói) (smokes) 4 Khí Lỏng K/L Nhũ tương khí (bọt) (Foams) 5 Lỏng Lỏng L/L Nhũ tương (Enulsions) 6 Rắn Lỏng R/L Keo, huyền phù (sol) 7 Khí Rắn K/R Bọt xốp, mao quản xốp, vật xốp (rắn) 8 Lỏng Rắn L/R Nhũ tương rắn, gel xốp 9 Rắn Rắn R/R Keo rắn, hợp kim 6 6 Độ phân tán vTính chất quan trọng của hệ phân tán trước hết là tính bền vững của hệ: thể hiện qua độ phân tán. vĐộ phân tán: D = 1/d trong đó d là kích thước hạt. 7 Phân loại v Theo mối quan hệ phụ thuộc ở trên mà hệ phân tán chia làm 3 loại sau đây: Ø Các hệ phân tán thô (thể lơ lửng) Ø Các hệ phân tán cao (hệ keo) Ø Các hệ phân tán phân tử - ion (dung dịch thực) 3v Hệ phân tán thô là những hệ vi dị thể có kích thước hạt nhân phân tán lớn hơn 10-4 mm. Tồn tại ở 2 dạng: huyền phù và nhũ tương. v Hệ phân tán cao: có kích thước hạt phân tán trong khoảng từ 1.10-6 mm đến 1.10-4 mm được gọi là hệ keo , có thể tập hợp nhau thành những hạt có kích thước lớn hơn và lắng xuống. v Dung dịch (hay dd thực): hạt < 10-6mm 10 Hệ keo khí (sương mù, mây mù) 11 Hệ keo khí Bụi Khói Hệ huyền phù Hệ nhũ tương 44.2. DUNG DỊCH v Dung dịch là hệ đồng thể gồm hai hay nhiều chất mà thành phần của chúng có thể thay đổi trong giới hạn rộng (đây là điểm khác với hợp chất). v Có hai loại: dung dịch lý tưởng và dung dịch thực. Ø Dung dịch lý tưởng Ø Dung dịch thực 13 13 Dung dịch lý tưởng v Tính chất của dd lý tưởng không phụ thuộc vào bản chất chất tan mà phụ thuộc vào nồng độ của chúng. v Dd lỏng đạt đk lý tưởng là dd mà các cấu tử của nó có cấu trúc phân tử và những thuộc tính vật lý và hoá học giống nhau hoặc rất gần nhau: ØHỗn hợp các đồng phân quang học. ØDd các cấu tử chỉ khác nhau về thành phần đồng vị Ví dụ - H2O + D2O ØDd những chất đồng đẳng cạnh nhau Ví dụ - Benzen + toluen ; hexan +heptan Dug dịch lý tưởng vDo cấu tạo và tính chất hóa lý gần giống nhau nên quá trình hình thành dung dịch lý tưởng: § Không thu hay phát nhiệt (DH = 0). § Không tăng hay giảm thể tích (DV = 0). Dung dịch thực Khi hình thành dung dịch thực có kèm theo quá trình thu hay phát nhiệt, có thay đổi thể tích. EOS 5Dung dịch khí * Không khí Dung dịch rắn * Thuỷ tinh (Na2O, CaO tan trong SiO2) * Vàng tan trong bạc Dung dịch lỏng * Dung dịch nước đường(đường(r) +H2O ® dung dịch) * Dung dịch H2SO4(SO3(k) + H2O ® dung dịch) * Rượu Vodka (C2H5OH (l) + H2O ® dung dịch) 4.3. ĐỘ HÒA TAN CỦA CÁC CHẤT 18 18 4.3. ĐỘ HÒA TAN CỦA CÁC CHẤT v Khi quá trình hòa tan đạt được trạng thái cân bằng ở những điều kiện nào đó (nhiệt độ, áp suất….) thì dung dịch thu được sẽ chứa lượng tối đa chất tan và được gọi là dung dịch bão hòa. v Các dung dịch có nồng độ nhỏ hơn nồng độ bão hòa (nồng độ của dung dịch tương ứng trạng thái bão hòa) được gọi là dung dịch chưa bão hòa và khi dung dịch có nồng độ cao hơn nồng độ dung dịch bão hòa thì được gọi là dung dịch quá bão hòa. v Nồng độ của chất tan trong dung dịch bão hòa ở những điều kiện nhất định được gọi là độ tan của chất đó. 19 Ví dụ - ethanol CH3CH2OH tan tốt trong nước Lực tương tác = liên kết hydro; lưỡng cực-lưỡng cực; khuếch tán Tương tác hút giữa chất tan và dung môi càng mạnh thì quá trình hoà tan càng thuận lợi 6Cyclohexane chỉ có lực khuếch tán không tan trong nước. Glucose có liên kết hydro nên tan rất tốt trong nước. vVitamin A tan trong dung môi không cực (chất béo) vVitamin C tan trong nước. 4.3.1. Độ hòa tan của chất khí trong chất lỏng Độ hòa tan của chất khí trong chất lỏng phụ thuộc rất nhiều vào các yếu tố: § Bản chất dung môi và khí, § Áp suất khí trên mặt chất lỏng, § Nhiệt độ, § Nồng độ các tạp chất § Và đặc biệt là chất điện ly. 4.3.1.1. Ảnh hưởng của áp suất đến độ tan của khí trong lỏng - Định luật Henry v Định luật Henry: Nếu ở áp suất thấp và độ hòa tan tương đối nhỏ thì độ hòa tan của khí trong lỏng tại nhiệt độ nào đó tỉ lệ với áp suất riêng phần của khí trên dung dịch. 24 24 725 T không đổi, áp suất riêng phần của khí tăng → độ hòa tan tăng Ni = K.Pi •Ni: Nồng độ mol phần của chất khí trong lỏng •K: Hệ số tỷ lệ hay hằng số Henry •Pi: Áp suất riêng phần của chất khí cân bằng với lỏng. Đối với dung dịch loãng nồng độ biểu diễn theo các cách đều tỷ lệ bậc nhất với nhau nên có thể biểu diễn theo các cách khác như: C = K’ . P •C : Nồng độ khối lượng của chất khí trong dung dịch bão hòa (mg/l) •K’: Hệ số tỷ lệ hay hằng số Henry •P: Áp suất của chất khí, mmHg 4.3.1.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ tan của khí trong lỏng Khi nhiệt độ giảm thì độ hòa tan của chất khí tăng và ngược lại khi nhiệt độ tăng thì độ hòa tan của chúng giảm. Hình 4.2. Độ hòa tan của chất khí phụ thuộc vào nhiệt độ 28 28 T tăng → độ tan chất khí giảm 8Bảng 4.3. Độ hòa tan của các chất khí trong nước (mg/100ml) Độ tan Độ tan Các chất khí 00C 200C Các chất khí 00C 200C CO2 O2 H2 CH4 171 4,9 2,15 5,5 37,8 3,1 1,84 3,3 Cl2 HCl NH3 N2 461 50700 130000 2,35 236 44200 71000 1,60 29 29 4.3.2. Độ hòa tan của chất lỏng trong chất lỏng Sự hòa tan của chất lỏng trong chất lỏng có thể xảy ra theo các trường hợp sau: v Hòa tan vô hạn; v Hòa tan có giới hạn; v Không thể hòa tan. 4.3.2.1. Trường hợp hai chất lỏng hòa tan lẫn hoàn toàn Định luật Konovalop I phát biểu như sau: vKhi cân bằng, thành phần hơi khác với thành phần lỏng của dung dịch. vKhi cân bằng, trong thành phần hơi sẽ giàu (nhiều) cấu tử dễ bay hơi hơn trong thành phần lỏng. 4.3.2.2. Trường hợp hai chất lỏng hoàn toàn không tan lẫn Vì áp suất hơi của hệ lớn hơn áp suất hơi của một cấu tử nên nhiệt độ sôi của hệ thấp hơn nhiệt độ sôi của từng cấu tử. Trong quá trình sôi, nhiệt độ sôi của hệ không đổi cho tới khi có một cấu tử nào đó trong hệ bay hơi hết hoàn toàn, thì nhiệt độ sôi của hệ tăng đến nhiệt độ sôi của cấu tử còn lại. 32 94.3.2.3. Trường hợp hai chất lỏng hoà tan có giới hạn Định luật phân bố: một chất lỏng có khả năng tan trong hai dung môi không trộn lẫn nhau, thì được phân bố vào chúng sao cho tỷ lệ các nồng độ của chúng trong dung môi đó ở nhiệt độ không đổi là một hằng số. 1 2 C K C = Trong đó: •C1, C2 : Nồng độ của các chất hòa tan trong dung môi thứ nhất và thứ hai •K: Hệ số phân bố 4.3.3. Độ hòa tan của chất rắn trong chất lỏng 34 DHht < 0 T↑thì S↓ DHht>0 T↑thì S↑ Khoảng95% hợp chất ion có độ tan tăng theo nhiệt độ. 4.3.3. Độ hòa tan của chất rắn trong chất lỏng Độ hòa tan của chất rắn trong chất lỏng nói chung dao động trong một khoảng rộng. 4.4. TÍNH CHẤT CỦA DUNG DỊCH vTính chất của dung dịch thể hiện qua: ØÁp suất thẩm thấu của dung dịch, p . ØÁp suất hơi bão hòa, P. ØNhiệt độ sôi và nhiệt độ đông đặc: Ts, Tđ vTính chất của dung dịch phụ thuộc vào: ØBản chất của chất tan. ØNồng độ chất tan: p, P, Ts, Tđ 10 4.4.1. Áp suất thẩm thấu Áp suất thẩm thấu là sự dịch chuyển một chiều các phần tử dung môi vào dung dịch, khi giữa chúng ngăn cách bởi “màng bán thấm” (màng chỉ cho phần tử dung môi đi qua còn phần tử chất tan bị giữ lại) và sự thẩm thấu dẫn đến sự san bằng nồng độ trong hệ nghiên cứu. 37 Màng bán thấm 38 Áp suất thẩm thấu p Áp suất thẩm thấu Sự thẩm thấu được đặc trưng bằng áp suất thẩm thấu p. Theo Vant – Hoff: áp suất thẩm thấu tỷ lệ thuận với nồng độ chất tan và nhiệt độ tuyệt đối của dung dịch. p = C . T . R Định luật Van’t hoff chỉ đúng cho dd lỏng lý tưởng và các dd thực có nồng độ chất tan rất nhỏ (dd loãng) Áp suất hơi bão hoà của dd là hơi cân bằng với dung dịch lỏng. Áp suất hơi bão hoà của dd bằng tổng áp suất hơi bão hoà của tất cả các cấu tử có trong hệ. Pdd = åPi Áp suất hơi bão hoà của dd lỏng, loãng chứa chất tan không điện ly, không bay hơi chính là áp suất hơi bão hoà của dung môi trong dung dịch. 4.4.2. Áp suất hơi bão hòa 11 Áp suất hơi bão hoà của dung dịch lỏng Nhiệt độ tăng, số phân tử chất lỏng bay hơi càng nhiều (trong bình kín). Song song với quá trình bay hơi của chất lỏng còn có quá trình ngưng tụ của các phân tử hơi thành lỏng. Đến một lúc, tốc độ hai quá trình đó bằng nhau, cân bằng lỏng - hơi được thiết lập. Hơi ở trạng thái cân bằng đó gọi là hơi bão hoà. ÁP SUẤT HƠI BÃO HOÀ của dung dịch lỏng loãng phân tử chứa chất tan không điện ly không bay hơi Lỏng Hơi p0 – áp suất của dung môi nguyên chất Bay hơi DHbh > 0 Ngưng tụ DHnt < 0 N1= Ndm =1 N1= Ndm <1 (dung dịch) P0 P1K= P1 / N1 K= P0 101 Npp = N1 = 1 – N2 p1 = p0(1 – N2) = p0 – p0N2 ( ) 00 10 2 p p p ppN D=-= Định luật RAOULT I Áp suất hơi bão hòa Định luật Raoult I: Độ giảm tương đối áp suất hơi bão hòa của dung dịch bằng phần mol chất tan trong dung dịch. § P0: áp suất hơi bão hòa của dung môi trên bề mặt dung môi nguyên chất § P: áp suất hơi bão hòa của dung dịch § N2: phần mol chất tan trong dung dịch. 0 2 0 P P N P - = 4.4.3. Nhiệt độ sôi vNhiệt độ sôi của chất lỏng là nhiệt độ ở đó áp suất hơi bão hòa của chúng bằng áp suất bên ngoài (nhiệt độ sôi của nước bằng 1000C ứng với áp suất bên ngoài bằng 1at). vNhiệt độ sôi của dung dịch cao hơn nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất. 12 4.4.4Nhiệt độ đông đặc v Nhiệt độ đông đặc là nhiệt độ ở đó áp suất hơi bão hòa của pha lỏng bằng pha rắn. v Đối với dung dịch thì ở 00C, dung dịch không đông đặc vì ở cùng nhiệt độ, áp suất hơi của dung dịch < áp suất hơi của dung môi nguyên chất, nên ở 00C, áp suất hơi của dung dịch còn nhỏ hơn của nước đá. Định luật Raoult II mssss CkTTT dmddphtu =-=D mđđđđ CkTTT ddphtudm =-=D Khí Tđ của dd Tđ của dm Ts của dm Tscủa dd Lỏng Rắn DTsDTđ Dung môi nguyên chất Nhiệt độ sôi của dung dịch lỏng phân tử cao hơn nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất )dm(T)ddlpt(T ss > )dm(T)ddlpt(T đđ < Nhiệt độ đông đặc của dung dịch lỏng phân tử thấp hơn nhiệt độ đông đặc của dung môi nguyên chất Tinh thể dung môi nguyên chất Tđđ (H2O) >Tđđ (dd) 4.5. DUNG DỊCH ĐIỆN LY v Dẫn điện. v So với dung dịch phân tử thì p, P, ΔTs, ΔTđ của dung dịch điện ly có trị số lớn hơn. v Chất tan trong dung dịch điện ly gọi là chất điện ly. v Bản chất của chất điện ly và Nồng độ của dung dịch 4.5.1. Đặc điểm 13 Sự khác biệt của dd điện ly so với dd lỏng phân tử Ø Dung dịch điện ly không tuân theo định luật Raoult, định luật Van’t Hoff Ø Dung dịch điện ly dẫn điện H2O(l) → H2O(k) Áp suất hơi bão hoà của dung môi nguyên chất lớn hơn áp suất hơi bão hoà của dm trong dd là do các phân tử dm tự do trên bề mặt chất lỏng nhiều hơn. H2O(l) → H2O(k) Số tiểu phân chất tan không bay hơi càng tăng sẽ làm giảm số phân tử dung môi tự do trên bề mặt nên áp suất hơi bão hoà của dung dịch càng giảm nhiều. Lỏng Hơi Nguyên chất N2=0 , N1=1 P0 0 )pt(1o 0 2 p pp p pN - = D = 0 )dly(10 0 2 p pp p 'piN - = D = Dd lỏng phân tử, N2 →số tp chất tan =N2 Dd điện ly , N2 →i.N2 Cm ®i.cm mss Cik'T =Dmđđ Ck.i'T =D CM (mol/l)®i.cM RTC.i' M=p Trong cùng điều kiện Po> P 1(ptử) > P 1(đly) Ts(dm ngchất) < Ts(dd ptử) < Ts(dd đly) Tđ(dm ngchất) >Tđ(dd phtử) > Tđ(dd đly) p (dd phtử ) < p (dd đly) 14 4.5.2. Quá trình điện ly v Là quá trình phân ly chất tan thành những ion trong dung dịch, có thể là quá trình thuận nghịch hoặc hoàn toàn. v Sự điện ly của chất điện ly đạt trạng thái cân bằng giữa phân tử chất tan và ion do nó phân ly, được đặc trưng bằng độ điện ly a. 0N N =a 0 ≤ a ≤ 1 •Khi không phân ly: a = 0 •Khi phân ly không hoàn toàn: 0 < a < 1 •Khi phân ly hoàn toàn a = 1 Độ điện ly tính bằng phần đơn vị hay phần trăm. Ví dụ: dung dịch HCl có a = 0,926 hay 92,6%. •Chất điện ly yếu: a < 3% •Chất điện ly mạnh: a > 30% •Chất điện ly trung bình: 3% < a < 30% 4.6. SỰ ĐIỆN LY CỦA NƯỚC – CHỈ SỐ HYDRO Xem tài liệu. 55 55 4.6.1. Sự điện ly của nước Quá trình hoà tan NaCl trong nước Các phân tử nước có cực sẽ hút các ion Na+ và Cl- trong mạng tinh thể muối,làm yếu lực hút giữa các ion . Khi lực hút giữa các ion yếu đi, các ion sẽ tách ra vàbị bao quanh các ưỡng cực nước Các ion bị hydrat sẽ khuếch tán từ từ ra khỏi tinh thể và tan trong dung dịch. 14.3 15 Sự ion hóa và tích số ion của nước Độ dẫn điện của H2O = 5,54.10-18W-1.cm-1 H2O + H2O D H3O+ + OH- 14 3n 10]OH][OH[K --+ == pH=-lg[H+] pOH=-lg[OH-] pK=-lgK pKn = pH+ POH = 14 Chỉ số pH và môi trường dd Ø Trong nước nguyên chất và môi trường trung tính [H+] = [OH-] = 10-7 pH = 7 Ø Trong dung dịch axit có môi trường axit [H+] > [OH-] pH < 7 Ø Trong dung dịch baz có môi trường baz [H+] 7 4.6.2. Cách xác định pH 60 60 Bảng 4.9. Các chất chỉ thị quan trọng thường gặp Chất chỉ thị MÀU SẮC CỦA CHẤT CHỈ THỊ TRONG MÔI TRƯỜNG KHÁC NHAU Axit Trung tính Kiềm Metyl da cam Metyl đỏ Phenolphtalein Qùy Đỏ (p H < 3.1) Đỏ (p H < 4.2) Không màu (p H < 8) Đỏ (p H < 5) Da cam (3.1<pH <4.4) Da cam (4.2<pH <6.3) Đỏ nhạt (3.1 <pH <4.4) Tím (5 <pH <8) Vàng (pH > 4.4) Vàng (pH > 6.3) Đỏ thẩm (pH > 9.8) Xanh (pH > 8) 16 Các phương pháp đo pH cho các dd nước (a) Giấy đo pH (định tính) (b) Máy đo pH(định lượng) Axit mạnh và base mạnh HCl CH3CO2H Thymol Blue chỉ thị pH=1.2 pH = 2.8 Đo pH của giấm Đo pH của dd NH3 4.7. HỆ VI DỊ THỂ v Hệ vi dị thể bao gồm: huyền phù, nhũ tương, bọt. Có kích thước hạt d > 10-4 mm. 64 17 4.7.1. Hệ huyền phù Huyền phù là chất lơ lửng thuộc hệ vi dị thể trong đó: v Pha phân tán là chất rắn. v Môi trường phân tán – chất lỏng v Huyền phù không bền – các hạt dễ dàng lắng dưới tác dụng trọng lực. v Hệ đơn phân tán. v Hệ đa phân tán . 4.7.1.1. Với hệ đơn phân tán Hình 4.10. Đường cong lắng trong hệ phân tán 66 A B 0 Hiệu quả lắng, % Thời gian (t) 100 Hiệu quả lắng, % 0 Thời gian (t) A’ B Hệ đơn phân tán là hệ có các hạt có kích thước tương đối như nhau 4.7.1.2.. Với hệ đa phân tán v Số lượng chất lắng không phụ thuộc tỉ lệ thuận với thời gian. v Độ bền của hệ: lắng và keo tụ. Giá trị thế điện động của các hạt huyền phù trong hệ cũng xấp xỉ bằng thế điện động x của hạt keo điển hình. v Giống như hệ keo, huyền phù có thể chế tạo bằng những phương pháp phân tán và ngưng tụ. v Bị ảnh hưởng của chất điện ly. Hệ đa phân tán là hệ có các hạt có nhiều kích thước khác nhau 4.7.2. Hệ nhũ tương v Nhũ tương là hệ vi dị thể, trong đó pha phân tán và môi trường phân tán đều là chất lỏng. Hai chất lỏng này không hòa trộn lẫn nhau, chất lỏng này phân tán vào chất lỏng kia dưới dạng giọt nhỏ. v Có 2 loại nhũ tương: § Dầu trong nước D/N § Nước trong dầu N/D 18 4.7.3. Bọt 69 69 4.7.3.1. Tính bền tập hợp của bọt Tính bền của bọt phụ thuộc vào: ü Nồng độ chất tạo bọt; ü Nhiệt độ; ü Độ nhớt của dung dịch; ü Chất điện ly; ü pH . 4.7.3.1. Tính bền tập hợp của bọt v Nồng độ chất tạo bọt càng lớn thì thời gian tồn tại của bọt càng lâu. v Độ bền của bọt phụ thuộc vào nhiệt độ. Khi nhiệt độ tăng làm bọt ít bền hơn – vì làm tăng vận tốc chuyển động và do sự giảm độ nhớt của môi trường. v Khi thêm chất điện ly – tính bền của bọt giảm nhưng không mất hoàn toàn tính bền. v Tăng độ nhớt – làm tăng độ bền của bọt. 4.7.3.2. Phương pháp chế tạo và phá vỡ bọt v Chế tạo bằng 2 cách: Ø Cho các bóng không khí đi qua dung dịch chất tạo bọt; Ø Khuấy cơ học dung dịch chất tạo bọt với không khí. v Phá vỡ bọt hoặc ngăn cản sự tạo thành bọt: Ø Cho vào chất chống tạo bọt (là những chất có tính hoạt động bề mặt cao; rượu Amylic, Octylic, Este,...); Ø Nâng nhiệt độ của bọt. Ø Thêm chất điện ly 19 4.7.3.3. Ứng dụng trong thực tế của ngành kỹ thuật môi trường Phương pháp tuyển nổi 73