khái niệm cơ bản về hợp chất keo

CHƯƠNG 1
HỆ PHÂN TÁN VÀ ĐỐI TƯỢNG HÓA
HỌC CHẤT KEO
I. Đặc điểm của các hệ phân tán
II. Đối tượng của hóa học chất keo
III. Độ phân tán
IV. Phân loại các hệ phân tán
V. Ý nghĩa của các hệ keo trong tự nhiên và
kỹ thuật


DUNG DỊCH KEO LÀ GÌ?
Giữa thế kỷ 19, Francesco Selmi (1817-1881) đã phát hiện
một số dung dịch có những tính chất đặc biệt như:
– Tính phân tán ánh sáng mạnh.
– Chất tan sẽ kết tủa khi cho vào dung dịch một lượng nhỏ
muối, mặc dù muối đó không phản ứng với chất tan.
– Chất tan tan ra hay kết tủa không đi kèm theo sự thay đổi
về nhiệt độ và thể tích.
– Selmi đã gọi các dung dịch có những đặc tính kể trên là
các dung dịch giả. Sau này được gọi là các dung dịch
keo.


Tyndall Effect
(Hiệu ứng Tyndall về tán xạ ánh sáng của các dung
dịch keo)

Dung dịch keo Ag 10nm

Thomas Graham (1805–1869) trong quá trình nghiên
cứu tính chất của những chất như gelatin, gôm arabic đưa ra
thuật ngữ chất keo (Colloid).
Người ta nhận thấy một số tính chất chung của chúng như
sau:
- Có khả năng phân tán mạng ánh sáng.
- Các hệ keo có tính chất khuếch tán chậm hơn các tiểu
phân (phân tử, ion) trong dung dịch thực.
- Không bền vững, dễ kết tụ khi có sự thay đổi môi trường
- Có thể tách được bằng màng bán thẩm
- Có hiệu ứng điện di (các hạt phân tán di chuyển trong điện
trường)


Cách chế tạo một số dung dịch keo:

Show D.J., Introduction to colloid and surface chemistry. ISBN 0 7506 1182 0, p11.



I. Đặc điểm của các hệ phân tán


•
•
•
•
•

Molecular scale : 0,1 – 1 nm

Nano scale : 1 – 100 nm
Micro scale : μm
Meso scale : mm, cm
Macro scale : > cm


* Molecular scale : nguyên tử + phân tử

giúp con người hiểu những thuộc tính cơ
bản của vật chất  hóa học tổng quát
(hữu cơ, vô cơ…), Hóa học lượng tử, cơ
học lượng tử…
* Micro, Meso, Macro scale : trạng thái
cụm, mảng, khối…  Vật lý chất rắn, cơ
học Newton
* Nano scale :


Vật liệu ở cấp độ nano có những tính chất quang khác biệt so với
vật liệu khối
Ví dụ về vật liệu quantum dots:

Hiệu ứng huỳnh quang của CdTe/ZnS quantum dots


Phương pháp chế tạo CdTe:
Phương trình phản ứng:


Quá trình chế tạo vật liệu:

Tính chất quang của vật liệu


II. Đối tượng của hóa keo
Hóa keo nghiên cứu các hệ phân tán dò thể, nghóa là các hệ
cấu tạo từ 2 tướng trở lên và một trong hai tướng ở trạng thái
chia nhỏ.
-Tướng phân tán có bề mặt riêng lớn, các quá trình hoá học và
vật lý xảy ra trên bề mặt của hạt keo ⇒ quyết đònh tính chất
của hệ keo.
-Hệ keo có năng lượng tự do bề mặt lớn (∆Gs>0) nên không
bền vững về mặt nhiệt động học ⇒ các hạt của tướng phân
tán kết dính lại với nhau để bề mặt phân chia của tướng giảm
(∆Gs<0). Trong quá trình biến đổi như vậy, thành phần hóa
học của hệ thống không đổi mà chỉ biến đổi về mặt năng
lượng.


• Gọi G là năng lượng bề mặt

• G = σS

• S: diện tích bề mặt
∀ σ: sức căng bề mặt
∀ ⇒ dG = σdS +

Sdσ

• * Nếu σ = const ⇒ dσ = 0
• dG = σdS

• Quá trình xảy ra tự nhiên khi dG < 0 ⇒ dS < 0
• Hiện tượng keo tụ (tiến đến trạng thái bền)

• * Nếu S = const. ⇒ dS =0
• dG = Sdσ

• dG <0 ⇒ dσ < 0
• Thêm chất HĐBM để bảo vệ hệ keo


Cấu tạo của các hạt tinh thể nano trong dung dịch:

H+

ZnS

Thiol

ZnS
S2-

Cấu tạo của NCs trong dung dịch có và không có vỏ
bảo vệ


-Về mặt động học, độ bền vững tập hợp của hệ phân tán được
xác đònh bởi mối tương quan giữa lực hút và lực đẩy (độ lớn

của hàng rào năng lượng ngăn cản sự tiến lại gần nhau của các
hạt).
-Khi lực hút > lực đẩy ⇒ các hạt liên kết gây nên hiện tượng
keo tụ (phá hủy hệ phân tán).
-Tóm lại, hóa keo là khoa học về các quá trình hình thành và
phá hủy các hệ phân tán ⇒ tên gọi đầy đủ của môn học :”Hóa
lý học các hệ phân tán vi dò thể”


III. Độ phân tán
-Độ phân tán D được đònh nghóa:

D = 1/a
a: kích thước của hạt (hạt hình cầu là đường kính d, hạt hình lập
phương là chiều dài cạnh l)
- Bề mặt riêng Sr cũng được dùng làm thước đo của hệ phân
tán:

Sr = S12 / V1
Với S12: diện tích bề mặt phân cách giữa tướng 1 và 2.
V1: thể tích tướng phân tán


*Haït hình caàu:

4π r 2
3 6
Sr =
= =
3

4 / 3π r r a

* Haït hình laäp phöông:

6l 2
6
Sr = 3 =
l
l


Thay đổi bề mặt riêng Sr khi chia nhỏ một hạt lập phương 1cm3
thành N hạt lập phương đều nhau độ dài cạnh a.
a (cm)

1
10-1
10-2
10-3
10-4
10-5
10-6
10-7
10-8

Số hạt
(N)
1
101
102

103
104
105
106
107
108

Thể tích S bề mặt
một hạt một hạt
(cm3)
(cm2)
1
10-3
10-6
10-9
10-12
10-15
10-18
10-21
10-24

6
6.10-2
6.10-4
6.10-6
6.10-8
6.10-10
6.10-12
6.10-14
6.10-16

Sr

6
6.101
6.102
6.103
6.104
6.105
6.106
6.107
6.108


-Hệ đơn phân tán và đa phân tán

Sr

nS
∑
=
∑n
i

i

i

1
.

V


IV. PHÂN LỌAI CÁC HỆ PHÂN TÁN
1. Phân lọai theo độ phân tán:


2. Phân lọai theo trạng thái tập hợp
Theo Ostwald, căn cứ vào trạng thái tập hợp của vật chất , hệ
keo có thể phân chia thành những hệ trong bảng sau:


3. Phân lọai theo tương tác giữa tướng phân tán và
môi trường phân tán
• Keo ưa lỏng (Lyophylles): tương tác giữa tướng và môi
trường phân tán khá lớn , tạo thành lớp solvat hóa (thường
là keo thuận nghịch)
VD: xà phòng, đất sét hòa tan trong nước, các hợp chất cao
phân tử hòa tan trong dung môi thích hợp,…
• Keo kỵ lỏng (Lyophobes): tương tác giữa 2 tướng yếu
(thường là keo bất thuận nghịch)
VD: các sol kim lọai
Cách phân lọai này chỉ dùng được cho những hệ có môi
trường phân tán lỏng mà thôi.


4. Phân lọai theo tương tác giữa các hạt
• Hệ phân tán tự do: Các hạt độc lập với
nhau, nồng độ loãng nên sự tương tác giữa
các hạt yếu.

• VD: nhũ tương, các dung dịch sol…
• Hệ phân tán liên kết: Các hạt tương tác với
nhau bằng tương tác phân tử tạo thành
mạng lưới
VD: Gel, huyền phù, nhũ tương đậm đặc