CÔNG NGHỆ CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT

Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
Khoa Công nghệ Hóa

CÔNG NGHỆ CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT
Chương 1: Lý thuyết cơ bản về CHĐBM

1


Nội dung

Phần 1: Các khái niệm cơ bản
Phần 2: Các phương pháp xác định sức căng bề mặt
Phần 3: Tính chất vật lý của dung dịch CHĐBM
Phần 4: Đặc tính bề mặt lỏng – rắn và quan hệ bề mặt
trong hệ 3 pha

2


Phần 1:

Các khái niệm cơ bản

1.1. Chất hoạt động bề mặt:
- CHĐBM là một chất làm ướt có tác dụng làm
giảm sức căng bề mặt của một chất lỏng

- Sự hấp phụ chọn lọc trên bề mặt dung dịch
theo chiều hướng nhất định dẫn đến sự thay
đổi trạng thái và các tính chất bề mặt

3


Các khái niệm cơ bản

Phần 1:

1.2. Sức căng bề mặt (surface tension, kí hiệu σ):
-

Lực căng trên một đơn vị chiều dài cắt ngang bề mặt

-

Công cơ học thực hiện khi lực căng làm cho diện tích bề mặt thay đổi
một đơn vị đo diện tích
dEs = σ.ds hay σ = dEs/ds
Trong đó:

dEs: năng lượng dư bề mặt

ds: đơn vị diện tích bề mặt
σ: sức căng bề mặt
- Đơn vị của σ:
Theo hệ SI:

J/m2. N/m

Theo hệ CGS: Erg/cm2, dyne/cm
4

Phần 1:

Các khái niệm cơ bản

• Thí nghiệm sức căng bề mặt
•Lực tương tác giữa các phân tử trên bề mặt
và trong lòng pha lỏng

5


Phần 1:

Các khái niệm cơ bản

Chất tiếp xúc

Các yếu tố
ảnh hưởng
Nhiệt độ

6


Phần 1:

Các khái niệm cơ bản

1.2. Sức căng bề mặt (tiếp)
• Các yếu tố ảnh hưởng sức căng bề mặt
- Sức căng bề mặt phụ thuộc vào bản chất của chất tiếp xúc
Theo phương trình McLeod:
σ = K.(D – d)4
Trong đó:
D: khối lượng riêng pha lỏng (g/cm3)
d: khối lượng riêng pha khí (g/cm3)
K: là hằng số
7


Các khái niệm cơ bản

Phần 1:

1.2. Sức căng bề mặt (tiếp)
• Các yếu tố ảnh hưởng sức căng bề mặt
Bảng 1.2 sức căng bề mặt của các chất lỏng tiếp xúc với
không khí (σx) ở 20C (dyne/cm)
Chất lỏng

σx

Chất lỏng

σx

Nước

72,75

Ethanol

22,30

Benzene

28,88

n-octanol

27,50

Acetic acid

27,60

n-hexane

18,40

Chloroform

26,80

n-octane

21,80

Glycerine

66,00

Aniline

42,90
8


Các khái niệm cơ bản

Phần 1:

1.2. Sức căng bề mặt (tiếp)
• Các yếu tố ảnh hưởng sức căng bề mặt
Nếu 2 chất lỏng chỉ hòa tan 1 phần vào nhau thì σ trên giới hạn L
– L gần bằng hiệu số giữa σ của mỗi chất (đã bão hòa chất kia)
so với không khí
Bảng 1.3. sức căng bề mặt của các chất lỏng tiếp xúc với nước

Bề mặt
chất lỏng

Nhiệt
độ (0C)

Sức căng bề mặt L – KK
(dyne/cm)

Sức căng bề mặt L – L
(dyne/cm)

Lớp hữu cơ

Lớp nước

Tính toán

Thực
nghiệm

Benzene/nước

19

28,8

72,79

43,99

43,99

Aniline/nước

26

42,2

71,9

29,7

30,3

9


Các khái niệm cơ bản

Phần 1:

1.2. Sức căng bề mặt (tiếp)
• Các yếu tố ảnh hưởng sức căng bề mặt
- Sức căng bề mặt phụ thuộc vào nhiệt độ
W. Ramsay và J. Shields sau khi hiệu chỉnh phương trình của R. Eotvos:
σ.V2/3 = k(Tc – T – 6)
Trong đó: V: thể tích mol của chất lỏng
Tc: nhiệt độ tới hạn
k: hằng số, đa số chất lỏng có k ≈ 2,1 (erg/độ) Ngoài ra: σ =
σx(1 – T/Tc)n
Với chất hữu cơ n = 11/9, với kim loại n ≈ 1
10


Phần 1:

Các khái niệm cơ bản

1.2. Sức căng bề mặt (tiếp)

Hình 1.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sức căng
bề mặt của nước
11


Phần 1:

Các khái niệm cơ bản

1.3. Chất hoạt động bề mặt:
- Là chất có khả năng làm giảm sức căng bề mặt của dung
môi chứa nó, có khả năng hấp phụ lên lớp bề mặt, có độ tan
tương đối nhỏ
Các gốc hydrocarbon không phân cực kỵ
nước, không tan trong nước, tan trong pha
hữu cơ không phân cực

Sodium lauryl sulfate

Các nhóm carboxylate, sulfonate, sulfate,
12
amine bậc 4, …


Phần 1:

Các khái niệm cơ bản

1.4. Chất không hoạt động bề mặt
- Là những chất mà khi nồng độ của nó trong dung dịch tăng lên thì
sức căng bề mặt tăng lên
- Trong nước, các muối vô cơ điện ly, các axit, bazơ vô cơ không có
phần kỵ nước
- Có rất ít các chất không hoạt động bề mặt hữu cơ: HCOOH,
CH3COOH, … .
- Trong các dung môi hữu cơ, các chất điện ly cũng làm tăng sức
căng bề mặt, tuy nhiên mức độ gia tăng này tùy thuộc vào bản chất
của dung môi
Ví dụ: khi thêm NaI vào MeOH thì sức căng bề mặt sẽ tăng
nhiều, nếu thêm NaI vào EtOH thì độ tăng này giảm đi 2 lần

13


Phần 1:

Các khái niệm cơ bản

1.5. Chất không không ảnh hưởng đến
sức căng bề mặt của dung môi
- Là những chất phân bố đều đặn trên cả lớp bề mặt và trong dung
dịch, do đó không ảnh hưởng nhiều đến sức căng bề mặt của
dung môi
Ví dụ: đường saccharose hòa tan vào trong nước không làm thay
đổi sức căng bề mặt trên giới hạn lỏng – khí

14

Các khái niệm cơ bản

Phần 2:

1.6. Độ hoạt động bề mặt –dσ/dc
- Là biến thiên sức căng bề mặt theo nồng độ
CHĐBM còn gọi là đại lượng Gibbs G* = –dσ/dc
• Độ hoạt động bề mặt của các chất trong dãy đồng
đẳng biến đổi có quy luật

(dyne/cm)
HCOOH
CH3COOH

65

C2H5COOH

50

C3H7COOH
35
0,16

0,36

0,54

Quy tắc Trauber I:

“Độ hoạt động bề mặt
tăng lên từ 3 đến 3,5 lần
khi tăng chiều dài mạch carbon
lên 1 nhóm – CH2 – ”

C(mol/l)

Các đường đẳng nhiệt sức căng bề mặt của dẫy đồng
đảng CHĐBM axit hữu cơ

15


Phần 2:

Các phương pháp xác định sức căng bề mặt

- Phương pháp xác định sự biến đổi của mực chất
lỏng trong ống mao quản
-Phương pháp cân giọt chất lỏng
Đây -làPhương
một trong những
phápdu
chính
xác nhất
pháp phương
Lecomte
Nouy
để xác định sức căng bề mặt
- Phương

Nguyên
tắc đo: pháp bản phẳng L. wilhelmy
Đo chiều
cao mựcpháp
chất lỏng
- Phương
áp trong
suất mao
cựcquản
đại của bọt khí
P = P1 – P2 = g.h.(ρβ – ρα) = 2σ/r
Xácdính
định
θ:- góc
ướt,hình
cosθ =dạng
R0/r hạt và bọt khí
R0: bán kính mao quản
r: bán kính mặt khum ở nơi tiếp xúc
P1, P2 : áp suất pha khí ở trong và ngoài ống mao quản
 σ = 1/2 (R0.g.h(ρβ – ρα))/cosθ

16


Phần 2:

Các phương pháp xác định sức căng bề mặt

-Phương pháp cân giọt chất lỏng:

+) Một vài giọt chất lỏng được nhỏ ra từ mao quản thủy tinh của
dụng cụ đo sức căng và được cân để tính khối lượng
W = 2πrσ
Trong đó: W là khối lượng của giọt chất lỏng
r là bán kính mao quản

17


Phần 3

Tính chất vật lý của dung dịch CHĐBM

3.1. Cấu tạo chất bề mặt trên danh giới lỏng- khí
- Động lực thúc đẩy một CHĐBM hấp phụ trên danh giới
bề mặt là làm giảm năng lượng tự do của đường danh
giới pha.
- Khi đường danh giới pha được bao phủ bởi các phân
tử CHĐBM, sức căng bề mặt giảm. Mật độ của
CHĐBM tập trung tại danh giới pha càng lớn thì sức
căng bề mặt càng giảm
- Nồng độ CHĐBM trên danh giới pha phụ thuộc vào
cấu trúc của CHĐBM và bản chất của 2 pha tiếp xúc

Sự phân bố của các CHĐBM trên danh giới pha

18


Phần 3

Tính chất vật lý của dung dịch CHĐBM

3.1. Cấu tạo chất bề mặt trên danh giới lỏng- khí
(tiếp)
- Sự hấp phụ tăng tỷ lệ với chiều dài mạch carbon trong
một dãy đồng đẳng

m
5
4
n=3

C

Các đường đẳng nhiệt hấp phụ trên ranh giới lỏng – khí của dãy đồng đẳng
 - số phân tử CHĐBM có trong một đơn vị diện tích bề mặt phân chia pha
19


Phần 3

Tính chất vật lý của dung dịch CHĐBM

3.2. Trạng thái phân tử CHĐBM trong dung dịch
-

Khi tăng nồng độ CHĐBM tăng đến một độ nào đó thì

nó tồn tại dạng tập hợp với nhau, hướng các đầu kỵ

nước lại với nhau tạo thành mixen

20


Phần 3

Tính chất vật lý của dung dịch CHĐBM

3.2. Trạng thái phân tử CHĐBM trong dung dịch
-

Cấu trúc và hình dạng mixen thay đổi tùy thuộc vào cấu trúc

của CHĐBM (kích thước của nhóm ưa nước và kị nước)

Cấu trúc của mixen
21


3.2. Trạng thái phân tử CHĐBM trong dung dịch
Hình dạng và kích thước của mixen được xác định bởi tỉ lệ của
diện tích nhóm kị nước (v/lc) và diện tích đầu ưa nước (ac).
v = 27,4 + 26,9n
lc = 1,5 + 1,265n
n là tổng số C của nhóm kị nước



Phần 3

Tính chất vật lý của dung dịch CHĐBM

3.3. Nồng độ mixen tới hạn
•Nồng độ mixen tới hạn (CMC – critical micelle concentration)
- Nồng độ dung dịch CHĐBM mà ở đó sự hình thành mixen trở
nên đáng kể được gọi là nồng độ mixen tới hạn.
- Tại nồng độ CMC, các tính chất của dung dich CHĐBM thay
đổi đáng kể

Sự phụ thuộc các tính chất vật lý vào
nồng độ của dung dịch CHĐBM
24


Phần 3

Tính chất vật lý của dung dịch CHĐBM

3.3. Nồng độ mixen tới hạn
•Các yếu tố ảnh hưởng đến CMC của CHĐBM
+) CMC phụ thuộc vào cấu trúc hóa học của CHĐBM
- CMC giảm mạnh khi tăng chiều dài chuỗi ankyl của CHĐBM

25