Phương Nam Co LTD
© 21/9/2017 - Vietnam12h.com Application

Tính chất vật lý của dung dịch chất hoạt động bề mặt

19-17-Tinh-chat-vat-ly-cua-dung-dich-chat-hoat-dong-be-mat

Tính chất vật lý của dung dịch chất hoạt động bề mặt

Cấu tạo lớp bề mặt trên giới hạn lỏng- khí:

Ở nồng độ nhỏ, trên cùng một đơn vị diện tích bề mặt, số lượng phân tử chất hoạt động bề mặt là khác nhau khi chiều dài phần kỵ nước khác nhau.

Hình 1.1: Cấu tạo lớp bề mặt chất hoạt động bề mặt trên giới hạn lỏng khí Ở nồng độ đủ lớn, một đơn vị bề mặt sẽ chứa cùng một số lượng phân tử chất hoạt động bề mặt có chiều dài phần kỵ nước khác nhau, người ta giải thích điều này như sau: Khi bị hấp phụ, nhóm phân cực của chất hoạt động bề mặt bị nước kéo mạnh vào lòng dung dịch, phần không phân cực thì bị đẩy ra phía pha không phân cực là không khí), các phân tử chất hoạt động bề mặt sẽ được phân bố thành một lớp phân tử. Khi nồng độ C nhỏ, mạch hydrocarbon sẽ bị đẩy về phía không khí, có thể bị ngã nghiêng do mạch hydrocarbon linh động và có khối lượng riêng bé, phần phân cực ở trong nước. Khi nồng độ C lớn, số phân tử chất hoạt động bề mặt tăng lên, mạch hydrocarbon dựng đứng lên, song song với nhau, vuông góc với mặt nước, tạo thành một màng sít chặt gọi là màng ngưng tụ. Các phân tử chất hoạt động bề mặt sẽ chiếm cùng diện tích dù cho chúng có chiều dài khác nhau

Trạng thái phân tử chất hoạt động bề mặt  trong dung dịch:

Trong dung dịch, ở nồng độ nhỏ, các phân tử chất hoạt động bề mặt hoà tan riêng biệt. Khi nồng độ chất họat động bề mặt tăng lên một giá trị nào đó, các phân tử hòa tan riêng biệt liên kết với nhau tạo thành các micell.

Hình 1.2: Caáu taïo micell 

Các micell có dạng hình cầu trong đó trong đó các phân tử chất hoạt động bề mặt liên kết với nhau bằng đầu hydrocarbon và hướng nhóm phân cực ra dung dịch nước.

Ở các nồng độ cao hơn, các micell có kích thước tăng lên và các gốc hydrocarbon mỗi lúc mỗi thêm song song với nhau hình thành các micell tấm:

Hình 1.3: Micell taám

Cần lưu ý rằng các micell có thể được tạo thành không chỉ trong các dung dịch nước mà còn ở dung dịch xà phòng trong dung môi. Khi đó các phân tử xà phòng trong micell sẽ hướng các nhóm phân cực vào phía trong micell còn phần kỵ nước sẽ quay ra ngoài. Lúc này xà phòng không điện ly, dung dịch xà phòng là dung dịch phân tử chứ không là dung dịch của các ion.

Các micelles làm cho dung dịch CHĐBM có dạng tự nhiên là dạng keo, điều này rất quan trọng đối với những tính chất của chất tẩy rửa, vì:

• Cung cấp lượng CHĐBM dự trữ ở bề mặt chất lỏng để giữ cho dung dịch bãohòa và làm cho ứng suất bề mặt của dung dịch luôn luôn nhỏ nhất, điều này giúp việc thấm ướt các thớ vải dễ dàng hơn.

• Có thể hòa tan các chất dầu: bên trong các micelle gần như là một dung môi

hydrocarbon có thể chứa các chất bẩn dạng dầu và mang nó theo để thải cùng nước giặt.

Nồng độ micell tới hạn- Điểm Kraft-Điểm đục-HLB và các yếu tố ảnh hưởng

a) Nồng độ micell tới hạn (crictical micelle concentration:CMC):

Khi nồng chất hoạt động bề mặt tăng lên đên một giá trị nào đó, từ các phân tư riêng lẻ sẽ có sự hình thành các micell. Nồng độ dung dịch chất hoạt động bề mặt mà ở đó sự hình thành micell trở nên đáng kể gọi là nồng độ micell tới hạn.

Khi nồng độ dung dịch chất hoạt động bề mặt đạt đến giá trị CMC, sẽ có sự thay đổi rõ rệt tính chất vật lý của dung dịch như sự thay đổi độ đục, độ dẫn điện, sức căng bề mặt, áp suất thẩm thấu….. Dựa vào sự thay đổi tính chất vật lý đột ngột như vậy người ta xác định được CMC.

Các yếu tố ảnh hưởng đến CMC:

-   Chiều dài mạch cacbon: Khi tăng chiều dài của phần kỵ nước trong phân tử chất hoạt động bề mặt sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho sự hình thành micell, tức là giảm CMC. Trong môi trường nước cất, CMC của các chất hoạt động bề mặt ion giảm đi ½ lần khi mạch cacbon tăng thêm 1nhóm –CH2- . Đối với chất hoạt động bề mặt không ion, sự khác biệt này còn rõ ràng hơn. Điều này đúng đến C16. Khi mạch C ³ 18 thì CMC hầu như không đổi.

 Ví dụ: CMC của chất họat động bề mặt alkyl sulfate Natri trong nước ở 40oC

Số nguyên tử C

8

10

12

14

16

18

CMC x 103 mol/L

140

33

8,6

2,2

0,58

0,23

 

Hình 1.4: Sự thay đổi tính chất vật lý của dung dịch chất hoạt động bề măt tại nồng độ micell tới hạn

- Nhiệt độ: Khi hạ nhiệt độ dung dịch, sẽ xúc tiến cho sự hình thành của các micell vì khi đó cường độ chuyển động nhiệt của các phân tử giảm, làm tăng khả năng kết hợp của các phân tử tức làm giảm CMC.

- Chất điệ ly:  Khi thêm chất điện ly vào dung dịch chất hoạt động bề mặt, chúng liên kết với nước do sự hydrat hóa, điều này tương tự như việc tăng nồng độ chất hoạt động bề mặt lên. Mặc khác, khi có mặt chất điện ly, sự ion hóa của chất hoạt động bề mặt giảm ( giảm độ tan), xúc tiến cho sự liên kết các phân tử lại với nhau, do đó CMC giảm.

            Ví dụ: CMC của lauryl sulfate natri trong dung dịch NaCl ở 25oC

Nồng độ NaCl  (mol/L)

0

0,01

0,03

0,1

0,3

CMC x 103 mol/L

8,1

5,6

3,1

1,5

0,7

- Chất hữu cơ: Việc thêm các chất hữu cơ vào dung dịch chất hoạt động bề mặt ảnh hưởng đến CMC theo những hướng khác nhau tùy thuộc vào bản chất của chất thêm vào. Một số rượu mạch trung bình có thể làm giảm CMC, thêm urea hay formalmid lại làm tăng CMC. Dung dịch chứa nhiều chất hoạt động bề mặt có CMC nhỏ hơn CMC của các dung dịch chứa từng chất hoạt động bề mặt riêng biệt.

b) Điểm Kraft-Điểm đục:

Điểm Kraft:

Các chất hoạt động bề mặt ion có một đặc điểm là khả năng hòa tan của chúng tăng theo nhiệt độ. Điểm Kraft là nhiệt độ tại đó chất hoạt động bề mặt có độ hòa tan bằng CMC. Khi đạt đến nhiệt độ này một lượng lớn chất hoạt động bề mặt sẽ được phân tán trong dung dịch dưới dạng micelle. Như vậy ở nhiệt độ thấp hơn điểm Kraft, độ tan của chất hoạt động bề mặt ion không đủ lớn để hình thành micelle. Khi nhiệt độ tăng, độ tan tăng, khi đạt đến nhiệt độ Kraft, micelle hình thành. Đối với chất hoạt động bề mặt anion, khi chiều dài mạch C tăng, điểm Kraft cũng tăng. Ví dụ: Điểm Kraft của dung dịch alkyl sulfate trong nước như sau:

Số nguyên tử C

10

12

14

16

18

Điểm Kraft (oC)

8

16

30

45

56

Lưu ý rằng các giá trị này có thể thay đổi khi có mặt của các thành phần khác

Điểm đục:

Đối với các chất hoạt động bề mặt không ion, độ tan của chúng là do liên kết hydrô giữa nước và phần phân cực ( chuổi polyoxyethylene). Khi nhiệt độ tăngđến một mức nào đó, liên kết hydro bị phá vỡ, xảy ra sự mất nước, làm độ tan của chất hoạt động bề mặt không ion giảm. Điểm đục là nhiệt độ tại đó chất hoạt động bề mặt không ion không thể hòa tan, tách ra khỏi dung dịch làm dung dịch trở nên đục. Đối với chất hoạt động bề mặt không ion trên cơ sở ethylen oxýt, điểm đục sẽ giảm khi độ dài gốc alkyl tănghoặc khi lượng oxýt ethylene trong phân tử giảm xuống.

HLB (Hydrophile-Lipophile Balance):

Các tính chất của các chất hoạt động bề mặt liên quan đến mối tương quan giữa phần ái nước và phần kỵ nước. Nếu phần ái nước tác dụng mạnh hơn phần kỵ nước thì chất họat động bề mặt dễ hòa tan trong nước hơn, ngước lại nếu phần kỵ nước tác dụng mạnh hơn phần ái nước thì chất họat động bề mặt dễ tan trong pha hữu cơ hơn. Từ đó dựa vào mối tương quan giữa phần kỵ nước và ái nước mà chất họat động bề mặt được sử dụng vào các mục đích khác nhau. Mối tương quan giữa phần ái nước và kỵ nước được đặc trưng bằng giá trị HLB ( cân bằng phần ái nước-ái dầu).

HLB cho biết tỷ lệ giữa tính ái nước so với tính kỵ nước, được biểu thị bằng thang đo có giá trị từ 1-40. Các chất hoạt động bề mặt có tính ái nước thấp sẽ có HLB nhỏ, các chất họat động bề mặt có tính ái dầu thấp sẽ có HLB lớn. Sự gia tăng HLB tương ứng với sự gia tăng của tính ái nước.

Có thể ước lượng sơ bộ giá trị HLB dựa trên tính chất hòa tan trong nước hay tính phân tán của chất hoạt động bề mặt trong nước. Ứng với độ phân tán khác nhau thì giá trị HLB khác nhau.

Bảng 1.2: Giá trị HLB trong một số môi trường phân tán

Mức độ phân tán

HLB

- Không phân tán trong nước

1-4

- Phân tán kém

3-6

- Phân tán như sữa sau khi lắc

6-8

- Phân tán như sữa bền

8-10

- Phân tán trong mờ đến trong

10-13

- Dung dịch trong

> 13

+ Davies đã chuyển cấu trúc chất họat động bề mặt thành các nhóm thành phần để xác định HLB. Giá trị HLB của các nhóm cho trong bảng dưới đây:

Bảng 1.3: Giá trị HLB đối với một số nhóm ưa nước và kị nước

Nhóm ái nước

HLB

Nhóm kỵ nước

HLB

- SO4Na

38,7

 

 

-COOK

21,1

-CH<,-CH2-, -CH3, =CH-

0,475

- COONa

19,1

 

 

-N<

9,4

 

 

- ester ( vòng sorbitol)

6,8

 

 

- ester (tự do)

2,4

 

 

- COOH

2,1

 

 

- OH ( tự do)

1,9

 

 

- O-

1,3

 

 

-OH ( vòng sorbitol)

0,5

 

 

-CH2-CH2-O-

0,33

 

 

-CH2-CH2-CH2-O-

0,15

 

 

Từ cấu trúc đã cho giá trị HLB được tính theo biểu thức sau:

HLB = 7 + S HLB nhóm ái nước -S HLB nhóm kỵ nước

+ Công thức của Kawakami:

                        HLB = 7 + 11,7 log ( Mn/Md)

            Mn : Khối lượng phần tử ưa nước trong phân tử

            Md : Khối lướng phần tử ưa dầu trong phân tử

+ Công thức tính ester của acid béo và rượu đa chức:

                        HLB = 20 ( 1 – S/A)

            S: Chỉ số xá phòng hóa của ester

            A: Chỉ số acid của acid béo

Nếu ester không đo được chỉ số xà phòng thì có công thức sau:

                        HLB = (E + P) / 5

            E, P là phần trăm khối lượng của EO và rượu đa chức trong phân tử.

+Theo Griffin, nếu hỗn hợp có nhiều chất hoạt động bề mặt  thì

                        HLB hh = S xi HLBi

Với  xi là phần khối lượng trong tổng lượng chất họat động bề mặt.

Hiếm có trường hợp mà ái lực của phần kỵ nước đối với dầu lại bằng ái lực của đầu ưa nước đối với nước. Có thể thấy rằng tỉ lệ giữa các lực này là yếu tố quan trọng để quyết định tính năng chất nhũ hóa trong hệ nhũ, vì vậy cần có sự đánh giá mức độ cân bằng này.


Link Đọc file PDF hoặc tải file pdf về máy tính
TKH