Hiện tượng thấm ướt

rất gần với hiện tượng hấp phụ vì cũng là hiện tượng do tương tác giữa phân tử của các loại chất khác nhau. Nếu các phân tử chất lỏng có tương tác mạnh với các phân tử bề mặt rắn hơn là giữa các phân tử chất lỏng với nhau, thì chất lỏng sẽ chảy lan ra trên bề mặt rắn, đó là sự thấm ướt, ví dụ nước thấm ướt thủy tinh.

Nếu các phân tử chất lỏng có tương tác hút với nhau mạnh hơn so với tương tác hút giữa chất lỏng với các phân tử bề mặt chất rắn mà chúng tiếp xúc, thì sự thấm ướt không xảy ra, và chất lỏng có xu hướng tụ lại thành giọt, ví dụ thủy ngân trên bề mặt thủy tinh và các á kim rắn. Nếu tương tác giữa hai loại phân tử lỏng và rắn không trội hơn nhau nhiều, ta sẽ có sự thấm ướt không hoàn hảo và ta sẽ xác định được một góc thấm ướt nào đó.

- Chu vi giọt chất lỏng là giới hạn tương tác của 3 môi trường: R, L, K, chúng tạo thành từng cặp phân cách: rắn - lỏng, rắn - khí, lỏng - khí.

Độ thấm ướt được đo bằng góc thấm ướt, là góc hình thành giữa tiếp tuyến của giọt chất lỏng tại điểm tiếp xúc giữa 3 pha rắn, lỏng, khí với bề mặt của pha rắn. Chất lỏng thấm ướt hoàn toàn khi θ = 0^o ; nó hoàn toàn không thấm ướt khi θ = 180^o

- Quá trình thấm ướt chỉ xảy ra khi năng lượng tự do của hệ giảm xuống. Năng lượng tự do giảm càng nhiều thì quá trình thấm ướt càng tốt.

- Khi thấm ướt, các phân tử trong giọt chất lỏng sẽ chuyển động lan trên bề mặt của pha rắn theo khuynh hướng thay thế bề mặt tiếp xúc rắn – khí có sức căng bề mặt (SCBM) lớn (σ _RK) bằng bề mặt tiếp xúc R/L có SCBM nhỏ hơn (σ_RL), như vậy là hệ giảm SCBM.

Khi cân bằng được thiết lập, quá trình dừng lại, tại biên giới tiếp xúc của 3 pha có cân bằng lực. Do vậy : σ_RK = σ_RL + σ _LK .cosθ (2.16)

Phương trình trên gọi là phương trình Young, thể hiện điều kiện cân bằng của sự thấm ướt và giúp tính toán khả năng thay đổi tính thấm ướt dựa vào thay đổi góc thấm ướt. Ta có: cosθ=σRK−σRLσLK size 12{"cos"θ= { {σ rSub { size 8{ ital "RK"} } - σ rSub { size 8{ ital "RL"} } } over {σ rSub { size 8{ ital "LK"} } } } } {} (2.17)

Vì θ size 12{ in } {} [0, 180] nên cos θ size 12{ in } {} [-1, +1]. Chất lỏng thấm ướt hoàn toàn khi θ = 0^o, hay cos θ = 1; nó hoàn toàn không thấm ướt khi θ = 180^o hay cos θ = -1. Do đó cos θ càng lớn thì chất lỏng thấm ướt bề mặt rắn càng tốt. Xét hệ thức (2.13) trên, ta thấy muốn có cos θ lớn thì σ _RK phải lớn hơn σ_RL và σ_LK phải nhỏ, sao cho thỏa biểu thức -1 size 12{ <= {}} {}cosθ=σRK−σRLσLK size 12{"cos"θ= { {σ rSub { size 8{ ital "RK"} } - σ rSub { size 8{ ital "RL"} } } over {σ rSub { size 8{ ital "LK"} } } } } {} size 12{ <= {}} {} +1.

Những bề mặt thấm ướt tốt (cos θ > 0) được gọi là những bề mặt ưa lỏng, trái lại (những bề mặt có cos θ < 0) được gọi là những bề mặt kỵ lỏng.

Ta có thể chuyển bề mặt từ kỵ lỏng sang ưa lỏng, hay ngược lại.Ví dụ tạo ra một lớp hấp phụ trên bề mặt rắn để thay đổi σ_RL - sức căng bề mặt giữa rắn và lỏng. Nếu sức căng bề mặt mới này nhỏ đi thì hệ trở thành thấm ướt tốt hơn, bề mặt trở thành ưa lỏng hơn; và ngược lại.

- có nhiều ứng dụng thực tế. Ta thường gặp vấn đề này trong tuyển nổi quặng, trong việc bảo vệ keo và nhũ tương, trong kỹ nghệ nhuộm, trong việc sử dụng các chất diệt sâu bọ, diệt ký sinh vật (vì bề mặt lá cây, lông động vật là bề mặt kỵ nước)...

Sự hấp phụ đa phân tử đặc trưng bởi đường hấp phụ đẳng nhiệt hình chữ S tuy nhiên khi chất bị hấp phụ là xốp, đường hấp phụ đẳng nhiệt cũng có dạng chữ S. Hiện tượng này có được do sự ngưng tụ hơi của chất bị hấp phụ trong các mao quản của chất hấp phụ xốp diễn ra tiếp sau sự hấp phụ (gọi là sự ngưng tụ mao quản)

Do kết quả của sự hấp phụ thông thường, màng mỏng chất bị hấp phụ hình thành trên thành mao quản hẹp. Nếu chất bị hấp phụ thấm ướt thành mao quản thì sẽ tạo thành một mặt cong lõm trong các mao quản hẹp. Hơi chất bị hấp phụ sẽ bắt đầu ngưng tụ trên mặt cong tại đó áp suất hơi bão hòa (p) nhỏ hơn áp suất hơi bão hòa trên bề mặt phẳng (p_o)

Nếu gọi p là áp suất hơi bão hòa thì: p_{mặt khum xuống} < p_{mặt phẳng} < p_{mặt khum lên} Điều này được xác định bằng phương trình Thompson- Kelvin: Δpp=2MσRTρ.r size 12{ { {Δp} over {p} } = { {2Mσ} over { ital "RT"ρ "." r} } } {} trong đó M là khối lượng phân tử, σ là sức căng bề mặt của chất lỏng, ρ là tỷ khối của chất lỏng, r là bán kính mao quản hay hạt chất lỏng. Ví dụ như, với một hạt nước bán kính 10^-6 cm có bề mặt khum lên, tính được áp suất hơi bão hòa lớn hơn so với mặt phẳng nước là 10%.

Một trong những đặc điểm quan trọng của chất hấp phụ rắn là độ xốp. Độ xốp thể tích là tỷ lệ giữa tổng thể tích lỗ trống với tổng thể tích khối chất hấp phụ. Khái niệm độ xốp được sử dụng rộng rãi để phân loại và đánh giá đặc tính của chất hấp phụ. Các chất không xốp : loại này có kết cấu chặt (tuy nhiên vẫn hình thành cấu trúc có lỗ trống là các khe do các hạt nguyên tố xếp sát lại nhau tạo ra), loại này có bề mặt riêng không lớn. Các chất hấp phụ xốp: cấu trúc bao gồm các hạt với nhiều lỗ xốp bên trong, hay cấu trúc mạng không gian chứa lỗ trống nhỏ.

Các chất hấp phụ không xốp được tạo ra bằng cách cho kết tủa các chất kết tinh khó tan của oxid, muối (như BaSO₄, TiO₂. . .) hay đem nghiền các chất kết tinh và không kết tinh rồi nén lại. Chúng có bề mặt riêng không lớn, chỉ khoảng vài m²/g. Một số loại hạt không xốp quan trọng tiêu biểu cho hệ phân tán cao là: muội graphit (than hoạt tính) và muội trắng (SiO₂ có độ phân tán cao). Muội trắng có thể điều chế bằng cách thủy phân SiCl₄ hay SiF₄ trong môi trường hơi nước. Sự thủy phân trong điều kiện đặc biệt có thể tạo được khói chứa các hạt hình cầu kích thước khoảng 100 A^o và khi ngưng tụ lại thì bột nhuyễn SiO₂ sẽ được hình thành. Các loại muội trắng được sử dụng rộng rãi làm chất hấp phụ, xúc tác và các chất độn cho vật liệu polymer.

Các chất hấp phụ xốp với bề mặt riêng S_o lớn có thể điều chế bằng nhiều cách, trong đó có 2 phương pháp quan trọng.

Phương pháp thứ nhất là tạo thành kết cấu rắn từ các hạt nhỏ có kích thước keo với bề mặt trong phát triển lớn. Ví dụ tiêu biểu là silica gel, alumo gel, alumo silicat, oxid mangan hoạt động... Silica gel cũng có thành phần hóa học là SiO₂ nhưng được điều chế trong các điều kiện khác với muội trắng, người ta cho Na₂SiO₃ hay K₂SiO₃ (thủy tinh lỏng) tác dụng với acid trong dung dịch nước, ở đó gel poly của acid silic được tạo thành. Sau đó tách nước gel này thu được các hạt silica gel có nhiều lỗ xốp. Bằng cách tương tự có thể điều chế được alumo gel Al₂O₃.

Trong phương pháp thứ hai người ta thu các chất hấp phụ xốp bằng cách cho các chất khí hay lỏng tác dụng lên vật rắn không có lỗ xốp hay ít xốp. Cấu trúc xốp thuộc loại này được tạo ra không phải từ các hạt mà từ mạng lưới vững chắc của pha rắn.

Than hoạt tính là một ví dụ thuộc loại này, nó đã được nghiên cứu từ lâu và được sử dụng rộng rãi trong thực tế.

Thủy tinh xốp có chứa nhiều mao quản là một trong những loại có cấu trúc xốp mới được tạo ra cách đây không lâu và nhiều ứng dụng. Người ta tạo loại thủy tinh xốp đó bằng cách bằng cách loại trừ các cấu tử kiềm và kiềm thổ khỏi thủy tinh có thành phần đặc biệt trong dung dịch nước.

Chất hấp phụ tinh thể có lỗ xốp tiêu biểu nhất là các loại Zeolit tự nhiên và tổng hợp. Zeolit là một dạng alumo silicat tinh thể có công thức R₂²⁺O .Al₂O₃. nSiO². mH₂O hay R²⁺O. Al₂O₃. nSiO₂. mH₂O trong đó các cation R₂²⁺, R²⁺là các cation hóa trị 1 và 2 như K⁺, Na⁺, Ag⁺, Ca²⁺, Ba²⁺, Sn²⁺. Các tinh tể Zeolit có mạng không gian xốp (Zeolit loại A có mạng khối lập phương đơn giản như NaCl, Zeolit loại X có cấu trúc theo kiểu kim cương), có khoang trống khá lớn và thông nhau vì vậy có thể cho các phân tử có kích thước 4 - 7,5 A^o đi qua. Do đặc điểm này mà Zeolit được dùng làm rây phân tử để tách một loại cấu tử xác định ra khỏi hỗn hợp khí. Ví dụ phân tử benzen không thể đi qua cửa sổ của Zeolit 5A nhưng có thể đi qua được cửa sổ Zeolit X một cách tự do; vì vậy Zeolit 5A chỉ hấp phụ n-hexan mà không hấp phụ benzen, nó đóng vai trò như rây phân tử, còn Zeolit X là chất hấp phụ tốt các chất trên.