Hoá lý

Hệ keo, nhũ tương, chất hoạt động bề mặt

Vật chất phân tán ở tầm nanomet: vì sao hệ keo không tan mà cũng không lắng, chất hoạt động bề mặt dựng mixen và bền hoá nhũ tương thế nào, và các lực — tĩnh điện, van der Waals, steric — quyết định hệ phân tán tồn tại hay không.

1 THCS 2 THPT 3 Đại học 4 Nâng cao 5 Nghiên cứu

Trực giácTrực giác: hạt bụi không bao giờ rơi

Sữa, sương mù, sơn, máu: không hệ nào là dung dịch thật, nhưng cũng chẳng hệ nào lắng như cát trong nước. Các hạt của chúng ở cỡ keo — khoảng 1 nm đến 1 μm — đủ lớn để tán xạ ánh sáng, đủ nhẹ để các cú hích Brown của dung môi chống lại trọng lực. Vì gần như mọi nguyên tử của hạt nhỏ đều nằm gần bề mặt, bề mặt chi phối tất cả: phủ hạt bằng điện tích hay phân tử, ta có thể bắt hệ tồn tại nhiều năm hoặc sụp đổ trong vài giây. Chất hoạt động bề mặt là phân tử hai tính cách — đầu ưa nước gắn với đuôi ưa dầu — làm việc “phủ” đó một cách chủ đích.

Mixen dựng từ các phân tử hoạt động bề mặt: đầu ưa nước hướng ra nước, đuôi kị nước tụ thành lõi dầu. Xoay mô hình và chuyển giữa cả mixen, chỉ đầu, chỉ lõi.

Phổ thôngPhổ thông: hệ keo là gì và nhận ra nó thế nào

Định nghĩa: Hệ keo, hiệu ứng Tyndall, nhũ tương, mixen

Hệ keo là hệ phân tán các hạt cỡ trung gian (≈1 nm–1 μm) trong môi trường liên tục — nằm giữa dung dịch thật (<1 nm) và huyền phù thô. Hệ keo tán xạ chùm sáng thấy rõ (hiệu ứng Tyndall), dung dịch thật thì không. Nhũ tương là keo lỏng–trong–lỏng (dầu trong nước hoặc nước trong dầu). Mixen là tụ hợp tự lắp ráp của phân tử hoạt động bề mặt, thường 2–10 nm, đầu phân cực hướng ra ngoài, đuôi hướng vào trong.

Đường tan hẳn trong nước; nước xà phòng đục ngà. Phân tử xà phòng là chất hoạt động bề mặt: dưới ngưỡng nồng độ chúng đứng riêng lẻ trên mặt nước, nhưng trên nồng độ mixen tới hạn (CMC) chúng hợp lại thành mixen để giấu đuôi dầu khỏi nước. Đó là lý do xà phòng giặt sạch: bẩn và mỡ tan vào lõi mixen rồi trôi đi cùng nước. Sữa được bền hoá tương tự nhờ protein casein, mayonnaise nhờ lecithin — sinh học và căn bếp vận hành trên khoa học keo.

Hệ keo quanh ta
Hệ keo	Pha phân tán / môi trường	Bền nhờ
Sữa	giọt mỡ / nước	vỏ protein casein
Sương mù	giọt nước / khí	không cần (lắng rất chậm)
Máu	tế bào, protein / huyết tương	bề mặt glycoprotein mang điện
Mực	hạt sắc tố / nước	chất phân tán polymer

Đại họcĐại học: tự lắp ráp và vì sao hệ phân tán tồn tại

Phân tử hoạt động bề mặt sắp xếp theo hình học. Tham số đóng gói P = v/(a₀l) so sánh thể tích v và chiều dài l của đuôi với diện tích a₀ mỗi nhóm đầu cần tại mặt phân cách. P nhỏ (đầu to, đuôi mảnh) cho mixen cầu; P lớn hơn cho trụ, rồi lớp kép và túi; P gần 1 trở lên cho màng phẳng và cấu trúc đảo. Bản thân CMC do năng lượng tự do chuyển đuôi từ nước sang môi trường kiểu dầu quyết định — khoảng −1 kT cho mỗi nhóm CH₂.

P=\frac{v}{a_0 l}\qquad\begin{cases}P<1/3:\text{spherical micelles}\\1/3<P<1/2:\text{cylinders}\\1/2<P<1:\text{bilayers, vesicles}\\P>1:\text{inverted phases}\end{cases}

Vì sao các hạt keo trần không đơn giản dính lại rồi chìm? Lý thuyết DLVO cộng hai lực: hút van der Waals (∝ −A_H/6r² giữa hai hạt, A_H là hằng số Hamaker) và đẩy tĩnh điện từ lớp điện kép mỗi hạt mang, suy giảm theo exp(−κr) với κ⁻¹ là chiều dài chắn Debye. Tổng hai lực thường tạo hàng rào ở vài nanomet: hạt phải va đủ mạnh để vượt qua. Thêm muối co κ⁻¹, hạ hàng rào, và keo keo tụ — đó là lý do đồng bằng sông bồi lắng nơi nước ngọt gặp nước lợ, và phèn được châm vào xử lý nước uống.

V(r)\approx -\frac{A_H}{6}\frac{R}{r}\;+\;64\pi\epsilon R\,\frac{k_BT\,n_0}{\kappa^2}\tanh^2\!\Big(\frac{ze\psi_0}{4k_BT}\Big)e^{-\kappa r}

Ví dụ: Keo tụ sol vàng

Sol vàng bền bằng citrat giữ màu đỏ (phân tán) trong nước tinh khiết nhưng chuyển xanh và lắng khi thêm NaCl 0,1 M. Giải thích theo DLVO, và dự đoán định tính CaCl₂ 0,1 M tác dụng ở cường độ ion thấp hơn, tương đương hay cao hơn.

Lời giải

Na⁺ che chắn lớp điện kép citrat âm: κ tăng theo √I, chiều dài Debye giảm, hàng rào DLVO tụt dưới k_BT và hạt tụ lại; tụ hợp đổi màu plasmon đỏ→xanh. Ca²⁺ hoá trị hai nén lớp điện kép hiệu quả hơn hẳn — quy tắc Schulze–Hardy cho nồng độ keo tụ tới hạn ~ z⁻⁶ — nên CaCl₂ keo tụ ở cường độ ion thấp hơn NaCl nhiều.

Nâng caoNâng cao: vượt ra ngoài DLVO — steric, cạn kiệt, Pickering

Công thức thực tế bổ sung hai lực nữa vào cặp DLVO. Đẩy steric xuất hiện khi lớp polymer gắn trên hai hạt chồng lên nhau: nén các cuộn làm mất entropy, tạo lực đẩy dốc ở cự ly ngắn, vẫn hiệu quả ở muối cao nơi điện tích bị chắn. Hút cạn kiệt sinh ra khi polymer nhỏ không hấp phụ hoặc mixen bị loại khỏi khe giữa hai hạt; chênh áp suất thẩm thấu đẩy các hạt lại gần nhau — nhẹ nhàng và thuận nghịch. Nhũ tương còn có thể bền nhờ hạt rắn đứng bất khả đảo tại mặt phân cách (nhũ tương Pickering) — giọt được bọc giáp chứ không chỉ mang điện.

Tài liệu tham khảo

Theory of Self-Assembly of Hydrocarbon Amphiphiles into Micelles and Bilayers · J. N. Israelachvili, D. J. Mitchell, B. W. Ninham, 1976
Emulsions · S. U. Pickering, 1907
Theory of the Stability of Lyophobic Colloids · B. Derjaguin, L. Landau, 1993