Hệ keo và các bề mặt phân chia pha

Hệ keo là các hệ phân tán của các hạt có kích thước từ nanomet đến micromet, với diện tích bề mặt phân chia pha khổng lồ và các lực tác dụng qua đó quyết định liệu chúng có ổn định hay kết tụ.

Definition

Hệ keo là các hệ không đồng nhất trong đó các hạt của một pha, có kích thước trung gian giữa phân tử và vật chất khối, được phân tán trong một pha khác, và các bề mặt phân chia pha giữa chúng kiểm soát sự ổn định và các tính chất của hệ.

Scope

Chủ đề này bao gồm các hệ keo và các bề mặt phân chia pha bên trong chúng: phân loại hệ keo thành sol, nhũ tương, bọt, gel và sol khí; các tính chất quang học và vận chuyển như hiệu ứng Tyndall và chuyển động Brown; và các lực chi phối sự ổn định, bao gồm lực hút van der Waals, lực đẩy lớp điện kép tĩnh điện và sự ổn định không gian. Nó phát triển lý thuyết DLVO về sự ổn định của hệ keo, các quá trình kết bông và đông tụ, và vai trò của điện thế zeta. Sự tự lắp ráp của chất hoạt động bề mặt và cấu trúc chi tiết của các bề mặt phân chia pha tích điện được đề cập trong các chủ đề liên quan.

Core questions

• Hệ keo được phân loại như thế nào, và điều gì tạo nên các tính chất đặc trưng của chúng?
• Những lực nào tác dụng giữa các hạt keo qua môi trường trung gian?
• Lý thuyết DLVO giải thích sự ổn định và kết bông của hệ keo như thế nào?
• Các cơ chế tĩnh điện và không gian giữ cho hệ phân tán ổn định như thế nào?

Key concepts

• Phân loại hệ keo
• Hiệu ứng Tyndall và chuyển động Brown
• Lực van der Waals và lực lớp điện kép
• Lý thuyết DLVO
• Kết bông, đông tụ và điện thế zeta

Key theories

Lý thuyết DLVO

Tương tác giữa các hạt keo tích điện là tổng của lực hút van der Waals và lực đẩy của lớp điện kép; hàng rào năng lượng tạo thành quyết định liệu các hạt có kết tụ hay không, và việc thêm muối làm giảm hàng rào bằng cách che chắn lực đẩy.

Ổn định không gian và tĩnh điện

Các hệ phân tán được giữ ổn định bằng cách các điện tích cùng dấu trên bề mặt hạt đẩy nhau hoặc bằng các lớp polymer hấp phụ chống lại sự chồng chéo, hai cơ chế chính được khai thác để ngăn chặn sự kết tụ của hệ keo.

Clinical relevance

Khoa học keo chi phối sự ổn định và công thức của sơn, mực in, thực phẩm, mỹ phẩm và hệ thống phân phối thuốc, quá trình làm trong nước và nước thải, hành vi của đất sét và đất, và nhiều hệ phân tán sinh học, với quá trình kết bông được kiểm soát là trung tâm của sự tách và tinh chế.

History

Graham đã đặt ra thuật ngữ keo vào năm 1861, và đầu thế kỷ XX chứng kiến Einstein và Perrin thiết lập thực tế phân tử của chuyển động Brown của hệ keo; lý thuyết DLVO, được phát triển độc lập bởi Derjaguin và Landau và bởi Verwey và Overbeek vào những năm 1940, đã cung cấp cơ sở định lượng cho sự ổn định của hệ keo.

Key figures

• Thomas Graham
• Boris Derjaguin
• Jan Theodoor Gerard Overbeek

Seminal works

• israelachvili2011
• adamson1997

Frequently asked questions

Tại sao việc thêm muối thường khiến hệ keo vón cục lại?

Các ion hòa tan che chắn lực đẩy tĩnh điện giữa các hạt tích điện bằng cách nén lớp điện kép; một khi hàng rào đẩy giảm đủ, lực hút van der Waals chiếm ưu thế và các hạt kết bông và lắng xuống.

Điều gì làm cho một chùm ánh sáng trở nên nhìn thấy được khi đi qua hệ keo?

Các hạt keo đủ lớn để tán xạ ánh sáng, tạo ra hiệu ứng Tyndall; các dung dịch thực, có các hạt chất tan ở kích thước phân tử, tán xạ không đáng kể, đây là một cách để phân biệt hệ keo với dung dịch.