Chương 3: Trạng thái keo trong silicat

63

CHƯƠNG 3
TRẠNG THÁI KEO TRONG SILICAT 3.1 NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN

Như ta đã biết hỗn hợp vật chất nằm ở trạng thái keo thông thường gồm có hai
pha tạo nên một hệ keo. Trong hai pha đó được phân biệt như sau:
- Dung môi dùng để hòa tan, phân tán đến vật chất trong nó gọi là môi
trường phân tán.
- Vật chất có kích thước vô cùng nhỏ phân tán đều trong dung môi gọi là pha
phân tán.
Trạng thái keo được dùng trong lónh vực silicat ta hay gặp là công nghiệp xi
măng khi chuẩn bò phối liệu xút cô pha đất sét phân tán đều trong môi trường nước
tạo nên bùn pat. Khi đóng rắn các khoáng xi măng và chất kết dính giai đoạn đầu
tiên là phân tán đều xi măng với nước, sau đó đến giai đoạn tạo nên những gel của
keo. Trong sản xuất gốm sứ chủ yếu dùng nhiều là nguyên liệu đất sét, cao lanh lúc
gia công phải nghiền ướt, làm giàu tạo nên huyền phù đất sét, mằ đất sét là pha
phân tán, nưóc là môi trường phân tán. Trong sản xuất thủy tinh thì nhựng nguyên tố
tạo màu sẽ phân tán đều trong thủy tinh nóng chảy tạo nên tt màu mà chất tạo màu
có thể là phân tử, ion…Vì thế những chất tạo màu là pha phân tán.
Trạng thái keo của silicat có ý nghóa khoa học và kỹ thuật rất lớn trong ngành
silicat. Qua hoá học và hóa lý những chất keo silicat có thể đi sâu nghiên cứu về
hoá học đóng rắn các chất kết dính, tìm ra nhiều chất tạo màu thủy tinh, tìm ra
những quy luật gia công chế tạo sứ theo những phương pháp làm giàu nguyên liệu,
tạo hình khác nhau…
Muốn hiểu trạng thái keo của silicat ta không thể bỏ qua những khái niệm cơ

tương tự như dung dòch thật không thể dùng mắt thường hay kính hiển vi thông
thường có thể phân biệt các hạt keo trong dung dòch theo từng kích thưóc khác nhau.
Muốn phân biệt các hạt keo người ta phải dùng kính hiển vi nghiên cứu tế vi của vật
chất. Tuy nhiên dung dòch keo khác dung dòch thật ở chỗ nó là hệ không đồng thể.
Để khái quát ta có thể phân loại dung dòch huyền phù, dung dòch keo và dung dòch
thật bằng giới hạn kích thước của hạt vật chất pha phân tán.

Hình Phân bố hệ phân tán theo kích thước hạt của pha phân tán trong dung môi phân
tán
I- Dung dòch huyền phù- phân tán thô
II- Dung dòch phân tán dạng keo
III- Dung dòch phân tán ion hay phân tử

3.1.1 Phân loại hệ keo: hệ keo được phân loại theo nhiều cách
- Theo trạng thái tập hợp
- Tính chất thuận nghòch của sự hòa tan
- Theo thành phần hoá học
- Theo quan hệ với dung môi hòa tan
a- Dung dòch keo thuận nghòch và không thuận nghòch
Theo Ziecrôngđi phân loại hệ keo dựa vào tính chất hòa tan thuận nghòch và
không thuận nghòch mà có khả năng tách pha phân tán ra khỏi dung môi phân tán
bằng cô đặc cho dung môi bay hơi, cặn còn lại là pha phân tán.
Nếu sau khi cô đặc ta được pha phân tán, sau đó lại cho dung môi ban đầu vào
hòa tan sẽ thu được trở lại dung dòch keo cũ ta gọi là hệ keo thuận nghòch.
Nếu sau khi cô đặc ta được pha phân tán, sau đó cho dung môi cũ hòa tan vẫn
không thu được dung dòch keo ta gọi là hệ keo không thuận nghòch.

Chương 3: Trạng thái keo trong silicat

65

Tùy theo trạng thái tập hợp của môi trường phân tán và pha phân tán Osvanđa
chia ra thành hệ keo:
1- Môi trøng phân tán và pha phân tán là rắn-rắn
Ví dụ: thủy tinh màu ngọc bích môi trường phân tán là pha thủy tinh góc còn
pha phân tán là kim loại: vàng, bạc, đồng tạo cho thủy tinh có màu dạng keo.
2- Môi trường phân tán là vật chất rắn, còn pha phân tán là chất lỏng
Ví dụ: vật chất rắn chứa bên trong nó một lượng chất lỏng phân tán đều trong
toàn khối vật chất rắn đó.
3- Môi trường phân tán là vật chất rắn, còn pha phân tán là vật chất khí
Ví dụ: vật chất rắn chứa bên trong của một lượng chất khí phân tán đều trong
khối vật chất rắn đó.
4- Môi trường phân tán là chất lỏng, pha phân tán là chất rắn
Ví dụ: rất nhiều dung dòch gel của kim loại, sunfat kim loại, oxit… huyền phù
đất sét phân tán trong nước.
Chương 3: Trạng thái keo trong silicat

66
5- Pha phân tán là chất lỏng, môi trường phân tán là chất lỏng
Ví dụ: nhũ tương của dầu nhờn và nước
6- Pha phân tán là chất khí, môi trường phân tán là chất lỏng
Ví dụ: bọt xà phòng…
7- Môi trường phân tán là chất khí, pha phân tán là chất rắn
Ví dụ: bụi khói lò
8- Môi trường phân tán là chất khí, pha phân tán là chất lỏng
Ví dụ: sương mù
9- Môi trường phân tán là khí, pha phân tán cũng là khí
Qua phân loại của Osvanđơ rõ ràng trong thiên nhiên có rất nhiều dạng keo.
Đối với silicat đìều đặc biệt chú ý là hệ keo tạo nên bởi môi trường phân tán là chất
lỏng còn pha phân tán là vật chất rắn. Ngoài ra trong thủy tinh còn phải chú ý đến
môi trường phân tán là chất rắn, pha phân tán là chất rắn. Nếu độ sâu phân tích quá

lượng lớn pha phân tán hay trong chúng nồng độ pha phân tán khá lớn. Dạng keo
nay dần dần trở thành chất động nhưng ngoài pha phân tán chính trong nó còn chứa
một lượng lớn của dung môi phân tán.
Quá trình tạo thành chất động từ vật chất keo thuận nghòch và vật chất keo
trung gian ta còn gọi là quá trình giêlatin hóa của đôn. Quá trình giêlatin hóa của
đôn có nhiều yếu tố ảnh hưởng như; khi giảm nhiệt độ quá trình xảy ra với tốc độ
nhanh, khi tăng nồng độ của đôn cũng làm cho tốc độ tăng lên. Điều đáng chú ý là
tác dụng của chất điện ly thích hợp cũng làm tăng nhanh quá trình keo hóa (giêlatin
hóa). Ví dụ trong thời gian thấm tách (tách ly) đôn của axit silicic, oxit Fe
2
O
3
và
Chương 3: Trạng thái keo trong silicat

67
những đôn oxit khác nếu ta đưa vào một lượng chất điện ly tạo đôn thích hợp sẽ làm
cho đôn chuyển thành chất lỏng và cuối cùng tạo thành gel của hệ keo.
b- Cấu trúc của gel: theo Nagen nghiên cứu chi tiết cấu trúc của gel dưới
kính hiển vi và nêu lên giả thuyết về cấu trúc tổ ong trong đó kích thước lỗ tổ ong
khoảng một vài phần ngàn milimet. Tuy nhiên giả thuyết này không hoàn chỉnh khi
áp dụng vào cấu trúc thật của gel, trong đó rất phức tạp vì gel có thể tạo nên bởi
những hạt gel này tập hợp lại thành những gel có độ nghiên cứu rất lớn.
Khái niện về mixen cũng do Nagon nghiên cứu đầu và đưa ra giả thuyết là
mixen chính là tập hợp phân tử đẳng hướng có kích thước rất nhỏ. Những tập hợp
phân tử như vậy sẽ tạo thành hạt kéo thì thứ tự trước hết tạo thành đôn sau mới
thành gel.
Theo quan điểm hóa keo hiện đại thì mixen gồm có những phần vật chất ở
trạng thái sau:
1- Nhân của hạt keo thường có trong những hệ keo huyền phù, nó có cấu

68
không tăng thể tích nữa vì lúc đó chất lỏng chỉ làm nhiệm vụ chứa đầy ống mao dẫn
của gel.
Thực tế hai loại gel trên thuộc hai hệ keo thuận nghòch và không thuận nghòch
còn gọi hai loại gel trên thộc gel ưa nước và ghét nước. Bản chất gel nếu đi sâu có
nhiều tính chất quan trọng. Qua những tính chất quan trọng, đặc biệt của gel người
ta áp dụng vào kỹ thuật ngành silicat làm sáng tỏ những hiện tượng khi gia công,
chế biến sản phẩm và cũng có thể do tìm ra những vật liệu mới ví dụ xi măng gel.
d- Sự đóng rắn của gel: qua nhiều thực nghiệm và nhiều hiện tượng tự nhiên
ta biết là yếu tố thời gian đóng vai trò quan trọng trong quá trình tạo nên độ xốp, độ
cứng và cường độ cơ học của những chất kéo dạng chất đóng rắn- gel.
Nếu ta lấy đôn của axit silixic và chế tạo để nó bò giêlatin hóa thành gel thì
sau một thời gian 2-3 ngày khi đổ ra khỏi cốc nó vẫn không mất hình dạng ban đầu
của nó, nhưng sau vài ngày nữa chất đông đó đã không đổ được ra khỏi cốc thậm chí
tác động cơ học vào cốc cũng không đổ được. Nếu tiếp tục để một thời gian nữa thì
chúng đã có cường độ cơ học rất rõ ràng. Dùi ảnh hưởng của thời gian gel bò thay
đổi bản chất dần dần tạo nên gel gọi là “gel bò già” làm cho khối vật chất keo xít
chặt lại. Sau đó những siêu tinh thể (kích thước vô cùng nhỏ) dần dần được phát
triển thành tinh thể có kích thước lớn hơn, từ đó dẫn tới tăng cường độ cơ học và độ
cứng của gel. Trong thiên nhiên hiện tượng đó như một khoáng agat, Khanxi đôn là
xuất xứ từ keo vô đònh hình SiO
2
bò tái kết tinh tạo thành vật chất có cường độ rất
cao, độ cứng rất lớn. Từ đó rõ ràng là quá trình tạo gel và diễn biến quá trình xít đặc
gel, tái kếr tinh gel là bản chất những thời điểm diễn biến quá trình ninh kết và
đóng rắn của xi măng.
e- Sự khuyếch tán trong gel : gel thường người ta coi như một môi trường mà
trong đó sẽ xảy ra những quá trình hóa lý khác nhau. Ví dụ: hiện tượng khuyếch tán
của những chất keo xảy ra trong trường hợp các gel có nồng độ rất nhỏ lúc đó coi
như sự khuyếch tán có tính chất tự do như trong chất lỏng tinh khiết. Đối với gel có

O
3
2-
có tích
điện âm. Phản ứng thủy phân SiO
2
để tạo nên SiO
3
2-
xảy ra rất chậm vì thế trong
phòng thí nghiệm thông thường ta lấy thủy tinh lỏng theo tỷ lệ Na
2
O : SiO
2
trong
dung dòch dao động từ 1 : 1 đến 1 : 4 để phản ứng với muối kim loại nặng.
Nếu những dung dòch thủy tinh lỏng không loãng quá khi cho vào dung dòch
một lượng muối kim loại nặng thích hợp chúng tạo thành chất cặn giêlatin hóa,
thành phần chất cặn phụ thuộc tỷ lệ Na
2
O, SiO
2
trong dung dòch thủy tinh lỏng và
phụ thuộc vào tính chất muối kim loại nặng, nồng độ vật chất phản ứng, tỷ lệ tương
đối của chúng trong dung dòch phản ứng… Do sự thủy phân nhũng silicat sản phẩm
phản ứng của muối kim loại với mêtasilicat natri sẽ chứa một hàm lượng lớn SiO
2

và hydroxit kim loại.
Phần lớn silicat ở dạng dung dòch nước vô đònh hình điều chế được bằng con

2
chứa nhiều nước.
Khi tạo thành opan vô đònh hình, SiO
2
đầu tiên được tách ra dưới dạng khối vật
chất gen mềm, sau đó nó dần dần bò đóng rắn và thể hiện tính chất nhiễu xạ.
Mẫu của opan rất khác biệt, thường là mẫu trắng hay gần như trắng. Opan
thông thường là vật chất không trong suốt mà nó màu hơi vàng, xanh đỏ, nâu…Riêng
opan có màu trắng, xanh da trời là loại opan quý. Độ cứng của opan là 6,5, tính chất
quang học là đẳng hướng hay gần như đẳng hướng. Trong opan cứa 21% nước.
Chỉ số chiết suất của gel cũng như tỷ trọng của opan và gel nhân tạo SiO
2
phụ
thuộc vào hàm lượng nước chứa trong chúng.

Sự phụ thuộc tính chất gel SiO
2
vào hàm lượng nước
Chương 3: Trạng thái keo trong silicat

70
Bảng 14

Hàm lượng nước % Chiết suất Tỷ trọng g/cm
3

3,55
6,33
8,97
28,.64

2
– nước (SiO
2
– H
2
O) là
khuynh hướng dẫn tới tạo thành dung dòch keo hay khối vật chất hydrat. Giả thiết là
khi tạo thành chất lõi SiO
2
(mạnh SiO
2
) thì sự kết tủa gel SiO
2
đôi khi xảy ra sự phát
tiển những tinh thể SiO
2
kèm theo.
Độ hòa tan của quắc (thạch anh) và SiO
2
vô đònh hình xảy ra hoàn toàn khác
nhau. Do đó cơ chế của quá trình tác dụng hoá học trên bề mặt tiếp xúc SiO
2
với
nước sẽ quyết đònh bởi những tính chất của mối liên kết Si-O khi tiếp xúc với H
2
O.
Sự hòa tan SiO
2
rắn trong nước xảy ra đồng thời quá trình, hydrat và phá vỡ
mối polime hóa.

a- Trung hòa dung dòch silicat Na và phân ly qua màng bán thấm.
Chương 3: Trạng thái keo trong silicat

71
b- Dùng phương pháp điện phân
c- Dùng phương pháp hòa tan Si nguyên tố trong dung dòch nước amiăc hay
amin.
d- Trung hòa silicat Na bằng axit (tùy theo lượng axit ta có thể thu được đôn
có tính chất hay kiềm.
e- Peptit hòa tan gel ở điều kiện nhiệt độ cao.
g- Dùng nhựa trao đổi ion đẩy ion Na
+
ra khỏi dung dòch silicat Na.

Nếu dung dòch thu dược quá bão hòa axit mônosilixic ta để thật lâu cuối cùng
pha rắn sẽ được tạo thành là SiO
2
vô đònh hình. SiO
2
này có thể xuất hiện ở dạng
những hạt keo hay kết tủa thành gel. Giả thiết là sự chuyển hóa thành mônoaxit
silixic phải qua giai đoạn trung gian dưới dạng poliaxit silixic rồi mới sang monoaxit
silixic có nghóa là sự biến đổi hệ đến trạng thái có năng lượng bề mặt là cực tiểu.
Tổng quát phương trình polime hóa SiO
2
là:
42n2
nSi(OH) (SiO ) 2nH O→+
2
dạng keo rất lớn vì thế có thể là SiO
2
hydrat
dạng keo. Giới hạn bão hòa là tứ diện /SiO
4
/ tương úng phân tử H
4
SiO
4
. Giả thiết sự
hydrat của SiO
2
chỉ xảy ra trên bề mặt của nó và trên đó quá trình tạo thành tứ diện
được coi là kết thúc. SiO
2
có khả năng hydrat thành mức độ bất kỳ nào đó, trong đó
mức độ hydrat SiO
2
chỉ phụ thuộc vào kích thước hạt đã nghiền mòn, phụ thuộc vào
H
4
SiO
4
chuyển hóa thành SiO
2
dạng keo dẫn tới kích thước tinh thể lớn hay tạo
thành khối vật chất vô đònh hình của SiO
2
khan nước.