Адсорбция на границе раствор-газ

Выше были рассмотрены представления о поверхностном натяжении индивидуальных жидкостей. На поверхностное натяжение растворов сильное влияние оказывает адсорбция.

Количественно соотношение между адсорбцией растворимого вещества (в кмоль на 1 м² поверхности) и изменением поверхностного натяжения (s) с концентрацией раствора С (кмоль/м³) определяется уравнением Гиббса:

Из уравнения следует, что при <О Г > 0, т.е. происходит накопление вещества в поверхностном слое; при >О Г< 0 - уменьшение концентрации вещества в поверхностном слое ( - поверхностная активность).

Все растворимые вещества по их способности адсорбироваться на границе жидкость-воздух можно разделить на две группы:

- поверхностно-активные вещества (Г >0 <0);

- поверхностно-неактивные вещества (Г <0 >0).

Поверхностно-активные вещества способны накапливаться в поверхностном слое. Они должны обладать поверхностным натяжением меньшим поверхностного натяжения растворителя (иначе накопление вещества на поверхности термодинамически невыгодно) и сравнительно малой растворимостью (иначе они бы стремились уйти с поверхности в глубь раствора).

 

Рис. 7.9. Зависимость поверхностного натяжения от

концентрации раствора:

1 - для поверхностно-активного вещества;

2 - для поверхностно-неактивного вещества;

3 - вещества не влияющие на поверхностное натяжение растворителя.

 

Характерной особенностью строения ПАВ является их дифильность, т.е. молекула состоит из двух частей — полярной группы и неполярного углеводородного радикала. Обладающая значительным дипольным моментом и хорошо гидратирующаяся полярная группа (ОН, СООН, RН₂) обусловливает сродство ПАВ к воде. Гидрофобный углеводородный радикал является причиной неполной растворимости этих соединений.

 

 

 

ПАВ относительно воды: жирные кислоты, соли жирных кислот, сульфокислоты и их соли, спирты, амины.

 

 

Рис. 7.10. Расположение молекул в поверхностном слое:

а - высокая концентрация ПАВ;

б - малая концентрация ПАВ.

 

Поверхностная активность и адсорбируемость зависят от природы полярной группы, строения молекулы и длины радикала (СН₃СООН -уксусная кислота растворима; С₅Н₁₁СООН - капроновая кислота - не растворима).

Правило Дюкло-Траубе: в любом гомологическом ряду, при малых концентрациях, удлинение углеводородной цепи на СН₂ группу, увеличивает поверхностную активность в 3-3,5 раз.

Правило Дюкло-Траубе справедливо при свободном расположении адсорбированных молекул в поверхностном слое параллельно поверхности (рис. 7.10б).

Для водных растворов жирных кислот зависимость поверхностного натяжения от концентрации выражается эмпирическим уравнением Шишковского:

где в и К - эмпирические постоянные, причем в постоянная для всего гомологического ряда, а К - увеличивается в 3-3,5 раза для каждого последующего члена, в соответствии с правилом Дюкло-Траубе.

Применение ПАВ

Даже очень малые добавки этих веществ изменяют условия взаимодействия соприкасающихся тел и природу их поверхности.

ПАВ используют:

- для облегчения разрушения, например, при тонком помоле веществ;

- при распылении жидкостей;

- для уменьшения трения между поверхностями;

- при стирке;

- в качестве эмульгаторов при производстве косметических и фармацевтических препаратов.