Поверхностное натяжение и методы его определения

⇐ ПредыдущаяСтр 14 из 23Следующая ⇒

Поверхностное натяжение :сила, отнесенная к единице длины, или работа, затрачиваемая на создание единицы площади поверхности раздела фаз при постоянной температуре. (размерность Дж/м2).

— Поверхностное натяжение (σ) выражает тенденцию поверхностей к стягиванию

Величина поверхностного натяжения чистой жидкости при данной температуре на данной границе раздела есть величина строго определенная.

Величина поверхностного натяжения растворов зависит от:

— - природы растворителя,

— -природы растворенного вещества,

— - от концентрации раствора

Существуют два типа методов определения поверхностного натяжения: статические и динамические.

Динамические методы, например метод колебания струи, вытекающей из отверстия неправильной формы, позволяют измерить поверхностное натяжение вновь образованной поверхности сразу после ее образования. Статическими методами измеряют поверхностное натяжение на границе раздела фаз, пришедших в равновесие. Если равновесие между фазами устанавливается достаточно быстро, то статическое поверхностное натяжение можно измерить достаточно просто. Если же равновесие устанавливается за очень длительный промежуток времени, особенно при переходе одного из компонентов системы через границу раздела фаз, то ни один из методов не дает истинного значения равновесного поверхностного натяжения. В этом случае говорят о полустатических значениях поверхностного натяжения и в обязательном порядке следует оговаривать продолжительность образования новой поверхности раздела фаз.

Наибольшее распространение получили следующие методы определения поверхностного натяжения жидких межфазовых границ:

· метод измерения массы или глубины погружения предмета в исследуемую жидкость (метод Вильгельми);

· метод измерения геометрических размеров свободных поверхностей раздела фаз (лежащая, висящая или вращающаяся капля, сидящий или висящий пузырек);

· сталагмометрический метод (метод счета капель);

· метод измерения усилия отрыва предмета от поверхности раздела фаз (отрыва цилиндра - метод Падди, отрыва кольца - метод Дю-Нуи);

· метод измерения капиллярного поднятия жидкости;

· метод измерения максимального давления в пузырьке газа или капле жидкости (метод Шредингера).

Адсорбция из раствора на твёрдом адсорбенте

Явление адсорбции из растворов твердыми адсорбентами было открыто и изучено в 1785 г. русским химиком и фармацевтом Т. Е. Ловицем. Адсорбция растворенных веществ твердыми адсорбентами — более сложный процесс, чем адсорбция газов твердыми телами. Осложняющими факторами являются: 1) присутствие третьего компонента — растворителя, молекулы которого могут конкурировать с молекулами адсорбата за места на поверхности адсорбента; 2) взаимодействие между молекулами адсорбата и растворителя; 3) электростатическое взаимодействие между поверхностью адсорбента и ионами адсорбата, если он является электролитом.

Неэлектролиты и слабые электролиты адсорбируются из растворов в виде молекул. Такой процесс называется молекулярной адсорбцией.

В результате адсорбции концентрация растворенного вещества в растворе уменьшается. Адсорбцию определяют по разности концентраций исходного и равновесного растворов адсорбата:

а = (с₀- с)У/т,

где с₀ — исходная концентрация адсорбата; с — равновесная концентрация адсорбата; V — объем раствора адсорбата, из которого происходила адсорбция: т — масса адсорбента; а — адсорбция.

Адсорбция зависит от природы и удельной поверхности адсорбента, концентрации и природы адсорбтива, природы растворителя, а также температуры.

Удельная поверхность адсорбента обратно пропорциональна размеру частиц и зависит от их формы. Реальные частицы имеют сложную форму, поэтому для расчета величины удельной поверхности приходится учитывать так называемый коэффициент формы. Адсорбция наблюдается на всех твердых телах, но эффективные адсорбенты представляют собой вещества с сильно развитой поверхностью (пористые или порошкообразные).

При дроблении и измельчении твердых тел величина их удельной поверхности увеличивается вплоть до значений, достигающих тысячи квадратных метров на кубический сантиметр твердого тела. Чем больше удельная поверхность адсорбента, тем больше имеется активных центров и, следовательно, больше величина адсорбции.

Величина адсорбции зависит от природы адсорбента и адсорбтива: чем ближе по полярности адсорбент и адсорбтив, тем полнее происходит адсорбция. Под полярностью в данном случае понимают способность вещества к образованию водородных связей и участию в неспецифическом межмолекулярном взаимодействии за счет слабых сил без определенных центров локализации.

При адсорбции из растворов большое значение имеет и полярность растворителя. Наибольшей склонностью к адсорбции обладают вещества с полярностью, промежуточной между полярностями контактирующих фаз. Из водных растворов ПАВ хорошо адсорбируются неполярными адсорбентами (в том числе и активированным углем), а на по лярных адсорбентах (карбонаты, алюмосиликаты, оксиды) ПАВ хорошо адсорбируются из неполярных сред. В основе этих явлений лежит конкуренция между молекулами адсорбтива и растворителя за активные центры адсорбента (рис. 19.16 и 19.17).

П. Ребиндер сформулировал правило выравнивания полярностей: адсорбция идет в сторону выравнивания полярностей контактирующих фаз и тем сильнее, чем больше начальная разность полярностей. Иными словами, на полярных адсорбентах лучше адсорбируются полярные адсорбаты из менее полярных растворителей; на неполярных адсорбентах — неполярные адсорбаты из более полярных растворителей.

Влияние природы растворителя на адсорбцию может быть также сформулировано в виде правила: чем лучше в данном растворителе растворяется данный адсорбат, тем он хуже из него адсорбируется; чем хуже растворяется, тем лучше из него адсорбируется.

Адсорбция является экзотермическим процессом, поэтому с повышением температуры адсорбция из растворов уменьшается. Молекулярно-кинетические представления также подтверждают справедливость подобного заключения, однако в ряде случаев наблюдают обратную зависимость. В узком температурном интервале при достаточно большом температурном коэффициенте растворимости адсорбция с ростом температуры может увеличиваться, если при этом растворимость адсорбата в данном растворителе уменьшается.

С ростом концентрации раствора адсорбция на поверхности раздела адсорбент — раствор возрастает до некоторого предельного значения (рис. 19.18).

Анализ экспериментально наблюдаемой изотермы аналогичен анализу, приведенному выше.

Для математического описания изотермы адсорбции на границе твердый адсорбент — раствор используют уравнение Ленгмюра, которое в данном варианте имеет следующий вид:

a=a

max α + c

где α — постоянная величина, равная отношению констант скоростей десорбции и адсорбции, имеющая размерность концентрации; а_тах — величина предельной адсорбции, она достигается при занятии всех активных центров адсорбента, dima = M ¯ ¹N , единица измерения — моль на грамм (моль/г).

Графическое определение констант уравнения Ленгмюра, которым описывается адсорбция из растворов на твердом адсорбенте, проводят так же, как и в уравнении Ленгмюра для поверхности раздела жидкость — газ. При адсорбции ПАВ на поверхности раздела твердый адсорбент — раствор так же, как и на поверхности раствор — газ, наблюдается различная ориентация молекул адсорбата. В системе полярный адсорбент — неполярный растворитель молекулы адсорбата обращены полярной частью («головой») к поверхности адсорбента, а неполярная их часть («хвост») погружена в растворитель (рис. 19.19, а). В случае полярный адсорбент — полярный растворитель, наоборот, неполярная часть молекулы обращена к поверхности адсорбента, а полярная часть погружена в растворитель (рис. 19.19, б).

В системах, состоящих из полярного растворителя и малополярного адсорбента, адсорбция ПАВ подчиняется правилу Траубе.

При адсорбции ПАВ из неполярных растворителей полярными адсорбентами наблюдается обращение правила Траубе: с ростом длины углеводородного радикала адсорбция уменьшается. Обращение правила объясняется тем, что с ростом длины углеводородной цепочки рас тет растворимость ПАВ в неполярных растворителях.

Дата добавления: 2019-02-12; просмотров: 1001; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 9 10 11 12 131415 16 17 18 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!