Адсорбция на границе раздела жидкой и газообразной фаз. Поверхностно-активные вещества (ПАВ)
Избыточную удельную поверхностную энергию s на границе жидкость (раствор) – газ (воздух) принято называть поверхностным натяжением жидкости (ее размерность в системе СИ Дж/м2 = Н/м).
Рассмотрим зависимости s жидкого раствора от концентрации растворенного вещества (с). Если растворитель – вода (полярное вещество), то с увеличением концентрации растворенного в ней вещества s может либо убывать (растворенные вещества в этом случае называются поверхностно-активными, ПАВ), либо возрастать (такие вещества являются поверхностно-инактивными, ПИАВ).
Количественно обе зависимости описываются адсорбционной формулой Гиббса:
, (1.30)
где Г (греч. “гамма”) – избыток вещества на межфазной границе, т.е. на поверхности жидкости (т.н. Гиббсовская адсорбция, моль/м2), по сравнению с объемом раствора; с – концентрация растворенного вещества (моль/л); (dσ / dc) - поверхностная активность.
Смысл этой производной – темп и характер изменения поверхностного натяжения раствора при изменении концентрации растворенного вещества (математически – это тангенс угла наклона касательной в каждой точке криволинейной зависимости σ от с).
Для водных растворов ПАВ (dσ / dc) < 0 и Г >0 (положительная адсорбция), для водных растворов ПИАВ (dσ / dc) > 0 и Г <0 (отрицательная адсорбция, т.е. - десорбция).
Разница в поведении ПАВ и ПИАВ обусловлена их строением. Для водных растворов поверхностно-активными являются дифильные молекулы, содержащие полярную головку и неполярный «хвост» (алифатический радикал). Схема строения молекулы ПАВ показана на рис. 1.5.
|
|
|
Рис. 1.5. Схема строения молекулы ПАВ
Более подробно с основными классами ПАВ, являющихся эффективными стабилизаторами дисперсных и коллоидных систем, Вы познакомитесь в части II.
Поверхностно-инактивными веществами являются сильные электролиты, диссоциирующие в водном растворе на ионы.
На границе полярной (вода) и неполярной (воздух) фаз молекулы ПАВ и ПИАВ ведут себя по-разному. ПАВ – концентрируется, ориентируясь полярной головкой в полярную фазу (воду), а «хвостом» – в неполярную (воздух), поскольку именно в этом случае σ и Gs понижаются (Δ σ < 0 и Δ Gs < 0).
ПИАВ, более полярные, чем вода, вообще «не хотят» выходить на поверхность.
На рис. 1.6 приведена зависимость удельной поверхностной энергии (поверхностного натяжения) водного раствора ПАВ от его концентрации и показано состояние поверхностного слоя раствора при разных концентрациях ПАВ.
Рис. 1.6. Зависимость удельной поверхностной энергии водного раствора ПАВ от его концентрации и изменение состояния поверхностного слоя (в очень разбавленном растворе ПАВ при постоянной температуре)
|
|
|
По мере увеличения концентрации ПАВ в растворе, но не выше определенной, при которой начинается ассоциация молекул ПАВ в мицеллы (см. часть II), растет концентрация молекул ПАВ в поверхностном слое и уменьшается поверхностная энергия. При полном заполнении поверхностного слоя молекулами ПАВ (образовании мономолекулярного слоя из таких молекул) зависимость σ от концентрации ПАВ исчезает.
Подумайте, как должна выглядеть аналогичная приведенной на рис. 1.6 зависимость для водного раствора ПИАВ (например, NaСl)?
Дата добавления: 2015-12-21; просмотров: 120; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!