Что называют изотермой поверхностного натяжения

Что называют изотермой поверхностного натяжения

ФИЗИЧЕСКАЯ И КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ

Конспект лекций для студентов биофака ЮФУ (РГУ)

4.1 ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ И АДСОРБЦИЯ

4.1.2 Адсорбция на границе раствор – пар

В жидких растворах поверхностное натяжение σ является функцией от концентрации растворенного вещества. На рис. 4.1 представлены три возможных зависимости поверхностного натяжения от концентрации раствора (т.н. изотермы поверхностного натяжения). Вещества, добавление которых к растворителю уменьшает поверхностное натяжение, называют поверхностно-активными (ПАВ), вещества, добавление которых увеличивает или не изменяет поверхностное натяжение – поверхностно-инактивными (ПИАВ).

Рис. 4.1 Изотермы поверхностного Рис. 4.2 Изотерма адсорбции
натяжения растворов ПИАВ (1, 2) и ПАВ на границе раствор – пар
ПАВ (3)

Уменьшение поверхностного натяжения и, следовательно, поверхностной энергии происходит в результате адсорбции ПАВ на поверхности раздела жидкость – пар, т.е. того, что концентрация поверхностно-активного вещества в поверхностном слое раствора оказывается больше, чем в глубине раствора.

Количественной мерой адсорбции на границе раствор-пар является поверхностный избыток Г (гамма), равный числу молей растворенного вещества в поверхностном слое. Количественное соотношение между адсорбцией (поверхностным избытком) растворенного вещества и изменением поверхностного натяжения раствора с ростом концентрации раствора определяет изотерма адсорбции Гиббса :

(IV.5)

График изотермы адсорбции ПАВ представлен на рис. 4.2. Из уравнения (IV.5) следует, что направление процесса – концентрирование вещества в поверхностном слое или, наоборот, нахождение его в объеме жидкой фазы – определяется знаком производной d σ /dС. Отрицательная величина данной производной соответствует накоплению вещества в поверхностном слое ( Г > 0), положительная – меньшей концентрации вещества в поверхностном слое по сравнению с его концентрацией в объеме раствора.

Величину g = –d σ /dС называют также поверхностной активностью растворенного вещества. Поверхностную активность ПАВ при некоторой концентрации С₁ определяют графически, проводя касательную к изотерме поверхностного натяжения в точке С = С₁; при этом поверхностная активность численно равна тангенсу угла наклона касательной к оси концентраций:

(IV.6)

Нетрудно заметить, что с ростом концентрации поверхностная активность ПАВ уменьшается. Поэтому поверхностную активность вещества обычно определяют при бесконечно малой концентрации раствора; в этом случае её величина, обозначаемая g_о, зависит только от природы ПАВ и растворителя. Исследуя поверхностное натяжение водных растворов органических веществ, Траубе и Дюкло установили для гомологических рядов поверхностно-активных веществ следующее эмпирическое правило:

В любом гомологическом ряду при малых концентрациях удлинение углеродной цепи на одну группу СН₂ увеличивает поверхностную активность в 3 – 3.5 раза.

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

(IV.6a)

Здесь b и K – эмпирические постоянные, причём значение b одинаково для всего гомологического ряда, а величина К увеличивается для каждого последующего члена ряда в 3 – 3,5 раза.

Рис. 4.3 Предельная ориентация молекул ПАВ в поверхностном слое

Молекулы большинства ПАВ обладают дифильным строением, т.е. содержат как полярную группу, так и неполярный углеводородный радикал. Расположение таких молекул в поверхностном слое энергетически наиболее выгодно при условии ориентации молекул полярной группой к полярной фазе (полярной жидкости), а неполярной – к неполярной фазе (газу или неполярной жидкости). При малой концентрации раствора тепловое движение нарушает ориентацию молекул ПАВ; при повышении концентрации происходит насыщение адсорбционного слоя и на поверхности раздела фаз образуется слой «вертикально» ориентированных молекул ПАВ (рис. 4.3). Образование такого мономолекулярного слоя соответствует минимальной величине поверхностного натяжения раствора ПАВ и максимальному значению адсорбции Г (рис. 4.1-4.2); при дальнейшем увеличении концентрации ПАВ в растворе поверхностное натяжение и адсорбция не изменяются.

Источник

Изотерма поверхностного натяжения. Сравните изотермы для водных растворов карбоновых кислот.

Особенности строения поверхностною слоя фазы.

Промежуточная фаза, содержащая один или несколько молекулярных слоев

– Внутри объема чистого вещества все силы межмолекулярного взаимодействия уравновешены

– Равнодействующая всех сил, воздействующих на поверхностные молекулы, направлена внутрь жидкости

– Поверхностные явления незначительны, если соотношения между массой тела и поверхностью в пользу массы тела

– Поверхностные явления приобретают значение, когда вещество находится в раздробленном состоянии или в виде тончайшего слоя (пленки)

Поверхностная энергия Гиббса

σ– поверхностное натяжение

Уменьшение энергии Гиббса:

• За счет уменьшения площади поверхности (укрупнение частиц)

• За счет уменьшения величины поверхностного натяжения (сорбция)

403) поверхностное натяжение

Работа, совершаемая на создание единицы поверхности

Единицы измерения Дж/м 2

• Сила, действующая на единицу длины линии, ограничивающей поверхность жидкости и направленную в сторону уменьшения этой поверхности

Единицы измерения Н/м 2

Зависимость поверхностного натяжения от природы веществ, температуры и давления.

Поверхностное натяжение жидкостей уменьшается с ростом температуры и вблизи критической температуры становится равным нулю. С увеличением давления поверхностное натяжение на границе жидкость-газ уменьшается, т к возрастает концентрация молекул в газовой фазе и сила уменьшается. Растворенные в-ва могут повышать, понижать и практически влиять на практическое натяжение жидкостей. Поверхностное натяжение на границе жид-жид зависит от природы соприк фаз. Оно тем больше, чем меньше силы молекулярного взаимодействия между разнородными молекулами.

Способы измерения поверхностного натяжения жидкости.

Метод отрыва кольца от поверхности жидкости

• Метод подсчета числа капель определенного объема исследуемой жидкости, вытекающей из капилляра (сталагмометрический)

• Метод определения давления, которое необходимо для отрыва пузырька воздуха от капилляра, погруженного в жидкость (метод Ребиндера)

• Метод измерения высоты поднятия жидкости в капилляре, стенки которого хорошо ею смачиваются

Распределение растворённого вещества между поверхностным слоем и объёмом фазы.

теоретически можно представить три случая распределения растворенного в-ва между поверхностным слоем и объемом фазы:1) конц растворенного в-ва в пов-ном слое больше, чем в объеме фазы.2) конц растворенного в-ва в пов-ном слое меньше, чем в объеме фаз.3) конц растворенного в-ва в пов-ном слое такая же как в объеме фаз.

Классификация растворённых веществ по их влиянию на поверхностное натяжение жидкости (воды).

классификация.1) растворенное в-во пониж пов натяж р-ля. Спирты, к-ты.2) растворенное в-во незначительно повышает пов натр –ля. Неорг к-ты, основания, соли.3)растворенное в-во практически не изм пов нат р –ля. Сахароза.

Уравнение Гиббса для характеристики адсорбции растворённых веществ. Анализ уравнения.

Г=-(C/RT)*(∆σ/∆C). Г-величина адсорбции на пов-ти р-ра. ∆σ/∆C-пов активность в-ва.Анализ: ∆σ/∆C=0,Г=0. Это ПНВ. ∆σ/∆C>0, Г 0-ПАВ.

Строение молекул и свойства поверхностно-активных веществ.

св-ва: Ограниченно растворимы

• Обладают меньшим поверхностным натяжением, чем жидкости

• Резко изменяют поверхностные свойства жидкости

• Строение: Дифильное – разные участки молекулы характеризуются различным отношением к растворителю

Гидрофобные свойства: углеводородный радикал

Гидрофильные свойства: OH, NH₂, SO₃H

Классификация поверхностно-активных веществ, примеры.

Молекулярные или неионогенные – спирты, желчь, белковые вещества

• Ионогенные анионактивные – мыла, сульфокислоты и их соли, карбоновые кислоты

• Ионогенные катионактивные – органические азотсодержащие основания и их соли

Удлинение цепи на радикал – CH₂ – увеличивает способность жирных кислот к адсорбции в 3,2 раза

Применимо только для разбавленных растворов и для температур, близких к комнатной, т.к. с повышением температуры увеличивается десорбция

Расположение молекул ПАВ в поверхностном слое водного раствора.

Строение: Дифильное – разные участки молекулы характеризуются различным отношением к растворителю. Молекулы ПАВ состоят из полярной гидрофобной УВ группы(хвост) и полярной гидрофильной группы(головка).

Изотерма поверхностного натяжения. Сравните изотермы для водных растворов карбоновых кислот.

Графическая зависимость поверхностного натяжения от концентрации растворенного вещества(график).

Источник

Изотерма поверхностного натяжения. Поверхностная активность

Из адсорбционного уравнения Гиббса видно, что влияние природы вещества на адсорбцию заключено в величине и знаке производной . Предельное значение этой производной при с→0, взятой со знаком минус, называют поверхностной активностью (g):

(8)

Поверхностная активность является важнейшей адсорбционной характеристикой веществ, определяющей многие их свойства и области применения. Уравнение (8) показывает, что чем сильнее уменьшается поверхностное натяжение с ростом концентрации, тем больше поверхностная активность. Величина и знак поверхностной активности зависят как от природы самого вещества, так и от природы растворителя и адсорбента.

Вопрос 5. Понятие о поверхностно-активных и неактивных веществах. Правило Дюкло-Траубе.

Все вещества по способности адсорбироваться на границе раздела фаз делятся на три группы:

Поверхностно-активные вещества (ПАВ). Для таких веществ g>0, 0. Поверхностно-активные вещества способны накапливаться в поверхностном слое, т.е. способны самопроизвольно переходить из объема фазы на границу раздела. Для этого необходимо, что бы данные вещества отвечали следующим требованиям:

1) обладали малой растворимостью и не могли уходить в глубь раствора;

2) поверхностное натяжение самого поверхностно-активного веществ меньше, чем поверхностное натяжение чистого растворителя σ_о, то есть σ_ПАВ

Поверхностно-инактивные вещества (ПИВ). Эти вещества повышают поверхностное натяжение раствора с увеличением концентрации. Для них g 2 ). Произведение предельной адсорбции на постоянную Авогадро (Г_∞N_A) определяет число молекул, которое занимает единицу площади. Из этого следует, что площадь поперечного сечения молекулы ПАВ в насыщенном слое можно рассчитать по уравнению:

(10)

Произведение предельной адсорбции Г_∞ на молярную массу ПАВ (М) равно массе ПАВ (m), приходящейся на единицу поверхности насыщенного адсорбционного слоя:

(11)

Тогда длина молекулы ПАВ в насыщенном адсорбционном слое, равная толщине этого слоя, может быть найдена с помощью уравнения:

(12)

где ρ – плотность ПАВ, кг/м 3 ; Г_∞ – предельная адсорбция, моль/м 2 ; М – молярная масса, кг/моль.

Представления об ориентации молекул ПАВ в насыщенном адсорбционном слое сыграл большую роль в развитии учения о структуре биологических мембран.

Е.Горшнер и Г.Грендел (1925) в опытах с липидами, экстрагированными из мембран эритроцитов, установили, что площадь образованного ими мономолекулярного слоя практически вдвое больше суммарной поверхности самих эритроцитов.

Этот факт позволил Ф.Даниэли и Г.Давсону (1931-1933) предложить первую общепринятую модель биологической мембраны. Согласно этой модели основным элементом мембранных структур клетки является бимолекулярный слой из молекул липидов, полярные группировки которых направлены наружу, а неполярные углеводородные радикалы – внутрь.

Полярные группы взаимодействуют с белками. Даниэли и Давсон предполагали, что белки образуют симметричные мономолекулярные слои на внешней и внутренней стороне липидного бислоя.

Позднее было установлено ассиметричное распределение белков в клеточных мембранах. Среди мембранных белков имеются такие, которые способны взаимодействовать с гидрофобными радикалами и проникать в глубь мембраны (интегральные белки). Так как часть поверхности мембраны свободна от белков (у эритроцитов около 30%, у микросомальных мембран около 20%), в настоящее время наиболее принятой является мозаичная модель мембраны. Макромолекулы интегральных белков, пронизывающих мембрану, могут образовывать поры – ионные каналы, которые обладают избирательной проницаемостью для различных ионов.

Рис 8 Общая схема строения мембран

Дата добавления: 2016-11-04 ; просмотров: 7516 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Поверхностное натяжение

Статья находится на проверке у методистов Skysmart.
Если вы заметили ошибку, сообщите об этом в онлайн-чат
(в правом нижнем углу экрана).

Понятие и характеристики поверхностного натяжения

С явлением поверхностного натяжения жидкости мы сталкиваемся каждый день:

Силы поверхностного натяжения действуют вдоль поверхности жидкости, стремясь сократить ее площадь. Как будто жидкость заключена в упругую пленку, которая стремится сжать свое содержимое.

Потенциальная энергия взаимного притяжения молекул жидкости больше их кинетической энергии. Это позволяет веществу сохранять объем (но не форму), и этот объем ограничивается поверхностью жидкости.

На молекулу жидкости, которая находится внутри, действуют силы притяжения со стороны других молекул, и они уравновешивают друг друга. А на ту молекулу, что находится на поверхности, действуют силы притяжения не только со стороны других молекул жидкости, но и со стороны газа (внешней среды). Эти вторые значительно меньше первых, поэтому равнодействующая сила притяжения направлена внутрь жидкости, что способствует удержанию молекулы на поверхности.

Поверхностное натяжение — это стремление жидкости сократить свою свободную поверхность, то есть уменьшить избыток своей потенциальной энергии на границе раздела с газообразной фазой.

Чем больше площадь поверхности жидкости, тем больше молекул, которые обладают избыточной потенциальной энергией, и тем больше поверхностная энергия. Этот факт можно записать в виде следующего соотношения:

Поверхностная энергия жидкости

W = σS

W — поверхностная энергия жидкости [Дж]

S — площадь свободной поверхности [м 2 ]

σ — коэффициент поверхностного натяжения [Н/м]

Отсюда мы можем вывести формулу коэффициента поверхностного натяжения.

Коэффициент поверхностного натяжения — это физическая величина, которая характеризует данную жидкость и численно равна отношению поверхностной энергии к площади свободной поверхности жидкости.

Коэффициент поверхностного натяжения

σ = W/S

W — поверхностная энергия жидкости [Дж]

S — площадь свободной поверхности [м 2 ]

σ — коэффициент поверхностного натяжения [Н/м]

Коэффициент поверхностного натяжения жидкости зависит:

Коэффициент поверхностного натяжения не зависит от площади свободной поверхности жидкости, хотя может быть рассчитан с ее помощью.

Если на жидкость не действуют другие силы или их действие мало, жидкость будет стремиться принимать форму сферы, как капля воды или мыльный пузырь. Так же ведет себя вода в невесомости. Жидкость ведет себя так, как будто по касательной к ее поверхности действуют силы, стягивающие эту поверхность. Эти силы называются силами поверхностного натяжения.

Сила поверхностного натяжения

F = σl

F — сила поверхностного натяжения [Н]

l — длина контура, ограничивающего поверхность жидкости [м]

σ — коэффициент поверхностного натяжения [Н/м]

В химической промышленности в воду часто добавляют специальные реагенты-смачиватели, не дающие ей собираться в капли на какой-либо поверхности. Например, их добавляют в жидкие средства для посудомоечных машин. Попадая в поверхностный слой воды, молекулы таких реагентов заметно ослабляют силы поверхностного натяжения, вода не собирается в капли и не оставляет на поверхности пятен после высыхания.

Источник

Методы определения поверхностного натяжения.

Классификация дисперсных систем. Коллоидное состояние.

Колоидная химия, занимается дисперсными системами и поверх.явл.

Дисперсная система— это такое состояние материи,где одно вещество(дисперсионная фаза), распред. в другом (дисперсионная среда).(масло в H2O)

Классификация дисперсных систем:

1)г/ж-(пена, газовые эмульсии)-мыльная пена

2)ж/ж-(эмульсия)-молоко, смазки, сырая нефть(бензол-вода)

3)тв/ж-золи, суспензия(золи металлов в воде),бактерии

4)г/тв-твердая пена (пемза,пенопласт,силикагель,угли активные)

5)ж/тв-(пористые тела,капилярные системы)-встреч. редко (адсорбенты,почвы)

Область коллоидного состояния- 1нм-1мкн

Переходное состояние от молек.диспергированного состояния к микро фаз. Важный параметр-устойчивость.Любое дисперсионное состояние-энергоперенасыщенно.(явлповерх.раздела фаз –частица на поверх.-бол. энергия,чем в толщевещества. Дисперсионная система-характеризуется, дисперсионным размером частиц и удельной поверхностью.

Понятие о поверхностном слое. Геометрические параметры поверхности. Термодинамич. Функции поверхностного слоя.

На границе между дисперсионной фазой и дисперсионной средой расположен слой отличающийся от свойств дисперсной фазы и дисперсионной среды-поверхностный слой.

Между молекулами любого вещества действуют Ван-дер-Ваальсовы силы. Существует набор и полярных сил :диполи, легко поляризуемые и плохо поляризуемые.

1)равнодействующая сила межмолякулярного взаимодействия для частиц, на поверхности направленна в глубь вещества, а для частиц в объеме равна 0.

3) Требуется совершить работу, чтобы вытащить частицу из объема на поверхность. (ув. свободной пов. энергии)

Толщина поверхностного слоя зависит от свойств дисперсной фазы и дисперсионной среды.Доля поверхностного слоя в общем объеме вещества тем больше, чем меньше размер частиц дисперсионной фазы. Степень раздробленности дисперсионной фазы оценивается величиной частиц и величиной удельной поверхности Sуд.(отношюпов раздела фаз S к объему или массе дисперсной фазы) Явления протекающие на границе раздела фаз, называются поверхностными явлениями (адсорбция).-перераспределение компонентов гетерогенной системы между фазами и поверхностным слоем.

Поверхностное и межфазное натяжение. Влияние природы фаз на натяжение. Методы определения поверхностного натяжения.

Поверхностное натяжение-это сила действующая на единицу поверхности и направленная перпендикулярно опоясывающему его контур.

Ориентационной называется взаимодействие молекул полярных веществ.

Индукционное взаимодействие полярной и неполярной молекулы.

Дисперсионной взаимодействие неполярных молекул, взаимодействие мгновенных диполей

Поверхностное натяжение полярных жидкостей больше,чем неполярных.

Методы определения поверхностного натяжения.

Метод вращающейся капли

Сущностью метода является измерение диаметра капли жидкости, вращающейся в более тяжелой жидкости. Этот способ измерения годится для измерения низких или сверхнизких значений межфазного натяжения. Он широко применяется для микроэмульсий, измерения эффективности ПАВ в нефтедобыче, а также для определения адсорбционных свойств.

МетодДюНуи (метод отрыва кольца)

Метод является классическим. Сущность метода вытекает из названия. Платиновое кольцо поднимают из жидкости, смачивающей его, усилие отрыва и есть сила поверхностного натяжения и может быть пересчитано в поверхностную энергию. Метод подходит для измерения ПАВ, трансформаторных масел и т. д.

4. .Адсорбция на границе раствор – газ. Поверхностное натяжение растворов. Уравнение изотермы адсорбции Гиббса, его анализ.

В жидких растворах поверхностное натяжение σ является функцией от концентрации растворенного вещества. На рис. 4.1 представлены три возможных зависимости поверхностного натяжения от концентрации раствора (т.н. изотермы поверхностного натяжения). Вещества, добавление которых к растворителю уменьшает поверхностное натяжение, называют поверхностно-активными (ПАВ), вещества, добавление которых увеличивает или не изменяет поверхностное натяжение – поверхностно-инактивными (ПИАВ).

Рис. 4.1 Изотермы поверхностного Рис. 4.2 Изотерма адсорбции

натяжения растворов ПИАВ (1, 2) и ПАВ на границе раствор – пар

Уменьшение поверхностного натяжения и, следовательно, поверхностной энергии происходит в результате адсорбции ПАВ на поверхности раздела жидкость – пар, т.е. того, что концентрация поверхностно-активного вещества в поверхностном слое раствора оказывается больше, чем в глубине раствора.

Количественной мерой адсорбции на границе раствор-пар является поверхностный избыток Г (гамма), равный числу молей растворенного вещества в поверхностном слое. Количественное соотношение между адсорбцией (поверхностным избытком) растворенного вещества и изменением поверхностного натяжения раствора с ростом концентрации раствора определяет изотерма адсорбции Гиббса:

График изотермы адсорбции ПАВ представлен на рис. 4.2. Из уравнения следует, что направление процесса – концентрирование вещества в поверхностном слое или, наоборот, нахождение его в объеме жидкой фазы – определяется знаком производной dσ/dС. Отрицательная величина данной производной соответствует накоплению вещества в поверхностном слое (Г > 0), положительная – меньшей концентрации вещества в поверхностном слое по сравнению с его концентрацией в объеме раствора. С ростом концентрации поверхностная активность ПАВ уменьшается.

Источник