Лекция_15._Поверхностные_явления. Физикохимия поверхностных явлений лекция 14 Поверхностное натяжение

• Название: Физикохимия поверхностных явлений лекция 14 Поверхностное натяжение
• Дата: 13.02.2020
• Размер: 131.58 Kb.
• Имя файла: Лекция_15._Поверхностные_явления.pptx
• Тип: Лекция; #108319

ФИЗИКО-ХИМИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ ЯВЛЕНИЙ

Лекция 14

Поверхностное натяжение.

• Живые организмы представляют собой системы с очень развитыми поверхностями раздела, к которым относят кожные покровы, поверхность стенок кровеносных сосудов, слизистые оболочки, клеточные мембраны и т.д.
• Молекулы, атомы, ионы, находящиеся на поверхности раздела фаз, не равноценны по своему положению таким же частицам, находящимся в глубине фазы. Например, система жидкость – пар (рис. 1).

Схема действия межмолекулярных сил внутри жидкости и на ее поверхности

воздух

жидкость

а) F≠ 0

в) F = 0

На молекулу, находящуюся в жидкости, со всех сторон равномерно действуют межмолекулярные силы. На поверхности жидкости этот баланс нарушается. Поверхностные молекулы оказываются под воздействием некой результирующей силы, направленной внутрь жидкости. По этой причине поверхность жидкости оказывается в состоянии напряжения.

Поверхностное натяжение (σ) – это минимальная сила, сдерживающая движение частиц жидкости в глубину и тем самым удерживающая поверхность жидкости от сокращения.

Сила, с которой молекулы поверхностного слоя втягиваются внутрь объема фазы, определяется межмолекулярными взаимодействиями в соприкасающихся фазах: чем они интенсивнее, тем больше равнодействующая поверхностных сил и тем больше σ. Единицами измерения поверхностного натяжения являются: Дж/м2 = Н•м/м2 = Н/м

Поверхностное натяжение у различных жидкостей колеблется в значительных пределах и зависит от природы жидкости, ее температуры, давления, а для растворов и от концентрации растворенных веществ.

Зависимость поверхностного натяжения от

• Природы жидкости:

Чем сильнее межмолекулярные связи в данной жидкости, тем больше поверхностное натяжение.

• Температуры:

При повышении температуры вещества силы межмолекулярного взаимодействия ослабевают, следовательно, уменьшается поверхностное натяжение.

Табл. 1. Поверхностное натяжение некоторых веществ на границе с воздухом при Т=293 К.

Вещество	σ •103 Дж/м2
Эфир Гексан Ацетон Бензол Сыворотка крови человека Вода Ртуть	17,0 18,4 23,7 28,9 46,0 – 47,0 72,75 471,6

Поверхностная активность

Способность растворенных веществ изменять поверхностное натяжение растворителя называется поверхностной активностью.

При растворении в данной жидкости, какого либо вещества наблюдают следующие случаи:

1). Растворенное вещество понижает поверхностное натяжение. Такие вещества называются поверхностно-активными (ПАВ ).

2). Растворенное вещество либо незначительно повышает поверхностное натяжение, либо не изменяет его. Такие вещества называются поверхностно-инактивными (ПИВ).

Поверхностно-активные вещества (ПАВ)

• Типичные ПАВ- это органические вещества, обладающие поверхностным натяжением меньшим, чем вода, и имеющие ассиметричные молекулы, состоящие из неполярных углеводородных радикалов, плохо взаимодействующих с водой (гидрофобных), и полярных групп –ОН, - СООН, -NH2, –SO3H, -COO- и др., хорошо взаимодействующих с водой (гидрофильных).

ПИВ

У ПИВ поверхностное натяжение больше, чем у воды. Примерами ПИВ по отношению к воде являются сильные неорганические электролиты: неорганические кислоты, основания, соли, альфа-аминокислоты и т.д.

Эти вещества при растворении диссоциируют с образованием сильно гидратированных ионов. Они взаимодействуют с водой сильнее, чем молекулы воды между собой, и поэтому увлекаются молекулами воды внутрь раствора.

Поверхностно-неактивные вещества

3). Растворенное вещество не меняет поверхностное натяжение (ПНВ), т. к. эти вещества имеют близкое к воде поверхностное натяжение. Например, сахароза, глицерин и др.

Дифильные молекулы

Молекулы, в которых имеются гидрофильная и гидрофобная группировки, называют дифильными. К ним относятся спирты, альдегиды, кетоны, кислоты, сложные эфиры, амины, белки и нуклеиновые кислоты, липиды и т.д.
Поверхностное натяжение биологических жидкостей используют в диагностических целях.Так поверхностное натяжение крови подвержено значительным колебаниям при различных заболеваниях (анафилактический шок, рак и др.)

С возрастом человека поверхностное натяжение сыворотки крови уменьшается.

Адсорбция

• Разнообразные явления, возникающие на границах раздела фаз, происходят вследствие особого энергетического состояния пограничных поверхностей, которые независимо от агрегатного состояния обладают некоторым запасом свободной энергии.
• Любая система стремится к уменьшению свободной энергии. Это стремление служит причиной адсорбции, как и других физических явлений.

Адсорбция

• Адсорбция – это самопроизвольное повышение концентрации вещества у поверхности раздела двух фаз в гетерогенной системе, сопровождающееся понижением свободной энергии.
• Вещество, которое поглощает, называется адсорбентом, а вещество, которое поглощается, называется адсорбатом (адсорбтивом).
• Процесс, обратного перехода вещества из поверхностного слоя в объем фазы , называют десорбцией.

Физическая адсорбция

Силы, вызывающие физическую адсорбцию – силы межмолекулярного взаимодействия (Ван-дер-Ваальса).

Процесс физической адсорбции легко можно обратить, понизив давление газа или концентрацию растворенного вещества.

При повышении температуры физическая адсорбция уменьшается.

Хемосорбция

• Хемосорбцией называется сорбция, при которой поглощаемое вещество и сорбент между собой взаимодействуют с образованием нового химического вещества. Хемосорбцию легко можно отличить от других видов сорбции по значительно большему количеству выделяющейся теплоты.

Адсорбция

В зависимости от агрегатного состояния соприкасающихся фаз различают:

• адсорбцию газов на твердой поверхности;
• адсорбцию растворенных веществ на границах твердое тело- жидкость;
• адсорбцию на границе жидкость-жидкость;
• адсорбцию на границе раствор – газ.

Адсорбция на границе раствор-газ

• ПАВы и ПИВы вызывают перераспределение вещества между поверхностным слоем и объемом раствора. Происходит адсорбция. Адсорбция является самопроизвольным процессом, , поскольку в результате адсорбции понижается свободная энергия Гиббса (изобарный потенциал).

Гиббсовская адсорбция

• Избыток или недостаток растворенного вещества в поверхностном слое, отнесенный к единице поверхности, обозначают - Г (гамма) и называют гиббсовской адсорбцией.
• Размерность адсорбции : [моль/ед.пов-ти]; моль/м2.
• Уравнение Гиббса:

Г= - ∆σ/∆С • (С/RT), где

Г- величина адсорбции на границе раствор-газ;

∆σ/∆С –поверхностная активность,

с- концентрация вещества в растворе.

Это значит, что вещество накапливается в поверхностном слое или,другими словами, перераспределение растворенного вещества приводит к увеличению его концентрации в поверхностном слое по сравнению с конц. в объеме раствора.

Это свойство характерно ПАВ.

Если производная ∆σ/∆С

- положительна, то адсорбция

Г <0 - отрицательная.

Это значит , что вещество уходит с поверхностного слоя в объем раствора, т.е. его концентрация в поверхностном слое становится меньше концентрации в растворе.

Это свойственно ПИВ.

Правило Дюкло-Траубе

• Способность различных ПАВ адсорбироваться в поверхностном слое и понижать поверхностное натяжение растворов, т.е. их поверхностная активность, зависит от структуры этих веществ.
• Такая зависимость была экспериментально установлена Дюкло и Траубе и получила название правила Дюкло-Траубе:

Правило Дюкло-Траубе:

• Поверхностная активность ПАВ на границе раздела водный раствор – газ увеличивается в среднем в 3,2 раза при увеличении длины углеводородного радикала ПАВ на одну гомологическую разность СН2.
• Уравнение Гиббса является универсальным и применимо к границам раздела любых фаз. Однако область практического использования уравнения ограничивается системами, у которых доступно экспериментальное определение поверхностного натяжения.

Теория Ленгмюра - адсорбция газа твердым адсорбентом

• Ленгмюр вывел простейшее уравнение адсорбции газа гладкой твердой поверхностью вещества, которое называется изотермой адсорбции Ленгмюра (кривая зависимости адсорбции от концентрации при постоянной температуре).

Изотерма адсорбции Ленгмюра:

где Г – адсорбция, Г∞ - количество вещества, адсорбированное единицей поверхности при полном насыщении;

В = Кд/Ка ( Ка - константа скорости адсорбции, Кд – константа скорости десорбции) ; С – объемная концентрация газа.

Уравнение Фрейндлиха -зависимости адсорбции от давления (концентрации) газа при постоянной температуре :

x/m= К· Р 1/n, где x/m - величина адсорбции на единицу массы адсорбента;

р – равновесное давление газа над поглотителем (для растворов

С - равновесная концентрация);

К и 1/n - константы адсорбции, характерные для данного процесса адсорбции в определенных пределах, значение которых находят из эксперимента.

• Таким образом, уравнение изотермы Фрейндлиха применимо в области средних концентраций, а уравнение Ленгмюра - при низких и высоких концентрациях адсорбированного вещества.

Значение адсорбции

• Явления адсорбции играют большую роль также и в жизнедеятельности животных организмов. Известно, что пища представляет собой ПАВ, и поэтому первым этапом усвоения является адсорбция, а процесс их химического усвоения вторичен.
• Большинство реакций, протекающих в организме, совершается при непосредственном участии ферментов. Оказывается, что первые стадии действия любого фермента сводятся к адсорбции субстрата на поверхности ферментного комплекса, и только после этого фермент проявляет свое специфическое ферментное предназначение.