задание. пр.з1. Граница раздела жидкостьжидкость. Типичной границей раздела ЖЖ является граница между водой (В) и маслом (М) компонентами, не имеющими или имеющими слабое сродство друг к другу
 Скачать 20.83 Kb.
|
|
Граница раздела жидкость/жидкость. Типичной границей раздела Ж/Ж является граница между водой (В) и маслом (М) – компонентами, не имеющими или имеющими слабое сродство друг к другу. Такая граница довольно явно выражена, хотя и не так резко, как это наблюдается для границы раздела Ж/Г (рис. 1). Возрастание общей поверхности соприкосновения путем диспергирования одной фазы (в виде малых капель) в другой происходит медленно, в то время как обратный переход к начальным фазам – быстро, причем движущей силой обратного процесса является тенденция к сокращению поверхности и уменьшению поверхностной энергии. Дифильные вещества (например, жирные кислоты), добавляемые в систему, распределяются на границе раздела Ж/Ж таким образом, что сродство различных частей молекулы к разным фазам вызывает понижение поверхностной свободной энергии и стабилизирует границу раздела. Сходство между видами распределения молекул на границах раздела Ж/Г и Ж/Ж можно видеть на рис. 4,а,б; основное различие заключается в присутствии молекул ПАВ в масляном слое. Распределение ПАВ, показанное на рис. 4,б, в равной степени относится к эмульсиям масла в воде (М/В) или воды в масле (В/М), так что оба типа эмульсий (или дисперсий) стабилизируются подходящими соответствующими ПАВ Фаза, состоящая из малых капель, известна как дисперсная фаза; непрерывная фаза называется дисперсионной средой. На практике некоторые ПАВ лучше подходят для стабилизации границы раздела М/В, чем В/М, другие – наоборот. Наконец, диспергированные твердые частицы часто обладают сильным стабилизирующим действием, адсорбируясь таким образом, что среда, которая их смачивает, становится непрерывной фазой (дисперсионной средой). Существуют и другие факторы, определяющие тип дисперсий, из которых особенно важными являются относительные объемы двух фаз. Низкое отношение объемов масла к воде приводит к образованию М/В-эмульсий, в то время как при высоких отношениях следует ожидать образования В/М-эмульсий. Эти предельные типы эмульсий сильно различаются из-за значительного различия свойств дисперсионных сред в каждом из этих случаев. Как правило, диаметр капель в эмульсиях изменяется в широких пределах, но обычно находится в области от 0,1 до 10 мкм; при таких сравнительно больших размерах частиц эмульсии (называемые макроэмульсиями) не являются высокостабильными системами. Диспергированные капли находятся в броуновском движении, и если бы не наличие сил отталкивания, действующих между ними (например, электростатических эффектов), столкновения между ними должны были бы привести к агрегации и разрушению системы, что в конечном счете и происходит. При указанных выше размерах капель и существующих различиях в плотностях масла и воды капли эмульсии имеют тенденцию к всплытию или оседанию при отстаивании; обычно агрегация происходит на поверхности. Макроэмульсии нестабильны термодинамически. Если уменьшить размер частиц, а поверхность соответствующим образом стабилизировать (скажем, при помощи сильного отталкивательного взаимодействия), то можно получить стабильные эмульсии. На практике получены эмульсии с размером капель от 0,01 до 0,1 мкм. Эти микроэмульсии могут быть как типа М/В, так и типа В/М, и часто содержат добавки спирта или других компонентов. Ключевые свойства эмульсий можно проиллюстрировать при использовании их в медицине. В некоторых случаях лекарственное средство нельзя приготовить в водорастворимой форме, но можно использовать в форме эмульсии, если растворить его в масле и диспергировать в воде. Эмульсии имеют большое значение в технологии производства пищевых продуктов (особенно молочных), фармацевтических препаратов, косметических средств, красок, сельскохозяйственной продукции, в нефтяной и нефтеперерабатывающей промышленности и многих других областях производства. Дисперсии Г/Ж, Ж/Г и Г/Т – пены и аэрозоли. Эти системы логично было бы рассмотреть выше в разд. «Граница раздела жидкость/газ». Однако они имеют много общего с системами Ж/Ж. Газ можно диспергировать в жидкости для создания пены, но так же, как и в случае эмульсий, при использовании чистой жидкости получается только нестабильная пена. Для достижения стабильного состояния необходимые специальные пенообразующие агенты – пенообразователи, которые по своей природе подобны эмульгаторам. Для водных систем их стабилизирующий эффект достигается за счет локализации полярных или ионогенных групп в жидкой пленке между пузырьками газа по направлению к водной фазе, а гидрофобных групп – к газовой фазе. В результате этого поверхностное натяжение и свободная энергия уменьшаются. В разбавленных пенах пузырьки газа обычно имеют сферическую форму и не взаимодействуют друг с другом, однако, если жидкость вытекает из резервуара, пузырьки могут соприкасаться, вследствие чего развивается пузырчатая структура. Факторами, определяющими стабильность пен, является уменьшение испарения влаги из пленки и способность пленок противостоять механическим воздействиям – для выполнения второго условия требуется плотный (скорее, даже подвижный) тип структуры, что часто достигается стабилизацией твердыми порошками или полимерными добавками. Важными практическими приложениями пен является использование их в пожаротушении и в процессе флотации для разделения минералов. См. также РУДЫ ОБОГАЩЕНИЕ; ПОЖАРНАЯ ПРОФИЛАКТИКА И ПРОТИВОПОЖАРНАЯ ЗАЩИТА. Такой же важной проблемой, как пенообразование и стабильность пен, является проблема их разрушения, когда пенообразование нежелательно, например на реках и при по очистке сточных вод. Достигнуть этого можно путем разбрызгивания различных органических соединений или ПАВ противоположного пенообразованию типа действия, например, некоторых кремнийорганических соединений (пеногасителей). В том случае, когда газовые пузырьки разделены твердой фазой, получаются твердые пены. Такие пены могут быть очень стабильными, так как в них отсутствует эффект стекания жидкости. Микропористая резина является хорошо известным примером твердых пен. Другим примером служит пенополистирол – материал, в котором твердая фаза составляет лишь малую часть общего объема. Некоторые особым образом приготовленные пищевые продукты (хрустящий картофель, поп-корн, корнфлекс) также имеют структуру твердых пен. Типичными примерами дисперсий Ж/Г и Т/Г, называемых аэрозолями, являются туманы (дымка) и дымы соответственно. Смог, характерный для мест расположения предприятий тяжелой индустрии, а также крупных городов, является смесью обоих типов дисперсий. Так как размеры частиц в аэрозолях обычно малы, процесс их оседания под действием силы тяжести является медленным, а роль броуновского движения велика, и в отсутствие стабилизирующих факторов процессы столкновения между частицами могут приводить к разрушению дисперсий. Промышленные загрязнения (например, продукты неполного сгорания углеводородов, сажа, пары кислот) служат стабилизаторами этих дисперсий, что подтверждается улучшением экологической обстановки там, где проводят очистку от них выхлопных газов автомобилей и промышленных дымов. Аэрозоли применяются в качестве дезинфицирующих и инсектицидных спреев. Важными факторами, определяющими стабильность аэрозолей, являются низкое поверхностное натяжение и наличие зарядов на частицах для уменьшения вероятности столкновения между ними. Электростатические эффекты весьма результативны и для разрушения аэрозолей.С увеличением температуры величина поверхностного натяжения уменьшается и равна нулю при критической температуре. Наиболее известная эмпирическая зависимость поверхностного натяжения от температуры была предложена Лорандом Этвёшом, так называемое правило Этвёша. Выше уже отмечалось, что коэффициент поверхностного натяжения жидкости существенно зависит от того, с какой средой граничит жидкость. Естественно ожидать, что коэффициент поверхностного натяжения на границе двух жидкостей должен быть меньше, чем на свободной поверхности жидкости. Это можно объяснить тем, что силы взаимодействия между молекулами граничащих жидкостей и молекулами каждой жидкости между собой направлены в противоположные стороны. В подтверждение отмеченной выше зависимости приводится таблица 6.3 значений коэффициента поверхностного натяжения на границе раздела двух жидких сред. ПРАВИЛО АНТОНОВА - межфазовое натяжение на границе двух несмешивающихся жидкостей равно разности поверхностных натяжений этих жидкостей (на границе с воздухом или собственным паром) в условиях взаимного насыщения: . σ12 = σ1 – σ2 , где σ12 – межфазное натяжение на границе жидкостей 1 и 2 с собственными натяжениями (на границе с паром) σ1 и σ2. |