Поверхностное натяжение и методы его определения

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);

· 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;

38. 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).

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:

c

a=a

max α + c

При адсорбции ПАВ из неполярных растворителей полярными ад­сорбентами наблюдается обращение правила Траубе: с ростом длины углеводородного радикала адсорбция уменьшается. Также смотр. Этот вопрос в «Коллоквиум по химии»

39. Адсорбционные равновесия на неподвижных границах раздела твёрдых фаз. Физическая адсорбция и хемосорбция

Все поверхности раздела в зависимости от агрегатного состояния граничных фаз делят на два класса:

1) подвижные поверхности раздела между жидкостью и газом (ж- г)и двумя несмешивающимися жидкостями (ж-ж).

2) неподвижные поверхности раздела между твердым телом и газом (т-г), твердым телом и жидкостью (т-ж), тверд. Телом и тверд. Телом (т-т).

Граница раздела фаз газ-твердое тело

Внутри твердого тела, частицы, образующие его решетку правильно чередуются в соответствии с его кристаллической структурой, причем силы их взаимодействия уравновешены. Состояние частиц на поверхности твердого тела иное, вследствие чего поверхность твердого тела притягивает молекулы вещества из соседней газовой фазы. В результате концентрация этого вещества на поверхности становится больше, чем в объеме газа, т.е. газ адсорбируется поверхностью твердого тела.