Лабораторна робота. Дослідження адсорбції поверхнево активних речовин на границі рідкий розчин – повітря

Мета роботи: вивчення адсорбції поверхнево активних речовин на границі розчин – повітря методом визначення поверхневого натягу розчину.

Основні теоретичні відомості

Поверхневий натяг

У таких системах як рідина - газ, тверде тіло - рідина існують молекули, що суттєво відрізняються за енергією. Молекула в об’ємі оточена з усіх сторін такими ж молекулами та взаємодіє з ними, причому рівнодіюча сил дорівнює нулю. Сили взаємодії молекули, що знаходиться в поверхневому шарі, компенсовані не повністю, тобто рівнодіюча сил не дорівнює нулю й направлена в бік фази, з молекулами якої взаємодія сильніша. Це означає, що молекули поверхневого шару володіють надлишком енергії. Надлишок поверхневої енергії віднесений до одиниці площі поверхні розділу фаз, називають поверхневим натягом σ.

Термодинамічно поверхневий натяг найчастіше визначається як частинна похідна енергії Гіббса (G) по площі міжфазної поверхні (s) при постійних значеннях температури (Т), тиску (р), числа молей компонентів (ν) і заряду (q):

, (5.1)

Це пов’язано з тим, що постійність параметрів T і р відносно легко здійснити експериментально.

Одиницями вимірювання поверхневого натягу в СІ є [σ] = Дж/м² = Н/м.

Енергію Гіббса поверхневого шару можна задати через енергію Гіббса одиниці площі поверхні G_s (питома енергія Гіббса поверхні) та площю поверхні s:

G=G_s·s або dG=d(G_s·s)

тоді

. (5.2)

Для індивідуальних речовин термодинамічні потенціали одиниці площі поверхні не змінюються зі зміною площі поверхні ( ). Це означає, що поверхневий натяг індивідуальних речовин є одночасно питомою енергією Гіббса поверхні. Для них загальна енергія Гіббса поверхні лінійно пов'язана із площею поверхні.

Для розчинів питома енергія Гіббса поверхні залежить від площі поверхні ( ). В залежності від останньої змінюється склад поверхневого шару, і тому, згідно рівнянню (5.2), вона не може бути рівною поверхневому натягу.

Поверхневий натяг на границі рідина-газ можна розглядати як роботу, що витрачається на оборотний розрив стовпчика рідини з поперечним перерізом в ¹/₂ одиниці площі, оскільки при розриві утворюється нова поверхня, площа якої дорівнює одиниці. Його можна також розглядати як роботу переносу молекул з об'єму тіла на поверхню. Чим сильніші міжмолекулярні зв'язки в об‘ємі системи, тим більший його поверхневий натяг на границі з газовою фазою.

На границі з газовою фазою можна знехтувати взаємодією між фазами. Звідси стає зрозумілим, що значення поверхневого натягу менші для неполярних рідин, що мають слабкі міжмолекулярні зв'язки, і більші для полярних рідин. Великі значення поверхневого натягу мають речовини, що утворюють міжмолекулярні водневі зв'язки, наприклад, вода, етанол тощо.

Поверхневий натяг можна визначити силою, що спрямована тангенціально (паралельно) до поверхні й віднесена на одиницю довжини периметра, що обмежує дану поверхню. У цьому випадку фізична сутність поверхневого натягу полягає в тому, що поверхневі молекули з надлишковою енергією прагнуть увійти вглибину конденсованої фази й тим самим стискають поверхню, викликаючи появу тангенціального натягу.

Завдяки малій рухливості структурних частинок у твердих тілах, перехід поверхневих атомів і молекул у рівноважний стан може тривати дуже довгий час, чим і пояснюється наявність у твердих тіл поверхневої напруги. У зв'язку із цим для твердих тіл слід застосовувати поняття про питому поверхневу енергію. У той же час, якщо припустити можливість досягнення рівноваги між поверхневим шаром й об'ємом, то й для твердих тіл буде справедливо поняття поверхневого натягу. Найбільш загальне й чітке за фізичним змістом визначення трактує поверхневий натяг, як роботу утворення одиниці поверхні.

Для більшості неполярних рідин температурна залежність поверхневого натягу лінійна й у першому наближенні може бути апроксимована простим співвідношенням

, (5.3)

де σ_T й σ₀ - поверхневий натяг відповідно при температурі Т і при стандартній температурі Т₀; - температурний коефіцієнт поверхневого натягу, що є постійною від’ємною величиною.

Експериментальні дослідження показали, що поверхневий натяг має зникаюче малі значення при температурах Т_кр − 6. Угорський вчений Л. Етвеш установив, що лінійною залежністю від температури краще описується параметр σV^2/3 (іноді називається мольною поверхневою енергією), в результаті чого можна записати

. (5.4)

Співвідношення (5.4) називають законом Етвеша. Для неполярних рідин у СІ К = 2,1·10⁻⁷ Дж/моль, для полярних рідин K < 2,1·10⁻⁷ Дж/моль, а для рідин з великою молекулярною масою К > 2,1·10⁻⁷ Дж/моль.

Дуже важливим є напівемпіричне співвідношення, яке запропонував Сагден:

, (5.5)

де Р - величина, яку автор назвав парахором; М – молярна маса рідини; Δρ -різниця між значеннями густини рідини й пари; k - показник ступеня, який залежно від природи рідини може приймати значення від 3,5 до 4,5. Парахор Р практично не залежить від температури.

Залежність поверхневого натягу від температури компенсується зміною густини речовини. Звідси випливає, що парахор можна розглядати як мольний об'єм з поправкою на ефект стиснення, що обумовлений міжмолекулярними силами.