1.4 Поверхностно-активные вещества (пав)
Вещества, присутствие которых на границе фаз приводит к уменьшению значения поверхностного натяжения , называются ПАВ.
ПАВ имеют несимметричное строение молекулы, которая состоит из полярных и неполярных групп. Полярная группа обладает дипольным моментом и имеет сродство к полярной фазе. Полярными свойствами обладают группы –COOH, -OH, - NH2, - CHO и др.
Неполярная часть молекулы ПАВ представляет собой гидрофобную углеводородную цепь (радикал).
Молекулы ПАВ самопроизвольно образуют ориентированный монослой на поверхности раздела фаз в соответствии с условием уменьшения энергии Гиббса системы: полярные группы располагаются в водной (полярной) фазе, а гидрофобные радикалы вытесняются из водной среды и переходят в менее полярную фазу – воздух.
1.5 Механизм действия пав
Молекулы ПАВ, в особенности их углеводородные радикалы, находясь на границе раздела “воздух-вода”, слабее взаимодействуют с молекулами воды, чем молекулы воды друг с другом. Таким образом, суммарная стягивающая сила на единицу длины уменьшается приводя к уменьшению значения поверхностного натяжения по сравнению с чистой жидкостью.
Поверхностное давление, т. е. сила, нормированная на единицу длины барьера, равно разности поверхностных натяжений чистой воды и воды с поверхностной пленкой.
1.6 Изотерма поверхностного натяжения. Типы изотерм
Поверхностное натяжение растворов отличается от поверхностного натяжения чистого растворителя σ0.
Зависимость поверхностного натяжения от концентрации растворенного вещества при Т=const называют изотермой поверхностного натяжения.
Рисунок 3 – Типы изотерм
1, 2 - Первый тип изотерм образуют поверхностно-инактивные вещества (ПИВ), растворение которых не изменяет величину поверхностного натяжения.
3 - Второй тип изотерм образуют поверхностно-активные вещества (ПАВ), снижающие при растворении поверхностное натяжение
4 - Третий тип изотерм адсорбции образуют мицеллообразующие (коллоидные) ПАВ, сильно снижающие поверхностное натяжение в области больших концентраций и практически не влияющие на его величину в области малых концентраций
1.7 Процесс образования монослоя. Фазовые переходы в монослое
Площадь слоя изменяется при перемещении барьеров, лежащих на бортах ванны.
Для измерения поверхностного давления монослоя Ленгмюр использовал плавающий барьер, разделяющий поверхность чистой воды и поверхность воды, покрытой монослоем, и соединенный с коромыслом весов.
В современных устройствах для этих измерений используют метод Вильгельми. Он основан на измерении силы, действующей в вертикальном направлении на частично погруженную в воду тонкую прямоугольную пластину. При этом пластинка должна хорошо смачиваться водой, поэтому ее делают из платины или фильтровальной бумаги.
После нанесения вещества на поверхности воды образуется мономолекулярная пленка, молекулы которой расположены хаотически. С помощью подвижного барьера уменьшается площадь монослоя и одновременно регистрируется поверхностное давление. Монослой поджимается до получения сплошной твердой пленки. При этом хвосты молекул ориентируются почти вертикально.
Рисунок 4 – Процесс образования монослоя амфифильных молекул на поверхности воды
При увеличении давления на монослой со стороны плавучего барьера можно наблюдать последовательность различных двухмерных фаз (рисунок 5). Площадь поверхности, приходящаяся на одну молекулу (посадочная площадка), зависит от того, в какой фазе находится монослой
а — двумерный газ, б — жидкость, в — жидкий кристалл, г — кристалл
Рисунок 5- Изотерма сжатия и фазовые состояния монослоя жирной кислоты при различных поверхностных давлениях