Тема 1. Поверхневі явища. Адсорбція

1.1.Визначення поверхневого натягу і адсорбції поверхнево-активних речовин на межі рідина–повітря

Надлишок вільної поверхневої енергії, що припадає на одиницю площі поверхневого шару на межі рідина–повітря, називається поверхневим натягом, а на межі рідина-рідина -граничним натягом.

Метою даної роботи є одержання ізотерм поверхневого натягу та адсорбції для водних розчинів поверхнево-активних речовин на межі з повітрям.

Вимірювання поверхневого натягу здійснюється за допомогою методу максимального тиску бульбашок в приладі Ребіндера.

Хід роботи

Для визначення величини поверхневого натягу за методом Ребіндера (рис.1.1) вимірюють тиск, необхідний для утворення бульбашки або краплі. Посудина 1 з досліджуваною рідиною 2 поміщена в посудину, що служить термостатом 3, за допомогою бокової трубки 5 з’єднується з аспіратором або водоструменевим насосом 6 та манометром 7. Посудина щільно закривається гумовою пробкою, через яку проходить трубка 4, яка закінчується капілярним кінцем.

Рис.1.1. Прилад Ребіндера.

Для виконання вимірювань досліджувану рідину 2 заливають в посудину 1 до рівня, при якому кінець капіляра 4 занурюється в неї не більше, ніж на 1 мм. Надлишок рідини при необхідності відбирають за допомогою капіляра 4. Посудину 1 закривають щільно пробкою з трубкою 4. Випускаючи повільно рідину з аспіратора 6, в посудині 1 над рідиною 2 створюється розрідження (тобто тиск), яке стає достатнім для утворення бульбашки повітря або краплі рідини. Між тиском Р в момент продавлювання бульбашки, зафіксованим на манометрі 7, і величиною поверхневого натягу  та кривизною поверхні бульбашки r згідно другого закону Лапласа існує залежність:

,

де r – радіус капілярного кінця трубки, оскільки в момент максимального тиску кривизна поверхні бульбашки став рівна радіусу капіляра.

Для двох рідин: з поверхневим натягом  для досліджуваної рідини та ₀ для стандартної рідини (дистильованої води) при визначенні тиску з одним і тим же капіляром одержимо:

; ; ,

де h₀, h – різниці висот стандартної та досліджуваної рідин в манометрі, звідки

.

Перед вимірюванням поверхневого натягу посудину 1 з трубкою добре промивають дистильованою водою. Вимірювання розпочинають з стандартної рідини (дистильованої води). Обережно відкривають кран аспіратора, створюючи розрідження в системі, внаслідок чого рівень рідини в манометрі 7 підніметься. На кінці капіляру 4 поступово утворюється бульбашка повітря, яка при досягненні максимального тиску Р проходить через поверхневий шар і лопає. В цей момент тиск в системі різко знижується і рівень рідини в манометрі опускається. В результаті утворення нової бульбашки висота в манометрі знову збільшується. Таким чином рівень рідини в манометрі весь час коливається.

Рис.1.2. Ізотерми поверхневого натягу та адсорбції

Щоб зменшити коливання рідини в манометричній трубці, домагаються рівномірного проскакування бульбашки з інтервалом 10-20 с. Час утворення та відриву бульбашок повітря регулюють шляхом зміни швидкості витікання води за допомогою крана аспіратора. Якщо покази манометра протягом 2-3 хв не змінюються, їх записують в журнал. Дослід повторюють кілька разів з чистою дистильованою водою, а потім з розчинами поверхнево-активної речовини (наприклад, бутилового спирту) у воді слідуючих концентрацій: 0,5; 0,25; 0,10; 0,05; 0,025; 0,01; 0,005 моль/л. Для кожного розчину зазначають, при якому розрідженні проскакує бульбашка. Вимірювання здійснюють від найменшої концентрації розчину до найбільшої.

За одержаними даними розраховують  будують ізотерму поверхневого натягу =f(C). Знаходять величини адсорбції поверхнево-активної речовини при різних концентраціях її в розчині. Для цього найзручнішим методом є графічний. Рівняння Гіббса

зв’язує ізотерму поверхневого натягу і ізотерму адсорбції Г=f(C), тому за ізотермою поверхневого натягу можна розрахувати ізотерму адсорбції .Для цього до кривої =f(C) в різних точках будують дотичні, продовжуючи їх до перетину з віссю ординат (рис.1.2). Через точки, до яких побудовані дотичні, проводять прямі паралельно до осі абсцис також до перетину їх з віссю ординат. Вимірюють відрізки Z по осі ординат. Довжина такого відрізку Z, виражена в одиницях поверхневого натягу, рівна - , оскільки згідно побудови . Звідки .

Підставивши значення Z у рівняння Гіббса, одержимо .

Таким чином розраховують значення величини адсорбції Г для тих концентрацій, для яких у відповідних точках на кривій побудовані дотичні. Їх значення наносять на графік (рис.1.2), з’єднуючи точки Г₁=f(C₁), Г₂=f(C₂) і т.д., одержують адсорбційну ізотерму.

Для розрахунку площі, яку займає одна молекула в адсорбційному шарі, необхідно знати Г_∞ .Останнє можна розрахувати також графічним методом, користуючись рівнянням Ленгмюра, яке перетворюють слідуючим чином:

,

де Г_∞ – величина адсорбції при повному насиченні шару;

К – стала, яка характеризує спорідненість адсорбованої речовини до поверхні адсорбента.

.

Останнє рівняння є рівнянням прямої типу y=ax+b.

Рис.1.3. Залежність С/Г від концентрації розчину

Для того, щоб знайти Г_∞, на осі абсцис відкладають значення концентрації С, а на осі ординат величини С/Г, визначені з рівняння Гіббса, і з’єднують одержані точки прямою (рис.1.3). Тангенс кута , що утворюється даною прямою з віссю абсцис, рівний І/а, тобто Г_∞, а відрізок, що відсікається від осі ординат, виражає собою величину І/кГ_∞. Якщо позначити число молекул, які покривають 1 см² поверхні в насиченому адсорбованими молекулами шарі, через N₀, то очевидно, знаючи адсорбцію Г_∞, можна розрахувати площу q, яка припадає на одну молекулу:

,

де N_A- число Авогадро.

Знаючи Г_∞, густину d розчиненої речовини (d бутилового спирту становить 0,8 г/cм³) і її молекулярну масу М, можна знайти товщину  адсорбційного шару, що відповідає довжині молекули: Г_∞ М = d, звідки  = Г_∞М/d .

Як свідчать результати ряду вимірювань, q є характерною величиною для гідрофільної групи і не залежить від числа атомів, які входять в другу частину молекули. Значення  при переході в гомологічному ряді від одного гомолога до наступного гомолога змінюється на величину, що відповідає довжині СН₂–групи.

Одержані результати записують в слідуючу таблицю:

Речовина	Концентрація, моль/л	h, см	, ерг/см2	Г, моль/см2	Г∞ , моль/см2	q, см2	, см