4. Литература

1. Ленский А.С. Введение в бионеорганическую и биофизическую химию. М. 1989. с. 93-125.

2. Равич-Щербо М.И., Новиков В.В. Физическая и коллоидная химия. М. 2001. с. 21-44.

3. Глинка Н.Л. Общая химия. М. 1990 с. 205-223.

5. Контрольные вопросы.

1. какая система называется раствором?

2. Какие свойства растворов называются коллигативными?

3. Как читается закон Рауля?

4. Почему растворы замерзают при более низкой температуре, чем чистый растворитель?

5. Почему растворы закипают при более высокой температуре, чем чистый растворитель?

6. Что характеризуют криоскопическая и эбуллиоскопическая константы?

7. Что такое осмос? В чем заключается причина возникновения осмоса?

8. Дайте формулировку закона Вант-Гоффа

9. Какие растворы называют гипо -, гипер -, изотоническими?

10. Какие явления называют гемолизом и плазмолизом?

6. Иллюстративный и раздаточный материал комплект таблиц по теме «Коллигативные свойства растворов»

1. Схема процесса растворения (№21)

2. Схема осмотической ячейки (№22)

3. Осмос (№24)

4. Давление пара (№27)

Лекция №3

1. Тема: Поверхностные явления, имеющие место в живом организме. Адсорбция.

2. Цель: Сформировать знания о физико-химии поверхностных явлений.

3. План и тезисы лекции:

3.1. План лекции

1. Поверхностное натяжение.

2. Поверхностно-активные вещества. Изотерма поверхностного натяжения.

3. Поверхностно-неактивные вещества. Изотерма поверхностного натяжения.

4. Поверхностная активность. Правило Дюкло-Траубе.

5. Сорбция и ее виды.

6. Адсорбция. Адсорбция сильных электролитов

7. Хроматографический анализ

3.2. Тезисы лекции

Твердые тела и жидкости обладают поверхностями раздела с соседними фазами. Состояние молекул вещества в объеме фазы и в поверхностном слое не одинаково. Основное различие состоит в том, что поверхностный слой молекул твердого тела или жидкости обладает избытком энергии Гиббса в сравнении с молекулами объемной фазы. Наличие поверхностной энергии Гиббса обусловлено неполной компенсированностью межмолекулярных сил притяжения у молекул поверхностного слоя вследствие их слабого взаимодействия с граничащей фазой.­

Притяжением со стороны молекул воздуха можно пренебречь и считать, что сила притяжения поверхностных молекул жидкости равна внутреннему давлению данной жидкости. Под внутренним давлением жидкости понимают силу притяжения между молекулами жидкости в ее объеме. Величина внутреннего давления жидкостей достигает 10⁸ Па.

Силы притяжения, равные внутрен­нему давлению, втягивают молекулы жидкости с поверхности в глубь объема, уменьшая площадь поверхности до ми­нимума. Этим объясняется шарообразная форма мелких капель жидкости, находящихся в свободном состоянии в аэрозолях, туманах, эмуль­сиях.

Коэффициент поверхностного натяжения, или просто поверхност­ное натяжение σ, является важной характеристикой любой жидкости. Физический смысл поверхностного натяжения может иметь энерге­тическое и силовое выражения.

Согласно энергетическому выражению, поверхностное натяже­ние σ – это поверхностная энергия Гиббса единицы поверхности (т.е. удельная поверхностная энергия Гиббса). В этом случае σ равна работе, затраченной на образование единицы поверхности. Энергетической единицей σ является Дж/м² или Н/м.

Поверхностная энергия и поверхностное натяжение зависят от температуры, природы граничащих сред, природы и концентрации растворенных веществ.

Вещества, растворение которых вызывает повышение поверхностного натяжения называют поверхностно-инактивными веществами (ПИВ). Для ПИВ (dσ/dc)> 0. Вещества, при растворении которых понижается поверхностное натяжение на границе раздела фаз, называют поверхностно-активными веществами (ПАВ). Для них характерно отрицательное значение (dσ/dc)< 0.

Способность вещества понижать поверхностное натяжение данной границы раздела фаз называют поверхностной активностью.

К ПАВ относят органические соединения с несимметричным строением, состоящие из полярных и непо­лярных групп. Полярными свойствами обладают такие атомные груп­пировки, как —СООН, —ОН, — NН₂, —NO₂, —СНО, -SO₂OH и др. Все эти группы способны к гидратации и являются гидрофильными. Неполярная часть молекул ПАВ представляет собой гидрофобную углеводородную цепь или радикал. Молекулы, в которых имеются гидрофильная и гидрофобная группировки, называют дифильными.

Молекулы ПАВ самопроизвольно образуют ориентированный монослой на поверхности раздела уменьшая энергию Гиббса системы. Полярные группы («головы») молекул располагаются в водной (полярной) фазе, а гидрофобные радикалы («хвосты») вытесняются из водной среды и переходят в менее полярную фазу, например в воздух. Ориентацию дифильных молекул ПАВ в поверхностном слое растворителя называют «частоколом Ленгмюра».

Правило Траубе-Дюкло: Удлинение цепи углеводородного радикала в гомологическом ряду жирных кислот, аминов, спиртов и других веществ на группу СН₂ (гомологическая разность) увеличивает их адсорбционную способность в поверхностном слое в 3,2 раза. Это правило применимо только для разбавленных растворов.

Математическая зависимость между поверхностным натяжением, концентрацией вещества и избытком его в поверхностном слое установлена Гиббсом (уравнение изотермы Гиббса) и выражается формулой:

или

Где: Г- величина адсорбции (избыток вещества в поверхностном слое), моль/см

С- концентрация вещества, моль/л

R-универсальная газовая постоянная

Т- абсолютная температура, К

Δσ/ΔС - поверхностная активность вещества, равная отношению изменения поверхностного натяжения жидкости к соответствующему изменению концентрации вещества, определяют графически по изотермам Гиббса.

Процессы поглощения газов или растворенных веществ твердыми материалами или жидкостями могут протекать по разным механизмам и носят общее название - сорбция.

Вещества-поглотители называют сорбентами, поглощаемые газы или растворенные вещества - сорбатами или сорбтивами.

Важнейшей характеристикой сорбционного процесса является графическая зависимость количества сорбированного вещества m, А или Г от равновесной концентрации или давления при Т = const, называемая изотермой сорбции.

Различают следующие сорбционные процессы: абсорб­ция, адсорбция, хемосорбция.

Абсорбцией называют поглощение газа или пара всем объемом твердого вещества или жидкости. Распространение молекул газа в твердой или жидкой фазе происходит главным образом путем диффузии.

Адсорбцией называют самопроизвольное концентрирование на твердой или жидкой поверхности раздела фаз вещества с меньшим поверхностным натяжением. Адсорбция является поверхностным процессом, который заключается во взаимодействии молекул или ионов адсорбата (газа или растворенного вещества) с поверхностью адсорбента за счет сил Ван-дер-Ваальса, водородных связей, электростати­ческих сил. Сорбция, при которой происходит химическое взаимодействие (химическая реакция) между адсорбентом и адсорбтивом называется хемосорбцией. Хемосорбция специфична: она зависит от природы адсорбента, и от природы адсорбата. С повышением температуры хемосорбция возрастает. Хемосорбция часто необратима и приводит к образованию прочных поверхностных соединений между адсорбен­том и адсорбатом.

Твердые адсорбенты – это природные искусственные материалы с большой наружной или внутренней поверхностью, на которой происходит адсорбция из граничащих с ней газов или растворов.

При адсорбции могут обра­зовываться адсорбционные слои толщиной в одну молекулу (моно­молекулярная адсорбция) или в несколько молекул (полимолеку­лярная адсорбция). Количество вещества, адсорбированного единицей массы адсор­бента, называют абсолютной адсорбцией и обозначают А. Избыток количества вещества в поверхностном слое на единице площади адсор­бента, называют гиббсовской (удельной) адсорбцией и обозначают Г (моль/м², кг/м² и др.) Для ПАВ принимают А≈ Г.

Для количественного расчета величины адсорбции применяют уравнение изотермы Ленгмюра, которое выведено исходя из предположений: 1) поверхностный слой является молекулярным, 2) отсутствует химическое взаимодействие между адсорбентом и адсорбтивом.

Уравнение изотермы Ленгмюра:

где, Г- удельная адсорбция, моль/см²,

С - концентрация вещества, моль/л,

К - константа адсорбционного равновесия,

Г_макс (Г_пр или Г_∞) - предельная адсорбция на единице поверхности, моль/см²