Лабораторная работа № 4 Определение поверхностного натяжения и изотермы адсорбции пав на тензиометре к-11 теория адсорбции

Самопроизвольное концентрирование («сгущение массы») растворен-

ного или газообразного компонента гетерогенной системы на границе ра-

дела фаз называют а д с о р б ц и е й.

Поверхностная активность.

Поверхностная активность – это величина, характеризующая способность растворенного вещества адсорбироваться на данной границе раздела и снижать межфазную поверхностную энергию.

Количественно величину поверхностной активности оценивают как ве-

личину предельного значения отрицательной производной поверхностного

натяжения по концентрации при условии с → 0:

(2.21) G=limc→0(-dσ/dc)

Графически эта величина может быть найдена как тангенс угла наклона

α касательной к кривой σ-с , проведенной в начальную точку кривой, где с=0:G = tg α = - tg φ . (рис.2.15). Для водных растворов ПАВ эта величина

положительна, для поверхностно-инактивных веществ - отрицательна. В со-

ответствии с выражением (2.21), поверхностная активность выражается

в Дж∙м/моль.

Уравнение адсорбции Гиббса. Дж. Гиббс показал, что для 2-х

компонентной системы условие равновесия поверхностного слоя с объемны-

ми фазами выражается уравнением

Уравнения (2.29) и (2.30) показывают, что для веществ, снижающих

поверхностное натяжение (- dσ/dc > 0), величина адсорбции положительна и

возрастает с увеличением концентрации.

С помощью уравнения (2.30) легко рассчитать изотерму адсорбции, ис-

ходя из экспериментально найденной зависимости σ от концентрации. Значе-

ние производной -dσ/dc для любой заданной концентрации с может быть

найдено графическим методом, как показано на рис. 1, по наклону каса-

тельной, проведенной к кривой σ-с через точку, отвечающую данной концен-

трации.

Рис. 1. Построение изотермы адсорбции Гиббса пу-

Тем графического определения производной -dσ/dc

Изотерма адсорбции Гиббса (2.30) показывает, что величина Г моно-

тонно возрастает с увеличением концентрации ПАВ в растворе. Это означает

постепенное уплотнение адсорбционного слоя, сближение адсорбированных

молекул. Этот процесс должен в конечном итоге привести к полному покры-

тию поверхности адсорбированными молекулами - н а с ы щ е н и ю ад-

сорбционного слоя, которому будет отвечать некоторое предельно большое

значение величины адсорбции Г∞. Представления о строении адсорбционных

слоев ПАВ получили теоретическое обоснование и экспериментальное под-

тверждение в работах Ленгмюра.

2.4.6. Теория мономолекулярной адсорбции Ленгмюра. Уравнение ад-

сорбции Ленгмюра было впервые получено на основе молекулярно-

кинетического подхода к описанию явления адсорбции газа (пара) на твердой

поверхности. При таком подходе адсорбция рассматривается как закрепление

молекул адсорбата на поверхности адсорбента под действием поверхностных

сил – нескомпенсированных на поверхности раздела фаз сил межмолекуляр-

ного взаимодействия. При разработке теории Ленгмюр исходил из следую-

щих предпосылок. 1) Адсорбционные силы имеют физическую природу, ад-

сорбция обратима и характеризуется установлением адсорбционного равно-

весия, имеющего динамический характер. Условие равновесия - равенство

скоростей прямого и обратного процессов – адсорбции и десорбции. 2) По-

верхность адсорбента энергетически неоднородна. Молекулы адсорбата за-

крепляются на а к т и в н ы х участках поверхности, каковыми являются пи-

ки, выступы, ребра трещин и т.д., где силы молекулярного взаимодействия

наименее скомпенсированы. Такие участки имеются на любой самой гладкой

поверхности. На рис. 2 схематически представлено различие между ак-

тивным (1) и неактивным (2) участками поверхности – скомпенсированная

часть молекулярно-силового поля заштрихована. (В случае адсорбции ПАВ

на границе раздела раствора с воздухом (или второй жидкой фазой) адсорби-

рующая поверхность однородна, молекулы ПАВ могут адсорбироваться на

любых свободных от ПАВ участках поверхности раствора). 3) Принимается

Рис.2. Энергетическая неоднородность по-