Лабораторная работа №2

“Адсорбция на границе жидкость – газ”

Цель работы: Количественное изучение поверхностного натяжения и закономерностей адсорбции на границе раствор – воздух; сравнение поверхностной активности различных поверхностно – активных веществ, определение основных характеристик адсорбционного слоя.

Особенностью дисперсных систем, как было показано ранее, является наличие огромной межфазной поверхности. Поверхностный слой обладает избыточной или поверхностной энергией G_s, которая является произведением двух величин – поверхностного натяжения σ и сумарной поверхности раздела S: G_s = σ*S.

Как известно, любые процессы протекают самопроизвольно, если они сопровождаются уменьшением свободной энергии. Снижение поверхностной энергии может быть достигнуто двумя путями: за счёт уменьшения поверхностного натяжения и за счёт уменьшения поверхности раздела. В связи с этим все поверхностные явления делятся на две группы.

Первая группа явлений – это явления, происходящие при постоянстве поверхностного натяжения, а уменьшение поверхностной энергии G_S обусловлено снижением поверхности раздела фаз S. Это снижение может быть реализовано за счёт укрупнения частиц, а также образования сферической или идеальной гладкой поверхности.

Вторая группа явлений связана со снижением поверхностной энергии σ при неизменной величине поверхности раздела S. К ним относятся: тепловые процессы (при смачивании, адгезии, образование новой поверхности), механические процессы (капиллярные явления), электрические (явления возникновения двойного электрического слоя, электрокинетические явления), химические процессы (адсорбция, адгезия) и др.

Адсорбция – наиболее распространённое поверхностное явление. Чаще всего адсорбция представляет собой процесс самопроизвольного концентрирования вещества в поверхностном слое, в результате которого уменьшается поверхностное натяжение. Связь между избытком I – компонента в поверхностном слое Г_i и снижением поверхностного натяжения σ выражается фундаментальным адсорбционным уравнением Гиббса.

Для разбавленного двухкомпонентного раствора оно имеет вид уравнения: Из уравнения Гиббса вытекает понятие поверхностной активности: , которая графически определяется как тангенс угла наклона (tgα₀) изотермы поверхностного натяжения для поверхностно – активных веществ ПАВ в точке пересечения её с осью ординат. Величина адсорбции Г зависит от ряда факторов (концентрации, давления, температуры и др.). Зависимость величины адсорбции от концентрации адсорбированного вещества при Т=const называется изотермой адсорбции. Типичная изотерма адсорбции для ПАВ, имеет вид изотермы мономолекулярной адсорбции с двумя линейными участками ОА и ВД и одним криволинейным участком АВ.

Изотерма мономолекулярной адсорбции хорошо описывается уравнением Ленгмюра, которое для поверхностно активных веществ (ПАВ) можно записать:

где - емкость монослоя или предельная величина адсорбции, представляющая собой молей ПАВ, приходящихся на 1 единицу поверхности в насыщенном адсорбционном слое; b – константа адсорбционного равновесия.

Важны экстраполяционные следствия из уравнения Ленгмюра. При малых концентрациях или давлениях, когда (участок ОА), получаем Г = , что соответствует линейному росту адсорбции с увеличением концентрации. При больших концентрациях, когда (участок BD), уравнение переходит в соотношение Г = . Этот случай отвечает насыщению, когда вся поверхность покрывается монослоем адсорбата.

Величина предельной адсорбции характеризующая такой слой, не зависит от длины молекул ПАВ, а определяется лишь площадью полярной части. Для данного гомологического ряда остаётся постоянной.

Для многих систем адсорбция растворённого вещества на границе раздела жидкость – газ может быть оценена по измерению поверхностного натяжения. На основании экспериментального изучения поверхностного натяжения и адсорбции на границе жидкость – газ было установлено эмпирическое правило Дюкло – Траубе, которое математически можно записать в виде

Правило Дюкло – Траубе справедливо только для комнатных температур, разбавленных растворов и полярных растворителей. В неполярных растворителях правило становится обратным, т.е. с увеличением длины неполярной части молекулы её поверхностная активность не возрастает, а падает.