5.5. Понятие о поверхностно-активных веществах

Выше были рассмотрены представления о поверхностном натя­жении индивидуальных жидкостей. На поверхностном натяжении растворов сильно сказывается явление адсорбции.

Все растворимые вещества по их способности адсорбироваться: на границе жидкость - воздух можно разделить на две группы: поверхностно-активные вещества и поверхностно-инактивные ве­щества.

5.5.1.Поверхностно-активные вещества способны накапливаться в поверхностном слое, и, следовательно, при этом должна происхо­дить положительная адсорбция, т.е. Г > 0. Поверхност­но-активные вещества должны обладать поверхностным натяже­нием, меньшим поверхностного натяжения растворителя (иначе накопление вещества в поверхностном слое термодинамически не­выгодно), и сравнительно малой растворимостью; при хорошей растворимости они стремились бы уйти с поверхности в глубь жидкости. Иначе говоря, взаимодействие между молекулами поверхностно-активного вещества (в целом) и молекулами раство­рителя всегда меньше взаимодействия между молекулами раство­рителя. Поэтому поверхностно-активные вещества будут преимущественно выталкиваться из объема раствора на поверхность, т.е. в этом случае Г>0. В результате накопления на поверхности рас­твора молекул этих веществ, слабо взаимодействующих друг с другом, межмолекулярное взаимодействие в поверхностном слое уменьшается и поверхностное натяжение падает.

Поверхностно-активными веществами относительно воды яв­ляются многие органические соединения, а именно жирные кислоты с достаточно большим углеводородным радикалом, соли этих жир­ных кислот (мыла), сульфокислоты и их соли, спирты, амины. Ха­рактерной особенностью строения молекул большинства поверх­ностно-активных веществ является их дифильность, т. е. строение молекулы из двух частей - полярной группы и неполярного угле­водородного радикала. Обладающая значительным дипольным мо­ментом и хорошо гидратирующаяся полярная группа обусловли­вает сродство поверхностно-активного вещества к воде. Гидрофоб­ный углеводородный радикал является причиной пониженной растворимости этих соединений. Наименьшее значение поверхност­ного натяжения водного раствора поверхностно-активных веществ может достигать 25 эрг/см², т. е. почти равняться поверхностному натяжению углеводородов,

В дальнейшем дифильные молекулы поверхностно-активного вещества мы будем изображать общепринятым символом:

------------------О

где кружок обозначает полярную группу, а черточка - неполярный радикал.

5.5.2. Поверхностно-инактивные вещества стремятся уйти с поверх­ности жидкости в объем, в результате чего происходит отрица­тельная адсорбция, т.е. Г<0. Поверхностно-инактивные вещества обладают поверхностным натяжением, большим поверх­ностного натяжения растворителя (иначе они самопроизвольно на­капливались бы в поверхностном слое), и обычно высокой раство­римостью, что способствует их стремлению уйти с поверхности в объем. Другими словами, взаимодействие между молекулами поверхностно-инактивных веществ и растворителя всегда больше, чем взаимодействие межкду самими молекулами растворителя, поэтому поверхностно-инактивные вещества стремятся перейти в объем раствора.

Поверхностно-инактивными веществами в отношении воды яв­ляются все неорганические, электролиты - кислоты, щелочи, соли. Молекулы этих веществ не имеют гидрофобной части и распа­даются в воде на хорошо гидратирующиеся ионы. Одновалентные ионы вызывают сравнительно небольшое повышение поверхност­ного натяжения.

Двухвалентные ионы эффективнее одновалентных в эквимолярных растворах.

Из органических веществ поверхностно-инактивными относи­тельно воды являются лишь ионизирующиеся вещества, у которых неполярная часть молекулы отсутствует или очень мала. К таким веществам относятся, например, муравьиная и аминоуксусная кис­лоты,

В неводных растворителях неорганические электролиты также повышают поверхностное натяжение, причем величина этого эф­фекта зависит от природы растворителя. Так, при введении иодида натрия в метиловый спирт сильно повышается поверхностное на­тяжение, у этилового спирта поверхностное натяжение повышается примерно вдвое меньше, в спиртах большего молекулярного веса эффект еще меньше.

Вещества, не влияющие на поверхностное натяжение раствори­теля, распределяются равномерно между поверхностным слоем и объемом раствора и, следовательно, для них Г = 0. Такие вещества обладают поверхностным натяжением, близким к поверхностному натяжению растворителя. Примером веществ, весьма малоактив­ных в отношении воды, могут служить сахара - при растворении сахаров в воде ее поверхностное натяжение почти не изменяется. Однако следует заметить, что сахара, не изменяя заметно поверх­ностного натяжения на границе водный раствор - воздух, часто оказываются поверхностно-активными на границе водный рас­твор - твердая фаза или другая жидкость.