Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Поверхностные явления и свойства дисперсных систем. Учебное пособие
.pdf
121
Возможны различные механизмы солюбилизация. В водных
мицеллярных растворах солюбилизируются вещества, нерастворимые
в воде, например, предельные углеводороды, бензол, жиры. Это связано с тем, что внутреннее ядро мицеллы обладает свойствами неполярной жидкости. Полярные органические вещества (спирты, амины) располагаются в мицеллах так, что их углеводородные цепи направлены
внутрь мицеллы, а полярные группы — в водную фазу. Возможен третий способ солюбилизации, характерный для неионогенных ПАВ, содержащих полиоксиэтиленовые группы. В этом случае молекулы солюбилизата, например фенола, не проникают внутрь мицелл, а закрепляются на их поверхности, располагаясь между беспорядочно изогнутыми полиоксиэтиленовыми цепями.
При солюбилизации неполярных углеводородов в пластинчатых мицеллах органическое вещество входит внутрь мицеллы, располагаясь между углеводородными концами молекул ПАВ, в результате
чего размер мицеллы увеличивается.
Введением в растворы ПАВ различных добавок, способных
изменить размер мицелл, можно регулировать солюбилизирующую
способность. К таким добавкам относятся растворы электролитов,
низшие и высшие спирты. Введением низших спиртов можно произвести инверсию фаз, аналогично тому, как это происходит в эмульсиях.
Повышение температуры обычно способствует солюбилизации.
Количество солюбилизированного вещества растет пропорционально концентрации раствора ПАВ в области существования сферических мицелл и резко возрастает при образовании пластинчатых
мицелл.
Солюбилизация углеводорода растет при увеличении его молекулярной массы.
8.5 Моющие действия ПАВ
Под моющими действиями ПАВ подразумевается совокупность коллоидных химических процессов, которые приводят к удалению загрязнений с различных поверхностей и удержанию этих загрязнений в растворе.
Загрязнения представляют собой маслянистые продукты (животные жиры, жирные кислоты, нефтепродукты) в смеси с другими
твердыми веществами минерального и органического происхождения.
122
Моющее действие обусловлено комплексом как поверхностных (смачивание, адсорбция, диспергирование, эмульгирование), так и
объемных (мицеллообразование, солюбилизация) свойств растворов
ПАВ.
Бинарные смеси и сложные многокомпонентные системы на основе ПАВ обладают более высокой моющей способностью по сравнению с индивидуальными ПАВ, входящими в состав смесей, т.е. наблюдается явление взаимного улучшения свойств компонентов смеси, называемое синергизм. Если происходит ухудшение свойств, то такое яв-
ление называется антагонизм.
Моющая способность зависит от величины ККМ и солюбилизирующей способности ПАВ. В соответствии с этим все ПАВ делятся
на три группы:
– первая группа содержит ПАВ, у которых моющая и солюбилизирующая способность выражена слабо. Они хорошо растворимы в
воде, образуют мицеллярные растворы при ККМ выше 7 г/литр. ПАВы
с углеводородным радикалом меньше 7 атомов углерода используются
в качестве смачивателей, вспенивателей, гидрофобизаторов твердой
поверхности, диспергаторов;
– ко второй группе относятся моющие вещества, эмульгаторы
и солюбилизаторы, образующие мицеллярные растворы при ККМ в
пределах от 0,2 до 7 г/литр, с углеводородным радикалом от 7 до 22
атомов углерода;
– в третью группу входят ПАВ, углеводородный радикал которых содержит более 22 атомов углерода. Такие соединения при обычных температурах малорастворимы в воде, но растворимы в углеводородах и маслах. Их ККМ ниже 0,2 г/литр. При растворении в углеводородах такие ПАВ образуют эмульсии «вода в масле», солюбилизируют
воду и другие полярные вещества. В виду малой растворимости таких
ПАВ в воде они не могут применяться как самостоятельные моющие
вещества, но их рационально использовать в композициях поверхностно-активных материалов в качестве понизителя ККМ.
Механизм моющего действия ПАВ состоит из нескольких
стадий, представленных на рис. 8.8.
123
Рис. 8.8. Стадии моющего действия ПАВ: 1 — смачивание водным
раствором коллоидных ПАВ(В) масляных загрязнений (М) и твердой
поверхности (Т); 2 — преодоление адгезии и удаление масляных за-
грязнений с твердой поверхности; 3 — диспергирование и пептизация;
4 — солюбилизация; 5, 6 и 7 — удержание загрязнений в объеме в ви-
де эмульсии, суспензии и на пузырьке пены соответственно
Первая стадия — это смачивание твердой поверхности, когда
происходит замена границы раздела загрязнение-воздух и твердая поверхность-воздух на границу раздела масло-вода (М-В) и твердая поверхность-вода (Т-В). Улучшение смачивания происходит в результате снижения поверхностного натяжения на границе раздела фаз.
На второй стадии моющего действия происходит отрыв частиц
загрязнений. Для характеристики условий отрыва жировых загрязнений обозначим σ
12
= σ
ТМ
, σ
13
= σ
МВ
, σ
23
= σ
(где М - масляные за-
ТВ
грязнения, В - вода, Т - твердая поверхность).
Изменение поверхностного натяжения эквивалентно изменению энергии Гиббса (ΔGВ) в расчете на единицу площади раздела фаз.
Оно определяет возможность преодоления адгезии масляных загрязнений в направлении, обратном формированию адгезионного взаимодействия. Значение ΔGB можно выразить как разность между начальным (до удаления загрязнения) поверхностным натяжением σТМ и его
конечным значением (после удаления этих загрязнений), а именно σ
+ σ
,
МВ
ТМ
124
ΔG = σ
- (σМВ+σТВ). (8.1)
ТМ
Для самопроизвольного процесса ΔGВ< 0 можно написать:
σ
- (σМВ+σТВ)<0 (8.2)
ТМ
Или
σ ТМ<σ МВ+σ ТВ. (8.3)
Для самопроизвольного удаления загрязнений необходимо,
чтобы межфазовое поверхностное натяжение σТМ было меньше поверхностного натяжения масла σ
и твердого тела σТВ на границе с
МВ
водой. Этот процесс осуществляется в результате адсорбции мицеллообразующих ПАВ. Таким образом, первая и вторая стадии моющего
действия связаны с поверхностными свойствами коллоидных ПАВ.
За счет механического воздействия, например при стирке,
можно усилить моющее действие, особенно в тех случаях, когда не
происходит самопроизвольного нарушения адгезионного взаимодействия. В этом случае под действием ПАВ адгезия частиц загрязнений
снижается, что способствует удалению их механическим путем.
Отличительные особенности мицеллообразующих ПАВ наиболее ощутимы на стадии моющего действия, которая заключается в
удержании загрязнений в жидкой среде и в предотвращении их возможного оседания на обрабатываемую поверхность.
Удержание частиц в растворе определяется целым комплексом
коллоидных свойств растворов ПАВ (позиция 3—7 на рис. 8.8). Прежде всего, происходит диспергирование частиц на более мелкие (позиция 3); этот процесс схематически показан в отношении большой частицы). Комки твердых загрязнений в результате пептизации переходят
во взвешенное состояние с одновременным дроблением крупных частиц на более мелкие или разрушением агрегатов. Затем на поверхности частиц образуются адсорбционно-сольватные слои, которые препятствуют агрегации частиц и удерживают их во взвешенном состоянии, т.е. происходит образование стабилизированной суспензии. Пептизация с одновременным суспендирущим действием коллоидных
ПАВ способствует удержанию твердых загрязнений.
В случае жидких жировых загрязнений возможно самопроизвольное диспергирование до мелких капель, когда дисперсная система
является лиофильной. Капли масляных загрязнений образуют прямую
125
эмульсию М/В, а адсорбционные слои ПАВ (позиция 5 на рис. 8.8)
способствуют удержанию их в водной среде. Кроме того, особенно
для лиофобных систем, масляные загрязнения удерживаются в объеме
водной среды за счет солюбилизации (позиция 4).
Солюбилизация является важным фактором моющего действия
ПАВ. Как правило, частицы загрязняющих веществ гидрофобны и не
смачиваются водой. Поэтому даже при высокой температуре моющее
действие воды очень мало и для его увеличения добавляют разные
ПАВ. При контакте моющего средства с загрязненной поверхностью
молекулы ПАВ образуют адсорбционные слои на частицах грязи и
очищаемой поверхности. Молекулы ПАВ постепенно проникают между частицами загрязнения и поверхностью, способствуя отрыванию
частиц грязи. Загрязняющее вещество попадает внутрь мицеллы и
больше не может оседать на отмываемой поверхности.
Коллоидные ПАВ являются еще и пенообразователями. К пузырькам пен прилипают частицы загрязнений (позиция 7 на рис. 8.8),
которые удерживают их в растворе, затем происходит флотационное
всплытие пузырьков.
В целом именно на третьей стадии моющего действия в полной
мере проявляются объемные свойства растворов коллоидных ПАВ.
В основе моющего действия лежат следующие коллоиднохимические процессы: смачивание, адгезия, адсорбция, пептизация,
солюбилизация, эмульгирование, суспендирование, пенообразование.
8.6 Тестовые задания по лиофильным дисперсным системам
на основе ПАВ
1. Выберите один правильный ответ. Равнодействующая сил
межмолекулярного взаимодействия молекул поверхностного слоя направлена:
1) перпендикулярно к поверхности раздела фаз в сторону фазы
с большим межмолекулярным взаимодействием
2) тангенциально к поверхности раздела фаз
3) вдоль поверхности раздела фаз
4) перпендикулярно к поверхности раздела фаз в сторону фазы
с меньшим межмолекулярным взаимодействием
2. Выберите один правильный ответ. Молекулы поверхностного слоя обладают:
1) меньшей энергией по сравнению с молекулами в объеме фазы
126
2) одинаковой энергией с молекулами в объеме фазы
2
м/Дж
м/Н
м/Дж
2
м/Н
моль/Дж
3) большей энергией по сравнению с молекулами в объеме фазы
4) в зависимости от природы вещества могут обладать большей, меньшей или одинаковой энергией
3. Выберите правильные ответы. Единицы измерения поверхностного натяжения:
1)
2) моль / см
2
3)
4)
5)
6)
4. Выберите правильные ответы. С повышением температуры
поверхностное натяжение чистых жидкостей:
1) уменьшается 2) возрастает
3) не изменяется 4) изменяется экстремально
5. Выберите один правильный ответ. Поверхностное натяжение
жидкости тем больше, чем
1) больше межмолекулярное взаимодействие внутри жидкости
2) выше давление
3) меньше межмолекулярное взаимодействие внутри жидкости
4) больше площадь межфазной поверхности
6. Выберите один правильный ответ. Притяжение атомов, молекул,
ионов в объеме фазы называется:
1) когезией 2) адгезией
3) смачиванием 4) адсорбцией
7. Выберите правильные ответы. К поверхностным явлениям,
сопровождающимся уменьшением поверхностного натяжения, относятся:
1) адсорбция 2) пептизация
3) смачивание 4) расслоение эмульсии
8. К поверхностным явлениям, сопровождающимся уменьшением площади межфазной поверхности, относятся:
1) растекание жидкости по поверхности твердого тела или другой жидкости
2) стремление капель жидкости принять сферическую форму
3) слияние мелких капель в более крупные (коалесценция)
4) рост кристаллов
9. Выберите один правильный ответ. Если в сосуд с водой частично опустить два стеклянных капилляра с различающимися радиусами, то уровень жидкости будет
1) выше, в капилляре с меньшим радиусом
127
2) одинаковый в обоих капиллярах
)c(f
)c(f
)Г(f
3) выше в капилляре с большим радиусом
4) ниже, чем в сосуде
10. Выберите один правильный ответ. В условиях контактного
смачивания углеводороды
1) смачивают неполярные твердые поверхности
2) смачивают полярные твердые поверхности
3) смачивают любые поверхности
4) практически не смачивают твердые поверхности
11. Укажите соответствие среди перечисленных веществ ПАВ,
ПНВ и ПИВ по отношению к воде.
1) поверхностно-активные вещества (ПАВ)
2) поверхностно-неактивные вещества (ПНВ)
3) поверхностно-инактивные вещества (ПИВ)
Варианты ответов:
A) глюкоза, сахароза, крахмал
B) гидроксид натрия, нитрат калия, серная кислота, хлорид
аммония
C) пальмитат калия, бутановая кислота, жирные кислоты, стеа-
рат натрия, белки, амиловый спирт
12. Выберите один правильный ответ. Изотерма поверхностного натяжения – это зависимость _____, где σ – поверхностное натяжение; с - концентрация; Г – адсорбция; Т – температура.
1)
при Т = const
2)
3)
13. Выберите один правильный ответ. Правило Траубе-Дюкло
справедливо:
1) в области малых концентраций ПАВ
2) в объеме больших концентраций ПАВ
3) при любых концентрациях ПАВ
4) в области средних концентраций ПАВ
14. Выберите один правильный ответ. С увеличением длины
углеводородного радикала адсорбция ПАВ из полярных растворителей
1) возрастает 2) уменьшается
3) не изменяется 4) проходит через максимум
в заданном интервале температур
при Т = const
128
15. Выберите один правильный ответ. Химическая адсорбция
)(
гт
гт
гж
2
СН
Г
отличается от физической адсорбции _____
1) большим тепловым эффектом и обратимостью
2) незначительным тепловым эффектом и необратимостью
3) большим тепловым эффектом и необратимостью
4) незначительным тепловым эффектом и обратимостью
16. Выберите один правильный ответ. Поверхностное натяжение для чистой жидкости
1) тем больше, чем больше полярность жидкости
2) тем больше, чем меньше полярность жидкости
3) не зависит от полярности жидкости
4) нельзя дать однозначный ответ
17. Выберите один правильный ответ. Чем меньше поверхностное натяжение на границе твердое тело-газ
1) хуже жидкость смачивает твердое тело
2) лучше жидкость смачивает твердое тело
3)
18. Выберите один правильный ответ. В условиях контактного
смачивания лучше смачивает твердую поверхность та жидкость
1) поверхностное натяжение
2) поверхностное натяжение которой больше
3) значение полярности которой ближе к полярности поверхности
4) для которой различие в полярностях жидкой и твердой фазы
максимально
19. Выберите один правильный ответ. В гомологическом ряду
ПАВ при увеличении длины углеводородного радикала на
пу в воде
1) поверхностная активность G возрастает
2) растворимость увеличивается
3) растворимость уменьшается
4) поверхностная активность G уменьшается
20. Выберите один правильный ответ. Предельная адсорбция
в гомологическом ряду ПАВ
1) растет с увеличением длины углеводородного радикала
2) уменьшается с ростом углеводородного радикала
3) не зависит от длины углеводородного радикала
не влияет на смачивание
которой меньше
, тем
груп-
129
4) носит более сложный характер
Г
моль
мДж
2
м
мольН
мольм
Дж
2
моль
мН2
моль
мДж2
м/моль
2
м/моль
3
м/моль
2
м/кг
3
м/кг
21. Выберите один правильный ответ. Величина предельной
адсорбции
позволяет рассчитать:
1) размеры молекул ПАВ
2) число Авагадро
3) постоянные в уравнении Шишковского
4) поверхностную активность ПАВ
5) молярную массу ПАВ
22. Выберите один правильный ответ. Размерность поверхностной активности G:
1)
4)
2)
5)
3)
23. Выберите один правильный ответ. В соответствии с законом Генри адсорбция в разбавленных растворах
1) пропорциональна концентрации
2) слабо зависит от концентрации
3) нe зависит от концентрации
4) пропорциональна корню квадратному из концентрации
24. Выберите один правильный ответ. Условия соблюдения закона Генри при адсорбции ПАВ:
1) малая концентрация ПАВ
2) малая растворимость ПАВ
3) высокая поверхностная активность ПАВ
4) адсорбция из водной среды
5) адсорбция из углеводородной среды
25. Выберите один правильный ответ. Поверхностная активность ПАВ зависит:
1) от длины цепи углеводородного радикала в одном гомологическом ряду
2) молекулярной массы
3) полярности
4) концентрации
26. Выберите правильные ответы. Размерность адсорбции Г:
1)
4)
2)
5)
3)
130
27. Выберите один правильный ответ. При увеличении длины
2
СН
dc
d
dc
d
углеводородного радикала на
алифатического спирта
1) уменьшается в 3,2 раза 2) возрастает в 2,5 раза
3) возрастает в 3,2 раза 4) не изменяется
28. Выберите один правильный ответ. При адсорбции дифильных молекул ПАВ из водных растворов носителем поверхностной активности является:
1) полярная группа 2) молекула ПАВ
3) углеводородный радикал 4) молекула воды
29. Выберите один правильный ответ. К катионным ПАВ относятся:
1) соли пиридиновых оснований 2) алкилсульфонаты
3) карбоксилаты металлов 4) жирные амины
30. Выберите один правильный ответ. К анионным ПАВ относятся:
1) алкилсульфаты 2) мыла
3) аминокислоты 4) алкиларилсульфонаты
31. Укажите правильные ответы. Адсорбция – это
1) самопроизвольное распределение компонентов системы между поверхностным слоем и объемной фазой
2) самопроизвольное концентрирование газообразного или
растворенного компонента гетерогенной системы в поверхностном
слое
3) изменение концентрации компонента в поверхностном слое
по сравнению с объемной фазой, отнесенное к единице площади поверхности
4) взаимодействие между приведенными в контакт поверхностями конденсированных тел разной природы
5) самопроизвольный процесс выравнивания химических потенциалов компонентов в объеме фаз и в поверхностном слое
32. Выберите соответствие.
1) для поверхностно-активных веществ
2) для поверхностно-инактивных веществ
3) для поверхностно-неактивных веществ
Варианты ответов:
группу поверхностная активность
А)
>0 ; Г < 0 В)
< 0 ; Г > 0
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]