Поверхностные явления

Поверхностные явления и коллоидные системы

Цель работы: Изучение явления поверхностного натяжения, смачивания, капиллярных явлений, влияния ПАВ на поверхностное натяжение. Изучение способов получения и свойств микрогетерогенных и ультрамикрогетерогенных (коллоидных систем).

Общие сведения

Поверхностные явления

Рассмотрим систему, состоящую из жидкости, находящейся в контакте с воздухом. Состояние молекул жидкости в поверхностном слое отличается от состояния молекул в глубине жидкости. Причиной этих отличий является то, что силы межмолекулярного взаимодействия с соседними молекулами, действующие на „внутренние” молекулы скомпенсированы, в то время как результирующая сил межмолекулярного взаимодействия для „поверхностных” молекул не равна нулю и направлена в глубину жидкости. Таким образом, на поверхности жидкости образуется слой молекул, обладающих избыточной энергией. Наличие такого слоя проявляется в том, что поверхность жидкости покрыта энергетической пленкой, которая стремится максимально возможно уменьшить площадь поверхности. Это явление получило название – поверхностное натяжение, количественной характеристикой которого служит избыточная энергия единицы площади поверхности – коэффициент поверхностного натяжения (σ). σ = , где E_пов – избыточная поверхностная энергия, S – площадь поверхности.

Наличие поверхностного натяжения находит проявления в ряде свойств жидкостей. Так, например, капля жидкости стремится приобрести сферическую форму, что соответствует минимальной площади поверхности, на поверхности жидкости могут лежать предметы, материалы которых превосходят плотность жидкости, находясь в контакте с твердыми поверхностями жидкости смачивают или не смачивают последние.

Явление смачивания или несмачивания обусловлено соотношением коэффициентов поверхностного натяжения контактирующих материалов рис.1. В условиях равновесия выполняется соотношение: σ _Т = σ _ТЖ + σ _ТcosΘ. Жидкость, смачивающая данную поверхность, растекается по ней образуя краевой угол смачивания Θ < 90°, жидкость несмачивающая поверхность стремится собраться в каплю, образуя краевой угол Θ > 90° (рис.2).

Явление смачивания лежит в основе капиллярных явлений, которые заключаются в поднятии (в случае смачивания) и опускании (в случае несмачивания) жидкостей в узких трубочках, щелях и порах (рис. 3).

Жидкость в капилляре поднимается (опускается) до тех пор, пока сила поверхностного натяжения не уравновесится силой тяжести, действующей на столбик жидкости (рис. 4), т.е.:

F_т = F_н,

где сила тяжести:

F_т = mg = ρ Vg = ρ hπ r²g,

ρ – плотность жидкости;

h – высота подъема жидкости;

r – радиус капилляра;

g – ускорение свободного падения,

а сила поверхностного натяжения:

F_н = σ lcos θ =σ 2π rcos θ.

l – длина окружности капилляра.

Отсюда следует:

Это соотношение называется уравнением Жюрена.

Если радиус капилляра изменяется, то возникает сила, заставляющая жидкость двигаться от более широкого конца капилляра к более узкому (рис.5.а).

В капиллярах с обоими свободными концами возникает сила, стягивающая стенки капилляров. Если стенки капилляров состоят из эластичного материала, то действие стягивающего давления приведет к их деформации (рис. 5.б)

Добавка к жидкости некоторых веществ приводит к резкому снижению поверхностного натяжения. Такие вещества называются поверхностно-активными (ПАВ).

При добавке ПАВ к жидкости наблюдается его адсорбция на поверхности раздела фаз, т.е. молекулы ПАВ размещаются преимущественно в поверхностном слое жидкости. Распространение ПАВ по поверхностному слою происходит достаточно быстро, возникающая при этом разность поверхностных натяжений может привести к перемещению предметов, плавающих на поверхности, из областей с более низким поверхностным натяжением в области с более высоким поверхностным натяжением. Добавка к жидкости ПАВ делает возможным длительное существование тонких устойчивых пленок. Это явление можно наблюдать, например, при получении мыльных пузырей. Молекулы ПАВ являются дифильными, т.е. содержат неполярные участки (углеводные радикалы) и полярные группы (-СООН, -ОН, - NO₂) (рис.6.).

К ПАВ относятся мыла, высшие жирные кислоты, спирты. В поверхностных слоях молекулы ПАВ ориентированы. Полярные группы их направленные к полярной жидкости, а неполярные части выталкиваются в неполярную среду.

Адсорбция молекул ПАВ на поверхности неполярных частичек грязи, например жира, обуславливаит их моющее действие.

Явление адсорбции – превышение концентрации вещества в поверхностном слое по сравнению с его концентрацией в объеме, наблюдается также на поверхностях твердых тел. Особенно ярко оно проявляется в случае твердых адсорбентов имеющих пористое строение. Адсорбция используется при очистке газов от вредных примесей (противогаз), при очистке жидкостей от нежелательных примесей (в пищевой прмышленности очистка этилового спирта, воды, диффузного сока в сахарном производстве и др.). Явление адсорбции лежит в основе хроматографического метода анализа.