Поверхнево-активні речовини - студопедія

Адсорбція на межі рідина-газ

Речовини, які при розчиненні знижують поверхневий натяг розчинника, називаються поверхнево-активними речовинами (ПАР). Речовини, що не змінюють поверхневий натяг розчинника, - поверхнево-інактивні.

Графічна залежність поверхневого натягу від концентрації ПАР при постійній температурі - ізотерма поверхневого натягу (рис. 6).

ПАР щодо води є багато органічні сполуки - карбонові кислоти, альдегіди, спирти, аміни.

Мал. 6. Ізотерма поверхностногонатяженія

Відмітна ознака молекул ПАР - дифільну будова, завдяки якому вони володіють спорідненістю як до полярних, так і до неполярних середах.

Молекула ПАР включає два фрагмента:

1) гідрофільний (полярний), що володіє значним дипольним моментом, наприклад, групи -СООН, -ОН, -NH2. -CN, -SH, -COH, -NO і ін .;

2) гідрофобний (неполярний), що володіє слабким молекулярно-силовим полем - це вуглеводневий радикал.

Дифільної охарактеризована Гартлі як «роздвоєння особистості».

На рис. 7 представлено умовне позначення молекул ПАР: «головка» - полярна частина молекули ПАР, «хвіст» - неполярная.

При адсорбції полярні групи, що володіють більшою спорідненістю до води (полярної фазі), втягуються в неї, а неполярні розподіляються в неполярной фазі (повітря, неполярная рідина), утворюючи поверхневий шар.

При малих концентраціях ПАР в розчині їх молекули довільно орієнтуються в поверхневої фазі (рис. 8, а). Зі збільшенням концентрації поверхневий шар заповнюється молекулами ПАР, утворюють мономолекулярний адсорбційний шар з дуже ретельним упаковкою, відповідної суворої просторової орієнтації молекул ПАР (частокіл Ленгмюра, рис. 8, б).

Гранична адсорбція досягається при насиченні поверхневого шару молекулами ПАР. При подальшому підвищенні концентрації ПАР в розчині будова адсорбційного шару, а також поверхневий натяг розчину більше не змінюються.

Залежність поверхневого натягу розчину від концентрації ПАР описується рівнянням Шишковського

де s0. s - поверхневий натяг розчинника і розчину відповідно; В, К - константи (коефіцієнт В постійний для гомологів).

З рис. 6 видно, що для ПАР. При малих концентраціях ПАР характерно різке зниження s розчину. У міру зростання концентрації графік стає більш пологим.

Значення похідної мінливо і залежить від концентрації речовини. Щоб надати цій величині вид характеристичної постійної, беруть її граничне значення (при c ® 0). Цю величину П.А. Ребиндер назвав поверхневою активністю g

Поверхнева активність - кількісна характеристика впливу ПАР на поверхневий натяг. Поверхнева активність - позитивна величина, тому перед похідною стоїть знак "-".

Графічно значення g може бути визначено як тангенс кута нахилу дотичної до изотерме поверхневого натягу в точці, яка відповідає s чистого розчинника (рис. 9).

Поверхнева активність залежить від природи розчиненої речовини і розчинника. Для водних розчинів поверхнева активність зростає зі зменшенням полярності молекул ПАР. Так, у органічних кислот вона більше, ніж у їх солей. Зі збільшенням в молекулі числа полярних груп поверхнева активність зменшується.

Збільшення числа неполярних груп в молекулі ПАР викликає зростання поверхневої активності. Експериментально встановлено, що в гомологічної ряду поверхнева активність зростає в 3 - 3,5 рази при подовженні вуглеводневого ланцюга на одну групу -СН2 (правило Дюкло - Траубе)

Так, в гомологічної ряду спиртів поверхнева активність бутанола С4 Н9 ОН вище, ніж пропанола С3 Н7 ОН і етанолу С2 Н5 ОН.

Більш універсальний спосіб оцінки поверхневої активності - обчислення гідрофільно-ліпофільного балансу (ГЛБ). відбиває збалансованість гідрофільних і гідрофобних властивостей молекул ПАР

де Вi - групове число.

Даний метод розробив косметолог Гріффін. Молекулу ПАР Гріффін розглядав складається з окремих груп. Кожній групі він надав свою вагу - групове число. Наприклад, Вi групи -СООК становить 21,1, -СООН - 2,1, ОН - 1,9. Групові числа гідрофобних (неполярних) груп мають негативні значення. Зокрема, Вi груп -СН3. = СН2. = СН- становить -0,475. Значення ГЛБ визначають складанням групових чисел Вi всіх груп, що складають молекулу ПАР. Для прояви поверхнево-активних властивостей потрібно, щоб обидва фрагмента молекули були досить яскраво виражені: чим ближче ГЛБ до 7, тим краще збалансовано дію полярної і неполярний груп. При ГЛБ> 7, у речовини більш виражені гідрофільні властивості, а при ГЛБ <7 – гидрофобные.