Поверхностное натяжение жидкостей на границе с воздухом

(298 К)

Жидкость	s, кДж/м2	Жидкость	s, кДж/м2
Ртуть	0,48	Глицерин	0,065
Вода	0,073	Этанол	0,022
Плазма крови	0,045	Растительное масло	0,033

 

Поверхностное натяжение возрастает с увеличением взаимодействия между молекулами жидкости. Так, вещества, для которых характерны водородные связи, обладают большим значением поверхностного натяжение. К таким веществам относится, в первую очередь, вода.

2. Температура. С увеличением температуры s уменьшается, а при критической температуре становится равным нулю, т.к. поверхность раздела фаз исчезает.

3. С увеличением давления s уменьшается (на границе раздела газ – жидкость), т.к. концентрация газа возрастает, увеличивается взаимодействие газа с молекулами поверхностного слоя и поверхностная энергия уменьшается.

4. Растворенные вещества могут повышать, понижать и вообще не влиять на s.

4.1. Растворенное вещество понижает s растворителя (s _{раствора} < s ₀). Такие вещества называют поверхностно-активными веществами (ПАВ). В этом случае поверхностная энергия понижается. Концентрация ПАВ значительно выше на поверхности, чем в объеме раствора.

4.2. Растворенное вещество повышает s растворителя (s _{раствора} > s ₀). Это поверхностно-инактивные вещества (ПИВ). По отношению к воде ПИВ – сильные электролиты (кислоты, гидроксиды, соли), сильно полярные органические соединения (глицерин, аминокислоты). Концентрация растворенных веществ больше в объеме раствора, чем у поверхности.

4.3. Поверхностно-неактивные вещества (ПНВ) не изменяют поверхностного натяжения(s _{раствора} = s ₀). У таких веществ (например, сахароза и другие углеводы) одинаковы объемные и поверхностные концентрации.

 

Наиболее широко используются и биологически значимы ПАВ - поверхностно-активные вещества.

Молекулы поверхностно-активных веществ дифильны, т.е. содержат одновременно полярную группу (-ОН, -СООН, -NН₂, -SО₃Н и др.) и неполярную углеводородную цепь. Концентрируясь на границе раздела вода – воздух, дифильные молекулы ориентируются своими полярными группами в воду, а неполярные углеводородные радикалы выталкиваются в воздух, тем самым достигается уменьшение поверхностного натяжения.

В присутствии ПАВ увеличивается площадь контакта капли воды с горящей поверхностью, что приводит к увеличению огнетушащей эффективности воды. В присутствии ПАВ (смачивателей) вода легче проникает в волокнистые и пористые материалы (хлопок, торф, сено, ткань). У готового к применению водного раствора пенообразователя поверхностное натяжение не должно превышать 0,037 кДж/м². Опытные данные показывают, что использование смачивателей повышает огнетушащую эффективность воды в 1,5 – 2 раза, сокращает время тушения.

ПАВ обладают моющим действием, которое заключается в следующем. По преимуществу частицы загрязняющих веществ (например, жира) гидрофобны и, следовательно, не смачиваются водой. Поэтому чистая вода обладает слабым моющим действием. Если применить ПАВ, его молекулы адсорбируются на частицах грязи, ориентируясь гидрофобными участками к его молекулам, а гидрофильными – к молекулам воды.

Поскольку вода будет находиться в контакте только с полярными группами, которые легко ассоциируются с ней, частицы загрязняющих веществ окажутся растворенными в воде и будут легко смываться ею. В результате молекулы ПАВ постепенно проникают между очищаемой поверхностью и частицами загрязнителя. Это явление называется расклинивающим эффектом. В итоге частицы грязи отделяются от загрязненной поверхности.

Наличие поверхностной энергии на границе раздела газовой жидкой и твердой фаз используется в промышленном процессе, который называется флотацией.

Целью этого процесса является разделение компонентов твердых смесей, например, руд металлов. Руду размалывают до размера частиц примерно 0,1 мм, а затем размешивают в воде, куда добавляют по меньшей мере два поверхностно-активных вещества.

Одно из этих веществ называется собирателем или коллектором – оно изменяет поверхностное натяжение воды таким образом, чтобы вода смачивала ненужные твердые вещества и лишь частично смачивала ценную породу.

Второе ПАВ называется пенообразователем и добавляется для получения неустойчивой пены при пропускании через водную смесь потока воздуха. Пузырьки воздуха подхватывают ценные компоненты руды и поднимаются наверх, и это позволяет получить обогащенную смесь. А ненужные компоненты остаются в растворе, и затем могут быть удалены.

В практике тушения нефтепродуктов используются пленкообразующие пенообразователи. Такие вещества как, например, пенообразователь «Подслойный» способны самопроизвольно формировать на поверхности углеводородов водную пленку, которая предотвращает поступление паров воды в зону горения. Этот эффект достигается за счет резкого понижения поверхностного натяжения воды до величины порядка 0,015 – 0,018 кДж/м².

Сорбционные процессы

Наличие несбалансированных сил на поверхности дисперсной фазы определяет наличие взаимодействия таких поверхностей с прилегающими к ним фазами.

Сорбцией (от лат. “sorbeo” – поглощаю) называют любой процесс поглощения одного вещества другим (сорбентом).

В зависимости от механизма сорбции различают адсорбцию. абсорбцию и хемосорбцию.

Адсорбцией называют изменение концентрации вещества на границе раздела фаз. Другими словами, адсорбция – поглощение поверхностью вещества.

Поверхностная адсорбция играет чрезвычайно важную роль в механизме действия многих катализаторов. Именно на твердых катализаторах адсорбируются молекулы и затем реагируют друг с другом.

Адсорбция газов твердыми телами играет большую роль в процессах газообмена организма с окружающей средой. Сорбция газов и паров на твердых поверхностях используется в системах автономной очистки воздуха (системы жизнеобеспечения в замкнутых пространствах подводных лодок и космических кораблей, а также в противогазах).

Первый противогаз для защиты от ядовитых газов – противогаз Куманта – Зелинского – Авалова – был изобретен в России в годы первой мировой войны, что спасло жизнь русским солдатам.

Инженер Кумант предложил резиновую маску, к которой прикреплялся сам противогаз. Великий русский химик Николай Дмитриевич Зелинский предложил в качестве сорбента использовать активированный березовый уголь. А инженер Авалов изобрел клапан, облегчающий дыхание в противогазе.

Активированный уголь – чрезвычайно эффективный адсорбент с развитой поверхностью. Установлено, что 50 см³ такого угля могут поглотить до 950 см³ газообразных веществ.

Однако явление адсорбции кислорода и паров воды каменным углем в условиях затрудненного теплоотвода (больших штабелях) может привести к процессу самовозгорания. Адсорбция – экзотермический процесс, и при определенных условиях выделяющееся тепло может способствовать процессу окисления компонентов угля. Этот факт необходимо учитывать при оценке пожарной опасности технологических процессов хранения и транспортировки угля и других материалов, способных к самовозгоранию.

Абсорбцией называется такое поглощение одного вещества другим, которое происходит во всем объеме сорбента. Примером такого процесса является растворение газов в жидкостях.

Хемосорбцией называется поглощение одного вещества другим, сопровождающееся химическими реакциями.

Примером этого процесса может быть поглощение аммиака водой, поглощение углекислого газа оксидом кальция и др. Хемосорбированный слой более устойчив, чем адсорбированный.

На практике встречаются комбинации этих механизмов сорбции.

Явление адсорбции лежит в основе большого класса методов выделения и концентрирования веществ – хроматографических методов.

Любую разновидность хроматографии можно определить как физико-химический метод разделения смесей веществ, основанный на их распределении между двумя несмешивающимися фазами, одна из которых является неподвижной, а другая – подвижной.