Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Саратовский государственный технический университет




Скачать 327.62 Kb.
НазваниеРоссийской Федерации Федеральное агентство по образованию Саратовский государственный технический университет
страница1/2
Дата конвертации06.02.2016
Размер327.62 Kb.
ТипМетодические указания
источникhttp://techn.sstu.ru/new/SubjectFGOS/..\..\WebLib\7021.doc
  1   2


Министерство образования и науки Российской Федерации


Федеральное агентство по образованию


Саратовский государственный технический университет


Поверхностные явления

и адсорбция


Методические указания

к выполнению лабораторных работ по дисциплинам

«Поверхностные явления, дисперсные системы», «Коллоидная химия»

для студентов специальностей

240502, 240302, 280201, направлений 240100, 280200 всех форм обучения


Одобрено


редакционно-издательским советом

Саратовского государственного

технического университета





Саратов 2009


ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ


К поверхностным явлениям относят те особенности поведения вещества, которые наблюдаются на поверхности раздела фаз. Причиной поверхностных явлений служит особое состояние молекул в слоях жидкости и твердых тел, прилегающих к поверхности раздела.

В результате соприкосновения веществ, находящихся в разных фазах, происходит поглощение каким-либо веществом других веществ. Этот процесс называется сорбцией. Если процесс сорбции идет только на поверхности, то его называют адсорбцией. При этом вещество, которое поглощает называют адсорбентом, а поглощаемое вещество – адсорбтивом.

Количественно процесс адсорбции характеризуется величиной адсорбции – Г:

Г = Х / S или Г = Х / m,

где Х – количество вещества адсорбтива (кмоль или моль); S – площадь адсорбента (м2); m – масса адсорбента (кг или г).

Взаимодействие адсорбента с адсорбтивом при адсорбции происходит за счет действия физических или химических сил. Поэтому имеется два вида адсорбции: физическая и химическая (хемосорбция).

Физическая адсорбция возникает за счет межмолекулярных (ван-дер-ваальсовых) взаимодействий. Она характеризуется хорошей обратимостью, например, при повышении температуры. Процесс, обратный адсорбции, называется десорбцией. Постепенно в системе устанавливается динамическое равновесие, когда скорости процессов адсорбции и десорбции выравниваются.

Химическая адсорбция – осуществляется путем химического взаимодействия между адсорбентом и адсорбтивом. Примером может служить процесс образования оксидной пленки на поверхности металлов за счет поглощения металлом (адсорбентом) кислорода воздуха (адсорбтива). Химическая адсорбция процесс необратимый.

Гетерогенные дисперсные системы (лиофобные золи, суспензии, эмульсии), а также системы, содержащие различные пористые веще­ства, характеризуются большой поверхностью раздела фаз. Поверх­ность раздела или поверхностный слой имеет определенную толщину, которая обычно не превышает нескольких молекулярных: диаметров. Молекулы, находящиеся в поверхностном слое, отличаются от молекул в объеме по своему энергетическому состоянию. Молекулы в объеме тела равномерно окружены такими же молекулами и, поэтому, их силовые поля полностью скомпенсированы. Молекулы поверхностного слоя взаимодействуют как с молекулами одной фазы, так и с молекулами другой. В результате такого взаимодействия равнодей­ствующая молекулярных сил в поверхностном слое не равна нулю и направлена внутрь той фазы, с которой взаимодействие больше. Та­ким образом, поверхностный слой обладает избыточной поверхност­ной энергией, или энергией Гиббса G , которая при постоянном давлении и температуре (Р, С = const) пропорциональна поверхно­сти раздела:


(1)

где S1,2 – поверхность раздела (м2); 1,2 – свободная поверхностная энергия, отнесенная к еди­нице поверхности, или удельная поверхностная энергия. Эта вели­чина называется поверхностным натяжением и выражается в Дж/м2 или эрг/см2.

Поверхностное натяжение можно представить также как энергию переноса молекул из объема тела на поверхность или как работу образования единицы поверхности.

В общем случае поверхностное натяжение является частной производной от энергии Гиббса по межфазной поверхности при постоянных температуре и давлении для постоянного числа молей компонентов:

. (2)

Отсюда следует, что внутренняя (полная) энергия Us выра­жается уравнением Гиббса-Гельмгольца:

, или , (3)

где qs – теплота образования поверхности.

Системы с избытком свободной энергии неравновесны и термо­динамически неустойчивы, т.к. условием устойчивого равновесия системы является минимальная свободная энергия. В таких системах протекают процессы, приводящие к равновесию, т.е. уменьшению поверхностной энергии Гиббса. Такими самопроизвольно протекающими процессами являются:

  1. уменьшение межфазной поверхности (изменение формы и кривизны; коагуляция, коалесценция и др.) при постоянном поверхностном натяжении ;

  2. уменьшение поверхностного натяжения при сохранении постоянной поверхности S=const (адгезия и смачивание, адсорбция, возникновение электрического потенциала и др.).


Изменение кривизны поверхности вызывает изменение внутреннего давления в телах.

Разность давлений Р в жидкости с кривизной поверхности и без нее называется капиллярным давлением.

Связь капиллярного давления с кривизной поверхности описывается уравнением Лапласа:


, (4)

где r – радиус кривизны.

Это соотношение лежит в основе многих методов определения поверхностного натяжения.

Если жидкость имеет поверхность раздела не с газом, а с другой жидкостью или твердым телом, то между ними существует работа адгезии (прилипания) Wадг, характеризующая взаимодействие фаз. Она определяется уравнением Дюпре


, (5)

где 1 – поверхностное натяжение твердого тела 1 или жидкости на границе с газом; 2 – поверхностное натяжение твердого тела 2 или жидкости на границе с газом; 1,2 – поверхностное натяжение на границе жидкость – жидкость или жидкость – твердое тело.

Из уравнения Дюпре следует, что чем больше работа адгезии (взаимодействия между фазами), тем меньше межфазное натяжение 1,2. Уменьшение поверхностной энергии происходит в результате адсорбции (концентрирования) молекул веществ в поверхностном слое.

Зависимости между величиной адсорбции и уменьшением поверхностного натяжения выражается уравнением Гиббса:


, (6)

где  – поверхностное натяжение, µ – химический потенциал адсорбирующегося вещества; Г – избыток вещества в поверхностном слое по сравнению с объемной фазой.

При малых концентрациях адсорбирующегося вещества уравнение (6) можно записать в виде:

(7)

где С – равновесная концентрация растворенного вещества в объемной фазе.


Отношение называется поверхностной активностью адсорбирующегося вещества и характеризует его способность изменять поверхностное натяжение.

Все вещества по способности изменять поверхностное натяжение на границе раздела фаз делятся на поверхностно-активные и поверхностно-инактивные.

Вещества, понижающие поверхностное натяжение, называются поверхностно-активными (ПАВ); с повышением их концентрации поверхностное натяжение падает, т.е.  0, адсорбция (Г) и поверхностная активность (q) положительны: Г  0, q  0 (рис.1, кривая 1).

Вещества, повышающие поверхностное натяжение, называются поверхностно-инактивными (ПИАВ); для них > 0, т.е. поверхностное натяжение возрастает при повышении концентрации, а адсорбция (Г) и поверхностная активность (q) отрицательны (рис. 1, кривая 2).




Рис. 1. Изотермы адсорбции поверхностно-активных (1) и инактивных (2) веществ


ПАВ имеют резко выраженное ассиметричное строение: они содержат различной длины углеводородный радикал (неполярная часть) и очень небольшую, по сравнению с органическим радикалом, полярную (гидрофильную) часть. В роли полярных гидрофильных групп в молекулах ПАВ обычно выступают функциональные группы: -NH2, -OH, -SH,-COOH, -SO3H и др.

Таким образом, молекулы ПАВ дифильны, поэтому в поверхностном слое они ориентируются так, чтобы их гидрофильная группа была обращена к воде, а гидрофобная – к воздуху или другой, менее полярной фазе.

Расположение адсорбированных молекул в поверхностном слое зависит от их концентрации в этом слое (рис.2)


Рис. 2. Расположение адсорбированных молекул в поверхностном слое


Графически полярную часть молекулы принято изображать кружочком «О», а неполярную – линией «» .

В насыщенном мономолекулярном слое молекулы ПАВ образуют частокол (рис. 2, В). Такой слой можно рассматривать как конденсированную монопленку адсорбированного вещества.

Дальнейшее увеличение числа молекул в таком слое невозмож­но, следовательно, при определенной концентрации ПАВ в растворе наступает предел адсорбции.

Для достаточно разбавленных растворов уменьшение поверхност­ного натяжения описывается эмпирическим уравнением Шишковского:

,

где 0 – поверхностное натяжение чистого растворителя; р – поверхностное натяжение раствора; С - концентрация ПАВ; a, b – эмпирические константы уравнения; a – константа, характерная для данного гомологического ряда ПАВ; b – константа, характеризующая поверхностную активность данного вещества.

Поверхностная активность (q) ПАВ зависит от длины углево­дородного радикала. Эта зависимость выражается правилом Дюкло-Траубе. Согласно этому правилу в гомологическом ряду жирных кислот и спиртов поверхностная активность соединений растет при переходе от низшего гомолога к высшему (т.е. на каждую группу -СН2) приблизительно в 3,2 - 3,5 раза.


Рис.3. Изотерма поверхностного натяжения


Поверхностную активность q можно найти графически: она равна отрицательному тангенсу угла наклона касательной к изотерме поверхностного натяжения, проведенной из точки пересечения этой кривой с осью ординат (рис. 3):

.

Для разбавленных растворов правило Дюкло-Траубе можно записать в следующем виде:

.

Правило Дюкло-Траубе выполняется лишь для водных растворов ПАВ при комнатной температуре.

Используя уравнение Гиббса, по изотерме поверхностного нятяжения ПАВ можно построить соответствующую изотерму адсорбции следующим образом. К кривой =f(С) в 5-7 точках строят касательные. Для их построения можно воспользоваться следующим простым методом: вблизи предполагаемой точки касания строят две параллельные хорды (рис. 4) и через их середины проводят прямую до пересечения с кривой =f(С).

Через найденную таким образом точку параллельно хордам проводят касательную до пересечения с осью ординат.

Отношение отрезков z и С равно: .

Подставив значение, найденное для в уравнение Гиббса, получим:




C

Z



С



Рис. 4. Построение изотермы адсорбции


Определяют указанным способом несколько значений величины Г и строят изотерму адсорбции в координатах Г = f(С).


ОБЩИЕ ПРАВИЛА РАБОТЫ В ХИМИЧЕКОЙ ЛАБОРАТОРИИ


  1. Во время работы в химической лаборатории соблюдайте тишину, порядок, чистоту, рационально стройте свою работу, ведите ее точно и аккуратно

  2. Не приступайте к работе без разрешения преподавателя или лаборанта.

  3. Запрещается работать в лаборатории одному.

  4. Каждый студент должен работать на закрепленном за ним месте или на месте, специально отведенном для данной работы.

  5. Во время работы надевайте халат; имейте салфетку.

  6. Аккуратно и осторожно обращайтесь с химической посудой, реактивами и приборами.

  7. Не работайте с грязной посудой, не оставляйте ее немытой.

  8. Работу с ядовитыми веществами проводите в вытяжном шкафу.

  9. Соблюдайте меры предосторожности при работе с взрывоопасными и легковоспламеняющимися веществами.

  10. Не выливайте в раковины остатки органических реактивов. Сливайте эти вещества в специальные склянки, помещенные в вытяжном шкафу. Не бросайте в раковину бумагу, песок и другие твердые вещества.

  11. Не оставляйте никаких веществ в посуде без этикеток.

  12. Не путайте пробки от склянок, содержащих разные реактивы, во избежание загрязнения последних.

  13. При взвешивании сухих реактивов не высыпайте их прямо на чашку весов.

  14. Запрещается курить и принимать пищу в лаборатории.

Соблюдать осторожность при работе со стеклянной посудой, растворами спиртов.


Лабораторная работа 1


ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ
  1   2

Похожие:

Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Саратовский государственный технический университет iconРоссийской Федерации Федеральное агентство по образованию Саратовский государственный технический университет
Поэтому адгезией называют мо­лекулярную связь, возникающую между поверхностями разнородных тел, приве­денных в контакт
Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Саратовский государственный технический университет iconРоссийской Федерации Федеральное агентство по образованию Саратовский государственный технический университет
Поэтому вопросы адгезии связующего к наполнителю, интенсификации и направленного регулирования адгезионного взаимодействия имеют...
Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Саратовский государственный технический университет iconРоссийской Федерации Федеральное агентство по образованию Санкт-Петербургский государственный университет
...
Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Саратовский государственный технический университет iconРоссийской Федерации Федеральное агентство по образованию Южно-Уральский государственный университет Кафедра социологии
Требование к обязательному минимуму содержания дисциплины «Социология организаций» по специальности 040201 «Социология»
Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Саратовский государственный технический университет iconСаратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю. А
«Электроника и наноэлектроника» (уровень бакалавриата), утверждённого приказом Министерства об разования и науки Российской Федерации...
Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Саратовский государственный технический университет iconУчебно-методический комплекс дисциплины психология и педагогика урюпинск 2009 Федеральное агентство по образованию Российской Федерации гоу впо «Волгоградский государственный университет»
Рабочая программа составлена на основании государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования, направления...
Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Саратовский государственный технический университет icon«Политология»
Министерство образования и науки российской федерации федеральное агентство по образованию
Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Саратовский государственный технический университет iconКурсовая работа по лексикологии на тему: «Фразеологические единицы и идиомы в английском языке»
Федеральное агентство по образованию рростовский государственный экономический университет «ринх»
Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Саратовский государственный технический университет iconУчебно-методический комплекс по дисциплине «История государства и права зарубежных стран»
Министерство образования и науки российской федерации федеральное агентство по образованию
Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Саратовский государственный технический университет iconР оссийской федерации федеральное агентство по образованию

Разместите кнопку на своём сайте:
Документы


База данных защищена авторским правом ©kzdocs.docdat.com 2012
обратиться к администрации
Документы
Главная страница